大型地下洞室群地震安全评价与对策研究

摘要

大型水电工程地下洞室群常处于地质条件复杂且地震烈度高的高山峡谷地带，进行大型地下洞室群地震安全评价与对策研究对防御减轻地震灾害、保护人民生命财产安全具有重要的理论及现实意义。目前地下洞室地震安全评价研究中多针对位移或应力等单一指标，缺乏从多指标综合角度进行地下洞室群地震安全评价研究；同时目前地震灾害对策研究多针对城市、道路交通等领域，缺乏地下洞室群地震灾害对策分析研究。本文针对地下洞室群地震安全评价与对策研究中存在的不足，融合水电工程三维精细地质建模方法、数值模拟分析方法、安全评价理论及地震应急管理等多个交叉学科的先进理论与方法，开展大型地下洞室群地震安全评价及地震灾害对策研究。其中，地下洞室群地震灾害基础信息分析模型研究为地下洞室群地震安全评价与对策研究提供基础信息数据，地下洞室群地震安全影响因素数值模拟与围岩参数敏感性分析则为地下洞室群地震安全评价与对策研究提供力学分析数据。研究主要取得了如下成果：
　　（1）综合分析工程信息、三维模型信息及地震信息，建立地下洞室群地震灾害评价基础信息分析模型。大型地下洞室群地震安全评价与对策研究所需的信息繁多，如何进行有效地信息处理与分析是地下洞室群地震安全评价首先考虑问题。基于工程基础信息进行了具有复杂地质构造的三维地下洞室群地质建模，并结合地震波的选取原则与处理流程建立了地下洞室群地震灾害评价基础信息分析模型。建立的分析模型从工程信息、三维建模及信息处理与地震信息等方面，全面系统的对地下洞室群地震安全评价所需信息与模型进行了科学有效的分析，为地下洞室群地震安全评价及对策研究的科学分析提供了数据保障与研究基础。
　　（2）考虑复杂地质构造对大型地下洞室群地震安全稳定性影响，建立地下洞室块体周边接触面动力抗滑模型，研究地下洞室群地震安全影响因素的作用机制。地下洞室群周边存在复杂的地层、断层、软弱夹层及大量节理裂隙，导致岩体结构面与洞室临空面相互交切形成形状各异、方向不同、大小不一的曲面块体，其是地震作用下地下洞室结构容易失稳的薄弱环节，很大程度上决定了地下洞室的破坏特点和安全程度。本文首先考虑块体周边接触中具有的摩擦与黏结特性、洞室周边断层特性及块体位于洞室断面的位置等因素对地下洞室地震安全的影响，进行多种安全影响因素作用下地下洞室与曲面块体结构的动态响应特性数值模拟。其次，由于曲面块体与周边岩体界面上存在黏结作用而非完全失效，因此建立了地下洞室块体周边接触面动力抗滑模型，分析了修正抗滑模型中黏结特性影响因素对单块体、I类相邻块体与II类相邻块体的安全稳定性影响，并探讨了修正抗滑模型中摩擦与黏结参数变化对块体结构的响应规律。
　　（3）基于Garson算法与PaD2法进行了地震作用下地下洞室群围岩稳定参数的局部与全局敏感性分析，确定关键参数及各参数敏感性排序。目前，水利工程领域的敏感性分析大多集中于边坡、地基等方面，少有的地下洞室敏感性分析则多采用基于数理统计的局部敏感性研究，缺乏洞室地震安全稳定性的全局敏感性分析。本文针对现有研究不足，基于BP神经网络采用Garson算法实现围岩参数的局部敏感性分析，根据地下洞室及块体特征点的安全稳定性指标，研究围岩密度、弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角等参数的敏感性影响程度。在充分考虑局部敏感性前提下，选用PaD2法研究两个因素相互作用下的全局敏感性分析，得到各参数敏感性系数排序结果，以及围岩属性信息中的关键参数与次关键参数。
　　（4）在综合考虑地震安全评价的多指标评价等级条件下，提出大型地下洞室群地震安全评价模型与方法体系。地下洞室的地震安全评价是由位移、加速度及应力等多个评价指标共同影响的，目前研究大多采用单一指标的评价方法，评价结果具有明显局限性。本文将理论分析、数值模拟与优化算法等手段相结合，集成了强度折减法、粒子群优化算法、投影寻踪法及基于Vague集的集对分析模型等方法，开展了大型地下洞室地震安全评价模型与方法研究。构建适用于地下洞室的地震安全评价方法与体系，提出考虑位移、加速度及压应力等多指标影响的地下洞室群地震安全综合评价方法，并分别通过Dowding CH与Sharma S提出的评价方法验证本文安全评价体系的有效性与评价结果的合理性。
　　（5）为有效降低地下洞室群的地震灾害损失，从灾害应急管理与决策角度出发，开展大型地下洞室群地震灾害对策分析原理与方法研究。在考虑地震灾害特点及地下洞室群空间分布特征条件下，从地下洞室群衬砌结构抗震效果、地震应急疏散路径、地震灾害应急管理及地震防灾减灾措施四个方面开展地下洞室群地震灾害对策分析原理与方法研究。首先，研究衬砌支护措施对地下洞室群结构的抗震效果影响，分析不同衬砌厚度条件下洞室结构动态响应变化规律。其次，基于地下洞室群安全稳定性分析结果，采用Dijkstra法、最短路径法及疏散路径当量长度法，研究地下洞室人员处于最不利位置时的应急疏散路径。再者，基于震前、震中及震后三个阶段，研究地下洞室群地震灾害应急管理流程，探讨三阶段间相互影响的循环过程。最后，研究地下洞室地质分析与选址、减震措施、施工质量控制、修复方法等工程措施及地下洞室地震防灾宣传与应急演练、应急资源保障、应急指挥机构及地震应急预案等非工程措施。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究发展与现状

1.3 本文主要研究思路与内容

第2章 地下洞室群地震灾害评价基础信息分析模型

2.1 基础信息分析数学模型的建立

2.2 工程信息的采集与分析

2.3 工程信息处理与三维建模

2.4 地震波的选取与处理

2.5 本章小结

第3章 地震作用下地下洞室群安全影响因素有限元分析

3.1 地震作用下地下洞室群分析的数值模拟方法

3.2 地下洞室群块体周边接触非线性模型研究

3.3 块体位置对块体结构稳定性影响研究

3.4 断层存在对块体结构稳定性影响研究

3.5 本章小结

第4章 地震作用下地下洞室群围岩稳定参数敏感性分析

4.1 敏感性分析方法及原理

4.2 BP神经网络学习算法及基本原理

4.3 围岩稳定参数敏感性分析模型的建立

4.4 围岩稳定参数敏感性分析结果

4.5 本章小结

第5章 大型地下洞室群地震安全评价模型与方法研究

5.1 粒子群优化算法

5.2 投影寻踪算法

5.3 Vague集的集对分析模型

5.4 地下洞室地震安全评价

5.5 本章小结

第6章 地下洞室群地震防灾减灾对策分析方法研究

6.1 地下洞室衬砌结构抗震效果分析

6.2 地下洞室群地震应急疏散路径分析

6.3 地下洞室群地震灾害应急管理研究

6.4 地下洞室群地震防灾减灾措施

6.5 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