基于FLAC3D的層間錯動帶對大型地下洞室地震響應(yīng)影響分析

摘要：

為揭示大型地下洞室群地震響應(yīng)機制，以西南地區(qū)白鶴灘水電站大型地下廠房洞室群為研究對象，運用有限差分數(shù)值模擬軟件FLAC3D，建立了13號機組剖面數(shù)值分析模型，基于彈塑性本構(gòu)關(guān)系，采用動力時程分析方法，研究了地下廠房洞室群在有、無層間錯動帶條件下圍巖地震響應(yīng)的加速度、變形、應(yīng)力、塑性區(qū)等特征。結(jié)果表明：① 有層間錯動帶條件相比無層間錯動帶條件，洞室群圍巖的響應(yīng)加速度峰值和圍巖變形值分別增加了2%～34%和18%～63%；② 層間錯動帶對震后圍巖應(yīng)力狀態(tài)有一定影響，與無層間錯動帶條件相比，有層間錯動帶條件下的圍巖拉應(yīng)力區(qū)范圍明顯增大；③ 在有層間錯動條件下，由開挖和地震產(chǎn)生的塑性區(qū)面積分別為8 684 m2和975 m2，均大于無層間錯動帶條件的7 103 m2和888 m2。在地下洞室的抗震設(shè)計中，層間錯動帶對大型地下洞室地震響應(yīng)的影響不可忽視。

關(guān)鍵詞：

地下洞室； 層間錯動帶； 地震響應(yīng)； FLAC3D； 動力時程分析； 白鶴灘水電站

中圖法分類號：TV731.6；TV223.1

文獻標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.03.007

文章編號：1006-0081（2023）03-0039-07

0 引 言

近年來，中國西南地區(qū)建成或在建了大量水電站。由于工程布置原因，這些水電工程的引水發(fā)電建筑物多采用地下式廠房，并形成大型地下廠房洞室群。水電站地下廠房斷面巨大，開挖及運營階段的圍巖穩(wěn)定性是其要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一［1-3］。中國西南地區(qū)處于青藏高原的周邊地帶，地震基本烈度多在Ⅶ度及以上，局部地區(qū)強震周期短，其中部分地區(qū)發(fā)生里氏7級以上強震的周期不足100 a［4-6］。近年來的震害調(diào)查結(jié)果表明，地下結(jié)構(gòu)在地震作用下也可能發(fā)生破壞［7-9］，因此，開展地震作用下水電站地下廠房洞室群穩(wěn)定性研究具有重要的意義。

許多學(xué)者對地下洞室群圍巖地震穩(wěn)定性評價開展了相關(guān)研究：陳健云等［10］以溪洛渡地下廠房為研究對象，采用有限元法對超大型地下洞室群地震反應(yīng)進行了相關(guān)分析；隋斌等［11］模擬了地震荷載作用下某地下洞室群圍巖的動態(tài)響應(yīng)，并對劈裂損傷范圍進行了預(yù)測；王如賓等［12］對金沙江兩家人水電站地下廠房洞室群進行了地震動力響應(yīng)分析；趙寶友［13］基于損傷塑性模型，采用ABAQUS對某水電站地下廠房主洞室進行了二維動力時程非線性數(shù)值計算；呂濤［14］利用FLAC3D軟件模擬分析并總結(jié)了巖體地下洞室地震響應(yīng)特征；李小軍等［15］采用有限元空間離散模型，對溪洛渡地下洞室群進行了地震響應(yīng)分析；張玉敏等［16］考慮實際地震動的深度衰減效應(yīng)，運用ABAQUS對大崗山水電站地下洞室群進行了數(shù)值計算。

