大型地下洞室群地震防灾减灾对策研究
2017-02-21李文倩王乾伟朱晓斌佟大威
李文倩， 王 飞， 王乾伟， 朱晓斌， 王 振， 佟大威
(天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室， 天津 300072)
大型地下洞室群地震防灾减灾对策研究
李文倩， 王 飞， 王乾伟， 朱晓斌， 王 振， 佟大威
(天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室， 天津 300072)
开展地下洞室群地震防灾减灾对策研究在实际的工程应用中具有非常重要的意义。然而针对目前地下洞室群地震防灾减灾对策研究十分匮乏的情况。文章基于地震灾害风险并结合地下洞室群空间分布特征及行业特点，分析了衬砌支护措施对于地下洞室群结构的抗震效果影响，阐述了不同衬砌厚度条件下的洞室结构动态响应变化规律；采用Dijkstra法、最短路径法及疏散路径当量长度法，提出了地下洞室检修人员处于最不利位置时的应急疏散路径；针对非贯穿性裂缝、贯穿性裂缝、破碎岩体脱落及洞室坍塌性破坏等不同性质的震损结构与破坏程度，深入研究了不同的修复措施与方案。
地下洞室； 地震； Dijkstra法； 应急疏散路径； 防灾减灾对策
我国水电工程中地下洞室群的应用及分布范围广泛，突发地震对于地下洞室群易造成巨大的经济损失及人员伤亡，开展地下洞室群地震防灾减灾对策研究具有必要性和紧迫性。国内外针对突发事件的应急管理对策研究具有较好的理论与应用基础，在水利水电工程领域中，高建国[1]总结了水库险情主要案例并提出了水库险情的基本防治对策。王华[2]对震损水库的应急抢险和恢复重建提出了具体指导意见和措施。黄凌[3]进行了公明水库溃坝的数值模拟与应急对策研究。
在道路交通领域的应用研究中，如Celine Thevenaz[4]研究了在交通系统大面积受损情况下，如何在应急时限内合理安排道路的抢修时序。吴青[5]研究了地震灾害下应急物资车辆的决策调度方法。针对城市及农村领域研究较多，如Izadkhah Y O[6]、Hosseini M[7]、吕景胜[8]等人分别从地震应急决策及应急救援等方面进行了研究。而在其他领域研究中，如Milton Steinman[9]研究了海地地震发生后整个太子港地区的应急救援协调机制。Ishii T[10]重点分析了2011年3月日本地震时石卷市医疗体系的应急响应流程、避难所的应急评估等研究内容。
综上所述，国内外在道路交通、城市等领域的地震灾害预防、地震应急管理和震后修复重建等领域取得了众多的研究成果，为我国抗震研究及地震应急响应指挥提供了重要基础和有力的技术支持，然而缺乏水利水电工程领域的地震防灾减灾对策研究，尤其匮乏关于地下洞室群的地震防灾减灾对策研究，而地下洞室群相较于水库具有复杂的地层、断层、软弱夹层及大量节理裂隙等构成的复杂地质体，开展地下洞室群地震防灾减灾对策研究具有重要的理论和实际意义。
一、 地下洞室群地震防灾减灾对策研究框架
从地震应急决策管理与灾后救援的角度出发，以大型地下洞室群地震灾害为研究对象，研究并分析了震前地下洞室衬砌结构抗震效果、地下洞室群震中应急疏散路径及地下洞室的震后修复措施，地下洞室群地震防灾减灾对策研究框架(见图1)，研究成果可为大型地下洞室群地震灾害应急与对策管理提供理论依据与技术支持。
二、 地下洞室衬砌结构抗震效果分析
1. 动力响应模拟
采用Hilber- Hughes-Tayor算法对非线性结构模型进行动力数值求解。在t,t+Δt时刻，动力学平衡方程为
(1)
(2)
为使结构体系在t,t+Δt时刻的达朗伯力[M]{ü}t与t,t+Δt时刻静力的加权平均值保持平衡，修正t+Δt时刻动力学方程获得新的动力平衡方程为
(3)
采用Newmark法的位移和速度向量形式将动力学平衡方程中对应t+Δt时刻的位移和速度向量重写，即
(4)
(5)
将式(4)与式(5)代入新的动力学平衡方程中，其中权重因子β、γ可表征为权重因子α的函数形式
(6)
2. 工程概况
