基于三維離散元法的地下洞室定位塊體地震響應(yīng)

朱付廣,王 禹,宋康林,劉繼國,朱澤奇

(1.湖北省電力勘測設(shè)計(jì)院,湖北武漢 430040;2.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖北武漢 430056; 3.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所,湖北武漢 430071)

基于三維離散元法的地下洞室定位塊體地震響應(yīng)

朱付廣1,王 禹1,宋康林2,劉繼國2,朱澤奇3

(1.湖北省電力勘測設(shè)計(jì)院,湖北武漢 430040;2.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖北武漢 430056; 3.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所,湖北武漢 430071)

為分析定位塊體在不同支護(hù)工況下的地震響應(yīng)特征與動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性響應(yīng),以大崗山水電站地下廠房為工程實(shí)例,采用塊體理論和三維離散元軟件(3DEC)建立了安裝間某典型定位塊體數(shù)值模型,并將圍巖模擬開挖位移與實(shí)測變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,論證塊體與結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)及相關(guān)模型建立的合理性。對比該定位塊體在不同支護(hù)工況下的地震響應(yīng)規(guī)律與動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性,結(jié)果表明,應(yīng)用離散單元方法分析塊體地震響應(yīng)與穩(wěn)定性是可行的,錨桿支護(hù)對定位塊體具有較好的抗震作用。

地下洞室;塊體理論;三維離散元法;地震響應(yīng);大崗山水電站

在不連續(xù)數(shù)值分析方法中,離散元與DDA、流形元等方法一起,是被認(rèn)為適用于不連續(xù)巖體變形與穩(wěn)定分析的有力工具[1]。離散元法是針對節(jié)理巖體提出的一種適用于模擬巖土體大位移的數(shù)值方法,與工程中常用的有限元方法相比,離散元法在三大定律的滿足上有所不同:①從平衡方程上看,離散元法采用牛頓第二定律控制,按圍繞各剛體塊體形心的力平衡和力矩平衡來滿足;②從變形協(xié)調(diào)方程來看,各剛體塊體間不再位移連續(xù),而是允許大變形和斷裂分開,可以模擬巖體不連續(xù)結(jié)構(gòu)面的滑移與開裂;③從本構(gòu)方程上看,離散元法避開了復(fù)雜的本構(gòu)關(guān)系推導(dǎo),采用在剛性塊體間設(shè)置不同種類彈簧和阻尼(法向剛度和阻尼、切向剛度和阻尼)來反映材料的應(yīng)力 位移關(guān)系[2]。離散元法避開大規(guī)模剛度矩陣的形成,采用動(dòng)態(tài)松弛法求解,可以高效地求解非線性大變形問題。

在地震動(dòng)載荷作用下,地震波將在斷層、巖脈等結(jié)構(gòu)面上產(chǎn)生復(fù)雜的透射、折射、反射等傳播現(xiàn)象,個(gè)別部位的巖體就可能產(chǎn)生松動(dòng)滑移甚至失穩(wěn)垮落。節(jié)理巖體地下洞室開挖的穩(wěn)定性問題一直是巖土工程界比較關(guān)注的問題,但對于地下廠房中由結(jié)構(gòu)面和高邊墻、大跨度頂拱切割形成的可動(dòng)塊體,對其動(dòng)力特性和穩(wěn)定性目前研究較少。周劍等[3]運(yùn)用離散元軟件研究了結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與節(jié)理數(shù)量影響下應(yīng)力波傳播規(guī)律,結(jié)果表明結(jié)構(gòu)面數(shù)量越多,應(yīng)力波穿過后造成動(dòng)力響應(yīng)越弱,驗(yàn)證了斷裂的隔震效應(yīng)與上盤效應(yīng);楊志華等[4]將強(qiáng)震作用下斷層破裂及其引起的隧道圍巖破壞過程定性地劃分為5個(gè)主要階段:彈性應(yīng)力集中階段、破裂起始階段、破裂加速階段、穩(wěn)定破裂階段和破裂逐漸停止階段;王光綸等[5-7]對剛性塊體進(jìn)行了動(dòng)力試驗(yàn)和離散元法動(dòng)力分析參數(shù)選擇的研究,得到了地震影響下剛性塊體穩(wěn)定性的一些非常有價(jià)值的結(jié)論;石崇等[8-10]運(yùn)用二維離散元與三維離散元軟件模擬了巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)過程,結(jié)果表明高烈度地震作用下巖質(zhì)邊坡破壞是從表層局部塊體失穩(wěn)開始的;李海波等[11-12]針對地震荷載作用下順層巖質(zhì)邊坡安全系數(shù)進(jìn)行了分析研究,給出了在離散元中判斷塊體滑動(dòng)變形最終穩(wěn)定與否的方法。