以上的研究大多假定圍巖為均質(zhì)各向同性介質(zhì)，而實際上巖體是非均質(zhì)體，存在各種結(jié)構(gòu)面和地質(zhì)軟弱面，相對簡單地將圍巖看作連續(xù)介質(zhì)或完全非連續(xù)介質(zhì)會使巖體結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性評估結(jié)果存在偏差。本文以中國西南地區(qū)白鶴灘水電站大型地下廠房洞室群為例，采用有限差分軟件FLAC3D，建立考慮層間錯動帶的非連續(xù)介質(zhì)三維分析模型，基于彈塑性本構(gòu)模型，開展動力時程地震響應(yīng)分析，研究地下廠房洞室群圍巖的地震波傳播規(guī)律、變形特征、應(yīng)力特征、損傷演化趨勢等，以揭示大型地下洞室群地震響應(yīng)機制。

1 工程背景

白鶴灘水電站右岸地下廠房由主廠房、主變室、尾水調(diào)壓室三大地下洞室及引水洞、母線洞、尾水連接洞、尾水洞等組成。主機間、副廠房和安裝間按“一”字型平行布置，主副廠房尺寸439.0 m×（32.2/29.0） m×78.5 m（長×寬×高，下同，32.2 m和29.0 m分別為上、下部寬度），主變室尺寸400.0 m×20.5 m×33.2 m，尾水調(diào)壓室尺寸321.6 m×27.6 m×103.5 m。

地下廠房區(qū)域發(fā)育的巖層主要有新鮮狀隱晶質(zhì)玄武巖（P2β43，P2β4，P2β5，P2β16）、斑狀玄武巖夾杏仁玄武巖、玄武質(zhì)角礫熔巖等，以隱晶質(zhì)玄武巖為主，巖質(zhì)堅硬，其中P2β16層中有柱狀節(jié)理玄武巖，為次塊狀結(jié)構(gòu)，P2β43，P2β4及P2β5 層頂部分布有0.3～1.3 m厚的玄武質(zhì)凝灰?guī)r，巖質(zhì)軟弱，遇水易軟化。

地下廠房區(qū)域巖體新鮮較完整，巖塊嵌合緊密，無區(qū)域斷裂切割，構(gòu)造類型以斷層、節(jié)理裂隙、層間錯動帶和層內(nèi)錯動帶為主，地下廠房區(qū)域斷層總體不發(fā)育。地下廠房區(qū)域發(fā)育C3，C4，C5等3條層間錯動帶。錯動帶產(chǎn)狀總體為N40°～50°E，SE∠15°～20°，錯動帶一般位于凝灰?guī)r的中部，寬5～35 cm，主要由角礫化構(gòu)造巖及碎裂巖組成，錯動帶中部一般有1～5 cm的斷層泥。錯動帶兩側(cè)為劈理化構(gòu)造巖，中部為厚度2～5 cm的斷層泥礫。C3，C4，C5層間錯動帶對洞室群圍巖穩(wěn)定影響較大。

工程區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度，50 a超越概率為5%，地震動加速度峰值為0.219g，特征周期為0.20 s。

2 數(shù)值分析條件

動力時程分析法是把地震作為一個時間過程，選擇能反映地震和場地環(huán)境以及結(jié)構(gòu)特點要求的地震加速度時程作為地震動輸入，計算出任意時刻結(jié)構(gòu)物的地震反應(yīng)。通過這種分析，可以求得各種反應(yīng)量，包括局部和總體的變形和內(nèi)力，具有較高的準(zhǔn)確性。

該水電站地下廠房洞室群規(guī)模龐大且洞室結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如果對地下洞室群所有結(jié)構(gòu)進行模擬，即使只開展靜力分析，計算成本也十分高昂，開展持續(xù)數(shù)十秒的地震動力時程分析則更加費時。因此，需要合理簡化計算模型。通過比較分析，在數(shù)值模擬中只考慮3個大型地下洞室：主廠房、主變室及尾調(diào)室。