以位于我国西南地区澜沧江下游的某工程为研究对象，探讨主变室在不同衬砌厚度条件下的动态响应变化规律，研究了混凝土强度等级为C25时，衬砌厚度为30～70 cm范围内的抗震效果分析。模型的本构采用理想弹塑性模型，以Drucker-Prager强度准则作为屈服准则，采用Rayleigh阻尼，根据实际工程情况建立整体计算模型(见图2)，模型尺寸为837 m×446 m×(299～551)m，展示了30 cm、50 cm及70 cm衬砌厚度的有限元网格图(见图3)，基于花岗岩的物理力学参数(见表1)进行数值模拟。计算输入的地震波采用唐山余震天津医院地震波，基岩处施加的地震加速度时程曲线参考文献[11]。
表1 围岩物理力学参数
3. 衬砌结构抗震效果分析
基于数值模拟结果，分别给出了30 cm衬砌条件下某洞室特征点处的竖向位移时程曲线(见图4)，并给出在不同衬砌厚度工况下该点的竖向位移、水平加速度、拉应力与压应力等动态响应计算结果的均方根值(见表2)。
表2 不同衬砌条件下研究节点响应结果汇总
由表2知，不同厚度衬砌条件下洞室特征点的竖向位移、加速度、拉应力、压应力等动态响应相比于无衬砌条件下均有明显减小，说明衬砌支护措施对于地下洞室群减震抗震有着显著的效果。在采取衬砌减震措施后，随着衬砌厚度的增加，洞室结构各动态响应结果整体上呈现明显的减弱趋势。因此，地下洞室采取适当厚度的衬砌支护可以起到较好的减震防震作用，以保证洞室安全稳定运行并保障工作人员人身安全。
4. 不同地震烈度下衬砌结构地震响应研究
进一步进行了该工程地下洞室在不同地震等级条件下的数值模拟研究，研究工况分别为无衬砌、30 cm厚度衬砌、40 cm厚度衬砌、50 cm厚度衬砌、60 cm厚度衬砌、70 cm厚度衬砌等，开展了其在唐山余震天津医院地震波、六级～九级地震等五种地震烈度条件下的结构破损情况分析。基于数值模拟结果，获取了另一地下洞室洞顶特征点处的竖向位移响应的均方根值(见表3)，并以30 cm厚衬砌的响应结果为例进行分析(见图5)。
表3 不同地震烈度条件下的竖向位移响应结果
由此可知，地下洞室群在无支护与不同厚度衬砌条件下，洞室该特征点处的加速度与竖向位移响应随着地震烈度的增加而逐渐增大，说明地震烈度对于地下洞室群结构整体安全稳定性具有主要影响。衬砌厚度对于结构的稳定性影响整体上呈现随厚度增加逐渐减小的趋势，相对于地震烈度而言作用较弱。
三、 地下洞室地震应急疏散路径
提出了基于数值模拟结果的地下洞室地震应急疏散路径分析，研究了地震作用下包含交通洞、母线洞等的地下洞室群的安全稳定性分析，采用Dijkstra法、最短路径法及疏散路径当量长度法，进行了地下洞室群地震应急疏散路径分析。
1. 数值模拟结果分析
在计算条件允许的范围内，建立了包含交通洞、母线洞等的地下洞室群有限元分析模型，模型尺寸为1186 m×1022 m×(450～739)m(见图6)。地下洞室群在经过初始地应力、洞室开挖及地震作用3个阶段后，基于数值模拟结果可知最大竖向沉降约为5.02 cm，最大拉应力为1.06 MPa，且未出现塑性贯通区，由此可知地下洞室及各疏散路径均处于稳定的状态。
2 . 应急疏散路径的求解方法
(一) Dijkstra方法
Dijkstra法基本思想是得到初始点到某个节点的最短路径，再搜索到研究节点的最短路径。V1～Vt为道路网中节点，A～I为节点间路权(见图7)。
(二) 最短路径求解方法
假设G=
(7)
式中xij为(ai,aj)在有限路径中所出现的次数。因此，求解最短路径的问题实际上就转变成求解上述数学模型的最优解问题。
(三) 疏散路径当量长度的计算
设受灾人员所在地点到目的地的疏散路径用P表示，且包含n条路径，疏散路径中的第k条路径用Ek表示，Ek∈E，则该路径下P可描述为P={E1,E2,…,Ek,…,En}。且该条疏散路径的当量长度为
(8)
对于地下洞室群第i条疏散路径，其当量长度可通过公式(9)计算
L(Ek)=ωD(Ek)
(9)
式中：L(Ek)为第k条疏散路径的当量长度；ω为由坡度决定的疏散路径通行难易系数；D(Ek)为第k条疏散路径的实际长度。
