CN113589369A - 大型洞库群地震稳定性评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及地下工程建设领域，具体涉及大型洞库群地震稳定性评估方法，通过选取场地效应台阵的布置位置作为基准面，获取地震数据；对获取地震数据进行模糊层析速度反演；利用反演的速度模型进行层析静校正；将所有静校正量对地震数据进行静校正；对地震波数据采用IDA方法进行增量动力分析，制得IDA曲线，以PGV为依据进行多级调幅，得到多条IDA曲线，对多条IDA曲线进行回归，根据回归曲线上各点的斜率与弹性斜率的比值确定功能保障和安全保障的性能点。本发明更准确的反映洞库群工程场址的地震地质特征，采用IDA方法进行增量动力分析，消除地震动的随机性，全面评估洞库群的抗震性能，为大型洞库群地震动力灾变失稳提供准则。

Description

大型洞库群地震稳定性评估方法
技术领域
本发明属于地下工程建设领域，具体涉及大型洞库群地震稳定性评估方法。
背景技术
在地下工程领域，大断面、大跨度的洞室工程进入高速发展时期，并且洞室的跨度存在不断增大的趋势。由于洞库跨度大，空间效应显著，围岩与支护系统的应力、位移和稳定性的力学特性更为复杂。过大的围岩和支护结构变形和结构开裂都将对洞库结构造成严重威胁。
目前，动荷载作用下隧洞/隧道围岩安全性评价仍是岩石力学与地下工程亟待解决的难题，现有的针对地下洞库围岩稳定性的评估方法，主要包括三种：一是通过对水幕巷补水压力和补水量评估洞库围岩是否发生开裂、坍塌，这种方法可靠性低、难以直观地反映真实洞库围岩情况；二是通过在地表定向施工钻孔，然后通过钻孔观测手段获取洞库围岩附近状况，此方法施工难度大、技术成本高，获得洞库围岩信息具有局限性；三是在地下洞库建立微震监测系统，通过微震监测数据反映洞库的稳定性，此方法国内外目前在采矿、石油和大坝抗震等领域应用成熟，但在各领域的应用均缺乏统一的标准。因此，如何科学地、合理地通过微震监测系统评价洞库围岩的稳定性，成为亟待解决的技术难题。
发明内容
为了克服上述技术缺陷的不足，本发明提供了大型洞库群地震稳定性评估方法。
本发明提供大型洞库群地震稳定性评估方法，关键在于包括以下步骤：
步骤一、选取场地效应台阵的布置位置作为基准面，获取地震数据；
步骤二、对获取地震数据进行模糊层析速度反演；
步骤三、利用反演的速度模型进行层析静校正；
步骤四、将所有静校正量对地震数据进行静校正；
步骤五、对地震波数据采用IDA方法进行增量动力分析，制得IDA曲线；
步骤六、以PGV为依据进行多级调幅，得到多条IDA曲线，对多条IDA曲线进行回归，根据回归曲线上各点的斜率与弹性斜率的比值确定功能保障和安全保障的性能点。
优选的，所述步骤一中场地效应台阵的布置位置为河床覆盖层、基岩、区域活动性断裂带、坝址峡谷地形处。
优选的，所述步骤二中模糊层析速度反演的实现方法具体为：采用分段法将近地表进行网格划分，建立初始速度模型，采用网格最短路径迭代射线追踪算法进行正演射线追踪及旅行时计算，根据射线路径建立旅行时方程SX＝T，基于旅行时方程SX＝T和初始速度模型建立模糊矩阵方程MX＝MT并求解，得到新速度模型，根据新速度模型，运用网格最短路径迭代射线追踪方法进行射线追踪及旅行时计算，计算前后两次所有旅行时的差的平方和，判断是否符合精度要求，如果符合则输出静校正结果进行静校正量的计算，如果不符合则将新速度模型带入旅行时方程进行重新计算。
优选的，所述步骤二中：所述SX＝T如式1所示
Figure BDA0003192801470000031
式中，Sij表示第i条射线，在第j个网格中的射线段的长度，如果射线没有经过此网格，则对应的Sij的值为0，Xj表示第j个网格的慢度值，tt表示第t条射线的旅行时。
优选的，所述步骤二中：所述MX＝MT如式2所示
Figure BDA0003192801470000032
