輸水隧洞的抗震研究方法及現(xiàn)狀

馬 宏 偉

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

1 概述

輸水隧洞作為生命線工程，對人類的生產(chǎn)生活活動(dòng)影響巨大，確保輸水隧洞的成功建設(shè)和安全運(yùn)用成為工程領(lǐng)域內(nèi)的一大研究熱點(diǎn)。當(dāng)前，我國淡水資源的分布在時(shí)間上和空間上均存在不均衡的現(xiàn)象，輸水隧洞在解決該問題時(shí)應(yīng)用極為廣泛，因此，在輸水隧洞動(dòng)力學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域開展研究工作有著顯著的工程意義。

2 地下結(jié)構(gòu)抗震研究現(xiàn)狀

因地下空間開發(fā)相對地面開發(fā)極為滯后，人類對地下建筑的地震響應(yīng)問題認(rèn)識較晚。早期的研究者普遍認(rèn)為地下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)與地上結(jié)構(gòu)類似，因此在研究方法上亦采用了地上結(jié)構(gòu)的方法。在20世紀(jì)50年代之前，在進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，均采用大森房吉給出的靜力方法進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)地震力的驗(yàn)算，該方法正是基于地面結(jié)構(gòu)地震力分析給出的。直至60年代后期，美國學(xué)者通過大量的研究，發(fā)現(xiàn)在地震作用下地下結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)與地面結(jié)構(gòu)差異明顯，地下結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生時(shí)抵抗慣性力的特征并不顯著，實(shí)際的結(jié)構(gòu)在保持承載能力的前提下，具有吸收圍巖傳遞的附加變形的能力，在此理念的基礎(chǔ)上，相應(yīng)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范迅速得到了建立[1]。進(jìn)入70年代后，日本學(xué)者先后針對軟土層隧道和成層土抗震問題的研究，提出了應(yīng)變傳遞法、反應(yīng)位移法等計(jì)算方法，地下結(jié)構(gòu)抗震研究方法得到了迅速發(fā)展。之后，達(dá)斯古普塔(Dasgupta)[2]給出了一種用于獲得圍巖阻抗矩陣的克隆方法，這些方法在地下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力研究中也是十分有效的。

在我國，地下結(jié)構(gòu)抗震研究工作開展已久，但相關(guān)設(shè)計(jì)方法幾乎都在1980年以后才被列入相關(guān)規(guī)范之中。即便如此，目前我國現(xiàn)行的涉及地下工程的設(shè)計(jì)規(guī)范多數(shù)仍采用了基于地面建筑抗震設(shè)計(jì)的擬靜力方法。運(yùn)用該方法計(jì)算得到的結(jié)果與實(shí)際地震發(fā)生時(shí)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)存在較大差異。

3 地下結(jié)構(gòu)抗震研究方法

目前，針對地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震研究主要運(yùn)用原型觀測、實(shí)驗(yàn)?zāi)M以及理論分析等三類方法進(jìn)行。

3.1 原型觀測

地下結(jié)構(gòu)抗震研究的原型觀測方法可分為兩種不同形式，即：地震觀測、震害調(diào)查。

地震觀測具有直觀、準(zhǔn)確等特征，然而因?yàn)槿祟惿形唇鉀Q地震預(yù)測的難題，在地震發(fā)生時(shí)進(jìn)行震區(qū)內(nèi)既有地下結(jié)構(gòu)的地震觀測困難重重，歷史上僅有日本研究者成功運(yùn)用了該方法。濱田(Hamada)[3]在20世紀(jì)70年代通過對埋地管線地震響應(yīng)的實(shí)際觀測，發(fā)現(xiàn)埋地管道與地層的運(yùn)動(dòng)基本相同，管道在地震發(fā)生時(shí)幾乎不發(fā)生顯著的振動(dòng)。由此可知，地震引起的地下結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)并非以結(jié)構(gòu)慣性力為主要表現(xiàn)方式，最重要的影響因素是圍巖變形。

