地震荷載作用下錦屏地下廠房動(dòng)力分析

楊 瓊，張建海，殷榮剛，劉喜康

(四川大學(xué)水力學(xué)及山區(qū)河流開發(fā)與保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065)

錦屏一級(jí)水電站位于四川省涼山彝族自治州鹽源縣和木里縣境內(nèi)，是雅礱江干流下游河段的控制性水庫(kù)梯級(jí)電站，主要任務(wù)為發(fā)電。工程正常蓄水位為1 880.00 m，總庫(kù)容為77.6 億 m3，裝機(jī)容量為3 600 MW(600 MW×6臺(tái))。主廠房、主變室、尾水調(diào)壓室三大洞室平行布置，其中主廠房和主變室尺寸分別為276.99 m×25.90 m×68.63 m、197.10m ×24.24 m ×25m，尾調(diào)室為2 個(gè)圓筒洞室，下部直徑為36 m，高為83 m。

錦屏地下廠房5#機(jī)組段地質(zhì)條件如圖1所示。廠房巖體基本為大理巖夾綠片巖，圍巖類別以Ⅲ1類為主，主要發(fā)育有f13、f14、f18三條斷層。其中:f13斷層產(chǎn)狀為N50～60°E，主斷面起伏、光滑，主斷帶寬為1～2 m，層面裂隙及平行斷層的裂隙發(fā)育，弱風(fēng)化;f14斷層位于主廠房上游處，產(chǎn)狀為N50～70°E，主斷面起伏、光滑，破碎帶一般寬50～100 cm，由斷續(xù)分布的糜棱巖、角礫巖及少量斷層泥組成，多呈碎裂－鑲嵌結(jié)構(gòu);f18斷層避開三大洞室，穿過(guò)尾水連接洞，產(chǎn)狀為N75E，se＜75，斷層處圍巖類別為IV類。

現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的地應(yīng)力勘探表明，圍巖普遍出現(xiàn)中等～強(qiáng)烈的劈裂剝落及彎折內(nèi)鼓現(xiàn)象。結(jié)合右岸地下廠區(qū)進(jìn)行的地應(yīng)力測(cè)試成果分析，廠區(qū)最大主應(yīng)力量值為20～35.7 MPa，屬于高地應(yīng)力區(qū)。廠區(qū)基本烈度為VII度，50年超越概率5%的水平峰值加速度達(dá)到0.167 g，抗震問(wèn)題突出。

圖1 錦屏地下廠房5#機(jī)組段剖面地質(zhì)圖

按照設(shè)計(jì)方案，錦屏地下廠房三大洞室錨桿支護(hù)采用預(yù)應(yīng)力錨桿(Ф32，L=12/9 m，T=120 kN)及普通錨桿(Ф32/Ф28，L=7/6 m)交錯(cuò)布置，局部區(qū)域布置有鎖口錨桿(Ф32/Ф28，L=12/9 m)。錨索主要布置有預(yù)應(yīng)力錨索(L=25/30 m，T=2 000/2 500 kN)和對(duì)穿錨索。另外，在尾水連接洞洞頂與母線洞底部布置有7排錨筋樁(3Ф32)，并布置了10排對(duì)穿錨索(T=1 500 kN)。

地下廠房一般由于受到周圍巖體的約束，具有良好的抗震性能(相對(duì)于地面結(jié)構(gòu)而言)［1］。然而隨著我國(guó)西部高地震烈度區(qū)一批大型地下洞室群的建設(shè)，以及對(duì)“5·12大地震”等震害實(shí)例的研究［2－3］，地下洞室的抗震問(wèn)題日益受到地震工作者的高度重視。地震荷載作用下地下洞室變形和破壞演化直接關(guān)系到地下洞室結(jié)構(gòu)的地震穩(wěn)定性［4－7］。

本文以錦屏地下廠房5#機(jī)組段中心線斷面為對(duì)象，建立了二維有限元數(shù)值模型，詳細(xì)模擬了斷層等地質(zhì)特征以及洞室圍巖系統(tǒng)支護(hù);選取合適的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)，采用輸入加速度時(shí)程法［8－10］，對(duì)5#機(jī)組段地下廠房二維有限元模型進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析。本文主要研究地震荷載作用下的洞周位移、速度及加速度響應(yīng)情況，并將圍巖的動(dòng)力破壞區(qū)和動(dòng)拉應(yīng)力區(qū)與靜力作用下進(jìn)行對(duì)比，評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性，提出合理的抗震加固建議。

1 計(jì)算方案

1.1 計(jì)算范圍

錦屏地下廠房二維有限元?jiǎng)恿Ψ治鲞x取5#機(jī)組中心線斷面(樁號(hào)0+126.8 m)為研究對(duì)象，X方向(N28°E)由上游指向下游，截取長(zhǎng)度共589.0 m;鉛直向Y方向底部取至▽1470.0m高程，頂部延伸至山頂。二維建模時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的地質(zhì)剖面(圖1)，嚴(yán)格模擬巖層界面、地形、斷層等地質(zhì)特征。巖體均采用二維4節(jié)點(diǎn)等參實(shí)體元及其退化單元模擬，共計(jì)離散為4 705個(gè)節(jié)點(diǎn)和4 227個(gè)單元。圖2給出了研究區(qū)域的二維網(wǎng)格，圖3為開挖區(qū)二維網(wǎng)格圖及錨桿錨索單元。