式中，mxij表示第i个网格速度相对于第j个模糊规则的隶属函数，mxij表示第i条射线应用第K个模糊规则后对应的初至时间的模糊隶属函数。
优选的，所述步骤三在地表一致性前提下，认为穿过地表低降速带的射线为垂直射线，每一个物理点的校正量是唯一的，计算每个震源点和接收点的静校正量；具体公式如式3所示：
Figure BDA0003192801470000033
式中，Δhi为射线穿过的第i个网格的垂直厚度，hb为统一基准面高程，hgA、hgB为震源点、检波点对应的高速顶的高程，Vr为替换速度，ΔVi为层析反演后的第i个网格的速度，I为震源点处从地表垂直向下到高速顶的网格数，J为检波点处从地表垂直向下到高速顶的网格数；tA为震源点的静校正量，tB为检波点的静校正量，t为检波点相对于震源点这一道的静校正量，j为检波点处从地表垂直向下到高速顶的网格数，Δhj为射线穿过的第j个网格的垂直厚度，ΔV为层析反演后的第j个网格的速度。
优选的，所述步骤五中增量动力分析模型如式4所示
PDM(Z＞z)∑PDM|IM(Z＞z|PGA)PIM(PGA) (式4)
式中IM为地震波峰值加速度PGA；DM为洞库群高边墙在地震过程中的最大相对收敛率；针对经静校正的地震波对工程体进行弹性分析，得到弹性斜率，针对经静校正的地震波对工程体进行非线性动力时程分析，得到IDA曲线。
优选的，所述步骤六中采用10级调幅，分别为0.1m/s、0.3m/s、0.5m/s、0.6m/s、0.7m/s、0.8m/s、0.9m/s、1.0m/s、1.1m/s、1.2m/s。
优选的，所述步骤六中，假定IDA曲线上的各IM-DM点服从对数正态分布，在同一IM值下，参数估计得到不同DM值的均值和对数值的标准差，算得其概率分布函数，以IM为纵值，以DM为横轴，分别绘制得到50％分位曲线，正负一倍标准差的16％，84％分位曲线，并16％，50％和84％分位曲线上确定功能保障点和安全保障点。
优选的，取各IDA曲线的弹性斜率的中值为Ke，分位曲线斜率与Ke的比值为0.8时为功能保障点，分位曲线斜率与Ke的比值为0.2时为安全保障点。
本发明的有益效果是：本发明所提供的大型洞库群地震稳定性评估方法，采用模糊层析反演方法能有效提高了地震资料的信噪比和分辨率，更准确的反映洞库群工程场址的地震地质特征，通过模拟多级震幅并采用IDA方法进行增量动力分析，消除地震动的随机性，全面评估洞库群的抗震性能，并可进一步进行地震动力稳定性的概率分析，为大型洞库群地震动力灾变失稳提供准则。
附图说明
图1为利用本发明模糊层析反演方法处理的地面微地震剖面；
图2为应用地面微地震静校正量前的地面微地震剖面；
图3为洞库群各关键位置的回归曲线图。
具体实施方法：
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及其实施例，对本发明进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定发明。
实施例1大型洞库群地震稳定性评估方法，包括以下步骤：
步骤一、选取河床覆盖层、基岩、区域活动性断裂带、坝址峡谷地形处作为基准面；
步骤二、采用分段法将近地表进行网格划分，建立初始速度模型，采用网格最短路径迭代射线追踪算法进行正演射线追踪及旅行时计算，根据射线路径建立旅行时方程SX＝T(式1)，
Figure BDA0003192801470000061
式中，Sij表示第i条射线，在第j个网格中的射线段的长度，如果射线没有经过此网格，则对应的Sij的值为0，Xj表示第j个网格的慢度值，tt表示第t条射线的旅行时，基于旅行时方程SX＝T和初始速度模型建立模糊矩阵方程MX＝MT(式2)，
Figure BDA0003192801470000062
式中，mxij表示第i个网格速度相对于第j个模糊规则的隶属函数，mxij表示第i条射线应用第K个模糊规则后对应的初至时间的模糊隶属函数，求解式2，得到新速度模型，根据新速度模型，运用网格最短路径迭代射线追踪方法进行射线追踪及旅行时计算，计算前后两次所有旅行时的差的平方和，判断是否符合精度要求，如果符合则输出静校正结果进行静校正量的计算，如果不符合则将新速度模型带入旅行时方程进行重新计算；
