水电站地下洞室节理围岩的地震稳定性分析

论文摘要

近年来,在我国西南、西北地区许多大型水电站地下洞室群相继开工或正在规划设计。软弱结构面是洞室围岩中力学强度相对薄弱的部位,它导致了岩体力学性能的不连续性、不均一性和各向异性,对洞室稳定性具有明显的控制作用。另外,我国处在世界环太平洋地震带和地中海地震带的交汇地区,是世界上地震发生频繁且震害最为严重的国家之一,尤其在西南、西北地区为甚。开展地震作用下地下洞室节理围岩的动力学响应及工程安全研究,具有非常重要的意义。本文通过对水电站地下厂房洞室在静、动力荷载作用下的综合仿真,重点研究了节理结构面材料参数的变化对计算结果的影响,以及断续节理的断裂退化特性。最后,结合溪洛渡电站,对位于成层围岩介质中的地下洞室进行了地震稳定性分析,采用强度折减法得到了安全系数。主要内容如下：(1)描述结构面的几何特性,节理岩体的力学特性以及断续节理的断裂性质。(2)以节理的受力特性为出发点,在FLAC3D软件平台上,改进了Interface单元的法向刚度及切向刚度的输入取值方法,定义节理参数的敏感度,探讨了对洞室围岩地震反应影响较大的节理参数,为含节理的地下岩石洞室动力稳定性分析参数选取提供参考。(3)利用断裂力学,基于修正的Jennings强度准则讨论了断续节理的断裂退化。利用离散单元软件UDEC的内置FISH语言编写程序,并用于某工程计算,论述了正确选择节理强度准则的必要性。(4)以位于成层围岩介质的溪洛渡水电站左岸地下洞室群作为工程背景,对之进行地震稳定性分析,并采用强度折减法计算得出安全系数,以期对类似工程的地震稳定性研究提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的工程背景及研究意义
• 1.2 含有节理的洞室围岩容易发生破坏的部位
• 1.3 围岩在含有节理处震害特点
• 1.4 国内外的研究现状
• 1.5 存在的问题及本文的研究目标
• 2 结构面的几何特性以及节理岩体的物理力学特性
• 2.1 结构面的几何特性
• 2.1.1 结构面的产状
• 2.1.2 结构面的迹长
• 2.1.3 结构面的间距和密度
• 2.1.4 结构面的隙宽
• 2.1.5 结构面的粗糙度
• 2.1.6 结构面的贯通度
• 2.1.7 结构面的结合性
• 2.2 节理参数确定
• 2.2.1 线弹性节理岩体的变形参数
• 2.2.2 非线弹性节理岩体的变形参数
• 2.2.3 参数获取
• 2.3 节理力学特性
• 2.3.1 法向应力/变形关系
• 2.3.2 剪切应力/变形关系
• 2.3.3 节理剪切强度准则
• 2.3.4 单向循环剪切荷载节理力学特性
• 2.3.5 双向循环剪切荷载节理力学特性
• 2.4 断裂理论
• 2.4.1 基本原理
• 2.4.2 断裂韧度和断裂判据
• 3 拉格朗日方法与离散单元法原理及特点
• 3.1 有限差分法
• 3.1.1 软件特点
• 3.1.2 FLAC3D基本原理
• 3.1.3 空间离散
• 3.2 离散单元法
• 3.2.1 UDEC计算流程
• 3.2.2 节理本构模型
• 4 节理参数对水电站地下洞室围岩地震反应的影响研究
• 4.1 引言
• 4.2 有关理论
• 4.2.1 节理Interface单元
• 4.2.2 参数敏感度定义
• 4.3 数值模拟验证
• 4.3.1 试验目的
• 4.3.2 问题描述
• 4.3.3 数值实现
• 4.3.4 试验结论
• 4.4 计算工程实例
• 4.4.1 模型概况
• 4.4.2 边界条件、阻尼以及地震波输入
• 4.4.3 计算参数
• 4.5 敏感度分析
• 4.5.1 节理初始法向刚度敏感度
• 4.5.2 节理初始切向刚度敏感度
• 4.5.3 节理内摩擦角敏感度
• 4.5.4 节理粘聚力敏感度
• 4.5.5 节理剪胀角敏感度
• 4.6 小结
• 5 断续节理的断裂退化
• 5.1 有关理论
• 5.1.1 强度因子以及开裂判据
• 5.1.2 裂隙扩展分析
• 5.2 断续节理扩展过程分析
• 5.2.1 虚节理（岩桥）
• 5.2.2 断续节理强度准则基本原理
• 5.3 岩桥开裂算法流程
• 5.4 断续节理剪切试验UDEC模拟与试验对比
• 5.4.1 断续节理剪切试验UDEC数值模拟
• 5.4.2 室内试验
• 5.5 工程实例
• 5.5.1 模型概况
• 5.5.2 边界条件、阻尼以及地震波输入
• 5.5.3 计算参数
• 5.5.4 强度准则修正前后结果比较
• 5.6 小结
• 6 层状岩体地下洞室稳定性分析
• 6.1 工程概况
• 6.2 左岸地下厂区工程地质条件
• 6.2.1 基本地质条件
• 6.2.2 地应力场
• 6.3 厂区计算模型建立
• 6.3.1 离散单元模型建立
• 6.3.2 模型其它基本资料
• 6.4 有关理论
• 6.4.1 强度折减法相关理论
• 6.4.2 失稳判据
• 6.4.3 实现过程
• 6.5 厂区初始地应力分布
• 6.6 洞室开挖静力计算结果
• 6.6.1 洞室周围塑性区情况
• 6.6.2 洞室周边观测点位移结果
• 6.7 地震荷载作用下洞室群的稳定性分析
• 6.7.1 洞室之间塑性区贯通情况
• 6.7.2 洞室周边观测点位移收敛情况
• 6.7.3 不平衡力收敛情况
• 6.8 小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