壩基爆破開挖對碾壓混凝土壩的振動響應(yīng)研究

焦 海 棠

(1.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070； 2.武漢理工大學(xué)道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070)

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·水利工程·

壩基爆破開挖對碾壓混凝土壩的振動響應(yīng)研究

焦 海 棠1，2

(1.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070； 2.武漢理工大學(xué)道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070)

以斯里蘭卡某水電站壩基開挖為例，對其監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸分析，同時運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA軟件，對爆破開挖過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過分析模擬值與實(shí)測值得出，質(zhì)點(diǎn)振動速度可以作為控制爆破開挖的安全藥量和爆心距的計算標(biāo)準(zhǔn)。

壩基，混凝土，振動速度，ANSYS/LS-DYNA，高程差

1 概述

碾壓混凝土壩經(jīng)常被作為水電站的攔水壩，其壩體的澆筑常常與爆破開挖同時進(jìn)行，為保證爆破振動對新澆碾壓混凝土的影響在安全范圍內(nèi)，通常需要對壩體進(jìn)行爆破振動測試。李新平等[1]采用現(xiàn)場爆破振動測試研究了地下洞室群爆破地震波傳播規(guī)律，發(fā)現(xiàn)用質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度作為地下洞室的安全判據(jù)是可行的。CHEN Ming和LU Wenbo[2]推導(dǎo)了Rayleigh面波作用下新澆混凝土壩基礎(chǔ)安全振動速度計算的理論公式。劉數(shù)華等[3]通過彈性模量、溫度變形以及極限拉伸等的變形特性與常態(tài)混凝土進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)碾壓混凝土具有較好的抗裂性能。

本文主要對碾壓混凝土壩澆筑前后進(jìn)行數(shù)值模擬，并與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，再根據(jù)相關(guān)規(guī)范和參數(shù)來控制爆破藥量和安全距離，分析碾壓混凝土壩在一定高程下的爆破振動響應(yīng)。

2 碾壓混凝土壩爆破振動監(jiān)測

目前，很多水電站大壩的修建都采用碾壓混凝土壩，碾壓混凝土壩的工期約為同規(guī)模常態(tài)混凝土工期的1/3～2/3，水泥用量約為同標(biāo)號常態(tài)混凝土水泥用量的1/3～1/2，且其用水量少，水化熱溫升低，壩體可不設(shè)縱縫，不設(shè)或少設(shè)橫縫，這樣便可以大大減少人力、物力資源，造價大約可節(jié)省20%～35%。本文以斯里蘭卡某水電站大壩的修建為工程背景，在上游導(dǎo)流明渠、廠房基礎(chǔ)和尾水渠進(jìn)行爆破開挖過程中，對碾壓混凝土壩進(jìn)行爆破振動監(jiān)測。1)爆破振動安全監(jiān)測。爆破振動安全監(jiān)測技術(shù)路線如下：爆破振動測點(diǎn)的選取→測點(diǎn)控制坐標(biāo)測定→爆破振動測試儀器安裝→爆破振動測試數(shù)據(jù)采集→數(shù)據(jù)整理→數(shù)據(jù)回歸分析→求得與地質(zhì)條件相關(guān)的參數(shù)K，α，β的值→爆破地震波的傳播規(guī)律。爆破監(jiān)測完成后，將傳感器接收到的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得出爆破振動的安全藥量和爆心距，并與實(shí)際爆破開挖的裝藥量和爆心距進(jìn)行對比分析，調(diào)整出更加合理的裝藥量和爆心距。2)爆破開挖布孔網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。現(xiàn)場部分爆破孔參數(shù)如下：預(yù)裂孔鉆孔直徑為115 mm，藥徑35 mm，孔深為12.5 m，孔距為1 m，單孔裝藥量4.2 kg，線裝藥密度為0.36 kg/m；主爆孔鉆孔直徑115 mm，孔深為4.0 m～12.5 m，孔距為3 m，排距為3 m，單孔裝藥量8.32 kg～45.76 kg。3)澆筑混凝土前后監(jiān)測數(shù)據(jù)分析。為了避免爆破振動對新澆混凝土壩的損傷，需要根據(jù)表1和式(1)來確定爆破開挖的安全藥量和爆心距。當(dāng)對壩體上游導(dǎo)流明渠、廠房基礎(chǔ)和尾水渠進(jìn)行爆破開挖時，在澆筑碾壓混凝土前和澆筑2 m混凝土后，分別在攔水壩基礎(chǔ)和碾壓混凝土上布點(diǎn)進(jìn)行爆破振動監(jiān)測。

考慮高程影響的爆破振動傳播與衰減規(guī)律一般采用薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式：

(1)

其中，V為質(zhì)點(diǎn)振動速度；Q為最大單響藥量；R為水平爆心距；H為高程差；K為地震波衰減系數(shù)；α為與地質(zhì)條件相關(guān)的衰減系數(shù)；β為與高程差相關(guān)的衰減系數(shù)；通過對現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，求得式(1)中的衰減系數(shù)在不同方向的數(shù)值見表2。 根據(jù)式(1)，當(dāng)壩體加高2 m之后，水平向的質(zhì)點(diǎn)振動速度隨著高程差的增加而減小，而垂直向的質(zhì)點(diǎn)振動速度隨著高程差的增加而增大；而且此時水平徑向質(zhì)點(diǎn)振動速度最大，因此，可利用水平徑向的監(jiān)測數(shù)據(jù)來控制爆破區(qū)與澆筑混凝土區(qū)的爆心距和單響藥量。

表1 新澆混凝土的爆破振動安全判據(jù)[4]

