（水工结构工程专业论文）强震区复杂围岩条件下调压井的动力特性研究.pdf

摘要 论文题目：强震区复杂围岩条件下调压井的动力特性研究 学科专业：水工结构工程 研究生：焦丽芳 指导教师：王瑞骏教授 签名：、堡。豳墨 签名：姊 摘要 调压井是一种常用的水电站建筑物，用于在有压引水或尾水系统中反射水锤压力。由 于通常是在岩体中开挖而成，属于地下结构，因此调压并对于围岩地质条件及地震荷载作 用较为敏感。目前，关于调压井的抗震研究与抗震设计，大多采用拟静力法。由于拟静力 法不考虑围岩与衬砌结构之间的相互作用，将围岩与衬砌结构视作两个独立的体系，因此 使得其计算分析结果往往与调压井地震响应的实际情况不完全相符。随着水电开发的逐步 深入，建于强震区且具有复杂围岩地质条件的调压井日益增多，此类调压井的动力特性如 何以及如何准确合理地进行动力特性研究，是一个值得进一步研究探讨的工程技术难题。 本文在系统分析传统的地下结构抗震设计方法以及调压井抗震研究发展现状的基础 上，首先分析并推导了结构动力分析的运动方程、结构自振分析以及时程动力分析的基本 方程，并对上述方程的求解方法与步骤进行了研究和探讨；然后，结合摩洛哥某水电站调 压井，针对其位于强震区且围岩地质条件极为复杂的情况，运用大型有限元软件，建立了 进行调压井静、动力分析的三维有限元模型；在此基础上，首先进行了施工期与运行期调 压井应力变形的三维有限元静力仿真分析；然后采用瞬态动力学方法，针对单纯水平地震 荷载作用及水平与竖向地震荷载组合作用两种工况，进行了施工期与运行期调压井应力变 形的三维有限元动力仿真分析。从而获得了施工期与运行期调压井围岩、支护及衬砌结构 在静、动两类荷载作用下应力变形的分布与变化规律。计算分析结果表明，对于围岩地质 条件复杂的调压井，在施工中应采用自上而下分层开挖，并及时喷锚和延迟一级衬砌；在 阻抗口底板及底板以下开挖槽孔部位以及结构体型有变化处，易于出现局部塑性破坏区， 这些部位应进行重点支护与加固；水平与竖向地震荷载的组合作用将增加调压井衬砌结构 的动力反应，而且，竖向地震作用也会影响衬砌结构水平方向的动力反应，因此，在进行 调压井抗震设计时，考虑水平与竖向地震的组合作用是必要的。 本文的研究成果，不仅可为所依托电站调压井的抗震设计及施工与运行管理提供依 据，而且对类似工程调压井的抗震设计与抗震研究具有参考价值；同时，本文所采用的研 究方法，对类似工程问题的研究解决还具有一定的借鉴意义。 关键词：强震区；复杂围岩条件；调压井；动力特性 a b st r a c t t i t l e ：d y n a m i cb e h a v l o ro fs u r g et a n ki ns t r o n gg r o u n d m o t i o nz o n ea n dc o m p l e xg e o l o g i c a lc o n d i t i o n m a j o r ：h y d r a u l i cs t r u c t u r ee n g i n e e r i n g n a m e ：l i f a n gj i a o s u p e r v i s o r ：p r o f r u i j u nw a n g s i g n a t u r e ：衅 s 。g n a t u r e ：学吁 a b s t r a c t t h es u r g et a n ki so n ek i n do fc o m n l o nh y d r o e l e c t r i cs t a t i o nb u i l d i n g , w h i c hu s e df o r r e f l e c t i n g t h ew a t e rh a m m e rp r e s s u r ei np r e s s u r ep i l o t a g eo rt a i lw a t e rs y s t e m t h i si s e m b e d d e di nt h er o c km a s s ，s oi t b e l o n g st ou n d e r g r o u n ds t r u c t u r e t h e r e f o r e ，g e o l o g y c o n d i t i o na n dt h ee a r t h q u a k el o a de f f e c ta r cc o m p a r a t i v e l ys e n s i t i v et ot h es u r g et a n k s a t p r e s e n t , t h ee a r t h q u a k er e s i s t a n c es t u d ya n dd e s i g no ft h es e r g et a n lm o s t l ya d o p td r a f ts t a t i c m e t h o d s t a t i cm e t h o dd o e sn o tc o u n ti n t e r a c t i o nb e t w e e ns u r r o u n d i n gr o c ka