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《大连理工大学》 2009年
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大型岩体洞室地震响应及减震措施研究

赵宝友  
【摘要】: 近年来,随着我国西部大开发战略的深入推进,数十座大型水电站工程在我国西部的地震高烈度聚集区和频发区正在或即将兴建。受地形等条件的限制,这些水电站的引水发电建筑物往往布置在地下岩体中,形成超大型的岩体地下洞室群。由于这种大型的岩体地下洞室群在空间上表现为大跨度、高边墙和长轴线的特点,那么,如何确保这类大型岩体地下洞室群在地震荷载作用下,尤其是强震作用下的动力稳定性,是工程设计中急待解决的关键问题。因此,本文以动力非线性有限元程序ABAQUS为平台,对水电站厂房岩体地下洞室群地震响应的数值模型、计算方法和影响因素进行了系统研究,并在此基础之上,提出了水电站厂房这类大型岩体洞室的减震方法。 首先,建立了适合岩体地下洞室群静动力分析的有限元-无限元(FE-IE)耦合计算模型。基于该FE-IE耦合计算模型,通过数值解答与解析解答的对比分析,验证了ABAQUS中隐式和显式两种动力模块求解半空间散射场波动问题的精确性和可行性,进而证明了该耦合计算模型在地下洞室静动力分析研究领域的良好应用前景。之后系统研究了洞室埋深、地应力、岩体强度和断层破碎带这些地质因素对岩体洞室动力响应的影响。计算表明,洞室的埋深、地应力状况、岩体强度和断层破碎带在不同程度上都会影响着岩体洞室的地震响应。 其次,从理论分析的角度,通过对损伤塑性模型基本理论及其适用条件的分析,阐明了损伤本构模型用于岩体地下洞室动力特性研究的理论适应性,并将此损伤塑性本构模型用于水电站厂房岩体地下洞室结构地震响应的研究。实例分析表明,损伤塑性模型能考虑地震等循环动荷载作用下岩体刚度退化和应变率的影响,能很好地描述混凝土、岩体等脆性材料的力学损伤行为,适合在岩体地下洞室抗震分析中应用。对于平行并排布置的水电站厂房岩体地下洞室群来说,当洞室群间距小于一倍洞室特征长度时(洞室特征长度定义为洞室群中相邻洞室最大的洞室跨度),洞室间距显著影响着洞室群的稳定性;当洞室群相邻洞室围岩厚度超过临界洞室间距时,洞室群稳定性受洞室间距的影响较小;对于一般工程的岩体来说,当洞室间距超过两倍的洞室特征长度时,结合合理的支护方式和抗震措施,洞室群的稳定性在一定程度上足可以得到满足。 再次,考虑到水电站厂房岩体洞室轴线尺寸较长和地震动空间非均匀性的特点,研究了行波激励下这类大型岩体洞室的动力非线性响应。地震动行波激励下,洞室轴向各点的地震响应存在一定的相位差。地震动幅值是造成地下洞室发生破坏的关键因素,对于水电站厂房这类长轴线(轴线长度为300~400 m)的大型岩体地下洞室来说,小幅值地震动的行波效应对地下洞室破坏未产生明显影响,此时可不考虑地震动行波效应;然而,强震的行波效应对地下洞室破坏影响十分显著,此时应考虑强震动行波效应。 随后,针对爆炸荷载这一特殊的高频动荷载,研究了水电站厂房岩体洞室的抗爆性能。浅埋深的洞室抗爆性能较差,深埋深的洞室抗爆性能较强。当侧压系数小于1时,随侧压系数的增加,洞室的抗爆性能变化并不明显;当地应力侧压系数大于1后,由于洞室稳定性受水平向地应力影响较大,随侧压系数的增加,洞室的抗爆性能显著降低。由于洞室拱顶效应影响,实际工程应加强对洞室拱肩、拱顶、底脚的加固支护,特别是洞室的拱肩部位。 最后,针对水电站厂房这类大型岩体洞室,提出了采用设置柔性隔震垫层、注浆加固层和轴向隔震缝的减震措施,并分别对柔性隔震垫层、注浆加固层和轴向隔震缝的减震效果进行了敏感性分析。研究结果表明,硬岩洞室采用柔性隔震垫层的减震效果比较理想;软岩洞室采用注浆加固层的减震效果最佳;设置轴向隔震缝更有利于提高洞室结构的抗震性能。尽管设置柔性垫层后没有从根本上改变岩体洞室结构的动力特性,但设置一定厚度的柔性隔震垫层后不仅能充分发挥岩体洞室围岩的自承能力,而且还能明显地减小混凝土衬砌的动力反应。注浆加固层在很大程度上能减轻软岩洞室结构的地震反应。相邻机组段之间设置隔震缝不仅能降低施工期间混凝土所产生的干缩裂纹,而且在地震动期间还能显著降低混凝土衬砌的地震应力。本文提出的减震措施为后续类似工程的隔震和减震设计提供了方向。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TV312

