坝基爆破开挖对碾压混凝土坝的振动响应研究

焦海棠

(1.武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北武汉 430070； 2.武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室，湖北武汉 430070)

·水利工程·

焦海棠1，2

(1.武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北武汉 430070； 2.武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室，湖北武汉 430070)

以斯里兰卡某水电站坝基开挖为例，对其监测数据进行了回归分析，同时运用ANSYS/LS-DYNA软件，对爆破开挖过程进行了数值模拟，通过分析模拟值与实测值得出，质点振动速度可以作为控制爆破开挖的安全药量和爆心距的计算标准。

坝基，混凝土，振动速度，ANSYS/LS-DYNA，高程差

1 概述

碾压混凝土坝经常被作为水电站的拦水坝，其坝体的浇筑常常与爆破开挖同时进行，为保证爆破振动对新浇碾压混凝土的影响在安全范围内，通常需要对坝体进行爆破振动测试。李新平等[1]采用现场爆破振动测试研究了地下洞室群爆破地震波传播规律，发现用质点峰值振动速度作为地下洞室的安全判据是可行的。CHEN Ming和LU Wenbo[2]推导了Rayleigh面波作用下新浇混凝土坝基础安全振动速度计算的理论公式。刘数华等[3]通过弹性模量、温度变形以及极限拉伸等的变形特性与常态混凝土进行比较发现碾压混凝土具有较好的抗裂性能。

本文主要对碾压混凝土坝浇筑前后进行数值模拟，并与现场实测数据进行对比分析，再根据相关规范和参数来控制爆破药量和安全距离，分析碾压混凝土坝在一定高程下的爆破振动响应。

2 碾压混凝土坝爆破振动监测

目前，很多水电站大坝的修建都采用碾压混凝土坝，碾压混凝土坝的工期约为同规模常态混凝土工期的1/3～2/3，水泥用量约为同标号常态混凝土水泥用量的1/3～1/2，且其用水量少，水化热温升低，坝体可不设纵缝，不设或少设横缝，这样便可以大大减少人力、物力资源，造价大约可节省20%～35%。本文以斯里兰卡某水电站大坝的修建为工程背景，在上游导流明渠、厂房基础和尾水渠进行爆破开挖过程中，对碾压混凝土坝进行爆破振动监测。1)爆破振动安全监测。爆破振动安全监测技术路线如下：爆破振动测点的选取→测点控制坐标测定→爆破振动测试仪器安装→爆破振动测试数据采集→数据整理→数据回归分析→求得与地质条件相关的参数K，α，β的值→爆破地震波的传播规律。爆破监测完成后，将传感器接收到的监测数据进行回归分析，得出爆破振动的安全药量和爆心距，并与实际爆破开挖的装药量和爆心距进行对比分析，调整出更加合理的装药量和爆心距。2)爆破开挖布孔网络设计。现场部分爆破孔参数如下：预裂孔钻孔直径为115 mm，药径35 mm，孔深为12.5 m，孔距为1 m，单孔装药量4.2 kg，线装药密度为0.36 kg/m；主爆孔钻孔直径115 mm，孔深为4.0 m～12.5 m，孔距为3 m，排距为3 m，单孔装药量8.32 kg～45.76 kg。3)浇筑混凝土前后监测数据分析。为了避免爆破振动对新浇混凝土坝的损伤，需要根据表1和式(1)来确定爆破开挖的安全药量和爆心距。当对坝体上游导流明渠、厂房基础和尾水渠进行爆破开挖时，在浇筑碾压混凝土前和浇筑2 m混凝土后，分别在拦水坝基础和碾压混凝土上布点进行爆破振动监测。

考虑高程影响的爆破振动传播与衰减规律一般采用萨道夫斯基经验公式：

(1)

其中，V为质点振动速度；Q为最大单响药量；R为水平爆心距；H为高程差；K为地震波衰减系数；α为与地质条件相关的衰减系数；β为与高程差相关的衰减系数；通过对现场实测数据进行分析，求得式(1)中的衰减系数在不同方向的数值见表2。根据式(1)，当坝体加高2 m之后，水平向的质点振动速度随着高程差的增加而减小，而垂直向的质点振动速度随着高程差的增加而增大；而且此时水平径向质点振动速度最大，因此，可利用水平径向的监测数据来控制爆破区与浇筑混凝土区的爆心距和单响药量。