步骤三、在地表一致性前提下，认为穿过地表低降速带的射线为垂直射线，每一个物理点的校正量是唯一的，计算每个震源点和接收点的静校正量；具体公式如式3所示：
Figure BDA0003192801470000071
式中，Δhi为射线穿过的第i个网格的垂直厚度，hb为统一基准面高程，hgA、hgB为震源点、检波点对应的高速顶的高程，Vr为替换速度，ΔVi为层析反演后的第i个网格的速度，I为震源点处从地表垂直向下到高速顶的网格数，J为检波点处从地表垂直向下到高速顶的网格数；tA为震源点的静校正量，tB为检波点的静校正量，t为检波点相对于震源点这一道的静校正量，j为检波点处从地表垂直向下到高速顶的网格数，Δhj为射线穿过的第j个网格的垂直厚度，ΔV为层析反演后的第j个网格的速度；
步骤五、对校正的地震波数据采用IDA方法进行增量动力分析，
增量动力分析模型如式4所示
PDM(Z＞z)＝∑PDM|IM(Z＞z|PGA)PIM(PGA) (式4)
式中IM为地震波峰值加速度PGA；DM为洞库群高边墙在地震过程中的最大相对收敛率；针对经静校正的地震波对工程体进行弹性分析，得到弹性斜率，针对经静校正的地震波对工程体进行非线性动力时程分析，得到IDA曲线；
步骤六、以PGV为依据进行10级调幅，分别为0.1m/s、0.3m/s、0.5m/s、0.6m/s、0.7m/s、0.8m/s、0.9m/s、1.0m/s、1.1m/s、1.2m/s，得到多条IDA曲线，取各IDA曲线的弹性斜率的中值为Ke，对多条IDA曲线进行回归，假定IDA曲线上的各IM-DM点服从对数正态分布，在同一IM值下，参数估计得到不同DM值的均值和对数值的标准差，算得其概率分布函数，以IM为纵值，以DM为横轴，分别绘制得到50％分位曲线，正负一倍标准差的16％，84％分位曲线，在16％，50％和84％分位曲线上分别确定功能保障点和安全保障点，其中，分位曲线斜率与Ke的比值为0.8时为功能保障点，分位曲线斜率与Ke的比值为0.2时为安全保障点。
采用本发明对某水电站场进行稳定性评估：
图1为应用静校正量之前的地面微地震剖面(图1b为图1a的局部放大图)，图2为采用本发明的模糊层析反演方法处理得到地面微地震剖面(图2b为图2a的局部放大图)，对比图1和图2，表明采用本发明的模糊层析反演处理后的剖面质量要优于原有剖面，通过本发明的静校正后，改善了底面微地震剖面同相轴的扭曲现象，没有出现局部抖动情形。
计算得到洞库群各关键位置的的回归曲线图(图3)。图3a-3d分别表示洞库群中主厂房岩壁吊车梁测线、主厂房发电机层测线、主变室边墙中部测线及尾调室边墙中部测线，从洞库群各关键位置50％分位线可以看出在PGA达到2.7-3.4m/s2时，洞库群各位置的收敛率有限，满足保障性能水平；当PGA达到7.3-7.6m/s2时，洞库群各位置的相对变形仍然处于可控范围内，未发生明显突变，满足安全保证性能水平。
最后需要说明，上述描述仅为本发明的优选实施例，本领域的技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.大型洞库群地震稳定性评估方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、选取场地效应台阵的布置位置作为基准面，获取地震数据；
步骤二、对获取地震数据进行模糊层析速度反演；
步骤三、利用反演的速度模型进行层析静校正；
步骤四、将所有静校正量对地震数据进行静校正；
步骤五、对地震波数据采用IDA方法进行增量动力分析，制得IDA曲线；
步骤六、以PGV为依据进行多级调幅，得到多条IDA曲线，对多条IDA曲线进行回归，根据回归曲线上各点的斜率与弹性斜率的比值确定功能保障和安全保障的性能点。