n dl i n e r , v i e w st h e s u r r o u n d i n gr o c ka n dt h el i n e ra st w oi n d e p e n d e n ts y s t e m ，s ot h ec a l c u l a t e sd o e sn o ta l w a y s r e f l e c tt h es u r g et a n ke a r t h q u a k er e s p o n s e w i t hh y d r o e l e c t r i cd e v e l o p m e n t ，m o r ea n dm o r e s u r g et a n k sb u i l d i n gi ni n t e n s ee a r t h q u a k ea n dc o m p l i c a t e dg e o l o g yc o n d i t i o na r e a ，h o wd o e s t h i sk i n do fs u r g et a n k sd y n a m i cp e r f o r m a n c ea sw e l la sh o wc o n d u c tt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e r e s e a r c hr e a s o n a b l ya c c u r a t e l y , i so n eo ft h ee n g i n e e r i n gt e c h n o l o g yd i f f i c u l tp r o b l e m sw h i c h w o r t hf u r t h e rs t u d y i n g b a s e do ns t u d y i n gt h ep r e s e n ts i t u a t i o ni nt r a d i t i o n a lg r o u n ds t r u c t u r ee a r t h q u a k e r e s i s t a n c ea n dt h ed e s i g no ft h es e r g et a n k , t h i sa r t i c l ei n f e r r e dt h es t r u c t u r em e c h a n i c a la n a l y s i s e q u a t i o no fm o t i o n ，t h es t r u c t u r es e l fo s c i l l a t i o na n a l y s i s ，t h et i m ei n t e r v a lm e c h a n i c a la n a l y s i s f u n d a m e n t a le q u a t i o n , a n dc o n d u c t e dt h er e s e a r c ha n dt h ed i s c u s s i o nt ot h ea b o v ee q u a t i o n s s o l u t i o nm e t h o da n dt h es t e p a n dt h e n ，t a k em o r o c c oh y d r o e l e c t r i cs t a t i o n ss u r g et a n kw h i c h i ni n t e n s ee a r t h q u a k e 趾dc o m p l i c a t e dg e o l o g yc o n d i t i o na r e aa sa ne x a m p l e ，h a sb u i l tt h e3 - d s t a t i ca n dd y n a m i cf i n i t ee l e m e n tm o d e lb yt h el a r g e s c a l ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e a n a l y z e st h e s u r g et a n k ss t r a i no f3 - d ，w h i c hb e i n gu n d e rc o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o n a n dt h e na d o p t t r a n s i e n td y n a m i c sm e t h o d ，t ot h eh o r i z o n t a le a r t h q u a k el o a df u n c t i o na n dt h el e v e la n dt h e v e r t i c a le a r t h q u a k el o a dc o u p l i n g , i ta n a l y z e dt h es u r g et a n k sd y