传递函数在地下工程地震响应研究中的应用

将传递函数引入地下工程地震响应的研究,提出利用传递函数进行地下工程地震响应的频谱特性分析、地震响应时频估算以及地震动输入频谱修正的3种应用方法。基于白鹤滩水电站13#机组剖面地下洞室群,对这3种方法进行了探讨及检验。结果表明：传递函数可清晰表达地下工程在地震动作用下的输入、输出关系,描述洞室群各部位的动力特性,且与其他频谱特性研究方法得出的结论相一致。在自下而上的地震剪切波作用下,洞室底板部位的响应整体强于顶拱部位,且具有不同的主频段;但在3～4 Hz频段,顶拱的动力响应强于底板。采用有限带宽随机白噪声算得洞室群各部位的传递函数,再根据传递函数进行实际地震响应时频估算的方法是可行的,估算与验算结果吻合良好,该方法可以大幅度减少计算量,使得根据有限的计算结果把握特定工程的整体动力响应特征成为可能。根据已有研究成果,取洞室底部或河谷水面为地震响应的频谱控制点,基于传递函数对输入地震动时程进行频谱修正,可保证地下工程动力响应地震动输入机制的合理性     

挡土结构物随机地震响应分析及动力可靠度研究

本文提供了一种简单的确定性数值方法,来分析在平稳随机地震荷载作用下的结构随机地震响应及动力可靠度。该方法基于有限元动力分析软件,以单位加速度脉冲函数作为地震荷载的输入,当计算出结构的脉冲响应函数后,再运用傅立叶变换得到随机激励和结构响应之间的传递函数,由此来计算结构的均方根响应和峰值响应。基于此方法,分析了挡土结构物在平稳随机地震荷载作用下的位移、弯矩、基底水平合力、基底竖向合力以及沿墙高的土压力极值的随机地震响应及动力可靠度。从分析结果可以看出:用Kanai谱模型的计算值比欧进萍谱模型的计算值更趋保守,而把响应过程当作马尔可夫过程似比泊松过程更精确。     

溪洛渡地下洞室群地震响应的二维及三维数值模型比较分析研究

验证了显示有限差分方法进行地震波衍射分析的可行性,并基于此方法分别建立了二维（2D）及三维（3D）数值模型,对溪洛渡地下洞室群的地震安全性进行了分析与讨论。研究表明,在唐山余震天津医院地震波作用下洞室群处于安全状态。对比2D及3D数值计算结果可以发现,2D数值模型计算效率远远高于3D数值计算模型;对于建造于完整性较好、强度较高的岩体介质中地下洞室群而言,可以采用2D数值模型粗略估算洞身部分的地震响应,而洞室端面的动力响应则必须通过建立3D模型来进行分析。     

地下岩体洞室群地震响应的加、卸载响应比分析

将加、卸载响应比理论引入地下岩体洞室群地震响应分析中。以输入的地震加速度作为加、卸载,以洞室围岩的加速度作为响应,合理地确定了加、卸载响应区段。通过有限差分程序FLAC3D建立了白鹤滩水电站13号机组剖面数值分析模型,选用汶川地震波进行动力时程计算,探讨地下岩体洞室群的地震动力稳定性,研究结果表明：在100年超越概率2%的地震作用下,白鹤滩水电站地下洞室群围岩响应比峰值范围在4.05～11.52之间;结合应力及位移分析,主厂房拱顶及层间错动带C4在尾调室上游边墙出露部位的围岩均进入了非线性变形状态,但响应比在整个时程中并没有趋于无穷大,围岩没有发生失稳破坏;错动带两侧的围岩产生了一定的相对位移,会对尾调室的边墙稳定性产生不利影响。该研究方法可应用于一般地下岩体结构的地震稳定性分析中。     

地震荷载作用下地下洞室不利地质结构塌落机制研究

目前地下结构地震动力分析主要研究围岩响应特征,对围岩中赋存的岩体结构的动力响应规律、塌落机制还缺乏深入研究。结合大岗山水电站工程地下洞室群,基于块体理论选取3种不利地质结构组合作为地下洞室群动力分析的主要结构形式,接着运用离散元程序UDEC研究两种地震动工况作用下不同不利地质结构组合切割的地下洞室围岩动力响应、变形特征以及节理的张开、滑移特征,分析开挖面附近块体的塌落机制。研究结果表明,陡倾角结构面切割形成不利地质结构对地下洞室围岩变形破坏机制影响较大;在地震荷载作用下,陡倾不利地质结构沿节理面的滑塌具有突发性,并且塌落模式随地震强度增加可能发生变化。     