表1 新浇混凝土的爆破振动安全判据[4]

表2 质点衰减系数值

3 碾压混凝土坝数值模拟

3.1 模型的建立

随着碾压混凝土坝体高度的增加，坝体爆破振动监测有诸多不便，因而采用数值模拟的方法对坝体随高度增加的振动响应变化进行研究。基岩和碾压混凝土的主要材料参数如表3所示。

表3 材料参数

如图1和图2所示为运用ANSYS/LS-DYNA对坝基浇筑混凝土前后所建立的模型，其计算范围为(X×Y×Z)800 m×460 m×115 m，坝基浇筑前后的单元总计分别为159 024个和159 063个。岩体采用显示动力分析中的8节点Solid164实体单元进行模拟，模拟上游导流明渠，厂房基础和尾水渠三处的爆破开挖，分析其对碾压混凝土坝的影响。

3.2 爆炸荷载的等效计算方法

本文采用爆破荷载模拟方法，即假设爆破荷载直接施加在爆孔壁上，将其简化为三角形荷载，上游导流明渠施加的爆破荷载如图3所示。采用该荷载形式，需确定两个要素，即爆破荷载峰值和简化曲线的升压、正压作用时间；爆破瞬间峰值压力p0[5]为：

(2)

其中计算参数γ为炸药的等熵，一般取3。

表4 爆破荷载参数表

炸药爆速D/m·s-1炸药密度ρ0/kg·m-3药包直径dc/mm炮孔直径db/mm3600120090110

卢文波研究了预裂爆破中炮孔壁上所受到的爆炸冲击荷载，得出施工过程中的爆破荷载作用持续时间为毫秒量级[6]。本文在数值模拟过程中假定简化的爆破荷载曲线中的上升段为2.3 ms，而爆破荷载所持续的总时间为17 ms，爆破荷载在采用等效的方法简化后，再施加到炮孔连心线所在的平面上。如图4所示，单个炮孔壁上的作用力为P0，炮孔半径为r0，孔距为L，根据力平衡条件，可将图4所示的作用在炮孔壁上的压力P0等效施加在图示的炮孔连心线上，需施加的等效爆炸压力计算公式为：

(3)

爆破荷载参数如表4所示，分析计算后得出，对坝基浇筑混凝土之前施加的峰值压力等效荷载P约为100 MPa，对坝基浇筑混凝土之后施加的峰值压力等效荷载P约为50 MPa。

3.3 模拟值与实测值对比分析

通过ANSYS/LS-DYNA后处理器得到的质点峰值振动速度，与实际测得的质点峰值振动速度进行对比，浇筑混凝土前后的振速对比如表5和表6所示。

表5 模拟质点峰值振速与实测质点峰值振速对比(前)

表6 模拟质点峰值振速与实测质点峰值振速对比(后)

由表5和表6可知，浇筑混凝土前的数值模拟结果与实际监测值误差最大为7.27%；浇筑混凝土后的数值模拟结果与实测结果的误差均在10%以内，基本满足要求。

4 结语

本文对斯里兰卡某水电站的碾压混凝土坝基浇筑前和浇筑2 m后监测的爆破振动速度进行了回归分析，同时利用ANSYS/LS-DYNA对其进行了数值模拟，得到以下结论：1)炮孔装药量和爆心距满足新浇混凝土的安全要求。2)模拟结果与实测结果基本相符，当坝体的高程较小时，水平径向的质点峰值振动速度均比水平切向及垂直向的要大。3)坝体在不同高程下爆破振动速度的变化时，随着坝体高度的增加，水平径向和水平切向的爆破振动速度逐渐减小，而垂直向的爆破振动速度先减小后增大。

[1] 李新平，陈俊桦，李友华，等.溪洛渡电站地下洞室群爆破地震效应的研究[J].岩石力学与工程学报，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] 刘数华，曾力，吴定燕.碾压混凝土的抗裂性能[J].哈尔滨工业大学学报，2005，37(8)：19-21.

[4] SL 47—94，水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范[S].

[5] 卢文波，Hustrulid W.临近岩石边坡开挖轮廓面的爆破设计方法[J].岩石力学与工程学报，2003,22(12):2052-2056.

[6] 卢文波，陶振宇.预裂爆破中炮孔压力变化历程的理论分析[J].爆炸与冲击，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，在读硕士

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