采用有限差分軟件FLAC3D建立該水電站右岸地下廠房13號機組剖面的數(shù)值模型。X軸與廠房軸線垂直，以指向下游方向為正；Y軸為廠房軸線方向；Z軸為鉛直方向，以向上為正。區(qū)域范圍為X向由主廠房中心線向上游方向延伸約450 m、向下游方向延伸約450 m，共900 m；Z向由高程300 m延伸至地表。在研究區(qū)域內(nèi)，考慮穿過廠房洞室群區(qū)域且對洞室群穩(wěn)定影響較大的層間錯動帶C3，C4和C5；僅考慮對地下洞室群圍巖穩(wěn)定影響較大的Ⅱ類和Ⅲ類圍巖，忽略位于地表附近影響較小的全、強風(fēng)化層。數(shù)值模型單元最大尺寸需要滿足地震波傳播問題的數(shù)值穩(wěn)定性條件，Ⅱ，Ⅲ類圍巖處最大單元尺寸分別為14，12 m，層間錯動帶C3，C5和C4的最大單元尺寸均為3 m。本文將Ⅱ，Ⅲ類圍巖處最大網(wǎng)格尺寸取10 m，層間錯動帶處最大網(wǎng)格尺寸取2 m。模型共劃分單元28 396個，節(jié)點57 498個，如圖1所示。

各類圍巖均采用彈塑性Mohr-Coulomb模型，計算所采用的巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。選用黏性邊界及瑞利阻尼，通過對巖體動態(tài)響應(yīng)的速度譜分析，在數(shù)值分析時阻尼比取0.05，中心頻率取0.6。

地震響應(yīng)分析輸入地震波選用距離工程區(qū)較近的2008年汶川大地震綿竹清平臺站處地震記錄，地震波波形及傅立葉譜如圖2所示。對地震波均進行了歸一化處理，在使用時根據(jù)要求再乘以擬采用的加速度峰值。地震動輸入方向為X向（水平向）、Z向（豎直向）兩向輸入，根據(jù)NB 35047-2015《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，Z向輸入的加速度峰值為X向的2/3。

洞室群共分8步開挖，在進行開挖和地震動力計算時，對洞室圍巖的應(yīng)力、變形及加速度等變量進行監(jiān)測，在3大洞室關(guān)鍵位置共布置34個監(jiān)測點，洞室開挖步驟及洞周圍巖監(jiān)測點布置見圖3。

該水電站場區(qū)50 a超越概率為5%的基巖水平向加速度峰值為2.19 m/s2，100 a超越概率為2%的基巖水平向加速度峰值為3.40 m/s2。根據(jù)NB 35047-2015《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》要求：在地下結(jié)構(gòu)的抗震計算中，基巖面下50 m及其以下部位的地震加速度輸入值可取設(shè)計代表值的0.5倍；由于該水電站地下廠房洞室群位于基巖面以下500 m左右，故在地震響應(yīng)分析時輸入的加速度峰值為地震危險性分析中各超越概率加速度峰值的0.5倍。

計算方案中，地震波輸入為汶川地震波、加速度峰值50 a超越概率5%，考慮有、無層間錯動帶兩種工況，層間錯動帶通過對巖體賦值來模擬。

3 計算結(jié)果分析

3.1 加速度分析

圖4為有、無層間錯動帶條件下主廠房頂拱（6號監(jiān)測點）監(jiān)測數(shù)據(jù)。由圖可知，有、無層間錯動帶條件下，6號監(jiān)測點的加速度時程曲線與輸入地震波波形基本相同，只是極值有所不同。對于無層間錯動帶情況：輸入地震波的加速度峰值為1.095 m/s2（X向），出現(xiàn)時刻為15.42 s；6號監(jiān)測點的響應(yīng)加速度峰值為0.73 m/s2，出現(xiàn)時刻為15.72 s。對于有層間錯動帶情況：6號監(jiān)測點的響應(yīng)加速度峰值為0.90 m/s2，出現(xiàn)時刻為17.55 s。由以上分析可以看出，圍巖地震響應(yīng)的加速度峰值并不是簡單的放大或衰減，出現(xiàn)時刻也不是簡單的提前或滯后。這是因為洞室結(jié)構(gòu)和層間錯動帶的存在，破壞了巖體的完整性，地震波在巖體中傳播時遇到洞室群自由面、層間錯動帶等巖層分界面，會發(fā)生反射、折射和衍射等現(xiàn)象，當(dāng)?shù)卣鸩ǒB加后，相應(yīng)極值及其出現(xiàn)時刻與地震波在均質(zhì)各向同性介質(zhì)中的傳播規(guī)律理論值并不一致。