n a m i c ss t r a i no f3 - d ，w h i c h b e i n gu n d e rc o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o n d i s t r i b u t i o na n dc h a n g el a wt h e r e b y , h a v i n gg a i n e dt h e s t r a i nd e f o r m a t i o nb e i n gu n d e rc o n s t r u c t i o nu n d e rm o v i n gt w ok i n dl o a de f f e c t sq u i e t l y b u i l d i n gs t r u c t u r ep h a s ew i t ho p e r a t i o np r e s s u r es u r g e t a n ks u r r o u n d i n g , s h o r i n ga n dl i n i n g a b s t r a c t c a l c u l a t i o ni n d i c a t e ，t h a ts u r g et a n ku n d e rc o m p l e xg e o l o g i c a lc o n d i t i o ns h o u l db ea d o p t e d w o r k i n gf r o ma b o v e t ob e l o ww i t hl a y e r si nc o n s t r u c t i o n ，g u s h e sa na n c h o ri nt i m ea n dd e f e r s t h eo n e l e v e ll i n i n gs t e pa n dw h e nw o r k i n gs l o th o l el o c a t i o ng e t sa l o n gu n d e ri m p e d a n c e m o u t hb o t t o mb o a r da n db o t t o mb o a r da sw e l la st h es t r u c t u r es h a p eh a sc h a n g e s ，t h ep a r t p l a s t i c i t ya p p e a r se a s i l yt od e s t r o ya r e a , t h e s el o c a t i o ns h o u l dc a r r yo u tt h ep r i o r i t ys h o r i n ga n d c o n s o l i d a t e s t h ec o u p l i n ge f f e c th o r i z o n t a la n dv e r t i c a le a r t h q u a k el o a dw i l ld r i v i n gs u r g e t a n k sl i n i n gb u i l d i n ga r c h i t e c t u r a l d y n a m i cr e a c t i o ni n t e n s i v ea n dv e r t i c a ld y n a m i cr e a c t i o na l s o a b l e t oa f f e c tl i n i n gb u i l d i n g s t r u c t u r e sh o r i z o n t a le a r t h q u a k er e a c t i o n t h e r e f o r ei ti sn e c e s s a r yt h a th o r i z o n t a la n dv e r t i c a l e a r t h q u a k ec o u p l i n ge f f e c t , d u r i n g t h ep e r i o do ft h ea n t i - e a r t h q u a k ed e s i g na n d o p e r a t i o n t e x t u a lr e s u l t ，n o to n l yb et h eb a s i so fa n t i e a r t h q u a k ed e s i g nt h a tt h ee l e c t r i c i t ys t a t i o n r e l i e do na d j u s t st os u r g et a n k c o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o n , a n da l s op r o v i d ea d v i c et os i m i l a r e n g i n e e r i n g s i nt h em e a n t i m e t h