引言震害調查表明，對于地下洞室群而言，在地震作用下，其直接的破壞現象是洞室圍巖產生宏觀的裂縫、片幫和冒落坍塌等現象。在數值計算中，可以體現洞室破壞程度的是洞室塑性區或者損傷區的大小，且塑性區的工程意義在于反映了開挖完成后的開挖損傷區。
近十幾年來，尤其是2008年汶川地震發生后，大型地下洞室群的抗震分析和研究工作開始受到重視。宋林等和邊金等選用實測地震波進行幅值修正作為強地震動輸入，研究了地鐵車站的地震響應特征。
趙寶友等以某水電站地下廠房洞室結構為例，進行了二維動力時程非線性數值計算，分析了地下結構的動力損傷的特點。李海波等研究了地震荷載作用下地下巖體洞室位移特征的影響因素。李小軍等采用有限元空間離散模型，結合動力方程求解的顯式差分方法、局部透射人工邊界和接觸力模型，對溪洛渡地下洞室群進行了地震響應分析。王如賓等利用動力時程分析法對金沙江兩家人水電站地下廠房進行了地震響應分析。
本文利用有限差分軟件FLAC3D研究了西部高山峽谷中某大型地下洞室群在地震作用下的損傷演化規律和分布特征，旨在為地下洞室群抗震設計提供一些依據和建議。
1、工程概況
某大型水電站位于大渡河中游上段四川省雅安市石棉縣境內，壩區兩岸山體雄厚，谷坡陡峻，基巖裸露，自然坡度一般40°～65°，相對高差一般在600m以上。該電站裝機容量為2600MW，地下洞室群由主廠房、主變室、尾水調壓室三大地下洞室及母線洞、尾水連接洞等組成，主廠房、副廠房、主變室和尾水調壓室平行布置。主廠房開挖尺寸為206．00m長，30．80m寬，73．78m高;主變室開挖尺寸為144．00m長，18．80m寬，25．10m高;尾水調壓室凈跨度為20．50m～24．00m，130．00m長，75．08m高。
該水電站地下廠房區基巖以灰白色、微紅色黑云二長花崗巖為主，具中粒結構，廠區巖體新鮮較完整，呈塊狀－次塊狀結構，巖塊嵌合緊密。地下廠房區主要為Ⅱ、Ⅲ類圍巖，洞室圍巖基本穩定，局部穩定性差。工程場地處于不同方向活動斷裂的交匯區附近，斷裂構造發育，地震活動頻繁，地震基本烈度為8度，50a超越概率3%的水平峰值加速度為4．043m/s2。
2、計算模型
地下廠房區以Ⅱ類圍巖為主，夾雜有Ⅲ類圍巖和輝綠巖脈。在動力計算中，如果按這些地質特征進行建模，則會使局部網格劃分過小，導致計算時間成本急劇增加?；诘叵聫S房區巖體新鮮較完整的巖體特征，考慮到動力計算時間成本和計算結果的準確性，將模型可以看做均質、彈塑性Ⅱ類圍巖介質，結合工程經驗，將其取值適當弱化，計算時圍巖的力學參數取值如表1所示。
該水電站地下廠房洞室群規模龐大而復雜，如果對所有地下洞室群進行細致的模擬，即便是開展靜力分析，計算成本也十分高昂，對于持時幾十秒的地震動力響應分析將更加費時。因此，必須對計算模型進行合理簡化。通過比較分析，在數值模擬中只考慮該水電站的三個大型地下廠房，即主廠房、主變室和尾水調壓室。為了滿足地震波傳播問題的數值穩定性條件，取單元最大尺寸為15m。建模時，取水平向右為X軸正向，豎直向上為Z軸正向，沿洞室軸線方向為Y軸。計算范圍由主變室中心起左右各取300m，上下自主變室底板各取210m，Y軸長度共200m長。模型共劃分單元54026個，節點59685個。初始地應力考慮到自重應力和構造應力，將洞室群上方200m以上至地表的巖體計算出重量作為外荷載施加在上邊界上，地應力側壓力系數取，kx=0.5，ky=1.2，按初始地應力隨深度線性增加的方式施加到單元上去。生成后的地下洞室群數值模型如圖1所示。
