强震作用下大型地下厂房洞室群灾变仿真研究
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摘要
随着大批大型地下厂房洞室群的兴建及地下工程震害实例的不断出现，地震作用下地下洞室群的工程安全问题越来越受到重视，特别是近年来我国地下厂房洞室群工程数量众多、体型复杂，建设规模史无前例，面临的地震安全挑战十分严峻。地震作用是影响大型地下厂房洞室群长期安全运行的重要因素，一旦发生地震，地下洞室结构将有可能发生破坏，乃至诱发灾变。因此研究强震作用下大型地下厂房洞室群的灾变破坏，对地下洞室的长期安全运行及防止重大工程事故发生有重大意义。本文针对强震作用下大型地下厂房洞室群灾变分析中存在的关键科学问题，融合三维地质建模技术、数值分析方法等多个交叉学科的先进理论与技术，开展了强震作用下大型地下厂房洞室群灾变仿真的研究工作。本文主要工作与研究成果如下：
1.提出基于三维地质模型的强震作用下地下厂房洞室群灾变仿真建模理论与分析方法。综合考虑空间曲面断层、起伏地层、节理裂隙以及这些曲面网络切割形成的局部块体等复杂地质因素，建立了大型地下厂房洞室群三维地质精细模型，引入随机概率模型，分析了不同断层节理组合形成的曲面块体生成概率，有针对性的对其进行建模分析。在此基础上，建立了耦合地质模型、地下厂房结构、地震动输入的灾变仿真有限元模型。地震灾变仿真模型的建立为揭示地下洞室地震灾变的内在规律提供了理论基础。
2.研究了地震波动输入的处理及合理的输入方式。根据廖振鹏所提出的成层岩土体在频域内的暂态地震反应分析理论，利用matlab编程实现地表地震波记录向基岩深处的反演，通过均方加速度法对地震动加速度时程曲线进行基线校正；通过巴特沃斯滤波法滤去地震波记录中的高频分量，从而提高了地震波数值模拟的有效性和合理性。利用无限元作为地震灾变分析静动力边界条件，建立了有限元-无限元耦合计算模型，同时还探讨了地震灾变分析中涉及到的动阻尼的选择及网格尺寸的确定。
3.研究提出了局部与整体相结合的地下厂房洞室群地震灾变的动态仿真计算分析理论与方法。基于所建立的地震灾变有限元模型，将洞室整体分析与局部曲面块体分析相结合，形成从局部到整体的地震响应与灾变的数值模拟方法。考虑围岩与块体间的节理裂隙由粘结到破裂滑动的过程，开发了能够反映块体节理面粘结作用的非线性动接触本构模型，仿真模拟了局部曲面块体在强震作用下的破坏过程。
4.结合实际水利水电工程地下厂房洞室群稳定性研究，提出了大型地下厂房洞室群地震灾变分析与评价方法。运用改进的Newmark法—Hilber-Hughes-Tayor法对地下洞室整体及所识别出的局部曲面块体地震响应进行了分析研究，通过分析地震作用下洞室整体及各曲面块体的加速度、应力等时程变化曲线，研究了整个地震过程中洞室灾变发展情况，它将周围围岩的作用及块体自身的变形考虑在内，同时在反映地下洞室群曲面块体塑性区的发展过程及失稳机理方面具有重要的学术价值。
With plenty of constructions of large scaled underground powerhouse group,earthquake damage cases appear constantly. The engineering safety is being paidmore and more attention to. Especially in recent years, such constructions in Chinaare springing up with complicated structures and unprecedented construction scale, sothe earthquake security is becoming a big challenge Seismic action is the mainexternal factor threatening the long-term operation safety of these constuctions. Oncethe earthquake happens, the underground engineering could be damaged. Then thesecondary disaster follows. Therefore researches on the behavior of suchconstructions under seismic action are very important.
On the basis above, this article is aiming at the key scientific problem of disasteranalysis of these structures under seismic action, using the advanced theory andtechnology of interdiscipline to carry out catastrophe simulation, such as3Dgeological modeling and numerical methods. The main work and research results ofthis article are shown below:
1. Based on the3D geological model, the modeling theory and analysis methodfor catastrophe simulation of underground powerhouse group under seismic action ispresented. Some complex geological factors are considered comprehensively, such asspace surface faults, fluctuation formations, joint fissures and local block surroundedby those surfaces. A3D refined geological model is built up. The stochasticprobability model is applied to analyze the generation probability of surface blockwith different fault joint combination. Based on the above, the finite element modelfor catastrophe simulation is established coupling with geological model, undergroundpowerhouse structure and seismic loads. The establishment of the model provides atheoretical basis for revealing the inherent law of the earthquake catastrophe.
2. The selection and adjusting principle of seismic wave is researched. Based onthe transient earthquake response analysis theory of stratification geotechnical mass inthe frequency domain by Liao Zhen-peng, the seismic record is reversed from theground to the bedrock using MATLAB. The mean square acceleration method is used for baseline correction of the seismic wave. The Butterworth filter is applied toeliminate the high frequency component. The method above effectively improves thevalidity and rationality of the numerical simulation. The finite element model isestablished coupling with the infinite element as static and dynamic boundary in theseismic analysis. In addition, the selection of dynamic damping and element size arediscussed in this article.
3. This article puts forward a method combining whole and partial model indynamic simulation of underground powerhouse group. With the finite element modelcombining global cavern analysis with local curved block analysis, a numericalmethod for simulating seismic response and catastrophe is built up. Considering thefailure process of the joint fissures between the surrounding rock and block frombonding state to slipping state, this article develops a new nonlinear dynamic contactconstitutive model which could reflect the bonded effect of block joint planes andsimulates the failure process of local curved block under the seismic action.