3. 应急疏散路径的选取与分析
基于上述应急疏散路径求解方法，并结合某水利水电工程地下洞室群的自身特点，绘制其地震灾害下的应急疏散路径(见图8)。
针对地下洞室群处于检修期且检修人员处于最不利位置(主厂房的水轮机层)的情况，进行地震灾害应急疏散路径的研究，并列举出可选取的应急疏散路径及其相应的当量长度(见图9)，其中不考虑出线井。
基于Dijkstra方法求解最短路径，可知最短疏散路径应为“水轮机层-电气夹层-发电机层-主厂房洞口-厂房运输洞出口”。依据《水电工程施工组织设计规范》，可知水电工程场内不同路段上的设计车速与交通道路路面宽度、车道数量及车宽之间的对应关系，进而可知厂房运输洞的车辆行驶速度为25 Km/h，尾闸运输洞的车辆行驶速度为20 Km/h。张艳娟[12]基于元胞自动机疏散模型研究表明，在地震情况下当疏散人员的前方无人员或人员较少时，疏散人员会出现奔跑的现象，其疏散速度会接近2 m/s。对于主厂房水轮机层的工作人员进行地震疏散时，以时间最短为原则，最短路径仍为“水轮机层-电气夹层-发电机层-主厂房洞口-厂房运输洞出口”，用时约为7.1 min。
为考虑最不利情况下地下洞室群的疏散路径的安全情况，研究了超强地震[13]作用下的地下洞室群及疏散路径的安全稳定性分析。基于数值模拟结果可知电气夹层与变压器层相连通的母线洞存在塑性贯通的现象，在地震突发时，建议地下洞室群内的管理及检修人员在选择疏散路径时，尽量避开2～7号母线洞，以在疏散过程中确保路径安全。
四、 地下洞室群震后修复措施
地下洞室群在震后主要需要修复的结构对象为围岩上产生的非贯穿性裂缝、贯穿性裂缝以及破碎岩体脱落与洞室坍塌性破坏，针对不同性质的震损结构与破坏程度需要采取不同的措施与方案对其进行修复。
(1) 非贯穿性裂缝修复措施。非贯穿性裂缝包括细浅裂缝、发丝裂缝、不漏水缝、不伸缩裂缝及不再活动裂缝等，这些裂缝的特点是开度小而密度大，同时对结构的承载能力和洞室的整体稳定性影响较小，通常只需采用表面处理法、填充法或注射修补胶法进行表面处理即可。常用的有表面涂抹水泥砂浆、表面涂抹环氧胶泥以及表面涂刷油漆、沥青等防腐材料等，在防护的同时也可采取在裂缝的表面粘贴玻璃纤维和碳纤维布等措施，以防止混凝土继续开裂。
(2) 贯穿性裂缝修复措施。对于开度较大的贯穿性裂缝，其对地下洞室的整体性、承载能力及洞室稳定有极其重要的作用，应采取结构加固法的工程措施或在裂缝延伸范围内采取挂网喷浆的方法(即设置锚杆及钢筋网并对裂缝进行压力注浆)进行加固。当发生强烈地震时，针对严重损坏的混凝土结构或无法直接修复的裂缝可采用混凝土置换法对其进行处理，方法步骤为：先将无法修复的损坏混凝土全部去除，然后再在原来损坏位置上置换入新的混凝土材料，包括普通混凝土、水泥砂浆、聚合物或聚合物混凝土等以修复或增强破坏结构的强度。
(3) 破碎岩体脱落与坍塌性破坏修复措施。对于破碎岩体，可在挂网喷浆的方法基础上在围岩上钻孔灌浆以达到加固围岩岩体的目的，确保岩体不再发生脱落。而对于坍塌性破坏部位，可以首先在地下洞室破坏的附近区域未塌方的洞壁上，实现挂网喷浆加固，以防止岩体坍塌性破坏范围的扩大，进而清除洞内塌方段，并重新采用钢筋混凝土对塌方补位进行衬砌防护。
五、 结 论
(1) 研究了衬砌支护措施对于地下洞室群结构的抗震效果影响，针对不同衬砌厚度条件下洞室结构动态响应变化规律进行分析，基于地下洞室结构特征节点处的竖向位移、水平X向加速度、拉应力与压应力分别研究衬砌结构的抗震效果，同时开展了不同地震烈度条件下衬砌结构地震响应分析。
(2) 提出了基于地下洞室群的安全稳定性分析结果的地下洞室应急疏散路径分析，首先对包含交通洞、母线洞等疏散路径的地下洞室群进行安全稳定性分析，研究了地下洞室疏散路径的安全可靠度，进而基于Dijkstra法、最短路径法及疏散路径的当量长度，以地下洞室检修人员处于最不利位置时为例进行地震灾害应急疏散路径的研究，并考虑到部分阻塞情况的存在。
(3) 充分考虑地震作用下地下洞室群的破坏特点，分别针对非贯穿性裂缝、贯穿性裂缝、破碎岩体脱落及洞室坍塌性破坏等不同性质的震损结构与破坏程度，深入研究了不同的修复方案，开展地下洞室群震后修复措施研究。