深度衰减效应对大型地下洞室群强震响应的影响分析

介绍了大型地下洞室群强震反应分析所需要输入地震波的选用原则,重点考虑了场地的深度衰减效应,同时提出了一种假设来确定地震危险性分析提供的峰值加速度的所在位置。选用了两组攀枝花实测地震记录,同时利用三角级数叠加法综合考虑了深度衰减效应,合成了一组人工地震动,使用ABAQUS软件对某水电站大型地下洞室群进行了二维非线性强震动力时程数值计算分析。结果表明：生成的地震波能较好地模拟地下洞室群的地震响应,深度衰减对地震响应结果有明显影响,不同频谱的地震波相对位移-时程差距较大,但频谱参数的影响还有待于深入研究。研究成果对大型地下洞室群地震动输入问题研究具有一定的指导意义。     

爆炸波影响地下结构的数值模拟方法

采用动力有限元,利用特有的爆炸单元直接计算炸药在岩土介质中爆炸、爆炸波传播及遇到地下洞室对其产生影响的全过程,并针对某现场大型地下洞室抗爆试验,利用数值模拟,分析计算与现场爆炸、地质、洞室支护等条件相同情况下地下结构的动力响应,模拟计算结论与现场试验结果分布规律相同、数值接近,表明有限元法直接模拟爆炸对地下结构的影响具有一定的可靠性,为进一步研究地下结构在爆炸荷载下的动力响应及安全评价打下基础。     

大型地下洞室群地震动输入机制探讨

当前地下工程地震稳定性分析中对地震响应规律研究较多,而对分析中地震动输入机制研究则明显不足。本文针对这一现状,对大型地下洞室群地震响应分析中的地震动输入机制进行了一定的讨论。首先提出将分析中所涉及的地震动分为指定的实测强震记录、优选的实测强震记录、人工地震波3类,分别讨论了每种地震动的选取方法,形成了一套实用性较强的选取流程。随后提出了对设计地震动基准面(点)的建议,并研究了基于基准面(点)的人工边界输入地震动量值的确定方法,形成了适用于高山峡谷地形下大型地下洞室群地震动输入方法。将上述地震波的合理选取方法和高山峡谷地形下大型地下洞室群地震动的输入方法相组合,最终形成了一套可操作性较强的高山峡谷地形下大型地下洞室群地震动的输入机制。最后以白鹤滩水电工程地下洞室群为工程实例,对本文提出的地震动合理选取方法和高山峡谷地形下大型地下洞室群地震动的输入方法进行了工程应用,表明本文的方法为工程抗震设防分析提供了优质的地震输入参数。     

峡谷区重力坝岸坡坝段动力稳定性评估方法

从概率的观点出发,结合确定性矢量和安全系数方法,对设计基准期内随机地震条件下的重力坝岸坡坝段动力抗滑稳定性评估方法问题进行了初步探讨。首先,基于确定性动力时程分析法,得出坝段抗滑矢量和安全度时程曲线,评价一次确定性设计地震作用下的坝体稳定;然后,考虑基准期设计烈度下地震的随机性,进行坝体动力稳定的可靠度分析。通过Gram-Charlier级数拟合法和随机加权最大熵法,得到坝体动力稳定安全度时变曲线中最小值的概率分布函数及其动力可靠度;最后,结合确定性和概率性分析结果,综合评价设计基准期内地震作用下的坝体抗滑稳定性。工程实例分析结果表明,采用确定性与概率性结合的互补方法,能够进一步认识动力稳定分析中安全裕度的合理性评价问题,进而更加合理地评估整个设计基准期内重力坝的动力抗滑稳定性。     

基于小波包的地下洞室群地震响应及其频谱特性研究

基于有限差分数值模拟,在合理选择地震动力分析阻尼参数的条件下,开展白鹤滩水电工程13#机组剖面地下洞群围岩地震响应研究,并结合小波包变换方法从加速度峰值及振动能量角度评价了地震波在岩体中的传播规律及洞室群不同区域地震响应的频谱特征。结果表明：地震波传播过程中强度随高程增加而增加,层间错动带有一定减震作用;小波包分解可以较全面地给出地震响应成分的频率分布;地震波的高频分量在岩体传播过程中逐渐衰减;在地下洞室群附近,岩体地震响应的加速度峰值和振动能量频谱特征以1～3 Hz频段为主,其他频段对岩体地震响应影响较小。     

地震作用下大型地下洞室群位移特征的若干影响因素分析

利用三角级数叠加法,考虑到基岩场地的深度衰减效应,生成了大型地下洞室群非平稳人工地震动加速度时程。然后利用动力时程分析法,对大渡河某水电站大型地下洞室群进行了非线性地震动力响应分析,研究在不同频谱人工地震波作用下地应力特征、峰值加速度和频谱对大型地下洞室群位移特征的影响。分析结果表明,地下洞室群相对位移随着侧压力系数和峰值加速度的增加而略有增加,不同频谱的地震波有着截然不同的位移特征。研究成果对高地震烈度区地下洞室群抗震稳定性分析具有一定的借鉴意义。     