圖5為有、無層間錯動帶條件下，洞室群圍巖監(jiān)測點地震響應(yīng)加速度峰值對比。由圖可知，在有層間錯動帶條件下，洞室圍巖的響應(yīng)加速度峰值與無層間錯動帶條件下相比有所增加，增加幅度為2%～34%。

3.2 變形分析

有、無層間錯動帶條件下，洞室圍巖變形等色區(qū)、矢量，以及洞周監(jiān)測點地震響應(yīng)變形值對比如圖6～7所示。由圖可知：在無層間錯動帶條件下，圍巖變形量值約為0.5～1.5 cm；在有層間錯動帶的條件下，圍巖變形量值約為0.7～2.0 cm；有層間錯動帶條件下洞周圍巖的響應(yīng)變形值與無層間錯動帶條件下相比有明顯增加，增加幅度為18%～63%。

圖8為有、無層間錯動帶條件下，主廠房上、下游邊墻（6，7號監(jiān)測點）的水平相對位移時程曲線。由圖可知：主廠房上、下游邊墻的相對位移同樣受層間錯動帶的影響；在無層間錯動帶條件下，相對位移最大值為2.8 cm，出現(xiàn)時刻為8.94 s，震后相對位移值為0.1 cm；在有層間錯動帶條件下，相對位移最大值為3.1 cm，出現(xiàn)時刻為8.95 s，震后相對位移值為0.2 cm。

3.3 應(yīng)力分析

圖9～10分別為有、無層間錯動帶條件下，洞室圍巖最大主應(yīng)力及拉應(yīng)力等色區(qū)。由圖可知，兩種計算條件下，圍巖最大主應(yīng)力均在主廠房頂拱和尾調(diào)室下游邊墻的墻腳部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，最大集中應(yīng)力值為25～30 MPa。拉應(yīng)力區(qū)主要分布在主廠房和尾調(diào)室的上、下游邊墻，最大拉應(yīng)力值約0～-0.6 MPa，且在有層間錯動帶條件下，圍巖拉應(yīng)力區(qū)范圍大于無層間錯動帶時的范圍。

圖11為有、無層間錯動帶條件下，主廠房頂拱（6號監(jiān)測點）主應(yīng)力時程曲線。由圖可知，在有、無層間錯動帶條件下，主廠房頂拱的各個主應(yīng)力時程曲線變化趨勢基本相同，但量值有所差別。在無層間錯動條件下，最大主應(yīng)力的波動范圍為16.61～17.37 MPa，中間主應(yīng)力波動范圍13.29～13.50 MPa，最小主應(yīng)力波動范圍1.15～1.33 MPa；震后三大主應(yīng)力相對震前初始應(yīng)力都有較小程度的改變，其中最大主應(yīng)力增加了0.16 MPa，中間主應(yīng)力增加了0.03 MPa，最小主應(yīng)力減小了0.02 MPa。在有層間錯動條件下，最大主應(yīng)力的波動范圍為15.29～16.14 MPa，中間主應(yīng)力波動范圍12.61～12.86 MPa，最小主應(yīng)力波動范圍0.80～1.13 MPa；震后三大主應(yīng)力相對初始應(yīng)力都有較小程度的改變，其中最大主應(yīng)力降低了0.17 MPa，中間主應(yīng)力降低了0.08 MPa，最小主應(yīng)力降低了0.12 MPa。由以上分析可知，層間錯動帶對震后圍巖應(yīng)力狀態(tài)有一定程度的影響。

