地震荷载作用下锦屏地下厂房动力分析

杨 琼，张建海，殷荣刚，刘喜康

(四川大学水力学及山区河流开发与保护国家重点实验室，成都 610065)

锦屏一级水电站位于四川省凉山彝族自治州盐源县和木里县境内，是雅砻江干流下游河段的控制性水库梯级电站，主要任务为发电。工程正常蓄水位为1 880.00 m，总库容为77.6 亿 m3，装机容量为3 600 MW(600 MW×6台)。主厂房、主变室、尾水调压室三大洞室平行布置，其中主厂房和主变室尺寸分别为276.99 m×25.90 m×68.63 m、197.10m ×24.24 m ×25m，尾调室为2 个圆筒洞室，下部直径为36 m，高为83 m。

锦屏地下厂房5#机组段地质条件如图1所示。厂房岩体基本为大理岩夹绿片岩，围岩类别以Ⅲ1类为主，主要发育有f13、f14、f18三条断层。其中:f13断层产状为N50～60°E，主断面起伏、光滑，主断带宽为1～2 m，层面裂隙及平行断层的裂隙发育，弱风化;f14断层位于主厂房上游处，产状为N50～70°E，主断面起伏、光滑，破碎带一般宽50～100 cm，由断续分布的糜棱岩、角砾岩及少量断层泥组成，多呈碎裂－镶嵌结构;f18断层避开三大洞室，穿过尾水连接洞，产状为N75E，se＜75，断层处围岩类别为IV类。

现场进行的地应力勘探表明，围岩普遍出现中等～强烈的劈裂剥落及弯折内鼓现象。结合右岸地下厂区进行的地应力测试成果分析，厂区最大主应力量值为20～35.7 MPa，属于高地应力区。厂区基本烈度为VII度，50年超越概率5%的水平峰值加速度达到0.167 g，抗震问题突出。

图1 锦屏地下厂房5#机组段剖面地质图

按照设计方案，锦屏地下厂房三大洞室锚杆支护采用预应力锚杆(Ф32，L=12/9 m，T=120 kN)及普通锚杆(Ф32/Ф28，L=7/6 m)交错布置，局部区域布置有锁口锚杆(Ф32/Ф28，L=12/9 m)。锚索主要布置有预应力锚索(L=25/30 m，T=2 000/2 500 kN)和对穿锚索。另外，在尾水连接洞洞顶与母线洞底部布置有7排锚筋桩(3Ф32)，并布置了10排对穿锚索(T=1 500 kN)。

地下厂房一般由于受到周围岩体的约束，具有良好的抗震性能(相对于地面结构而言)［1］。然而随着我国西部高地震烈度区一批大型地下洞室群的建设，以及对“5·12大地震”等震害实例的研究［2－3］，地下洞室的抗震问题日益受到地震工作者的高度重视。地震荷载作用下地下洞室变形和破坏演化直接关系到地下洞室结构的地震稳定性［4－7］。

本文以锦屏地下厂房5#机组段中心线断面为对象，建立了二维有限元数值模型，详细模拟了断层等地质特征以及洞室围岩系统支护;选取合适的地质力学参数，采用输入加速度时程法［8－10］，对5#机组段地下厂房二维有限元模型进行动力时程分析。本文主要研究地震荷载作用下的洞周位移、速度及加速度响应情况，并将围岩的动力破坏区和动拉应力区与静力作用下进行对比，评价围岩稳定性，提出合理的抗震加固建议。

1 计算方案

1.1 计算范围

锦屏地下厂房二维有限元动力分析选取5#机组中心线断面(桩号0+126.8 m)为研究对象，X方向(N28°E)由上游指向下游，截取长度共589.0 m;铅直向Y方向底部取至▽1470.0m高程，顶部延伸至山顶。二维建模时根据设计院提供的地质剖面(图1)，严格模拟岩层界面、地形、断层等地质特征。岩体均采用二维4节点等参实体元及其退化单元模拟，共计离散为4 705个节点和4 227个单元。图2给出了研究区域的二维网格，图3为开挖区二维网格图及锚杆锚索单元。

1.2 计算参数

本次二维有限元动力计算采用的岩体力学参数如表1所示，厂区围岩类别以Ⅲ1类为主，断层处围岩类别为IV类。

图2 锦屏地下厂房5#机组段二维网格

图3 锦屏地下厂房5#机组段开挖区锚杆锚索单元

表1 锦屏地下厂房围岩参数建议取值表

1.3 地震作用效应

本次动力计算时，地震波从模型底边界输入，左右侧边界考虑为辐射边界，山顶自由面采用自由边界。

50年超越概率5%的水平峰值加速度为0.167 g。图4为输入的水平向地震波加速度。计算采用的系统阻尼系数ζ=0.05，输入瑞雷阻尼系数 α =0.523 3，β =0.004 8。

图4 锦屏地下厂房输入地震波水平向加速度

2 计算结果

在地震波P50=5%(峰值水平加速度0.167 g=1.638 m/s2)的作用下，三大洞室特征节点及单元位置如图5所示。

图5 5#机组段特征节点及特征单元位置

2.1 动位移、速度特征

地震荷载作用下，各特征节点动位移、速度、加速度振动幅值见表2。

由表2可见:三大洞室上下游边墙特征点处的水平向及铅直向位移差异较小，均在2 mm以内;另外上下游边墙特征点处水平向及铅直向速度差异也较小，在1.78 cm/s以内。可见，三大洞室在地震作用下协调振动。

