某电站取水隧洞与热水回流沟衔接段抗震分析

赵 杰，王桂萱，程 翔

(大连大学土木工程技术研究与开发中心，辽宁大连 116622)

某电站取水隧洞与热水回流沟衔接段抗震分析

赵 杰，王桂萱，程 翔

(大连大学土木工程技术研究与开发中心，辽宁大连 116622)

运用动力时程反应分析方法，利用非线性有限差分软件FLAC3D对某电站取水隧洞与热水回流沟衔接段结构进行抗震分析。针对场地地质特征和回填条件分析结构地震响应，通过编制FLAC3D程序并结合五点公式计算衬砌结构的内力，给出了衬砌内力包络图。数值分析结果表明:在相同的荷载效应组合情况下，温度的改变对内力的影响较为显著，温度荷载不仅显著改变了隧洞和热水回流沟衔接段的内力大小，而且改变了某些部位的内力方向;衔接段采用圆形接口优于采用方形接口。

取水隧洞;热水回流沟;抗震分析;内力包络图;FLAC3D软件

近年来，地下结构在能源、交通、通讯、城市建设和国防工程中获得广泛应用，地下结构的重要性也日益显现。随着地下结构震害的频繁发生，地下结构抗震问题日益受到世界各国地震工作者的高度重视。研究地下结构抗震性能的主要途径有原型观测、模型试验和数值模拟［1］。由于问题极其复杂，目前还没有哪一种手段能够完全实现对地下结构动力反应进行全面而真实的解释和模拟。传统的地下结构抗震分析方法主要包括地震系数法、反应位移法、围岩应变传递法等［2-4］。这些方法实际上都是拟静力法［5-7］，具有计算简便的优点，但假定条件较多，无法精确考虑材料非线性非均质性和复杂边界变化等因素的影响，难以考虑地震作用下土体与结构之间的相互作用。随着计算机和计算理论的发展，以动力有限元法为代表的数值方法应运而生，它弥补了以上方法的缺陷，为各种复杂情况下地下结构抗震特性的全面深入研究提供了重要手段。本文在给定的地质和回填条件下开展某电站取水隧洞和热水回流沟衔接段三维地震响应分析，编制三维有限差分FLAC3D程序并结合五点公式计算衬砌结构的内力，绘出衬砌实体单元内力包络图，在此基础上研究衔接段混凝土结构的内力变化规律，为地下结构抗震设计提供依据。

1 工程概况

某电站机组通过两条直径为5.5 m的取水隧洞将水引至泵房，两隧洞的中心距为25.00～27.40m。隧洞围岩为Ⅴ类片麻岩。根据工程需要，在隧洞出口与泵房前池闸门井间增设一道热水回流沟(图1)。热水通过热水回流沟，经隧洞顶部预留孔进入取水隧洞，随后进入泵房前池闸门井。衔接段采用碎石回填。鉴于取水隧洞工程的重要性，需专门对该段取水隧洞进行抗震分析。

图1 热水回流沟(单位:mm)

2 衔接段抗震分析模型的建立

2.1 边界条件的设置

为准确模拟实际场地中地震波的传播过程，需在模型中设置人工边界。黏性边界是发展最早且简单实用的人工边界［8］。黏性边界最早由Kuhlmeyer和Lysmer［9-10］提出，是指在边界上施加法向和切向与边界无关的独立阻尼器，由阻尼器提供法向和切向黏性阻力，以此消除地震波在人为设置的模型边界上的反射效应，吸收或消耗传往边界外的波动能量，能比较真实地反映地震波的传播过程。黏性边界的黏性阻力计算公式为

式中:tn、ts分别为法向和切向黏性阻力;ρ为材料密度;Cp、Cs分别为纵波和横波速度;vn、vs分别为边界上速度法向和切向分量。

在模型各侧面的边界条件必须考虑没有地面结构的自由场。通过在模型四周生成二维和一维网格的方法来实现这种自由场的边界条件，柱体网格的侧边界通过阻尼器与自由场网格进行耦合，将自由场网格的不平衡力施加到主体网格的边界上。

在FLAC3D动力分析中，为准确模拟地震波的传播过程，空间单元尺寸必须小于输入波最高频率成分所对应波长的1/10～1/8。本次计算模型最大的网格宽度为9.25 m，可以考虑地震波主要频谱成分的影响。同时，数值模拟中采用局部阻尼，局部阻尼系数取0.157。

2.2 模型的建立

三维动力分析模型与静力模型计算范围一致，水平方向取5倍隧洞洞径，基岩深度自隧洞底部向下取50 m。模型宽135 m，长76 m，高82 m。计算时模型底部设为黏性边界，两侧采用能量透射边界。模型采用六面体单元，岩体本构模型采用 mohrcoulomb弹塑性模型，采用null模型模拟隧洞的开挖，采用CABLE单元模拟系统锚杆和土钉。取水隧洞与热水回流沟衔接段结构模型见图2，三维静力和动力分析模型见图3。

图2 取水隧洞与热水回流沟衔接段结构模型

图3 三维静力和动力分析模型

2.3 地震波的选取

场地基岩输入采用该电站地震安全评价报告中的场址地震波，地震动荷载持时25 s，地震波时程曲线见图4。根据该电站地震安全性评价报告批准文件，场地基岩50a超越概率10%的地震动荷载加速度峰值为0.1g，竖向加速度取水平向加速度的2/3。