2.根据权利要求1的大型洞库群地震稳定性评估方法，其特征在于：所述步骤一中场地效应台阵的布置位置为河床覆盖层、基岩、区域活动性断裂带、坝址峡谷地形处。
3.根据权利要求1的大型洞库群地震稳定性评估方法，其特征在于：所述步骤二中模糊层析速度反演的实现方法具体为：采用分段法将近地表进行网格划分，建立初始速度模型，采用网格最短路径迭代射线追踪算法进行正演射线追踪及旅行时计算，根据射线路径建立旅行时方程SX＝T，基于旅行时方程SX＝T和初始速度模型建立模糊矩阵方程MX＝MT并求解，得到新速度模型，根据新速度模型，运用网格最短路径迭代射线追踪方法进行射线追踪及旅行时计算，计算前后两次所有旅行时的差的平方和，判断是否符合精度要求，如果符合则输出静校正结果进行静校正量的计算，如果不符合则将新速度模型带入旅行时方程进行重新计算。
4.根据权利要求1的大型洞库群地震稳定性评估方法，其特征在于所述步骤二中：所述SX＝T如式1所示
Figure FDA0003192801460000021
式中，Sij表示第i条射线，在第j个网格中的射线段的长度，如果射线没有经过此网格，则对应的Sij的值为0，Xj表示第j个网格的慢度值，tt表示第t条射线的旅行时。
5.根据权利要求1的大型洞库群地震稳定性评估方法，其特征在于：所述步骤二中：所述MX＝MT如式2所示
Figure FDA0003192801460000022
式中，mxij表示第i个网格速度相对于第j个模糊规则的隶属函数，mxij表示第i条射线应用第K个模糊规则后对应的初至时间的模糊隶属函数。
6.根据权利要求1的大型洞库群地震稳定性评估方法，其特征在于：所述步骤三在地表一致性前提下，认为穿过地表低降速带的射线为垂直射线，每一个物理点的校正量是唯一的，计算每个震源点和接收点的静校正量；具体公式如式3所示：
Figure FDA0003192801460000031
式中，Δhi为射线穿过的第i个网格的垂直厚度，hb为统一基准面高程，hgA、
Figure FDA0003192801460000033
为震源点、检波点对应的高速顶的高程，Vr为替换速度，ΔVi为层析反演后的第i个网格的速度，I为震源点处从地表垂直向下到高速顶的网格数，J为检波点处从地表垂直向下到高速顶的网格数；tA为震源点的静校正量，tB为检波点的静校正量，t为检波点相对于震源点这一道的静校正量，j为检波点处从地表垂直向下到高速顶的网格数，Δhj为射线穿过的第j个网格的垂直厚度，ΔV为层析反演后的第j个网格的速度。
7.根据权利要求1的大型洞库群地震稳定性评估方法，其特征在于：所述步骤五中增量动力分析模型如式4所示
Figure FDA0003192801460000032
式中IM为地震波峰值加速度PGA；DM为洞库群高边墙在地震过程中的最大相对收敛率；针对经静校正的地震波对工程体进行弹性分析，得到弹性斜率，针对经静校正的地震波对工程体进行非线性动力时程分析，得到IDA曲线。
8.根据权利要求1的大型洞库群地震稳定性评估方法，其特征在于所述步骤六中采用10级调幅，分别为0.1m/s、0.3m/s、0.5m/s、0.6m/s、0.7m/s、0.8m/s、0.9m/s、1.0m/s、1.1m/s、1.2m/s。
9.根据权利要求1的大型洞库群地震稳定性评估方法，其特征在于：所述步骤六中，假定IDA曲线上的各IM-DM点服从对数正态分布，在同一IM值下，参数估计得到不同DM值的均值和对数值的标准差，算得其概率分布函数，以IM为纵值，以DM为横轴，分别绘制得到50％分位曲线，正负一倍标准差的16％，84％分位曲线，并16％，50％和84％分位曲线上确定功能保障点和安全保障点。
10.根据权利要求8的大型洞库群地震稳定性评估方法，其特征在于：取各IDA曲线的弹性斜率的中值为Ke，分位曲线斜率与Ke的比值为0.8时为功能保障点，分位曲线斜率与Ke的比值为0.2时为安全保障点。
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