本文以大崗山水電站地下廠房施工期揭露地質(zhì)資料為基礎(chǔ),運(yùn)用三維離散元軟件(3DEC)建立安裝間某典型定位塊體的數(shù)值模型,研究定位塊體在不同支護(hù)工況下的地震響應(yīng)特征與動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。

1 工程概況及模型建立

大崗山水電站壩址位于四川省大渡河中游上段雅安市石棉縣境內(nèi)。電站裝機(jī)容量為2600MW。引水、發(fā)電建筑物由電站進(jìn)水口、4條壓力管道、地下廠房、主變室、尾水調(diào)壓室、2條尾水洞等組成。地下廠房系統(tǒng)采用主副廠房、主變室、尾水調(diào)壓室3大洞室平行布置,主廠房開挖尺寸為206.00 m×30.80 m× 73.78m(長×寬×高),主變室開挖尺寸為144.00 m× 18.80 m×25.10 m(長×寬×高),尾水調(diào)壓室長為130.00m,凈跨度為20.50～24.00m,室高為75.08m。廠區(qū)巖體新鮮較完整,呈塊狀～次塊狀結(jié)構(gòu),巖塊嵌合緊密,有斷層f57、f58、f59和f60等較大規(guī)模的軟弱結(jié)構(gòu)面和延伸較長的β6、β80、β81等輝綠巖脈穿過廠房洞群區(qū)。廠區(qū)裂隙(Ⅴ級結(jié)構(gòu)面)優(yōu)勢產(chǎn)狀大致有5組,總體上以近SN/E向、近EW/N(或S)向陡傾角結(jié)構(gòu)面最為發(fā)育。

工程區(qū)位為SN向、NW向和NE向多組斷裂構(gòu)造交匯部位,區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及地震地質(zhì)背景復(fù)雜,新構(gòu)造活動(dòng)較強(qiáng)烈,其區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性對工程建設(shè)影響較大。水電站壩址50年超越概率10%基巖水平向峰值加速度為0.251g,相應(yīng)地震基本烈度為8度。安裝間頂拱施工期間揭露較大型巖脈如圖1所示,由圖1可直觀看出,巖脈βc3、βc4、βc5相互切割,形成了一體積達(dá)46.87 m3、埋深12.83 m的定位塊體,其施工期和運(yùn)營期穩(wěn)定性引起了設(shè)計(jì)和施工方的極大關(guān)注,有鑒于此,本文利用3DEC建立安裝間定位塊體模型,模型尺寸330 m×330 m×60 m(分別為x、y、z向尺寸,如圖2所示),通過模擬開挖和施加支護(hù)與地震荷載,研究該定位塊體開挖穩(wěn)定性以及地震響應(yīng)規(guī)律,為地下廠房施工期和運(yùn)營期穩(wěn)定性評價(jià)提供分析資料和依據(jù)。

圖1 安裝間巖脈地質(zhì)示意圖

圖2 三維離散元模型

計(jì)算模型中巖體材料選用各向同性彈性本構(gòu)模型,結(jié)構(gòu)面采用面接觸的Coulomb滑動(dòng)模型,巖體為II類圍巖,物理力學(xué)指標(biāo)如下:密度2 650 kg/m3,彈性模量20 GPa,泊松比0.25;結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)指標(biāo)如下:法向剛度20 GPa/m,切向剛度10 GPa/m,內(nèi)摩擦角35°,黏聚力0.5 MPa。

2 模型驗(yàn)證

地下洞室開挖順序見圖3。每開挖一步,迭代計(jì)算直至整個(gè)計(jì)算模型穩(wěn)定為止,然后再進(jìn)行下一步的開挖。洞室開挖后發(fā)生指向臨空面的位移,洞周位移云圖如圖4所示?？梢钥闯?拱頂開挖完成后最大位移值為2.276 cm。

圖3 地下廠房開挖順序示意圖(單位:m)

