不利地质结构对地下洞室群围岩地震响应影响研究

赋存于大型水电工程区域的不利地质结构（柱状节理、软弱夹层和层间错动带等）是地下洞室群围岩稳定的主要影响因数之一，其在地震作用下对地下洞室群动态响应的影响是岩石力学与工程学科面临的重要前沿课题。本项目围绕两个相结合（试验成果与理论分析相结合，数值仿真与工程实际相结合）开展具体的研究工作。通过大量而全面的室内节理循环剪切试验和玄武岩岩样的静、动态三轴试验，研究不利地质结构和玄武岩的动态力学特性，提出节理的动态抗剪强度和考虑应力状态影响的玄武岩各向异性损伤模型，进而开展地下洞室群地震响应的全过程数值仿真分析，探索不利地质结构的物理力学特性（尺度、产状和强度等）在不同地震等级条件下对地下洞室群围岩动态响应的影响规律，揭示地下洞室群围岩的动力损伤演化规律和破坏过程，建立地震作用下地下洞室群围岩动态稳定性的评价方法，为我国的大型水利水电工程中遇到的不利地质结构的控制和治理等问题提供技术支持和理论指导。

本项目以白鹤滩水电站为依托工程，针对白鹤滩特殊的地质条件（层间错动带发育且与大型地下洞室群切割）和高地震设法烈度，开展了白鹤滩水电站地下厂房区域强地震作用下大型地下洞室群的地震稳定性研究，评价了其稳定性，具体研究工作如下：在研究白鹤滩水电站厂房区域历史地震条件的基础上，开展了工程区域地震危险性分析，得到了水电站地下厂房区域地震反应谱，以此反应谱为目标合成了适合白鹤滩水电站工程区域地震条件的人工地震波；通过对强地震记录的分析与筛选，选取了符合白鹤滩水电站工程区域断裂构造特征的强震记录；综合分析白鹤滩水电站地下厂房区域地应力测试成果，通过反分析与拟合方法，得到了工程区域的地应力场分布规律及其数学表达关系；在RDT－10000型岩石高压动三轴仪、RMT三轴试验仪和MTS三轴加载试验仪等实验设备上分别开展了岩石单三轴压缩试验、动态三轴压缩试验和循环加卸载试验，通过试验研究了岩体的静、动态力学特性及物理力学参数；在自行研制加工的循环剪切试验仪上开展了多组不同节理起伏角、不同法向应力和不同强度等级的循环剪切试验，研究了节理的力学特性；采用小波包分析方法，研究了层间错动带对不同频谱特征的地震波传播规律的影响；建立了白鹤滩水电站右岸地下厂房模型，开展了人工合成地震波及实测地震波作用下地下洞室群地震响应分析；采用基于性能的评价方法，评价了白鹤滩水电站地下洞室群在不同地震条件下的地震动态性能稳定性。基于以上研究工作形成了一套完整的大型地下洞室群地震动态稳定性评价分析方法，即：通过开展工程所在区域的地震危险性分析得到用于地震分析的输入地震动参数，在此基础上通过人工地震波合成方法和强地震动检测台站得到输入地震响应时程，并针对研究场地的特殊地震动条件对输入地震动时程开展波谱分析得到用于地震分析的强地震波输入条件；通过开展室内岩体力学试验得到研究对象的岩体力学参数和通过反分析得到所在场地的地应力场分布规律形成用于地震动态分析的地质输入条件；通过分析大型地下洞室群的地震抗震性能，对其地震性能进行划分，采用增量动力分析方法，评价大型地下洞室群地震的安全性能。

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