主厂房的水平向动位移略大于主变室和尾闸室的水平向动位移;而主厂房的铅直向动位移略小于主变室和尾闸室的铅直向动位移。主厂房上游边墙节点754处水平向最大动位移达2.944 cm，铅直向最大动位移达0.925 cm。

三大洞室的水平向速度基本接近，主厂房上游边墙节点754处的最大水平速度达11.523 cm/s，与下游边墙节点1665处的最大水平向速度11.427 cm/s基本接近。另外，上游边墙节点754处的最大铅直速度达7.187 cm/s，与下游边墙节点1665处的铅直向最大速度7.898 cm/s相差仅0.71 cm/s。

2.2 动加速度特征

地震荷载作用下，厂区最大水平向及铅直向动加速度等值线如图6所示。可见地基输入加速度随高程上升，地震波受岸坡自由面反射而出现加速度放大现象，厂房三大洞室处于加速度平稳区。三大洞室的水平向加速度在2.5 m/s2至2.7 m/s2之间，铅直向加速度在 1.7 m/s2至 1.8 m/s2之间。加速度极值分布明显受到断层影响，f14和f18之间的区域加速度较小。

如表2所示，主厂房上游边墙节点754的水平加速度最大达2.781 m/s2，与输入水平峰值加速度1.638 m/s2相比，放大倍数为1.70;其铅直加速度最大达1.886m/s2，与输入铅直向峰值加速度1.092m/s2相比，放大倍数为1.73。

表2 地震波作用下地下厂房特征节点的位移、速度、加速度

图6 最大水平向及铅直向加速度等值线图

2.3 动静破坏区特征

图7、8分别为动、静力作用下厂区围岩破坏区分布情况，可见围岩动力破坏区分布规律与静力相近，但是破坏范围和深度有所增加。

地震荷载作用下，主厂房及主变室顶拱破坏区深度进一步增大，分别达到3.91 m和4.4 m，相比静力作用下加深约0.6 m和0.82 m。主厂房下游岩锚吊车梁塑性区深度则达到了9.05 m，相比静力作用下的8.26 m加深了0.79 m。另外，主厂房机窝处塑性区深度有明显增大，其上下游分别达到了6.65 m和7.19 m，相比静力作用下的6.11 m和5.34 m分别增加了0.54 m和1.85 m。主变室边墙由于加固措施的作用，上游边墙仅出现零星塑性破坏点，而下游受到煌斑岩脉的影响，塑性区在6.96 m以内。尾闸室由于采用筒式结构，仅在上游边墙出现剪切破坏区，深度为4.07 m左右，与静力作用下相比有所增加，但尚未与f18塑性区贯通。

由于锦屏地下厂房支护措施较强，围岩强度和整体性得到提高，且尾闸室采用了筒式结构，因此有效减小了塑性区发展。该地下厂房在地震作用下，塑性区扩展微弱，塑性区范围和深度与静力情况下相比仅略有增加，设计采用的支护措施可以满足抗震要求。地震作用下的锦屏地下厂房整体处于良好工作状态。

图7 动力作用下5#机组段洞周破坏模式

图8 静力作用下5#机组段洞周破坏模式

2.4 动静拉应力区特征

在地震波作用下，地下厂房各点应力发生波动，致使厂房周围拉应力区扩大。鉴于锦屏一级地下厂房处于高地震区，动力状态下的厂房拉应力区是支护设计的重要指标，图9给出了静力及动力计算所得拉应力区包络图。

图9 动静拉应力区包络图

由图9可知，动拉应力区略大于静拉应力区，且在局部区域有新拉应力区生成。主厂房动拉应力区主要出现在岩锚梁、上游边墙中下部及机窝开挖区浅表，其中下游边墙岩锚梁部位的动拉应力区深度达3.45 m。主变室在下游边墙处新增动拉应力区，其深度在3.3 m以内。尾闸室在上游边墙底部及下游边墙处新增动拉应力区，其深度在3.41 m以内。总体来说，动拉应力区深度较小，最深在 3.7 m以内，其量值也一般小于0.2 MPa。

3 结论

1)当地震波为P50=5%(ah=0.167 g)时，主厂房的上、下游边墙处水平向及竖直向动位移和速度值基本接近，差异较小，表明三大洞室在地震荷载作用下协调振动。另外，厂区处于加速度平稳区，其水平向和铅直向加速度大约在2.5～2.8 m/s2和1.7～2.0 m/s2之间，与输入峰值加速度相比，放大倍数约为1.53 ～1.83。

2)厂区动力破坏区与静力作用下相比规律较为一致，但范围有所增加。其中主厂房下游岩锚吊车梁破坏区深度达到9.05 m，相比静力作用下的8.26 m加深了0.79 m。另外，由于新增塑性区多发于洞室顶拱和边墙浅表层，建议对边墙和顶拱增加一些柔性支护和阻拦网，以减小地震发生时可能出现的掉块。

3)厂区动拉应力区略大于静拉应力区，且在局部区域有新拉应力区生成。动拉应力区主要出现在洞室顶拱、上下游边墙浅表部及主厂房岩锚梁、机窝开挖区浅表。动拉应力区深度较小，最深在3.7 m以内，量值也一般小于0.2 MPa。

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