表2 質(zhì)點(diǎn)衰減系數(shù)值

3 碾壓混凝土壩數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

隨著碾壓混凝土壩體高度的增加，壩體爆破振動監(jiān)測有諸多不便，因而采用數(shù)值模擬的方法對壩體隨高度增加的振動響應(yīng)變化進(jìn)行研究?；鶐r和碾壓混凝土的主要材料參數(shù)如表3所示。

表3 材料參數(shù)

如圖1和圖2所示為運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA對壩基澆筑混凝土前后所建立的模型，其計算范圍為(X×Y×Z)800 m×460 m×115 m，壩基澆筑前后的單元總計分別為159 024個和159 063個。巖體采用顯示動力分析中的8節(jié)點(diǎn)Solid164實(shí)體單元進(jìn)行模擬，模擬上游導(dǎo)流明渠，廠房基礎(chǔ)和尾水渠三處的爆破開挖，分析其對碾壓混凝土壩的影響。

3.2 爆炸荷載的等效計算方法

本文采用爆破荷載模擬方法，即假設(shè)爆破荷載直接施加在爆孔壁上，將其簡化為三角形荷載，上游導(dǎo)流明渠施加的爆破荷載如圖3所示。采用該荷載形式，需確定兩個要素，即爆破荷載峰值和簡化曲線的升壓、正壓作用時間；爆破瞬間峰值壓力p0[5]為：

(2)

其中計算參數(shù)γ為炸藥的等熵，一般取3。

表4 爆破荷載參數(shù)表

炸藥爆速D/m·s-1炸藥密度ρ0/kg·m-3藥包直徑dc/mm炮孔直徑db/mm3600120090110

盧文波研究了預(yù)裂爆破中炮孔壁上所受到的爆炸沖擊荷載，得出施工過程中的爆破荷載作用持續(xù)時間為毫秒量級[6]。本文在數(shù)值模擬過程中假定簡化的爆破荷載曲線中的上升段為2.3 ms，而爆破荷載所持續(xù)的總時間為17 ms，爆破荷載在采用等效的方法簡化后，再施加到炮孔連心線所在的平面上。如圖4所示，單個炮孔壁上的作用力為P0，炮孔半徑為r0，孔距為L，根據(jù)力平衡條件，可將圖4所示的作用在炮孔壁上的壓力P0等效施加在圖示的炮孔連心線上，需施加的等效爆炸壓力計算公式為：

(3)

爆破荷載參數(shù)如表4所示，分析計算后得出，對壩基澆筑混凝土之前施加的峰值壓力等效荷載P約為100 MPa，對壩基澆筑混凝土之后施加的峰值壓力等效荷載P約為50 MPa。

3.3 模擬值與實(shí)測值對比分析

通過ANSYS/LS-DYNA后處理器得到的質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度，與實(shí)際測得的質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度進(jìn)行對比，澆筑混凝土前后的振速對比如表5和表6所示。

表5 模擬質(zhì)點(diǎn)峰值振速與實(shí)測質(zhì)點(diǎn)峰值振速對比(前)

表6 模擬質(zhì)點(diǎn)峰值振速與實(shí)測質(zhì)點(diǎn)峰值振速對比(后)

由表5和表6可知，澆筑混凝土前的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測值誤差最大為7.27%；澆筑混凝土后的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的誤差均在10%以內(nèi)，基本滿足要求。

4 結(jié)語

本文對斯里蘭卡某水電站的碾壓混凝土壩基澆筑前和澆筑2 m后監(jiān)測的爆破振動速度進(jìn)行了回歸分析，同時利用ANSYS/LS-DYNA對其進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到以下結(jié)論：1)炮孔裝藥量和爆心距滿足新澆混凝土的安全要求。2)模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果基本相符，當(dāng)壩體的高程較小時，水平徑向的質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度均比水平切向及垂直向的要大。3)壩體在不同高程下爆破振動速度的變化時，隨著壩體高度的增加，水平徑向和水平切向的爆破振動速度逐漸減小，而垂直向的爆破振動速度先減小后增大。

[1] 李新平，陳俊樺，李友華，等.溪洛渡電站地下洞室群爆破地震效應(yīng)的研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010，29(3)：493-501.

[2] CHEN Ming, LU Wenbo. Research on Safety Vibration Velocity for Fresh Mixed Concrete of Dam Foundation Under Loading of Blasting Vibration[J].Engineering Journal of Wuhan University,2004,37(2):4-9.

[3] 劉數(shù)華，曾 力，吳定燕.碾壓混凝土的抗裂性能[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005，37(8)：19-21.

[4] SL 47—94，水工建筑物巖石基礎(chǔ)開挖工程施工技術(shù)規(guī)范[S].

[5] 盧文波，Hustrulid W.臨近巖石邊坡開挖輪廓面的爆破設(shè)計方法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003,22(12):2052-2056.

[6] 盧文波，陶振宇.預(yù)裂爆破中炮孔壓力變化歷程的理論分析[J].爆炸與沖擊，1994，14(2):140-147.

Vibration response research of blasting excavation of dam foundation on roller compacted concrete

Jiao Haitang1,2

(1.InstituteofCivilEngineeringandArchitecture,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China; 2.KeyLabofRoads,BridgesandStructuresinHubeiProvince,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)

Taking the dam foundation excavation of some hydro-power station in Sri Lanka as the example, the paper undertakes the regression analysis of some monitoring data, undertakes the numeric simulation of the blasting excavation by adopting ANSYS/LS-DYNA software, and concludes the particle vibration speed can be regarded as the calculation standards for the safety explosive volume and blast center distance in controlling the blasting excavation by analyzing the simulation and tested values.

dam foundation, concrete, vibration speed, ANSYS/LS-DYNA, difference of elevation

1009-6825(2016)05-0232-02

2015-12-05

焦海棠(1988- )，男，在讀碩士

TV642

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