在上層排水廊道具備鉆孔施工條件后,由排水廊道向主廠房鉆孔,施工時(shí)在監(jiān)測孔CSP2-1中埋設(shè)了滑動(dòng)測微計(jì)監(jiān)測管,此時(shí)主廠房僅進(jìn)行了中導(dǎo)洞部分的先期開挖,如圖5所示。

圖4 完全開挖后洞周位移云圖

圖5 監(jiān)測孔布置示意圖

將該洞段附近安裝的滑動(dòng)測微計(jì)位移監(jiān)測結(jié)果與該計(jì)算剖面相應(yīng)部位的位移進(jìn)行對比,圖6給出了主廠房上游邊墻部位CSP2-1監(jiān)測孔利用滑動(dòng)測微計(jì)實(shí)測位移和無支護(hù)條件下的計(jì)算位移過程線。從安裝間開挖完成后洞周圍巖變形的數(shù)量級來看,可以認(rèn)為圍巖在洞室開挖后未發(fā)生大的變形。位移實(shí)測值與計(jì)算值大小在同一個(gè)量級,相差不大,且隨開挖施工過程的變化趨勢也基本一致,說明本文所建模型和相關(guān)力學(xué)參數(shù)取值合理,可以作為下一步地震響應(yīng)研究的基礎(chǔ)。

圖6 監(jiān)測與計(jì)算位移過程線

3 地震響應(yīng)分析

3.1 無支護(hù)塊體地震穩(wěn)定性計(jì)算與分析

由于工程區(qū)域缺乏現(xiàn)有的實(shí)測地震波數(shù)據(jù),采用與大崗山水電站斷裂帶和地質(zhì)背景相似的汶川地震中郫縣走石山地震臺記錄的地震波來研究該電站地下廠房塊體的地震響應(yīng)。利用低頻濾波器將輸入地震波時(shí)程中高頻部分濾去,并經(jīng)基線校正后得到如圖7所示的地震速度時(shí)程曲線。地下洞室開挖模擬達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后,將模型四周(水平向)設(shè)置為黏滯邊界,同樣將計(jì)算模型底部邊界(豎直向)設(shè)置為黏滯邊界,并輸入校正后的汶川地震中郫縣走石山3個(gè)方向上的地震動(dòng)作用,開展定位塊體的地震響應(yīng)計(jì)算,如圖8所示。

圖7 郫縣走石山3個(gè)方向的地震速度波

圖8 地震響應(yīng)分析計(jì)算模型

在離散元法地震反應(yīng)分析中,可通過監(jiān)測該定位塊體質(zhì)心部位的絕對位移響應(yīng)時(shí)程和該定位塊體質(zhì)心與組成該定位塊體四周結(jié)構(gòu)面的相對滑動(dòng)位移規(guī)律,來分析研究定位塊體的地震響應(yīng)特征以及地震穩(wěn)定性。圖9給出了定位塊體在郫縣走石山地震波作用下的3個(gè)方向上的絕對位移響應(yīng)時(shí)程曲線?？梢钥闯鲈摱ㄎ粔K體在位移地震響應(yīng)過程中整體上呈與圍巖共同振動(dòng)的趨勢,但最終3個(gè)方向上都產(chǎn)生了一定的殘余位移。

圖9 定位塊體3個(gè)方向的位移響應(yīng)時(shí)程

為了進(jìn)一步分析該殘余位移產(chǎn)生的過程,圖10給出了該定位塊體沿結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)的位移時(shí)程曲線(位移為塊體對應(yīng)于圍巖的位移,下同)。通過對塊體地震工況下產(chǎn)生的永久位移分段分析可知:由于地震波起始階段振幅較小,因而塊體AB段位移較小;地震波輸入約20 s時(shí)3個(gè)方向上都幾乎達(dá)到峰值,導(dǎo)致塊體在BC段的滑動(dòng)位移產(chǎn)生了躍遷;地震波在25～45 s時(shí)3個(gè)方向都處于劇烈的振動(dòng)階段,由此導(dǎo)致塊體CD段的位移也產(chǎn)生較大的波動(dòng);地震波在DE段趨于平緩,塊體的位移相應(yīng)也趨于平穩(wěn),并最終產(chǎn)生5cm左右永久位移。3DEC軟件的計(jì)算未能考慮巖土力學(xué)參數(shù)的退化效應(yīng),故塊體滑動(dòng)了5 cm仍能在兩個(gè)滑動(dòng)面阻滑力作用下保持穩(wěn)定,但廠房拱頂定位塊體5 cm的變形已經(jīng)影響正常使用,屬于破壞狀態(tài)。

