大型地下岩体工程地震动力响应的不连续变形分析方法研究

Based on the discontinuous deformation analysis method（DDA）, combined with the engineering seismology, the engineering geology, the rock dynamics and the parallel algorithm theory, this project will study the seismic input method and artificial boundary setup method, the dynamic damp model of the discontinuous medium system and the effective mass parallel algorithim of DDA, develop the discontinuous deformation analysis method and the corresponding programe code for the seismic dynamic analysis of large underground rock mass engineering. The advanced DDA programe will be verified by the seismic physical modeling test of large undergroun caverns which has been finished by the group. Finally, the advanced DDA method will be applied in the seismic dynamic response analysis of large underground caverns of Baihetan hydrapower station in western China. All these works will provide the technical support for the construction and safety operation of large underground rock mass engineering in complicatied geologic conditions, and broaden the engineering application of DDA method.

本项目拟以二维不连续变形分析（DDA）方法为基础，结合工程地震学、工程地质学、岩石动力学及并行计算理论，研究工程区域地震波的输入和人工边界条件设置方法、不连续介质系统的新型动态阻尼模型、DDA的大规模高效并行算法，发展适用于大型地下岩体工程地震动态响应分析的DDA方法，编制相应的DDA高效并行计算程序，并与项目组已完成的大型地下洞室群三维地震物理模拟试验进行分析对比，进一步完善该方法。在此基础上，选取我国西部典型工程-白鹤滩水电站，进行地震荷载作用下地下洞室群动态响应分析，评价其地震动态稳定性及支护措施效果，从而为我国复杂地质条件下大型地下岩体工程的建设与安全运营提供技术支持，同时也为DDA方法进一步拓宽工程应用领域。

近一个世纪以来世界范围内发生了一系列大地震，地震造成的地下岩体工程破坏已引起工程界高度关注，特别是当大型岩体工程穿越断层带或者节理裂隙发育带时，地震动作用容易引起岩体工程错动、局部滑移和崩塌破坏等。因此，大型地下岩体工程地震动力响应分析是岩土工程领域亟待突破的重大课题。不连续变形分析（DDA）方法基于时间步计算大变形、不连续问题，可准确模拟块体的平移、转动与变形等全部过程，非常适合求解岩体工程的地震动力响应。已有的研究工作表明，DDA程序在地震动力计算中存在诸多不足，如：边界处理方式简单，不考虑边界反射；地震荷载输入不考虑地震波传播，与实际不符；阻尼问题研究欠缺；计算效率不高等。针对这些问题，本项目紧密围绕不连续变形分析方法中的精确边界和局部边界设置方法、基于不连续介质系统的动态阻尼模型、DDA高效并行算法及程序等三个关键科学问题，突破了传统DDA方法模拟不考虑地震波传播或人工边界散射波反射的局限，发展了DDA的动力边界及地震输入方法，实现了DDA处理地震动力问题时思维的跨越，使得DDA模拟地下岩体工程地震动力响应更符合实际情况；基于能量原理定量给出了DDA数值、粘性阻尼的阻尼比表达式，为地震DDA计算的动力参数取值提供了理论依据，国际同行认为该研究对地震DDA方法的发展有重要推动作用；提出了基于多线程与CPU-GPU平台的DDA高效并行算法，使开展大型地下岩体工程模拟成为可能，在计算效率方面可被所有DDA研究者借鉴；开发了集前处理、计算和后处理为一体的、具有图形显示界面的DDA软件，并将其应用于重大水电工程，探讨了大型地下岩体工程地震动力稳定性及其灾变机理。项目研究工作为我国复杂地质条件下大型地下岩体工程的建设与安全运营提供了技术支持，同时也进一步拓宽了DDA方法的工程应用领域。