3.4 圍巖損傷演化分析

當(dāng)圍巖材料在地震動作用下從彈性階段進入塑性階段時，可認為圍巖發(fā)生了損傷，損傷程度由具體的塑性區(qū)范圍確定。

選取整個地震時程中的5，10，15，20 s和25 s共5個時刻，分析洞室群圍的塑性區(qū)演化規(guī)律及分布特征。有、無層間錯動帶條件下，上述5個不同時刻的圍巖塑性區(qū)演化和分布以及圍巖塑性區(qū)面積隨時間變化曲線如圖12～14所示。由圖12可以看出：隨著地震波的持續(xù)輸入，主廠房和尾調(diào)室邊墻中部的塑性區(qū)向深處擴展，震后主廠房下游邊墻與主變室上游邊墻和尾調(diào)室上游邊墻與主變室下游邊墻塑性區(qū)貫通。

由圖13可以看出：貫穿于三大洞室的層間錯動帶導(dǎo)致了三大洞室邊墻塑性區(qū)沿層間錯動帶有貫通的趨勢，層間錯動帶基本表現(xiàn)為塑性區(qū)。結(jié)合圖14可以看出：有層間錯動帶塑性區(qū)面積變化趨勢與無層間錯動帶條件下基本相同，洞室群開挖完成后（0 s時刻）塑性區(qū)面積為8 684 m2，5 s時為8 906 m2，10 s時為9 565 m2，15 s時為9 649 m2并保持不變直至地震結(jié)束，震后塑性區(qū)面積相對震前增加了11.2%。排除由開挖產(chǎn)生的塑性區(qū)后，由地震作用產(chǎn)生的塑性區(qū)在無層間錯動帶條件下面積為888 m2，在有層間錯動帶條件下為975 m2。在有層間錯動條件下，由開挖和由地震產(chǎn)生的塑性區(qū)均大于無層間錯動帶的情況。

由圖14可以看出：在地震作用下，洞室群圍巖的塑性區(qū)面積在地震作用0～5 s內(nèi)有一定增加，在5～10 s期間內(nèi)增加較為迅速，在其他時間段無明顯變化。洞室開挖完成后（0 s時刻）無層間錯動帶塑性區(qū)面積為7 103 m2，5 s時為7 298 m2，10 s時為7 891 m2，15 s時為7 963 m2，20 s為7 991 m2并保持不變直至地震結(jié)束，震后塑性區(qū)面積相對震前增加了12.5%。

4 結(jié) 論

（1） 大型地下洞室地質(zhì)條件復(fù)雜，在數(shù)值模擬中，將圍巖簡化為均質(zhì)、各向同性介質(zhì)不符合工程實際，應(yīng)考慮對地下洞室結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的地質(zhì)界面。

（2） 運用有限差分與動力時程分析相結(jié)合的方法分析地下洞室，能夠彌補傳統(tǒng)地震動力分析的不足，更符合工程實際，是今后地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析的一個重要方向。

（3） 層間錯動帶對地下洞室地震響應(yīng)的加速度、變形、應(yīng)力及塑性區(qū)等均有一定的影響，在地下洞室的抗震設(shè)計中不能忽視。

參考文獻：

［1］ 黃達，黃潤秋，王家祥.開挖卸荷條件下大型地下硐室塊體穩(wěn)定性的對比分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2007，26（增2）：4115-4122.

［2］ 蔡健，劉震.基于開挖卸荷效應(yīng)的地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析［J］.水利水電快報，2019，40（1）：27-31.

［3］ 范開平.彭水水電站地下廠房洞室圍巖穩(wěn)定施工技術(shù)［J］.水利水電快報，2011，32（11）：19-21.

［4］ 鄧起東，張培震，冉勇康，等.中國活動構(gòu)造與地震活動［J］.地學(xué)前緣，2003（增1）：67-74.

［5］ 蔣海昆，李永莉，曲延軍，等.中國大陸中強地震序列類型的空間分布特征［J］.地震學(xué)報，2006（4）：55-64.