近断层地震动对大型地下洞室群地震响应的影响研究

针对现行水工抗震规范中对近断层地震缺乏考虑这一实际问题,首先讨论了近断层、远场地震动的差别,对比了近断层、远场地震动对地下洞室地震响应的影响,继而提出一种新的人工合成近断层地震动时程的方法,并采用合成的近断层地震动时程对某水电站地下洞室群进行了近断层地震稳定性专门研究。结果表明：与常规地震分析中考虑的远场地震动相比,近断层脉冲型地震动的主要特征为Vmax/Amax和Dmax/Amax（Vmax、Dmax、Amax分别为速度峰值、位移峰值、加速度峰值）指标更大,且近断层脉冲型地震动的主要能量集中在1 Hz以下的频段;在相同峰值加速度幅值、相同反应谱的前提下,近断层地震动对高边墙、大跨度地下工程的破坏程度远比远场地震动大;较之前人的研究方法,文中提出的近断层脉冲型地震动合成方法考虑了[1/Tp, 1] Hz这一频段内的地震波信息,更具合理性;在设定的计算条件下,地下厂房洞室群有在近断层地震动作用下发生失稳的危险性,需要进一步针对近断层地震动进行专项风险性评价,以讨论是否需要增设针对性的抗震支护措施。     

基于GIS的中国东部沿海地区地下水封油库建造适宜性研究

地下水封油库以其经济、环保、安全、便捷、适合战略储备等优点, 成为国家石油储备的首选形式。我国石油战略储备库建设方兴未艾, 与众多大型地下洞室一样, 水封油库的选址对其顺利建设及安全运营均起着决定性作用。论文以中国东部沿海地区为研究区域, 在分析地下水封油库储油原理及其自身特点的基础上, 选取地震烈度、活动断裂、最大水平地应力、地层岩性、地下水埋深、年均降雨量、与大型码头距离、与大型炼油厂距离等8个评价指标构建用于地下水封油库建造适宜性综合评价的指标体系。在此基础上采用层次分析法确定指标权重并应用ArcGIS的空间分析功能对研究区的地下水封油库建造适宜性进行研究, 得到了中国东部沿海区域地下水封油库建造适宜性分区评价成果, 为我国东部沿海地区地下水封油库科学选址提供了参考依据。     

我国环太平洋西海岸地区地下水封洞库选址区域稳定性研究

区域稳定性分析对于地下水封洞库科学合理的选址具有重要意义。首先,根据地下水封洞库建库选址基本原则,在充分考虑我国主要大型码头与炼油厂分布的基础上,提出了我国环太平洋西海岸地区地下水封洞库区域稳定性研究区范围。其次,在分析地下水封洞库区域稳定性影响因素并考虑目前所掌握相关数据、资料的基础上,确定区域性断裂带、地震峰值加速度、地层岩性、大地热流值为区域稳定性评价的敏感因子,并根据对区域稳定性影响的大小对各敏感因子划分等级。最后,采用因子叠加法,并利用MAPGIS软件对研究区的稳定性进行了空间叠加分析,得到了研究区区域稳定性评价结果,为我国后期大型地下水封洞库规划选址提供了参考和支撑。     

水电站地下厂房结构抗震计算方法探讨

地下结构是水电站地下厂房抗震设计的关键,我国现行规范尚未对其抗震设计方法作出明确规定。结合汶川地震中映秀湾地下厂房结构震灾调查,采用拟静力法、反应谱法和时程法分别进行结构受力计算。结果表明,3种方法均能在一定程度上反应映力荷载作用下地下结构的破坏情况,为抗震设计提供理论依据。拟静力法计算结果偏安全,但其对顶拱、牛腿等局部结构计算有一定不合理之处;反应谱法能展现结构的薄弱部位,便于抗震加固,但在与围岩接触的结构分析中存在较大误差;时程法能精细反映地下结构的地震受力过程,计算结果与震害调查吻合较好,便于更为经济的工程设计。建议对安全级别高、规模大或处于高地震烈度区域的地下厂房结构采用时程法进行计算。     

非贯通随机节理岩体的结构效应对地下洞室地震响应的影响

为研究非连通随机节理岩体的结构效应对地下洞室地震响应的影响,首先探讨了二维节理网络的生成原理,给出了结构效应影响的5个表征参数,即节理密度、节理倾角角度、节理倾角离散程度、节理迹长长度和节理迹长离散程度。以大岗山水电站主厂房洞室为背景工程,研究节理岩体结构效应对地下洞室地震响应的影响。结果表明,相同地震动水平下节理密度增加则洞室地震位移增加;节理角度在0°～80°范围内时,随节理倾角增加洞室的地震位移增加;节理离散程度较大时,随节理倾角离散程度减小洞室的地震位移减小,但当节理离散程度较小时则基本无影响;随节理迹长长度增加,洞室地震位移也增加;节理迹长的离散程度则对对洞室地震位移影响较小。结论可供节理岩体中地下洞室的抗震设计参考。