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Studies on the Seismic Countermeasures for Disaster Prevention and Mitigation of Underground Cavern
Li Wenqian， Wang Fei， Wang Qianwei， Zhu Xiaobin， Wang Zhen， Tong Dawei
(State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety， Tianjin University， Tianjin 300072， China)
It is very important to carry out the analysis and research on the countermeasures of seismic disaster prevention and reduction in underground cavern group. However, the research on the countermeasures of seismic disaster prevention and reductfon for underground cavern group is very scarce. Based on the risk of the seismic disaster, the spatial distribution and the industry characteristics of underground cavern group. the influence of lining support measures on the seismic effect of underground cavern group structure was analyzed, and the dynamic response of the structure under different lining thickness was described. This paper proposes emergency evacuation path for the maintenance personnel in the most unfavorable place by Dijkstra method, the shortest path method and evacuation path equivalent length method. According to the different seismic damage structure and damage degree of the non-penetrating crack, the penetrating crack, the broken rock mass and the collapse of the cavern, different restoration measures and schemes were studied in depth.
underground cavern group；seismic；Dijkstra method；emergency evacuation path；countermeasures for disaster prevention and reduction
2016-06-30.
国家重点研发计划基金资助项目(2016YFC0401806)；国家自然科学基金资助项目(51679165)；国家自然科学基金资助项目(51439005).
李文倩(1986— )，女，博士研究生.
佟大威， tongdw@tju.edu.cn.
C93-03
A
1008-4339(2017)01-012-06