［6］ 嵇少丞，王茜，孫圣思，等.亞洲大陸逃逸構(gòu)造與現(xiàn)今中國地震活動［J］.地質(zhì)學(xué)報，2008，82（12）：1644-1667.

［7］ 周榮軍，黃潤秋，雷建成，等.四川汶川8.0級地震地表破裂與震害特點［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008，27（11）：2173-2183.

［8］ 劉妮娜，彭建兵，韓冬冬，等.穿越活動地裂縫地鐵隧道震害機制研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2015，34（7）：1384-1391.

［9］ 王道遠，崔光耀，袁金秀，等.強震區(qū)隧道施工塌方段震害機理及處治技術(shù)研究［J］.巖土工程學(xué)報，2018，40（2）：353-359.

［10］ 陳健云，胡志強，林皋.超大型地下洞室群的三維地震響應(yīng)分析［J］.巖土工程學(xué)報，2001，23（4）：494-498.

［11］ 隋斌，朱維申，李曉靜.地震荷載作用下大型地下洞室群的動態(tài)響應(yīng)模擬［J］.巖土工程學(xué)報，2008，28（12）：1877-1882.

［12］ 王如賓，徐衛(wèi)亞，石崇，等.高地震烈度區(qū)巖體地下洞室動力響應(yīng)分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008，28（3）：569-575.

［13］ 趙寶友.大型巖體洞室地震響應(yīng)及減震措施研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2009.

［14］ 呂濤.地震作用下巖體地下洞室響應(yīng)及安全評價方法研究［D］.武漢：中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，2008.

［15］ 李小軍，盧滔.水電站地下廠房洞室群地震反應(yīng)顯式有限元分析［J］.水力發(fā)電學(xué)報，2009，28（5）：1877-1882.

［16］ 張玉敏，盛謙，朱澤奇，等.深度衰減應(yīng)變對大型地下洞室群強震響應(yīng)的影響分析［J］.巖土力學(xué)，2010，31（10）：3197-3202，3208.

（編輯：江 燾）

Analysis of bedding fault zone on seismic dynamic response of large underground cavern based on FLAC3D：a case of Baihetan Hydropower Station

YANG Jihua

（Yellow River Engineering Consulting Co.，Ltd.，Zhengzhou 450003，China）Abstract：

In order to study the seismic dynamic response mechanism of large underground cavern，a large underground powerhouse cavern group of Baihetan Hydropower Station in Southwest China was taken as the research object，and the finite difference program FLAC3D was used to modeling the section of unit 13.Based on the elastic-plastic constitutive relation，the surrounding rock seismic response characteristics such as acceleration，deformation，stress and plastic zones of underground powerhouse caverns with and without bedding fault zone were studied by dynamic time-history analysis method.The results showed that： ① the peak value and the deformation value of the response acceleration of the surrounding rock under the condition of bedding fault zone were increased by 2%～34% and 18%～63% respectively，compared with that without bedding fault zone；② bedding fault zone had a certain influence on the stress of surrounding rock，and the range of tensile stress zone of surrounding rock with bedding fault zone was larger than that without bedding fault zone；③ under the condition of bedding fault zone，the area of plastic zone caused by excavation and seismic was 8 684 m2 and 975 m2 respectively，which were larger than 7 103 m2 and 888 m2 under the condition of no bedding fault zone.The influence of bedding fault zone on seismic dynamic response of large underground cavern cannot be ignored in the seismic design for underground cavern.

Key words：

underground cavern； bedding fault zone； seismic response； FLAC3D； dynamic time-history analysis； Baihetan Hydropower Station

收稿日期：

2022-04-20

基金項目：

黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司自主研究開發(fā)項目（2018-ky10）

作者簡介：

楊繼華，男，正高級工程師，博士，主要從事隧洞與地下工程的勘察、設(shè)計與研究工作。E-mail： yangjihua68@sohu.com