圖10 定位塊體的滑動(dòng)位移時(shí)程

3.2 支護(hù)條件下塊體地震穩(wěn)定性計(jì)算與分析

依據(jù)洞室支護(hù)設(shè)計(jì)資料實(shí)際情況(圖11),對該定位塊體施加2根長9m的預(yù)應(yīng)力錨桿和2根長6 m的普通砂漿錨桿,布錨間距都為1.2 m,進(jìn)行支護(hù)后的地震穩(wěn)定性計(jì)算,其中錨桿是通過3DEC軟件中的命令“struct”與關(guān)鍵詞“cable”和“prop”施加的;圖12為支護(hù)后該定位塊體的地震滑動(dòng)位移響應(yīng)時(shí)程曲線。可將施加支護(hù)后的塊體位移時(shí)程劃分為3個(gè)階段:AB段時(shí)地震作用較小,幾乎沒有產(chǎn)生位移;BC段隨著地震作用增大,該定位塊體相對位移在2.5 mm左右震蕩,且位移波動(dòng)幅度較大,但由于錨桿力的約束,該定位塊體相對位移沒有產(chǎn)生圖11所示的躍遷;CD段地震波逐漸減弱,塊體的位移也趨于平穩(wěn),最終在錨桿力、塊體下滑力與兩個(gè)滑面阻滑力綜合平衡下產(chǎn)生了1 mm左右的殘余位移。對比施加支護(hù)前后的相對位移響應(yīng)規(guī)律,說明錨桿對于定位塊體具有較好的抗震作用。

圖11 定位塊體錨桿支護(hù)

圖12 支護(hù)條件下定位塊體的滑動(dòng)位移時(shí)程

4 結(jié) 語

本文以大崗山水電站地下廠房為工程實(shí)例,以在施工期揭露地質(zhì)資料為基礎(chǔ),運(yùn)用3DEC建立安裝間某典型定位塊體的數(shù)值模型,開展了安裝間的開挖穩(wěn)定性分析以及定位塊體的地震響應(yīng)分析,比較了定位塊體在支護(hù)條件下的位移響應(yīng)特點(diǎn)和規(guī)律,結(jié)果表明應(yīng)用離散單元方法分析定位塊體地震響應(yīng)與穩(wěn)定性是可行的,錨桿對于定位塊體具有較好的抗震作用。

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Seismic response assessment of positioning block in underground cavern based on 3D DEM//

ZHU Fuguang1, WANG Yu1,SONG Kanglin2,LIU Jiguo2,ZHU Zeqi3
(1.Hubei Electric Power Survey&Design Institute,Wuhan 430040; 2.China Second Highway Survey,Design and Research Institute of Communications,Wuhan 430056,China;3.Institute of Rock and Soil Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Wuhan 430071,China)

In this paper,we analyze the earthquake response characteristics and dynamic stability of positioning block under different support conditions by taking the underground plant of Dagangshan Hydropower Station as an example.In doing it so,a typical positioning block numerical model of erection bay based on the block theory and three-dimensional distinct element code(3DEC)have been built.Additionally,we perform a comparison between simulative dig displacement of surrounding rock and real deformation monitoring data,then demonstrates the parameter of block and structural planes and the feasibility of building relative models.Overall,the comparisons of earthquake response characteristics and dynamic stability of positioning block under different support conditions show that it is feasible to analyze block earthquake and stability with discrete element method.Additionally,the bolting support presents a better antiearthquake effect for positioning block.

underground cavern;key block;3D DEM;seismic response;Dagangshan Hydropower Station

TV731.6;P315.9

:A

:1006-7647(2014)04-0020-04

10.3880/j.issn.1006-7647.2014.04.005

2013-0717 編輯:熊水斌)

國家自然科學(xué)基金(51009130,51279202)

朱付廣(1983—),男,江蘇鹽城人,工程師,碩士,主要從事巖土力學(xué)參數(shù)和圍巖穩(wěn)定性研究。E-mail:331584689@qq.com