er e s e a r c hm e t h o da d o p t e db yt h i st e x t , w i l ld r a wl e s s o n st o t h er e s e a r c ho fs i m i l a re n g i n e e r i n gp r o b l e m k e yw o r d s ：s t r o n gg r o u n dm o t i o nz o n e ；c o m p l e xg e o l o g i c a lc o n d i t i o n ：s u r g et a n kp r o j e c t ： d y n a m i cb e h a v i o r m 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：，本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究i 作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外j 论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。j 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者鳓7 越j ，矽夥叫p 学位论文使用授权声明 本人照，衲葛枉导师的指导下创作完成毕业论文。1 本人已通过论文的答辩” 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位；，本人作为学位论文著作权拥有者，。同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即： ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷舨和电子版学位论文，- 学校可以采用影印，- 缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览i 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，+ 适用本授权说明) 论文作者签名：继i 导师签名：- 罐，如拷+ 弓乒名e l 1 绪论 1 绪论 1 1 调压井的发展现状 在水电站的长有压引水系统中，为了减少引水系统或尾水系统中的水锤压力，改善机 组的运行条件，提高机组效率，常常设置调压室。大部分或全部建于地面以上的调压室常 称为调压塔，大部分或全部在地面以下开挖而成的调压室则称为调压井m z 3 1 4 1 。调压井 是一种典型的地下工程。 调压井基本结构型式有多种。根据其水力作用和结构布置情况，调压井可分为简单式、 双室式、阻抗式、差动式、溢流式、气垫式璐1 “1 等型式，见图1 - i 。 1 垦尘 鱼查里 ( d )( e ) ( a ) 简单式( b ) 双室式( c ) 阻抗式( d ) 差动式( e ) 溢流式 图1 - 1 调压井的基本结构型式 f i g 1 - 1t h eb a s i cm o d e lo f s u r g es h a f t 建国以来，随着水电建设的迅猛发展，我国已建成了大批的调压井，在设计、施工、 科研等领域积累了许多宝贵的经验。尤其是地下工程技术的发展，直接推动了调压井设计 理论和结构型式的发展。根据调压井结构型式的发展，目前的调压井具有以下特点：随 着大流量、长引水系统水电站的建设，调压井的内径越来越大；受水电站开发条件的限 制，不良地质条件出现的机会日益增多，调压井的地质条件日益复杂；随着结构研究的 深入，在充分利用地形地质条件及已开挖洞室的同时，调压井的结构型式及布置型式趋于 多样化。 国内外已建或拟建的调压井中，结构型式呈现出不拘一格、更为优化的趋势。如意大 利的巴尔西斯( b a r c i s ) 电站带下室调压井n 1 ，下室呈螺旋形，首尾均与竖井相连，两者高 差4 5 m ，螺旋形的下室可以使底部和顶部均形成较大的坡度，有助于水流和空气的进出； 奇奥达斯( c h i o t a s p i a s t r a ) 抽水蓄能电站的差动式调压井7 1 ，采用双井式结构，顶部 共用上室；又如国内岗南水电站简单式调压井，结合具体地形，下部为开挖于岩体内部的 井，上部为斜卧在山坡上的塔，该调压井因地制宜，布置独特，这表明简单式调压井体型 单一，对自然条件适应性强，布置灵活；鲁布革带上室的差动式调压井，大井深6 4 m ，上 室为带状地面水池式；天生桥二级水电站带上室的差动式调压井m ，位于弱、微风化层内， 大井内径2 1 m ，高8 1 m 。 1 西安理工大学硕士学位论文 1 2 强震区复杂围岩条件下调压井抗震研究综述 水电站调压井是一种典型的地下工程，它在水电站引水发电系统中起着举足轻重的作 用。世界上很多国家修建的水电站引水发电系统中经常用到调压井。我国水力资源丰富， 目前全国正新建一批大、中型有压引水式水电站，特别是正在西南地区规划修建的一批大、 中型水电站，其调压井大多建在复杂的地质环境中。这些处于复杂地质条件下的调压井型 式各异，用有限元等新型数值模拟计算方法研究其工作性态显得非常必要。 