震害調(diào)查主要在地震發(fā)生后開展，因此較地震觀測實(shí)現(xiàn)起來更為便利，在實(shí)際研究過程中使用較多。同時(shí)，震害調(diào)查的成果與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的成果相比更為準(zhǔn)確，幾乎就是原型實(shí)驗(yàn)的成果，唯一的不足就是僅能得到震害結(jié)果，不能展現(xiàn)震害過程。1988年，日本土木學(xué)會(huì)(JSCE)公開發(fā)布了許多震后地下過程損毀情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果；1996年，中村(Nakamura)等學(xué)者[4]對1995年發(fā)生的阪神地震造成的城市地下鐵道的破壞情況進(jìn)行了調(diào)查研究。道丁(Dowding)[5]則以大量山嶺隧道和輸水隧洞的震害調(diào)查為依據(jù)，得到了襯砌震害情況與地震烈度、震中距等地震基本參數(shù)的關(guān)系。

3.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)M

地下結(jié)構(gòu)抗震研究的實(shí)驗(yàn)?zāi)M方法可分為人工震源實(shí)驗(yàn)和振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)兩種形式。人工震源實(shí)驗(yàn)需要提供足夠大的起振力才能實(shí)現(xiàn)地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的模擬，而在實(shí)際研究中，受起振力的限制，很難體現(xiàn)結(jié)構(gòu)材料非線性及圍巖開裂等因素對結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響，因此該方法運(yùn)用較少。相對而言，振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)起來極為方便，在實(shí)際研究中運(yùn)用更為廣泛。

在人工震源實(shí)驗(yàn)方面，菲利普斯(Phillips)[6]在20世紀(jì)90年代開展了相關(guān)研究工作。實(shí)驗(yàn)時(shí)借助美國內(nèi)華達(dá)州(Nevada)某核試驗(yàn)場中的進(jìn)行的核爆炸作為起振力，對距離爆炸中心500 m處的山嶺隧道進(jìn)行了觀測研究。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隧道周邊圍巖與襯砌的動(dòng)力響應(yīng)幾乎完全一致，核爆炸引起的地震波使襯砌結(jié)構(gòu)形成了不可恢復(fù)的永久變形。

在振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，1978年，雅科夫列維奇(Yakovlevich)[7]通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析了地震發(fā)生時(shí)隧道襯砌受力狀態(tài)與圍巖容重和含水量之間的關(guān)系。1996年，我國鐵道部第二勘測設(shè)計(jì)院等機(jī)構(gòu)進(jìn)行了隧道洞門和大跨度地下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究[8]，為我國地震多發(fā)區(qū)復(fù)雜圍巖條件下的隧道抗震設(shè)計(jì)奠定了良好的基礎(chǔ)。在此之后，季倩倩、楊林德等研究者亦研究了地下鐵道等地下結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，為理論計(jì)算結(jié)果的正確性提供了驗(yàn)證。

根據(jù)上述研究情況，振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)在地震動(dòng)力響應(yīng)模擬研究過程中具有直觀、易于實(shí)現(xiàn)等顯著的優(yōu)勢，為地下結(jié)構(gòu)的抗震研究與設(shè)計(jì)提供了有效的手段。然而，室內(nèi)模型試驗(yàn)不可避免地存在圍巖介質(zhì)材料相似比控制的局限性，這就導(dǎo)致地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)模擬實(shí)驗(yàn)過程中在材料參數(shù)模擬、模型邊界條件控制等方面存在一系列問題需要進(jìn)一步解決。

3.3 理論分析

地下結(jié)構(gòu)抗震理論分析的方法名目眾多，大體歸為兩類：波動(dòng)求解方法、相互作用分析方法。

Pao等人[9]針對地下孔洞在彈性波入射時(shí)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)問題的研究，開創(chuàng)性地實(shí)現(xiàn)了連續(xù)介質(zhì)動(dòng)力學(xué)求解中的波動(dòng)求解方法在地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析中的運(yùn)用。戴維斯(Davis)[10]隨后采用大圓弧假定方法，將直線邊界轉(zhuǎn)換為曲線邊界，分析了半無限體中無襯砌孔洞引起的簡諧波散射的問題。此外，劉殿魁、何鐘怡等國內(nèi)研究者運(yùn)用波動(dòng)求解方法也完成了相關(guān)的研究工作。當(dāng)然，上述進(jìn)行的波動(dòng)求解方法的運(yùn)用主要用于簡單模型的分析求解，當(dāng)遇到負(fù)責(zé)地形、圍巖等場地條件時(shí)，波動(dòng)求解方法在邊界條件的描述上及方程解耦等方面存在較大的困難。針對復(fù)雜工程問題，多數(shù)研究者使用了有限單元法等數(shù)值模擬方法進(jìn)行了分析。

