基于DEM-FEM耦合的大型地下硐室群地震响应并行数值方法与软件平台

The complex geological structure existing around and within the large-scale underground cavern group is the main factor that influences the static and dynamic stability of the cavern group. In the proposal, the discrete element method (DEM) is adopted to simulate the complex geological structure, and the finite element method is adopted to simulate the surrounding rock of the cavern group, while the coupled DEM-FEM method is adopted to simulate the contact and link of the two kinds of media. The method proposed is aimed at discovering the earthquake damage mechanism of the cavern group. The acting mechanism of the continuous and discontinuous parts within the rock is proposed basing on the analysis of the contact of the rock and geological structure, and the coupled DEM-FEM element which represents the dynamic character is proposed basing on the study of the compatibility of deformation, the force equilibrium of forces and the Seismic wave transmission or reflection. By analyzing the solution method's difference between the DEM and FEM, the task schedule algorithm fulfilling the dynamic load balancing and the parallel integration algorithm are proposed. The software platform simulating the seismic response of the large-scale underground cavern group with coupled DEM-FEM method is developed basing on the object oriented programing technology and MPI based parallel programing technology, and the software platform is verified by classic bench mark. The typical seismic damage of the underground cavern group in Yingxiuwan hydro power plant during Wenchuan is taken as test problem, of which the seismic damage developing process is represented by the software platform developed in this proposal.

赋存与大型地下洞室群围岩且与其切割的复杂地质结构是影响其静、动态稳定性的关键因素，基于此本项目采用离散元（DEM）模拟复杂地质结构、采用有限元（FEM）模拟硐室群围岩、采用DEM-FEM耦合单元模拟两种的接触与连接，以此方法研究大型地下洞室群地震破坏机理。在研究岩体与地质结构接触关系的基础上提出连续与非连续的耦合作用机制；在研究接触面变形协调、力平衡、地震波透反射等特性的基础上提出能表述动态特征的DEM-FEM新型耦合单元耦合；在研究DEM和FEM不同求解模式的基础上提出动态负载平衡的任务调度算法和高效、并行的时域求解算法，以此为理论基础，采用面向对象的编程（OOP）技术和MPI并行程序开发技术，研发基于DEM-FEM耦合的大型地下硐室群地震响应的并行数值分析软件平台，并通过经典考题对其验证。以汶川地震中映秀湾水电站大型地下洞室群的典型震害为例，采用本项目开发的软件平台再现其震害发展过程。

赋存与大型地下洞室群围岩且与其切割的复杂地质结构是影响其静、动态稳定性的关键因素，本项目针对不利地质结构的影响，采用连续-非连续的耦合方法开展相关研究工作，取得如下研究成果。通过室内试验开展了岩石试样的三轴压缩、动三轴压缩和三轴循环加卸载试验，研究了岩石试样的动态力学特性，采用次加载面模型拟合分析了岩石的动态应力应变关系；开展了结构面在不同起伏角度、粗糙度等条件下的循环往复剪切试验，研究了结构面强度与影响因素间的关系；通过变形协调、力的平衡等条件构建了岩石与结构面之间的连接形式和耦合方法，提出来有限元（FEM）和离散元（DEM）在数值模拟中的耦合单元，并通过程序实现了该单元的编译与封装；以开源的离散单元程序源代码，重新编译封装了离散单元数值分析程序，将离散单元程序封装成20余个单独的动态链接库；以动态分析软件OpenSEES开源代码为基础有限元平台（FEM），将本项目研究封装的离散单元程序（DEM）嵌入OpenSEES中，并根据耦合理论和方法构建了耦合单元形成特殊单元库，在此基础上通过差分方法，在同一动态分析最小计算时步的预处理前提下，实现了基于MPI高效并行积分算法的大型地下硐室群地震动态响应时程分析的DEM-FEM软件分析平台；基于OpenCASCADE图形内核，开发了集地下硐室群数值模型建立、计算网格剖分及参数设置等功能与一体的数值模拟前处理，采用该平台建立了白鹤滩水电站地下厂房模型，并用以本项目的研究工作；以工程区域场地反应谱为目标，研究了基于反应谱的地震波时程选取和合成技术，本研究以汶川地震绵竹清平地震时程记录为依据合成了白鹤滩水电站地下厂房区域的地震波输入时程，研究了地震波的传播及衰减规律，为地震动态稳定性研究的地震波输入提供了依据。采用本文开发的DEM-FEM分析软件，开展了经典例题的验证，结果显示采用本研究的软件分析的成果和理论结果较为接近，具有较好的适用性和准确性。采用该软件分析了不利地质结构（层间错动带）对大型地下硐室群地震稳定性的影响，不利地质结构（DEM）的响应特征及其与岩石（FEM）响应特征的区别。通过本项目的研究，为我国大型水利水电工程地下厂房区域的稳定性施工、设计、抗震等提供了理论基础和分析方法，具有较好的理论和工程应用价值。