地震是一种常见的自然灾害，其中由板块构造运动引起的构造地震，是最具破坏力的 地震类型。我国地处于亚欧大陆板块、太平洋板块和印度板块之间，该地区是世界上最大 的大陆浅源强震活动区，地震活动非常频繁。因此，我国是一个地震多发国家，地震区域 分布广泛，大部分地区为地震设防区。2 0 世纪以来，我国已发生多次强烈地震，造成了 重大人员伤亡和财产损失。地震对地面结构造成的破坏是人所共知的，地面结构的抗震研 究也早就引起人们的重视，研究成果已达到实用阶段，各国都制订了各种地面结构物的抗 震设计规范。但对地下结构的抗震研究则较少。然而近些年来，地下结构在水利水电、交 通运输、市政建设、军事和人防工程中得到了广泛的应用。随着地下结构建设规模的不断 扩大，地下结构的抗震设计及其安全性评价越来越成为工程界所关心的重要课题阳1 。特别 是1 9 9 5 年日本阪神大地震后，由于神户市地铁结构遭受严重破坏，引起众多地震学者的 关注，使地下结构抗震研究出现前所未有的热潮，成为地震工程界重要的研究方向。 1 2 1 地下结构抗震研究的发展概况 地下结构抗震理论是随着地面建筑抗震理论的发展而发展起来的。由于地下结构物所 受震动程度远小于地面建筑，有关该问题的研究起步较晚。二十世纪5 0 年代以前；国内 外地下结构的抗震设计都是以日本学者大森房吉提出的静力理论为基础来计算地下结构 的地震作用力。6 0 年代初，前苏联学者在抗震研究中将弹性理论用于地下结构( 拟静力 法) ，以此求解均匀介质中关于单连通和多连通域中的应力应变状态，得出了地下结构地 震力的精确解和近似解n 盯。并且前苏联在修建贝一阿干线( b a m ) 地震高烈度区铁路隧道时 十分重视隧道衬砌的抗震设计，在塔什干、埃里温地下铁道建设中也采用了抗震的车站和 区间隧道结构1 1 1 。6 0 年代末，美国旧金山海湾地区在建设快速地铁运输系统( b a r t ) 时， 对地下结构抗震进行了深入研究，提出了地下结构并不能抵御惯性力而是具有吸收强加变 形的延性，同时还不散失其承受静载荷力等新的设计思想，并以此为基础提出了抗震设计 标准“幻。7 0 年代，日本学者从地震观测资料着手，通过现场观测、模型试验，建立了数 学模型，并结合波的多重反射理论，提出了反应位移法、应变传递法和地基抗力法等实用 计算法，使地下软基隧道和成层地基的抗震研究获得重大进展m 1 钉。8 0 年代末9 0 年代初， j pw o l f 和c m s o n g 又提出了递推衍射法n 6 1 。 我国的学者和研究人员在地下结构抗震方面也做了不少工作。周林聪，陈龙珠，宫必 宁n 通过振动台试验，同时对结构进行三维有限元数值模拟，总结了地下结构地震反应 2 1 绪论 规律，分析地下结构的变形机制，并重点分析上覆土层和竖向荷载对地下结构动力性态的 影响。姜忻良、宋丽梅1 盯从土与结构动力相互作用观点出发，用样条有限元和半解析无 限元对地下隧道结构进行了抗震分析，为探讨地下隧道结构一土相互作用内在机理提供了 一个有效途径。庄海洋等n 9 1 采用子结构缩减法处理土与结构的动力相互作用，深入分析 了地铁车站的地震破坏机理。国胜兵等伽1 ，基于有效应力动力分析法，运用二维显式有 限差分程序f l a c 对地下结构在竖向和水平地震荷载作用下的动力响应进行数值分析。任 红梅、林皋2 1 1 将比例边界有限元法理论应用于地下结构的地震响应分析，对不均匀介质 地下结构地震响应的特点进行了分析研究。 1 2 2 地下结构抗震研究的基本方法 目前，地下结构抗震研究的基本方法包括陇1 ：原型观测、实验研究和理论分析。 ( 1 ) 原型观测就是通过实测地下结构在地震时的动力特性来了解地下结构的地震响 应特点。 ( 2 ) 实验研究分为人工震源实验和振动台实验。由于起振力较小，人工震源实验法 很难反映出建筑物的非线性性质和地基断裂等因素对地下结构地震反应的影响，故而用的 不多。振动台实验法能够较好地体现地下结构的地震反应特性以及地下结构与地基之间的 相互作用特性等问题，因此更受重视。在日本，大支等人首先采用振动台实验法研究了砂 质地基液化对管线的影响问题；我国铁科院铁建所也开展了利用振动台输入地震波的方法 对隧道模型抗震加固问题进行了实验。9 0 年代初，美国发展了大型模型的抗震试验技术， 诸如可进行6 个自由度振动，用计算机控制模拟地震荷载等一些大型模拟实验。通过模型 实验使人们更好的了解和掌握地下结构的工作特性，进而为抗震理论的发展奠定了基础。 但是振动台实验法对实验区域的选择和地基特性的模拟等关键问题还存在不同程度的困 难。 ( 3 ) 就分析理论而言，波动理论和有限元法是地下结构抗震研究的两种主要理论分 析基础陋1 。近年来的研究结果表明，研究地层运动对地下结构的影响，总的可分为两种 方法：一种是相互作用法，它是以求解结构运动方程为基础，把介质的作用等效为弹簧和 阻尼，再将它作用于结构，然后如同分析地面结构模型一样进行分析；另一种是波动法， 以求解波动方程为基础，把地下结构视为无限线弹性( 或弹塑性) 介质中孔洞的加固区，将 整个系统( 包括介质与结构) 作为对象进行分析，不单独研究荷载，以求解其波动场与应力 场。上述两种方法各有特点，目前在各自不同的适用场合的地下结构设计计算中都发挥了 良好的作用。