相互作用分析方法是將工程結(jié)構(gòu)體作為分析對象進(jìn)行問題的計(jì)算，為模擬圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)之間的相互作用關(guān)系，使用一系列的彈簧與阻尼器進(jìn)行二者的連接，圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)間的相互作用直接通過連接單元實(shí)現(xiàn)傳遞。運(yùn)用相互作用分析方法進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)問題分析過程中，需從三個(gè)方面實(shí)現(xiàn)問題的分析，即：源的問題、阻抗函數(shù)的問題、結(jié)構(gòu)響應(yīng)的問題。其中確定圍巖這種非線性材料的動(dòng)力阻抗矩陣是不易實(shí)現(xiàn)的，通常需采用數(shù)值模擬手段加以實(shí)現(xiàn)。目前，各國學(xué)者針對圍巖的動(dòng)力阻抗矩陣提取問題，給出了較多的方法和手段：Chopra利用成層地層模型的波動(dòng)方程，建立了諧波作用引起的粘彈性半空間體和層狀地層表面位移的積分方程，通過虛功原理及數(shù)值積分方法得到了模型的動(dòng)力剛度矩陣。Dasgupta則提出用衍生方法來建立圍巖的動(dòng)力阻抗矩陣；Song和Wolf又給出了阻尼影響抽取法、標(biāo)度邊界有限元法等獲取圍巖剛度矩陣的方法，為地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析中動(dòng)力阻抗矩陣的確定提供了新的方法。

4 輸水隧洞的抗震研究現(xiàn)狀

輸水隧洞作為典型的地下工程結(jié)構(gòu)體，其地震響應(yīng)分析方法和前述其他形式的地下結(jié)構(gòu)的研究方法基本相同，但輸水隧洞的抗震問題研究也有其自身的特點(diǎn)。輸水隧洞最突出的特點(diǎn)在于隧洞內(nèi)水體的存在，在抗震問題研究中，水體與隧洞襯砌和圍巖的動(dòng)力學(xué)性能存在本質(zhì)上的差異，解決水體與襯砌的動(dòng)力學(xué)耦合問題是實(shí)現(xiàn)輸水隧洞抗震研究的關(guān)鍵所在。

輸水隧洞抗震研究的流固耦合問題屬于流體彈性力學(xué)問題，該類問題又分為重疊型問題和接觸型問題兩種，飽和多孔介質(zhì)的地震響應(yīng)問題屬于前者，而輸水隧洞抗震研究則屬于后者。

在封閉流體方面，Hoskins在開創(chuàng)了封閉空間內(nèi)液體動(dòng)力研究的先河，Jacobsen,Housner，李宏男，劉云賀在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了該類問題研究方法的改進(jìn)。

近年來，隨著計(jì)算方法逐漸成熟和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，眾多學(xué)者建立起流—固耦合計(jì)算的數(shù)值方法，如有限元方法、邊界元方法及其混合方法等。然而，由于流固耦合問題自身的復(fù)雜性，相關(guān)的研究還沒有實(shí)現(xiàn)理論分析與工程實(shí)踐的一致，對流—固耦合方程的求解還存在許多的難題需要解決。

5 結(jié)語

輸水隧洞的抗震研究具有重要的意義，其本文詳細(xì)介紹了輸水隧洞抗震研究的方法和現(xiàn)狀，對各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了簡要的評述，并指出當(dāng)前輸水隧洞抗震研究存在的諸多問題，以期引起人們對相關(guān)問題的關(guān)注。

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