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【引证文献】
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8 赵震英;叶勇;;地下洞群围岩稳定性模型的试验研究[A];第一届全国岩石力学数值计算及模型试验讨论会论文集[C];1986年
9 温伟;耿民;;特大型地下洞室群施工监测方法研究[A];第一届中国水利水电岩土力学与工程学术讨论会论文集(下册)[C];2006年
10 朱维申;王平;徐靖南;;岩体动态施工力学与人工智能方法在工程方案优化中的应用[A];中国岩石力学与工程学会第三次大会论文集[C];1994年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 本报记者 一丁 余庆记者站 袁星忠;高峡平湖展宏图[N];遵义日报;2009年
2 本报记者 贝为超 本报通讯员 张重汶 潘炳康;第一生产力创奇迹[N];广西日报;2003年
3 通讯员 李景寿;溪洛渡1600多员工坚守岗位[N];云南日报;2009年
4 本报记者  蒋学林 通讯员  梁波 张蕴华;锦屏大河湾上又一“星”[N];中国电力报;2007年
5 记者 贝为超 通讯员 张重汶;丰碑崛起 丰收在望[N];广西日报;2006年
6 通讯员 王久兴;溪洛渡水电站明年底大江截流[N];中国电力报;2006年
7 孙军胜;刀尖上的舞者[N];中国水利报;2007年
8 毛绍清;二滩公司携手中国水科院[N];西南电力报;2008年
9 记者 江时强 吴植;我第二大水电站厂房开始浇筑混凝土[N];新华每日电讯;2009年
10 王立武;中铁十六局科技创新打造核心竞争力[N];科技日报;2003年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 于崇;水封式地下石油储油库洞室群围岩稳定性及渗流场分析[D];中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所);2010年
2 李攀峰;大型地下洞室群围岩稳定性工程地质研究[D];成都理工大学;2004年
3 李远;大型洞室群地应力测试及基于统一强度理论的稳定性分析[D];北京科技大学;2008年
4 郑达;金沙江其宗水电站高堆石坝建设适宜性的工程地质研究[D];成都理工大学;2010年
5 王亚军;基于模拟对比的水封液化气库地下结构设计参数研究[D];中国地质大学;2013年
6 孙博;高埋深地下洞室围岩破坏机理及其稳定性的细观力学研究[D];天津大学;2012年
7 宋琨;花岗片麻岩体渗透特性及水封条件下洞库围岩稳定性研究[D];中国地质大学;2012年
8 倪绍虎;地下工程并行优化反演分析方法研究[D];武汉大学;2010年
9 刘立鹏;锦屏二级水电站施工排水洞岩爆问题研究[D];中国地质大学(北京);2011年
10 胡斌;深切峡谷区大型地下洞室群围岩稳定性的动态数值仿真研究[D];成都理工大学;2002年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 魏巍;洞室群围岩稳定性数值模拟分析[D];北京交通大学;2010年
2 杨举;地下水封油库洞室群应力应变规律与设计优化研究[D];中国地质大学;2011年
3 陈冉升;大型复杂地下洞室群开挖顺序及支护方法[D];兰州大学;2012年
4 郇澜;中条山公路隧道地下风机房洞室群围岩稳定性分析[D];西安科技大学;2012年
5 丁葆琛;葡萄山公路隧道通风机房洞室群围岩稳定性分析[D];重庆大学;2010年
6 王峥;锦屏一级水电站左岸基础洞室群开挖对坝头边坡变形及稳定性的影响研究[D];成都理工大学;2010年
7 李书兴;注采气循环荷载作用下含夹层岩盐储库洞室粘弹塑性变形及稳定性分析[D];河北工业大学;2012年
8 苏鹏云;瀑布沟地下厂房优化设计和洞室群围岩稳定数值模拟分析[D];武汉大学;2004年
9 王汉鹏;高地应力非均质软岩洞室群稳定性分析与控制研究[D];山东科技大学;2004年
10 唐柏林;糯扎渡水电站地下厂房洞室群施工顺序研究[D];四川大学;2006年
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