地下结构通常都延伸很长的距离，沿线的地形地质条件多变、复杂，地下结 构的形式也多种多样，为了考虑这些因素的影响，进行地下结构的抗震设计，在上述基本 方法的基础上发展了许多地下结构抗震分析的实用方法：反应变位法、围岩应变传递法、 地基抗力系数法、有限元方法等。 3 西安理工大学硕士学位论文 1 2 3 地下结构抗震分析的实用方法 ( 1 ) b a r t 法1 b a r t 法是美国在二十世纪六十年代末修建圣弗兰西斯科海湾地区的快速运输系统 ( 简称b a r t ) 中所建立的地下结构抗震设计准则。其特点是能较普遍适用于广泛的结构形 式和地层条件，对结构设计中遇到的问题如：抗震特点、变形限制、各种构件和结构、土 体不连续性的影响、土压力的影响等，可简单、快速地作出评价。该法假定土体在地震期 间不会丧失完整性，且只考虑地震作用下隧道结构的振动效应。其总体的指导思想是在抗 震设计中，给结构提供有效的韧性来吸收土体强加给结构的变形，同时又不丧失其承受静 载的能力，而不是以特定的单元去抵抗其变形。隧道结构还应设计成能够适应地层弯曲变 形，此时结构的最大单元应变应根据波与结构斜交的情况得出。设计者利用该法可快速确 定地震引起的地层振动特性，进而为结构抗震设计提供依据。 ( 2 ) 反应变位法( 响应位移法) 1 上世纪七十年代日本学者在地震观测中发现：地下结构在地震中支配其地震响应的控 制因素是场地位移，结构本身的惯性力和阻尼效应对计算结果的影响很小，可略去。基于 此提出了地下线状结构物的抗震设计方法一反应变位法( 又叫反应位移法) 。其基本原理 就是用弹性地基梁来模拟地下线状结构物，将地震时地基的位移当作已知条件作用在弹性 地基梁上，以求解梁的动力响应，从而计算结构的地震反应瞄1 。这种方法的理论基础是 基于地震时地下结构反应分析的研究成果，即支配地下结构地震响应的是地基变形而不是 结构物的惯性力，并首先将反应位移法用于沉埋隧洞的抗震设计中。日本水道系统抗震设 计规范就是以此为基础给出了地下埋管的抗震计算公式。舒克拉( d k s h u k l a ) 隅1 等也以 此为基础给出了隧洞抗震计算公式。当隧洞沿线的地质条件发生非常复杂的变化时，可采 用日本的田村重四郎提出的多质点质量弹簧模型来确定地基变位，该模型假定地面下存在 一个基岩面，并将其上的地基土沿隧洞方向划分成若干段，只考虑各段的水平剪切振动， 将其简化为单质点体系来分析。求出沿隧洞轴向地表层的位移后，隧洞可按地基变形为已 知的弹性地基梁进行动力分析饼1 。此模型已被日本沉埋隧洞抗震设计规范所采用。 除反应位移法外，日本学者还根据长期地震观测和波动理论分析的结果，提出了另外 两种实用抗震分析方法：围岩应变传递法和地基抗力系数法。 ( 3 ) 围岩应变传递法汹1 围岩应变传递法是日本学者根据地下管道、隧道等地下结构地震时应变的波形与围岩 介质的地震响应波形几乎完全相似的地震观测结果和地震波动场理论分析的结果提出的 一种实用分析方法，可用于隧道结构的地震响应分析。 根据地震波动场分析的基本思想以及根据管道、海底隧道、地下油库等的地震观测结 果表明，地下结构地震时应变的波形与周围岩土介质地震应变波形几乎完全相似，因而可 以建立关系式： 4 1 绪论 f j = 船暑 ( 1 1 ) 式中，岛为地下结构的地震应变；占窖为没有洞穴或地下结构影响的周围岩土介质的 地震应变；q 为应变传递率系数。可以将a 看作是一个静态系数，它和地震动的频率和波 长无关，只随地下结构的形状、刚度以及周围岩土介质的刚度而变化，可通过静力有限元 分析确定。 ( 4 ) 地基抗力系数法嚣1 地基抗力系数法是将相互作用的计算模型应用于地下隧道结构横断面地震反应分析 的一种方法。周围岩土介质的作用以压缩和剪切弹簧进行模拟，结构用梁单元进行模拟。 该法包括三个基本步骤：围岩介质弹簧常数计算；围岩地震变位计算；结构地震反应计算。 围岩介质弹簧常数可采用静力有限元法进行计算；围岩地震变位可采用分段一维模型、平 面有限元模型、田村重四郎的多质点模型等模型确定；根据围岩地震反应分析的结果可以 计算结构的地震响应，本方法为日本核电厂耐震设计技术指针所采用。 ( 5 ) 福季耶娃法阮 福季耶娃法由前苏联学者福季耶娃提出。他认为对于波长大于隧道洞径3 倍的p 波及 s 波，只要隧道埋深大于洞径3 倍，长度大于洞径5 倍，就可将地震反应的动力学问题用 围岩在无穷远处承受一定荷载的弹性力学的平面问题的方法解答。若假定围岩介质属线弹 性体，则地震作用时引起隧道围岩的应力及衬砌内力的计算，可归结为有加固孔口周围应 力集中的线弹性理论动力学问题的求解，这是一种拟静力方法。 在无限远处所受到的双向压( 拉) 应力为： 毋) = 石i 【d e t oi 牡南f q _ ) 式中，为地震系数( 与地震烈度有关) ；t 。为岩石质点震动的卓越周期；c ，为p 波 速度；y 为介质容重；u 。为介质泊松比。 在波长较大的剪切波作用下，介质在无限远处受到的与对称竖轴成a 角方向的纯剪力 为： ， f 箩量寺k c 筘s t o ( 1 3 ) 式中，c 。为s 波速度。 求解式( 1 2 ) 和式( 1 3 ) ，即可得到某一种给定的组合情况t o 下，压缩波与剪切波以 及拉伸波与剪切波共同作用的场地总应力及衬砌总内力值，再将其与重力场叠加，就得到 最终结果。 ( 6 ) 土一结构相互作用的分析方法 未来结构设计的一个重要发展趋势，是更强调系统的整体性和考虑地基环境的作用。 传统的分析方法已难于对这样的复杂体系的抗震问题给出满意的解答，只有根据土与结构 西安理工大学硕士学位论文 物共同作用的原理，把土和结构作为相互作用又相互制约的整体进行分析，才能得到比较 合理的结果。因此，在进行地下结构地震反应分析时，有必要将土一地下结构体系作为相 互作用的整体来研究争3 。 在土一结构动力相互作用常用的分析方法中，时域动力分析( 时程分析，t i m eh i s t o r y m e t h o d ) 方法属于整体分析方法，它将结构和周围地基作为一整体加以分析，可以合理考 虑地基和结构非线性、弹塑性性质，结构和地基间滑移和脱离等影响，考虑动力相互作用 对地基承载力和结构稳定性的影响等，是研究这一问题有效的方法。对一些重要工程和特 殊结构，为了了解其在整个地震过程中的动力行为，需要使用时程分析方法。时程分析法 直接从运动微分方程出发，用数值方法逐步积分，可以获得结构在整个地震作用中的运动 状态变化情况。因此时程分析法又称直接动力法。 地震作用下的土一结构是相互作用的体系。根据达朗贝尔原理，可以建立该体系在地 震作用下任一时刻的动力平衡方程： 阻】( = ：) + 【c 】( 二) + k 融 = 一阻妣 十以 + 亿：g ) c 4 ) 式中， m 为体系总质量矩阵； c 为体系总阻尼矩阵； k 为体系总刚度矩阵； 仉) = 【1 ，o ，0 ，1 ，1 ，o ，o rp ， = 【o ，1 ，0 ，0 ，0 ，1 ，o 】r 亿) = 【o ，0 ，1 ，0 ，0 ，0 ，l r 分别对应于地震 波从水平、竖向、轴向入射的情况； 费 z 2 ) u ) 分别为体系的加速度、速度和位移列阵； 办。) 为基岩面的地震加速度列阵。 由于地震时地面运动加速度与地震反应方程的复杂性，不能直接由运动微分方程中求 出解析解。对该方程的求解只能采用时程逐步积分法，逐步积分时可用迭代法与增量法。 常用的增量法有中点加速度法、线性加速度法、w il s o n - e 法、n e w m a r k - 1 3 法等。各种方 法只在形成拟静力增量方程时采用的基本假设不同，计算方法均由地震反应增量方程出 发，对于每个时间增量a t ，求出拟静力方程，从而求解出此微小时段的地震反应增量， 再以此时段的终点反应作为下一时段的起始态，如此逐步计算下去，即可得出全段的时程 反应。其中常用的n e w m a r k - 1 3 法是一种广义的线性加速度法。 总之，土一结构相互作用问题情况复杂，计算工作量大，而且试验检验困难，不易获 得实测资料，不同的计算模型和假定给出的计算结果可能有相当大的差别。为了使相互作 用在实际工程中得到广泛的应用，仍需做大量的工作。 1 2 4 复杂围岩条件下调压井的设计、施工及运行特点 调压井属于地下工程范畴，由于其所面临的地质力学环境复杂，施工过程中不可预见 的因素较多。在大井开挖之前，不同高程的地质条件、岩体结构、风化程度和地应力特征 不易掌握，力学参数难以确定，施工临时支护措施的合理性也难以判定，目前国内缺乏类 似调压井工程的施工经验，而且大部分调压井所在处的地形单薄、地质情况复杂，处于强 6 1 绪论 震区，受地震荷载影响大，所以施工难度大，旄工期安全问题突出p 现在多数工程进行施 工期的现场观测，并通过数理统计模型对调压井在施工过程中的的工作状况做出预测，以 便于及时发现并排除安全隐患，确保工程施工的顺利进行，同时也为其它类似工程积累施 工经验。调压井在运行期可以消除或减低引水隧洞的水锤压力，不仅可以保护位于其上游 的隧洞免受或少受水锤压力，而且也能减轻下游的压力管道中的水锤压力，同时调压井可 以供给水轮机增荷时所需的水量，同时调压井缩短了封闭水道的长度，在水轮机负荷波动 时可使机组反应迅速及时，更快地恢复稳定，且操作灵活，能获得更佳的调节质量。 对于调压井( 室) 的设计，水电站调压室设计规范( d l t s 0 5 8 - 1 9 9 6 ) 采用的是传 统结构力学法计算调压室结构内力。此法采用荷载结构理论分析调压井结构：将衬砌与围 岩相互分开，分析中以研究衬砌本身为主，适当考虑围岩作用。这种方法从力学分析观点 来看比较明确且容易理解，我国以往调压井结构设计中主要采用这一方法。但荷载结构理 论不便于考虑岩体的应力状态，因而就不能根据岩体类别及施工开挖方式研究岩体对衬砌 结构的作用，对于把围岩作为主体，考虑围岩稳定状况的设计理念，荷载结构理论无法满 足要求。由于结构力学设计方法存在的上述问题，水电站调压室设计规范 ( d l t 5 0 5 8 1 9 9 6 ) 明确规定对于大尺寸、围岩地质或结构复杂的调压室用有限元法复核 2 1 。但是有限元法的计算成果正确与否取决于计算模型、原始参数及计算程序，有限元计 算方法主要存在的问题是如何正确建立模型。岩体千变万化，十分复杂，加上断层节理层 面等地质构造的存在使其更加复杂，而这些构造面又必须加以重视，在很多实际工程中有 限元法对这些复杂情况都采取了模型简化，舍弃了一些地质条件复杂的情况和不太重要的 岩体裂隙等，因此其分析结果往往需要通过其他手段来验证。