1.2 計(jì)算參數(shù)

本次二維有限元?jiǎng)恿τ?jì)算采用的巖體力學(xué)參數(shù)如表1所示，廠區(qū)圍巖類別以Ⅲ1類為主，斷層處圍巖類別為IV類。

圖2 錦屏地下廠房5#機(jī)組段二維網(wǎng)格

圖3 錦屏地下廠房5#機(jī)組段開挖區(qū)錨桿錨索單元

表1 錦屏地下廠房圍巖參數(shù)建議取值表

1.3 地震作用效應(yīng)

本次動(dòng)力計(jì)算時(shí)，地震波從模型底邊界輸入，左右側(cè)邊界考慮為輻射邊界，山頂自由面采用自由邊界。

50年超越概率5%的水平峰值加速度為0.167 g。圖4為輸入的水平向地震波加速度。計(jì)算采用的系統(tǒng)阻尼系數(shù)ζ=0.05，輸入瑞雷阻尼系數(shù) α =0.523 3，β =0.004 8。

圖4 錦屏地下廠房輸入地震波水平向加速度

2 計(jì)算結(jié)果

在地震波P50=5%(峰值水平加速度0.167 g=1.638 m/s2)的作用下，三大洞室特征節(jié)點(diǎn)及單元位置如圖5所示。

圖5 5#機(jī)組段特征節(jié)點(diǎn)及特征單元位置

2.1 動(dòng)位移、速度特征

地震荷載作用下，各特征節(jié)點(diǎn)動(dòng)位移、速度、加速度振動(dòng)幅值見表2。

由表2可見:三大洞室上下游邊墻特征點(diǎn)處的水平向及鉛直向位移差異較小，均在2 mm以內(nèi);另外上下游邊墻特征點(diǎn)處水平向及鉛直向速度差異也較小，在1.78 cm/s以內(nèi)?？梢姡蠖词以诘卣鹱饔孟聟f(xié)調(diào)振動(dòng)。

主廠房的水平向動(dòng)位移略大于主變室和尾閘室的水平向動(dòng)位移;而主廠房的鉛直向動(dòng)位移略小于主變室和尾閘室的鉛直向動(dòng)位移。主廠房上游邊墻節(jié)點(diǎn)754處水平向最大動(dòng)位移達(dá)2.944 cm，鉛直向最大動(dòng)位移達(dá)0.925 cm。

三大洞室的水平向速度基本接近，主廠房上游邊墻節(jié)點(diǎn)754處的最大水平速度達(dá)11.523 cm/s，與下游邊墻節(jié)點(diǎn)1665處的最大水平向速度11.427 cm/s基本接近。另外，上游邊墻節(jié)點(diǎn)754處的最大鉛直速度達(dá)7.187 cm/s，與下游邊墻節(jié)點(diǎn)1665處的鉛直向最大速度7.898 cm/s相差僅0.71 cm/s。

2.2 動(dòng)加速度特征

地震荷載作用下，廠區(qū)最大水平向及鉛直向動(dòng)加速度等值線如圖6所示?？梢姷鼗斎爰铀俣入S高程上升，地震波受岸坡自由面反射而出現(xiàn)加速度放大現(xiàn)象，廠房三大洞室處于加速度平穩(wěn)區(qū)。三大洞室的水平向加速度在2.5 m/s2至2.7 m/s2之間，鉛直向加速度在 1.7 m/s2至 1.8 m/s2之間。加速度極值分布明顯受到斷層影響，f14和f18之間的區(qū)域加速度較小。

如表2所示，主廠房上游邊墻節(jié)點(diǎn)754的水平加速度最大達(dá)2.781 m/s2，與輸入水平峰值加速度1.638 m/s2相比，放大倍數(shù)為1.70;其鉛直加速度最大達(dá)1.886m/s2，與輸入鉛直向峰值加速度1.092m/s2相比，放大倍數(shù)為1.73。

表2 地震波作用下地下廠房特征節(jié)點(diǎn)的位移、速度、加速度

圖6 最大水平向及鉛直向加速度等值線圖

2.3 動(dòng)靜破壞區(qū)特征

圖7、8分別為動(dòng)、靜力作用下廠區(qū)圍巖破壞區(qū)分布情況，可見圍巖動(dòng)力破壞區(qū)分布規(guī)律與靜力相近，但是破壞范圍和深度有所增加。