4. Based on actual construction in the water resources and hydropower field, thisarticle puts forward a seismic analysis and evaluation method. The improvedNewmark method-Hilber-Hughes-Tayor method is used to analyze the seismicresponse of underground global cavern and local curved blocks. Through the analysisof acceleration and stress-time history curves of global cavern and curved blocks, thecaverns’cataclysm development situation is studied.At the same time, this article hascertain guiding significance in reflecting the development process and instabilitymechanism of plastic zone of curved block near underground cravens.
1.提出基于三维地质模型的强震作用下地下厂房洞室群灾变仿真建模理论与分析方法。综合考虑空间曲面断层、起伏地层、节理裂隙以及这些曲面网络切割形成的局部块体等复杂地质因素，建立了大型地下厂房洞室群三维地质精细模型，引入随机概率模型，分析了不同断层节理组合形成的曲面块体生成概率，有针对性的对其进行建模分析。在此基础上，建立了耦合地质模型、地下厂房结构、地震动输入的灾变仿真有限元模型。地震灾变仿真模型的建立为揭示地下洞室地震灾变的内在规律提供了理论基础。
2.研究了地震波动输入的处理及合理的输入方式。根据廖振鹏所提出的成层岩土体在频域内的暂态地震反应分析理论，利用matlab编程实现地表地震波记录向基岩深处的反演，通过均方加速度法对地震动加速度时程曲线进行基线校正；通过巴特沃斯滤波法滤去地震波记录中的高频分量，从而提高了地震波数值模拟的有效性和合理性。利用无限元作为地震灾变分析静动力边界条件，建立了有限元-无限元耦合计算模型，同时还探讨了地震灾变分析中涉及到的动阻尼的选择及网格尺寸的确定。
3.研究提出了局部与整体相结合的地下厂房洞室群地震灾变的动态仿真计算分析理论与方法。基于所建立的地震灾变有限元模型，将洞室整体分析与局部曲面块体分析相结合，形成从局部到整体的地震响应与灾变的数值模拟方法。考虑围岩与块体间的节理裂隙由粘结到破裂滑动的过程，开发了能够反映块体节理面粘结作用的非线性动接触本构模型，仿真模拟了局部曲面块体在强震作用下的破坏过程。
4.结合实际水利水电工程地下厂房洞室群稳定性研究，提出了大型地下厂房洞室群地震灾变分析与评价方法。运用改进的Newmark法—Hilber-Hughes-Tayor法对地下洞室整体及所识别出的局部曲面块体地震响应进行了分析研究，通过分析地震作用下洞室整体及各曲面块体的加速度、应力等时程变化曲线，研究了整个地震过程中洞室灾变发展情况，它将周围围岩的作用及块体自身的变形考虑在内，同时在反映地下洞室群曲面块体塑性区的发展过程及失稳机理方面具有重要的学术价值。
With plenty of constructions of large scaled underground powerhouse group,earthquake damage cases appear constantly. The engineering safety is being paidmore and more attention to. Especially in recent years, such constructions in Chinaare springing up with complicated structures and unprecedented construction scale, sothe earthquake security is becoming a big challenge Seismic action is the mainexternal factor threatening the long-term operation safety of these constuctions. Oncethe earthquake happens, the underground engineering could be damaged. Then thesecondary disaster follows. Therefore researches on the behavior of suchconstructions under seismic action are very important.
On the basis above, this article is aiming at the key scientific problem of disasteranalysis of these structures under seismic action, using the advanced theory andtechnology of interdiscipline to carry out catastrophe simulation, such as3Dgeological modeling and numerical methods. The main work and research results ofthis article are shown below:
1. Based on the3D geological model, the modeling theory and analysis methodfor catastrophe simulation of underground powerhouse group under seismic action ispresented. Some complex geological factors are considered comprehensively, such asspace surface faults, fluctuation formations, joint fissures and local block surroundedby those surfaces. A3D refined geological model is built up. The stochasticprobability model is applied to analyze the generation probability of surface blockwith different fault joint combination. Based on the above, the finite element modelfor catastrophe simulation is established coupling with geological model, undergroundpowerhouse structure and seismic loads. The establishment of the model provides atheoretical basis for revealing the inherent law of the earthquake catastrophe.
2. The selection and adjusting principle of seismic wave is researched. Based onthe transient earthquake response analysis theory of stratification geotechnical mass inthe frequency domain by Liao Zhen-peng, the seismic record is reversed from theground to the bedrock using MATLAB. The mean square acceleration method is used for baseline correction of the seismic wave. The Butterworth filter is applied toeliminate the high frequency component. The method above effectively improves thevalidity and rationality of the numerical simulation. The finite element model isestablished coupling with the infinite element as static and dynamic boundary in theseismic analysis. In addition, the selection of dynamic damping and element size arediscussed in this article.
3. This article puts forward a method combining whole and partial model indynamic simulation of underground powerhouse group. With the finite element modelcombining global cavern analysis with local curved block analysis, a numericalmethod for simulating seismic response and catastrophe is built up. Considering thefailure process of the joint fissures between the surrounding rock and block frombonding state to slipping state, this article develops a new nonlinear dynamic contactconstitutive model which could reflect the bonded effect of block joint planes andsimulates the failure process of local curved block under the seismic action.
4. Based on actual construction in the water resources and hydropower field, thisarticle puts forward a seismic analysis and evaluation method. The improvedNewmark method-Hilber-Hughes-Tayor method is used to analyze the seismicresponse of underground global cavern and local curved blocks. Through the analysisof acceleration and stress-time history curves of global cavern and curved blocks, thecaverns’cataclysm development situation is studied.At the same time, this article hascertain guiding significance in reflecting the development process and instabilitymechanism of plastic zone of curved block near underground cravens.
引文
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