岩体地下洞室群地震动力响应的结构效应研究

Rock mass structure not only plays a decisive role in the excavation stability of underground cavern complex, but will also dominate the failure mechanism under earthquake. Thus, seismic stability study of the underground cavern complex requires a methodology that takes full account of rock mass structure. In this research project, dynamic properties of joints and faults are firstly obtained via cycle shear test. Followed by development of pre-processors for existing 3D discontinuous numerical software. In this manner seismic analysis procedure with the capability to simulate sophisticated rock structure is set up. Entire process of seismic failure was simulated with this technique, on which seismic failure modes were categorized for various rock mass structure type. Meanwhile, dynamic couple mechanism between spectral characteristics of ground vibration and rock mass structure is further studied. Subsequently, selection of seismic performance measure is specified based on the state of the art concept of Performance Based Earthquake Engineering. The stability criterion corresponding to various seismic failure model is then established. Ultimately, aseismic strategies are proposed with full understanding of the mechanism for each reinforcement measure. Achievements in this research project may provide both the scientific basis and technical back up to the key issues of underground powerhouse such as aseismic design and long-term operational risk management.

对于处于岩体中的大型地下洞室群而言，岩体结构的空间分布、组合规律等结构效应特征将是地震作用下稳定性的重要决定性影响因素。本项目拟针对这一问题，在结构面动力参数试验研究和结构面精细调查的基础上，将岩体结构精细重构技术与离散元数值方法相结合，形成可以考虑全三维真实复杂岩体结构的洞室群地震响应非连续分析方法，以此为手段开展动力破坏全过程数值仿真，提出不同岩体结构中洞室群地震破坏模式分类，同时研究不同频谱特性的地震动与具有不同自振特性的岩体结构的动力相互作用机理。继而结合地震工程中新一代抗震设防理论，提出适用于不同岩体结构地下洞室群的性能参数指标，建立不同地震破坏模式下洞室群地震动力稳定性评价准则。并依托我国西南部地区高抗震烈度的白鹤滩地下洞室群进行实际工程分析与验证。本项目可以为地下洞室群的抗震措施设计，长期运行风险管理等关键问题提供重要的科学依据及技术支持。

针对我国西部在建与拟建的多座水电站地下厂房洞室群均面临严重地震威胁的现状。首先开展岩体结构空间分布、组合规律等岩体结构效应的研究，利用基于近景摄影技术的三维岩体结构信息采集技术，对依托工程的岩体结构信息进行采集。继而基于三维结构面网络理论建立依托工程岩体三维结构面网络模型。通过引入等效岩体技术，对三维结构面网络进行结构参数与力学参数的综合分析，获取依托工程岩体REV尺寸下的等效力学参数。另一方面，对于依托工程地下洞室群区域的长大控制性结构面，针对其明显的延性及法向荷载依赖性等特征，采用精密的非线性结构面本构模型来描述其在静力及地震动力作用下的复杂力学特性。并在已有的非线性结构面本构模型上进行改进，提出了新型结构面模型。首先通过现场直剪试验校准了非线性结构面模型的静力学参数，进而通过理论推导、数值验证等手段确认了该非线性模型对岩体非连续面间地震波传播问题的适用性。最终，基于前述得到的等效岩体力学参数和非线性结构面模型，采用经过特殊频谱处理的场地地震记录，对依托工程进行地震动力响应分析，得到了依托工程在地震作用下的失稳模式，及其在不同频谱特性的地震波作用下的响应差异。并针对依托工程面临的近断层地震动威胁，在近断层地震动基本特性研究的基础上，开展了控制性地质结构面在近断层地震动下的破坏机理。最终，基于动力超载法，得到了依托工程地下洞室的地震稳定性分析评价准则。并针对近断层地震动对不利地质的作用机制，提出了用以快速评价地震动对不利地质结构破坏作用的地震动潜在破坏势参数。项目研究工作为我国复杂地质条件下大型地下岩体工程的建设与安全运营提供了技术支持。在本项目的资助下，研究团队在Roc Mech Roc Eng等国内外高水平期刊上发表SCI、EI等论文19篇，申报发明专利2项、获软件著作权3项、实用新型专利1项，2名团队成员获得中国岩石力学学会二等奖。