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水电站地下洞室节理围岩的地震稳定性分析

作　者: 谷宁
导　师: 张运良
学　校: 大连理工大学
专　业: 水利水电工程
关键词: 节理岩体水电站地下洞室地震稳定分析节理参数敏感性
分类号: TV223.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-11
1 绪论  11-16
  1.1 课题的工程背景及研究意义  11
  1.2 含有节理的洞室围岩容易发生破坏的部位  11-12
  1.3 围岩在含有节理处震害特点  12-13
  1.4 国内外的研究现状  13-15
  1.5 存在的问题及本文的研究目标  15-16
2 结构面的几何特性以及节理岩体的物理力学特性  16-27
  2.1 结构面的几何特性  16-17
    2.1.1 结构面的产状  16
    2.1.2 结构面的迹长  16
    2.1.3 结构面的间距和密度  16
    2.1.4 结构面的隙宽  16
    2.1.5 结构面的粗糙度  16
    2.1.6 结构面的贯通度  16
    2.1.7 结构面的结合性  16-17
  2.2 节理参数确定  17-20
    2.2.1 线弹性节理岩体的变形参数  17-18
    2.2.2 非线弹性节理岩体的变形参数  18-19
    2.2.3 参数获取  19-20
  2.3 节理力学特性  20-24
    2.3.1 法向应力/变形关系  20-21
    2.3.2 剪切应力/变形关系  21
    2.3.3 节理剪切强度准则  21-22
    2.3.4 单向循环剪切荷载节理力学特性  22-23
    2.3.5 双向循环剪切荷载节理力学特性  23-24
  2.4 断裂理论  24-27
    2.4.1 基本原理  24-26
    2.4.2 断裂韧度和断裂判据  26-27
3 拉格朗日方法与离散单元法原理及特点  27-31
  3.1 有限差分法  27-28
    3.1.1 软件特点  27
    3.1.2 FLAC3D基本原理  27-28
    3.1.3 空间离散  28
  3.2 离散单元法  28-31
    3.2.1 UDEC计算流程  29
    3.2.2 节理本构模型  29-31
4 节理参数对水电站地下洞室围岩地震反应的影响研究  31-45
  4.1 引言  31
  4.2 有关理论  31-32
    4.2.1 节理Interface单元  31-32
    4.2.2 参数敏感度定义  32
  4.3 数值模拟验证  32-38
    4.3.1 试验目的  32
    4.3.2 问题描述  32-34
    4.3.3 数值实现  34-38
    4.3.4 试验结论  38
  4.4 计算工程实例  38-40
    4.4.1 模型概况  38-39
    4.4.2 边界条件、阻尼以及地震波输入  39-40
    4.4.3 计算参数  40
  4.5 敏感度分析  40-44
    4.5.1 节理初始法向刚度敏感度  40-41
    4.5.2 节理初始切向刚度敏感度  41
    4.5.3 节理内摩擦角敏感度  41-42
    4.5.4 节理粘聚力敏感度  42
    4.5.5 节理剪胀角敏感度  42-44
  4.6 小结  44-45
5 断续节理的断裂退化  45-61
  5.1 有关理论  45-46
    5.1.1 强度因子以及开裂判据  45-46
    5.1.2 裂隙扩展分析  46
  5.2 断续节理扩展过程分析  46-49
    5.2.1 虚节理(岩桥)  46-47
    5.2.2 断续节理强度准则基本原理  47-49
  5.3 岩桥开裂算法流程  49-51
  5.4 断续节理剪切试验UDEC模拟与试验对比  51-53
    5.4.1 断续节理剪切试验UDEC数值模拟  51-52
    5.4.2 室内试验  52-53
  5.5 工程实例  53-59
    5.5.1 模型概况  53-54
    5.5.2 边界条件、阻尼以及地震波输入  54-55
    5.5.3 计算参数  55
    5.5.4 强度准则修正前后结果比较  55-59
  5.6 小结  59-61
6 层状岩体地下洞室稳定性分析  61-75
  6.1 工程概况  61
  6.2 左岸地下厂区工程地质条件  61
    6.2.1 基本地质条件  61
    6.2.2 地应力场  61
  6.3 厂区计算模型建立  61-63
    6.3.1 离散单元模型建立  62
    6.3.2 模型其它基本资料  62-63
  6.4 有关理论  63-64
    6.4.1 强度折减法相关理论  63-64
    6.4.2 失稳判据  64
    6.4.3 实现过程  64
  6.5 厂区初始地应力分布  64-65
  6.6 洞室开挖静力计算结果  65
    6.6.1 洞室周围塑性区情况  65
    6.6.2 洞室周边观测点位移结果  65
  6.7 地震荷载作用下洞室群的稳定性分析  65-74
    6.7.1 洞室之间塑性区贯通情况  65-67
    6.7.2 洞室周边观测点位移收敛情况  67-72
    6.7.3 不平衡力收敛情况  72-74
  6.8 小结  74-75
7 结论与展望  75-77
  7.1 结论  75
  7.2 展望  75-77
参考文献  77-81
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  81-82
致谢  82-83

水电站地下洞室节理围岩的地震稳定性分析

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