引水隧道在地震波入射時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)解析解.pdf

1、跨流域調(diào)水工程的建設(shè)能夠有效緩解我國(guó)淡水資源空間分布極不均衡的矛盾，然而，長(zhǎng)距離的調(diào)水工程不可避免地需要穿越地震多發(fā)區(qū)域，研究調(diào)水工程構(gòu)筑物的地震響應(yīng)問(wèn)題對(duì)調(diào)水工程的成功建設(shè)和安全運(yùn)營(yíng)具有重要的意義。本文正是針對(duì)引水隧道這一調(diào)水工程中的常見結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了一系列特殊場(chǎng)地中引水隧道動(dòng)力響應(yīng)的解析解研究。
　　首先，本文提出在兩斜交柱坐標(biāo)系間諧波函數(shù)空間坐標(biāo)變換的輔助平面方法，運(yùn)用該方法，得到諧波函數(shù)在斜交柱坐標(biāo)系間的坐標(biāo)變換公式，作為研

2、究隧道交叉等特殊場(chǎng)地地震響應(yīng)問(wèn)題的基礎(chǔ)。通過(guò)建立與空間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的一系列輔助平面，將地震波三維散射研究中的諧波函數(shù)表達(dá)式從柱坐標(biāo)系變換至輔助平面內(nèi)的極坐標(biāo)系，然后在輔助平面內(nèi)運(yùn)用Graf加法公式，將柱坐標(biāo)系下的波函數(shù)表達(dá)式變換至與該柱坐標(biāo)系斜交的另一柱坐標(biāo)系下，從而將三維問(wèn)題轉(zhuǎn)換成二維問(wèn)題進(jìn)行處理，最終得到諧波函數(shù)在斜交柱坐標(biāo)系下內(nèi)域問(wèn)題和外域問(wèn)題的坐標(biāo)變換公式。
　　其次，本文建立了完全充水引水隧道場(chǎng)地模型，并采用波函數(shù)展開法給出了

3、P波和SV波入射時(shí)引水隧道平面地震響應(yīng)和三維地震響應(yīng)的解析解。通過(guò)算例分析，重點(diǎn)討論了入射波性質(zhì)、隧道尺寸、襯砌材料參數(shù)、地層泊松比等因素對(duì)引水隧道動(dòng)力響應(yīng)的影響。算例分析結(jié)果表明，完全充水引水隧道襯砌的動(dòng)力響應(yīng)與入射波振幅成正比;在入射波無(wú)量綱頻率不變時(shí)，襯砌的動(dòng)應(yīng)力峰值不受隧道內(nèi)徑變化的影響，而襯砌的動(dòng)位移峰值則與隧道內(nèi)徑成正比;完全充水引水隧道襯砌的動(dòng)應(yīng)力峰值均隨著襯砌厚度的增大而減小，動(dòng)位移峰值則隨著襯砌厚度的增大而增大;隨著隧

4、道襯砌彈性模量的增大，襯砌受到的動(dòng)水壓力峰值和襯砌的動(dòng)位移峰值均逐漸減小，而切向動(dòng)應(yīng)力峰值和軸向動(dòng)應(yīng)力峰值均增大;土層泊松比的改變使得引水隧道的動(dòng)力響應(yīng)發(fā)生明顯改變。此外，當(dāng)P波和SV波傾斜入射時(shí)，入射波傳播方向與引水隧道橫斷面之間的夾角對(duì)引水隧道的動(dòng)力響應(yīng)有著顯著的影響。
　　再次，本文建立了水下完全充水引水隧道場(chǎng)地模型，給出了P波和SV波入射時(shí)水下引水隧道平面地震響應(yīng)的解析解。通過(guò)算例分析，重點(diǎn)討論了入射波性質(zhì)、地表水體深度、

5、隧道埋深等因素對(duì)水下引水隧道動(dòng)力響應(yīng)的影響。研究表明，P波入射時(shí)水下引水隧道的動(dòng)力響應(yīng)隨著地表水深的增大而增大，且低頻P波入射時(shí)地表水深變化對(duì)襯砌動(dòng)力響應(yīng)的影響程度要大于高頻P波入射情況;而在SV波入射時(shí)，地表水深改變對(duì)水下引水隧道襯砌的動(dòng)應(yīng)力峰值影響不大;隨著隧道埋深的增大，低頻P波入射引起的水下引水隧道襯砌動(dòng)應(yīng)力逐漸減小，動(dòng)位移則逐漸增大，而低頻SV波入射時(shí)，水下引水隧道襯砌的動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)位移隨著隧道埋深的增大而減小。
　　最后

6、，本文建立了引水隧道下穿地鐵區(qū)間隧道局部復(fù)雜場(chǎng)地模型，并采用波函數(shù)展開法給出了P波和SV波入射下該復(fù)雜場(chǎng)地地震響應(yīng)的解析解。通過(guò)算例分析，討論了上層地鐵隧道和下層引水隧道之間的相互影響。研究表明，下層引水隧道對(duì)上層地鐵隧道產(chǎn)生屏障作用，使得P波入射和SV波入射時(shí)上層地鐵隧道一定區(qū)域內(nèi)的動(dòng)應(yīng)力峰值和動(dòng)位移峰值均有所減小，而上層地鐵隧道的存在則使得引水隧道在一定區(qū)域內(nèi)的動(dòng)應(yīng)力峰值和位移峰值有所增大。兩座隧道在交叉點(diǎn)兩側(cè)大致4-6倍的內(nèi)半徑范