根據巖體力學特性，本文采用Mohr－Coulomb模型作為巖體本構關系。采用自由場邊界吸收來自模型內部的入射波。由于局部阻尼與頻率無關，和巖土體介質阻尼性質吻合，無需對頻率進行估計，應用簡單，且局部阻尼計算速度比瑞利阻尼快約幾十倍，因此本文采用局部阻尼。對巖土類材料，阻尼比一般在2%～5%范圍內，本文取阻尼比為0．05，局部阻尼系數αL=0.1571。
根據地殼構造和固體介質波折射規律，在地震響應分析中通常認為地震波到達地殼表層時入射方向垂直于地表。同時考慮到地震波的剪切作用對于地下洞室破壞作用最大，將入射地震波設置為水平向振動的剪切波。選用1995年發生在日本阪神\\(Kobe\\)的地震記錄作為輸入地震波\\(簡稱為Kobe地震波\\)，其峰值加速度按相應比例進行調整。地震波在模型底部豎直向上輸入，為剪切波，輸入的地震波峰值加速度為4．043m/s2。經過基線校正和高頻濾波，Kobe地震波的時程曲線和傅里葉譜如圖2和3所示。
3、計算結果與分析
根據輸入地震動加速度由弱變強再變弱的變化過程，選取0s、3．385s、4．388s、4．781s、5．228s和7．116s幾個時刻，分析圍巖損傷區演化規律和分布特征。不同時刻的圍巖損傷區大小和分布特征見圖4－圖9。由圖中可以看出，隨著加速度由弱變強，主廠房和尾調室的邊墻中部損傷區向深處擴展。在4．781s時刻，主變室和尾調室之間產生了貫通的損傷區。損傷區主要分布在主廠房和尾調室的邊墻和頂拱處，以及主變室的邊墻和底板處。
如圖4和5所示，在第0s和3．385s時刻，主廠房圍巖損傷區面積為778m2，主變室圍巖損傷區面積為236m2，尾調室圍巖損傷區面積為735m2，洞室圍巖損傷區面積共計1749m2;如圖6所示，在第4．388s時刻，主廠房圍巖損傷區面積為1101m2，主變室圍巖損傷區面積為445m2，尾調室圍巖損傷區面積為1091m2，洞室圍巖損傷區面積共計2637m2;如圖7所示，在第4．781s時刻，主廠房圍巖損傷區面積為1435m2，主變室圍巖損傷區面積為1003m2，尾調室圍巖損傷區面積為1636m2，洞室圍巖損傷區面積共計4074m2，可以看出，主變室和尾調室巖柱在本時刻出現了損傷區貫通的情況;如圖8所示，在第5．228s時刻，主廠房圍巖損傷區面積為1508m2，主變室圍巖損傷區面積為1074m2，尾調室圍巖損傷區面積為1712m2，洞室圍巖損傷區面積共計4294m2;如圖9所示，在第7．116s至地震結束時刻，主廠房圍巖損傷區面積為1574m2，主變室圍巖損傷區面積為1074m2，尾調室圍巖損傷區面積為1730m2，洞室圍巖損傷區面積共計4378m2。
圖10繪制出了圍巖損傷區面積隨地震作用時間的變化曲線。結合圖2和圖10可以看出，隨著輸入加速度強度增加，損傷區面積逐步擴展，在輸入地震動強度達到最大值時，損傷區面積也很快達到最大面積，其后損傷區面積就一直保持不變。
4、結論
本文選用日本Kobe地震波作為實際地震動輸入，通過基線校正和高頻濾波，利用FLAC3D軟件對某大型地下洞室群進行了地震作用下的損傷演化規律和分布特征研究。數值分析結果表明:
\\(1\\)隨著加速度由弱變強，主廠房和尾調室的邊墻中部損傷區向深處擴展。損傷區主要分布在主廠房和尾調室的邊墻和頂拱處，以及主變室的邊墻和底板處。
\\(2\\)隨著輸入加速度強度增加，損傷區面積逐步擴展，在輸入地震動強度達到最大值時，損傷區面積也很快達到最大面積，其后損傷區面積就一直保持不變。
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