地震荷載作用下，主廠房及主變室頂拱破壞區(qū)深度進(jìn)一步增大，分別達(dá)到3.91 m和4.4 m，相比靜力作用下加深約0.6 m和0.82 m。主廠房下游巖錨吊車梁塑性區(qū)深度則達(dá)到了9.05 m，相比靜力作用下的8.26 m加深了0.79 m。另外，主廠房機(jī)窩處塑性區(qū)深度有明顯增大，其上下游分別達(dá)到了6.65 m和7.19 m，相比靜力作用下的6.11 m和5.34 m分別增加了0.54 m和1.85 m。主變室邊墻由于加固措施的作用，上游邊墻僅出現(xiàn)零星塑性破壞點(diǎn)，而下游受到煌斑巖脈的影響，塑性區(qū)在6.96 m以內(nèi)。尾閘室由于采用筒式結(jié)構(gòu)，僅在上游邊墻出現(xiàn)剪切破壞區(qū)，深度為4.07 m左右，與靜力作用下相比有所增加，但尚未與f18塑性區(qū)貫通。

由于錦屏地下廠房支護(hù)措施較強(qiáng)，圍巖強(qiáng)度和整體性得到提高，且尾閘室采用了筒式結(jié)構(gòu)，因此有效減小了塑性區(qū)發(fā)展。該地下廠房在地震作用下，塑性區(qū)擴(kuò)展微弱，塑性區(qū)范圍和深度與靜力情況下相比僅略有增加，設(shè)計(jì)采用的支護(hù)措施可以滿足抗震要求。地震作用下的錦屏地下廠房整體處于良好工作狀態(tài)。

圖7 動(dòng)力作用下5#機(jī)組段洞周破壞模式

圖8 靜力作用下5#機(jī)組段洞周破壞模式

2.4 動(dòng)靜拉應(yīng)力區(qū)特征

在地震波作用下，地下廠房各點(diǎn)應(yīng)力發(fā)生波動(dòng)，致使廠房周圍拉應(yīng)力區(qū)擴(kuò)大。鑒于錦屏一級(jí)地下廠房處于高地震區(qū)，動(dòng)力狀態(tài)下的廠房拉應(yīng)力區(qū)是支護(hù)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，圖9給出了靜力及動(dòng)力計(jì)算所得拉應(yīng)力區(qū)包絡(luò)圖。

圖9 動(dòng)靜拉應(yīng)力區(qū)包絡(luò)圖

由圖9可知，動(dòng)拉應(yīng)力區(qū)略大于靜拉應(yīng)力區(qū)，且在局部區(qū)域有新拉應(yīng)力區(qū)生成。主廠房動(dòng)拉應(yīng)力區(qū)主要出現(xiàn)在巖錨梁、上游邊墻中下部及機(jī)窩開挖區(qū)淺表，其中下游邊墻巖錨梁部位的動(dòng)拉應(yīng)力區(qū)深度達(dá)3.45 m。主變室在下游邊墻處新增動(dòng)拉應(yīng)力區(qū)，其深度在3.3 m以內(nèi)。尾閘室在上游邊墻底部及下游邊墻處新增動(dòng)拉應(yīng)力區(qū)，其深度在3.41 m以內(nèi)?？傮w來(lái)說(shuō)，動(dòng)拉應(yīng)力區(qū)深度較小，最深在 3.7 m以內(nèi)，其量值也一般小于0.2 MPa。

3 結(jié)論

1)當(dāng)?shù)卣鸩镻50=5%(ah=0.167 g)時(shí)，主廠房的上、下游邊墻處水平向及豎直向動(dòng)位移和速度值基本接近，差異較小，表明三大洞室在地震荷載作用下協(xié)調(diào)振動(dòng)。另外，廠區(qū)處于加速度平穩(wěn)區(qū)，其水平向和鉛直向加速度大約在2.5～2.8 m/s2和1.7～2.0 m/s2之間，與輸入峰值加速度相比，放大倍數(shù)約為1.53 ～1.83。

2)廠區(qū)動(dòng)力破壞區(qū)與靜力作用下相比規(guī)律較為一致，但范圍有所增加。其中主廠房下游巖錨吊車梁破壞區(qū)深度達(dá)到9.05 m，相比靜力作用下的8.26 m加深了0.79 m。另外，由于新增塑性區(qū)多發(fā)于洞室頂拱和邊墻淺表層，建議對(duì)邊墻和頂拱增加一些柔性支護(hù)和阻攔網(wǎng)，以減小地震發(fā)生時(shí)可能出現(xiàn)的掉塊。

3)廠區(qū)動(dòng)拉應(yīng)力區(qū)略大于靜拉應(yīng)力區(qū)，且在局部區(qū)域有新拉應(yīng)力區(qū)生成。動(dòng)拉應(yīng)力區(qū)主要出現(xiàn)在洞室頂拱、上下游邊墻淺表部及主廠房巖錨梁、機(jī)窩開挖區(qū)淺表。動(dòng)拉應(yīng)力區(qū)深度較小，最深在3.7 m以內(nèi)，量值也一般小于0.2 MPa。

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