建模时计算参数选取困难， 模型网格随意性大，很难形成统一的标准，而且数据准备和整理工作量大，提供的结果具 有离散性，难以对影响因素的影响规律作出分析，且计算程序的正确性往往需要通过解析 解来验证。因此，有限元方法在实际工程应用中还处于定性分析和科学研究阶段，在设计 单位应用很少。调查表明，目前我国多数设计单位仍然采用结构力学方法进行强度设计， 停留在早期的地下工程设计思想上，这样既不经济又不合理，阻碍了工程技术的发展。 1 2 5 调压井抗震研究的现状及存在的问题 调压井位于岩体中，在结构和受力特征上既融进了其本身独有的工作性质，也融入了 地下工程所固有的特点。目前关于调压井的抗震研究和抗震设计，大多采用拟静力法：将 随时伺变化的地震力或地层位移用等效的静地震荷载或静地层位移代替，然后再用静力计 算模型分析地震荷载或强迫地层位移作用下的结构内力。拟静力法完全忽略了围岩和结构 之间复杂的相互作用，把围岩和结构当作两个独立的体系。实际上，在外荷载作用下，围 岩和结构的反应不仅取决于自身的因素，而且与二者界面上的协调以及相互传递的作用力 和反作用力有关，因此，应该把它们当作一个综合体系，以考虑它们之间的相互影响。 地震动力响应分析( 时程分析法) 能详细研究地震对地下结构的振动作用。但需要详 7 西安理工大学硕士学位论文 细掌握有关的参数，如地震加速度、阻尼系数等。借助于动力有限元法可以比较理想的解 决地下结构抗震问题，应用此方法时，除了需要解决有限元理论中的基本问题外，还要解 决阻尼、边界条件等基本问题。 1 3 本文的研究目的及意义 调压井位于岩体中，属于地下结构工程范畴，受地震荷载影响很大，调压井结构应有 足够的抗振动荷载能力。目前，科学技术还不能准确预测并控制地震的发生，但是完全可 以运用现代科学技术手段来减轻和防止地震灾害，对结构进行抗震设计就是减轻地震灾害 的一种积极有效的方法。动力分析是结构抗震设计最基本的工作，但目前国内外对调压井 的动力特性分析甚少。调压井作为地下结构工程，尤其是强震区复杂围岩条件下，其施工 和运行受地震荷载影响非常大，对调压井进行动力特性分析非常重要。 本文拟以位于强震区且围岩地质条件极为复杂的摩洛哥某水电站调压井为例，研究建 立复杂围岩条件下调压井动力分析的力学模型及三维有限元模型；然后，运用三维非线性 有限元法，进行施工期调压井应力变形的三维有限元仿真分析，研究施工期调压井围岩、 支护及衬砌的应力变形分布规律，以期为调压井开挖支护及其衬砌设计提供依据；在此基 础上，进行施工期调压井的地震响应分析，研究施工期在地震荷载作用下调压井衬砌结构 的地震响应特性；最后，进行运行期三维非线性有限元动力分析，研究运行期在地震荷载 作用下调压井衬砌结构地震响应特性，以期为类似工程的抗震设计及施工提供参考。 本文的研究内容、研究方法以及研究成果，不仅可为所依托实际电站调压井的设计、 施工及运行管理提供依据；而且，对类似工程调压井的设计计算也提供了范例，对节约工 程投资，改进设计的合理性，提高工程投资效益具有一定的现实意义；同时，对类似工程 问题的研究解决还具有一定的理论参考价值。 1 4 本文的主要研究内容 本文以位于强震区且围岩地质条件极为复杂的摩洛哥某水电站调压井为例，利用大型 通用有限元软件a d i n a ，采用非线性有限元法，进行强震区复杂围岩条件下调压井的动 力特性及其地震作用下的动力响应研究。本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 研究、分析现有的地下结构抗震设计方法以及调压井抗震研究的发展现状，探 讨动力分析中多自由度体系的运动方程、结构自振分析以及时程动力法的基本理论和求解 步骤。 。 ( 2 ) 研究建立复杂围岩条件下调压井动力分析的力学模型，并根据调压井所处的地 形地质特性，研究建立复杂围岩条件下调压井的三维有限元模型，重点研究针对不同围岩 类型、调压井结构型式、井壁衬砌、混凝土喷层及锚杆支护的模拟方法。 ( 3 ) 运用三维非线性有限元法，考虑分级开挖过程，进行施工期调压井应力变形的 三维有限元仿真分析，研究施工期调压井围岩、支护及衬砌的应力变形分布规律，判别围 岩稳定性，为调压井开挖支护及其衬砌设计提供依据。 r l 绪论 ( 4 ) 在静力分析模型基础上，施加地震荷载，进行施工期调压井的地震响应分析， 研究施工期在地震荷载作用下调压井衬砌结构的地震响应特性。 ( 5 ) 对调压井进行模态分析，研究其自振频率和振型。运用三维非线性有限元法， 分析正常运行工况下调压井衬砌结构的应力变形规律，并在静力模型基础上施加动水荷载 和地震荷载进行运行期调压井的地震响应分析，研究地震荷载作用下调压井衬砌结构地震 响应特性，为类似工程抗震设计及施工提供参考。 西安理工大学硕士学位论文 2 地下结构动力分析的有限元法 2 1 结构动力分析的基本方程 采用有限元法求解动力学问题，并不是一定要取结点位移作为基本未知量，也可以采 用结点力作为基本未知量，因而，随着所取基本未知量的不同，有位移法、力法、杂交法 和混合法之分，但其中最为普遍的是位移法。采用位移法进行动力分析的首要目的是：计 算已知结构在给定随时间变化的荷载作用下的位移时间历程。在大多数情况下，应用包含 有限个自由度的近似分析方法就足够了。这样，问题就变为求出这些选定位移分量的时间 历程。 2 1 1 结构体系的