2.4 计算参数

抗震分析计算参数根据该电站施工图设计阶段岩土工程详勘报告取值，列于表1中。根据该电站取水泵房温排水回热系统试验研究报告，内外温差取6℃。

表1 衔接段抗震分析计算参数

图4 场址地震波时程曲线

2.5 计算方案

具体计算时，综合考虑隧洞洞口的开挖回填以及热水回流沟的施工，建立整体三维分析模型。根据给定的设计方案开展抗震分析，分析地震动荷载作用下温度变化时结构的内力分布，为设计提供依据。利用FLAC3D计算分析地下结构截面上的内力分布规律时，如采用三维实体单元，截面形状虽能满足工程需求，但实体单元只给出了单元对应的位移及应力结果，无法直接得出相应截面上的内力(如弯矩、剪力和轴力)，因此，需要对FLAC3D进行二次开发并结合五点公式计算衬砌结构的内力。式(3)～(5)分别为弯矩、剪力和轴力计算公式。式中应力一律用同一标号来代替，即轴力计算公式中σ1～σ5为所求轴力方向的应力，弯矩计算公式中σ1～σ5为所求弯矩方向的应力，剪力计算公式中σ1～σ5为所求剪力方向的应力。

式中:M、F、N分别为弯矩、剪力和轴力;σ1、σ2、σ3、σ4、σ5分别为截面高度方向第1个节点、第2个节点、第3个节点、第4个节点、第5个节点的应力;b为截面宽度;h为截面高度。

选取两个控制截面(图5)，获取不同位置处的结构内力及变形变化。控制截面1和2的控制点布置见图6。

图5 控制截面位置示意图

图6 控制截面控制点布置(单位:m)

3 结构抗震分析

在给定的设计地震动荷载作用下，进行衔接段接口处的地震响应分析，在此基础上绘制衬砌内力包络图(图7)，研究结构的内力分布。

3.1 抗震计算结果

a.工况1:设计地震作用，不考虑温度荷载。从图7可以看出，控制截面1最大弯矩绝对值为267.8kN·m，最大轴力绝对值为4833.0kN，最大剪力绝对值为693.6 kN;控制截面2最大弯矩绝对值为100.4 kN·m，最大轴力绝对值为1 247.4 kN，最大剪力绝对值为507.6 kN。

b.工况2:设计地震作用+温度荷载(内外温差6℃)。从图7可以看出，控制截面1最大弯矩绝对值为485.4 kN·m，最大轴力绝对值为5 348.2 kN，最大剪力绝对值为823.8 kN;控制截面2最大弯矩绝对值为314.9kN·m，最大轴力绝对值为1557.5 kN，最大剪力绝对值为778.2 kN。

对比可以看出:在相同的荷载效应组合情况下，温度的改变对内力的影响较为显著，随着隧洞内水温的升高，衔接段内力显著增大;温度荷载不仅显著改变了隧洞和热水回流沟衔接段的内力大小，而且改变了某些部位的内力方向。

图7 衬砌内力包络图

3.2 接口形状优化

在上述抗震分析中，取水隧洞与热水回流沟衔接口形状为方形，在优化设计分析中将接口形状改为圆形，将圆形接口的内力计算结果与方形接口的内力计算结果进行比较，为设计提供参考。计算结果见表2，从表2可以看出，圆形接口的受力优于方形接口，方形接口的弯矩值比圆形接口的弯矩值高约15%，说明圆形接口更合理。

4 结语

利用三维有限差分软件FLAC3D开展某电站取水隧洞与热水回流沟衔接段地震响应分析，阐述了利用FLAC3D进行地下结构动力分析的关键性问题，针对场地地质特征和回填条件进行结构地震响应分析，在此基础上给出了衬砌内力包络图。结果表明:①在相同的荷载效应组合情况下，温度的改变对内力的影响较为显著;②温度荷载不仅显著改变了隧洞和热水回流沟衔接段的内力大小，而且改变了某些部位的内力方向;③圆形接口形状优于方形接口形状，方形接口的弯矩值比圆形接口的弯矩值高约15%。该成果对类似地下工程抗震设计具有一定的参考价值。

表2 两种不同接口形状衔接段内力最大值比较

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［4］赵杰，王桂萱，裴强，等.影响核电厂取水隧洞抗震性能的几个因素分析［J］.辽宁工程技术大学学报，2011，30(1):46-49.(ZHAO Jie，WANG Guixuan，PEI Qiang，et al.Seismic analysis of nuclear power project for intake tunnel［J］.Journalof Liaoning Technical University，2011，30(1):46-49.(in Chinese))

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Seismic analysis of the joint section between intake tunnel and hot-water circumfluence groove for a hydropower

station

ZHAO Jie，WANG Guixuan，CHENG Xiang(Research and Development Center of Civil Engineering Technology，Dalian University，Dalian116622，China)

By using the dynamic time-history analysis method，seismic analysis was performed on the joint section between the intake tunnel and the hot-water circumfluence groove for a hydropower station by FLAC3D software.Aiming at the geological characteristics and the backfill condition of the site，analysis of seismic response for the joint section was carried on，and the internal forces of the lining structure were calculated by combining secondary development of FLAC3D with the five-point formula.Based on it，the internal force envelop diagram for the lining structure was presented.Numerical simulation shows that，under identical load effect combination，the effect of temperature on internal forces is remarkable:the variety on temperature load not only significantly changes the value but also changes the orientations of the internal forces for certain parts.Meanwhile，it can be concluded that the circular interface is superior to the square interface for the joint section.

intake tunnel;hot-water circumfluence groove;seismic analysis;internal force envelop diagram;FLAC3D software

TV671;P315.9

A

1006-7647(2013)02-0073-05

10.3880/j.issn.1006-7647.2013.02.016

辽宁省教育厅科学技术研究项目(L2011216);大连市科学技术基金(2010J21DW013)

赵杰(1980—)，男，河北邢台人，讲师，博士，主要从事地下结构稳定与工程抗震研究。E-mail:zhaojie_gd@163.com

2012-05-28 编辑:骆超)