基于3DEC的地應(yīng)力大小對(duì)泄洪洞爆破施工動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響研究

鄭乘武

(中科華水工程管理有限公司，河南 鄭州 450000)

1 工程背景

溪源水庫(kù)位于閩候縣上街鎮(zhèn)宿洋村上游約300 m的溪源溪峽谷內(nèi)，壩址以上控制流域面積約83.6 km2，多年平均徑流量9872萬m3，正常蓄水位97.0 m，總庫(kù)容2428萬m3，防洪庫(kù)容1323萬m3/1175萬m3(主汛期/非主汛期)，是福州大學(xué)城新校區(qū)防洪排澇的控制性工程，兼顧發(fā)電、供水。2005年省政府將溪源水庫(kù)工程列入省重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目[1]。溪源水庫(kù)為工程等級(jí)為Ⅲ等，主要建筑物有攔河壩、引水系統(tǒng)、泄洪洞、發(fā)電廠房、升壓開關(guān)站及輸水管道等[2]。其中攔河壩、引水隧洞進(jìn)水口和泄洪洞按3級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。大壩設(shè)計(jì)洪水為100 a一遇，校核洪水為1000 a一遇，為拋物線雙曲變厚砌石拱壩。壩頂高程109.0 m，壩底高程40.2 m，最大壩高68.8 m，壩頂寬度4.3 m，壩頂中心線弧長(zhǎng)231.2 m。 泄洪洞布置在壩址右岸，進(jìn)口底板高程70.0 m，進(jìn)口設(shè)一道事故檢修閘門，采用岸塔式結(jié)構(gòu)，孔口尺寸3.0 m×3.0 m，洞身段長(zhǎng)114.44 m，開挖洞徑3.8 m，襯砌厚度0.30 m。泄洪洞出口布置一道工作閘門，孔口尺寸3.0 m×3.0 m，閘室段底板高程69.0 m。泄洪洞施工采用全斷面爆破作業(yè)，開挖掏槽方式為四空孔十字形平行直眼掏槽，掏槽孔深度2.5 m，爆破輔助孔深度2.3 m。

2 3DEC有限元模型的構(gòu)建

2.1 模型的構(gòu)建與力學(xué)參數(shù)

根據(jù)相關(guān)研究成果，模型的邊界至少為開挖直徑的3～4倍，以減小邊界效應(yīng)對(duì)模擬結(jié)果的影響。本次研究的溪源水庫(kù)泄洪洞的開挖直徑為3.8 m，研究中選擇模型的邊界為開挖直徑的5倍，因此選擇模型的邊界高度和寬度均為20.0 m。結(jié)合工程實(shí)際，在模型的左右和底部邊界施加固定約束，開挖巖體采用Mohr-Coulomb 彈塑性本構(gòu)模型，結(jié)構(gòu)面采用面面接觸[3]。為了模型計(jì)算簡(jiǎn)單以及最大限度消除計(jì)算過程中不確定因素的影響，對(duì)地下水和水平構(gòu)造力的影響不予考慮，同時(shí)在模型的頂部施加豎向應(yīng)力以及模擬施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境地應(yīng)力[4]?；谏鲜龇治觯@得如圖1所示的爆破開挖簡(jiǎn)圖。圖中的P為應(yīng)力靜載，P1為施工開挖過程中的爆破動(dòng)載?；诠こ淌┕で暗牡刭|(zhì)調(diào)查資料，研究中采取表1、表2所示的巖體力學(xué)參數(shù)和結(jié)構(gòu)面參數(shù)。

圖1模型計(jì)算簡(jiǎn)圖

2.2 爆破沖擊荷載的施加

由于傳統(tǒng)的3DEC模型并不能實(shí)現(xiàn)炸藥爆炸過程，因此需要以動(dòng)力荷載輸入大方式對(duì)其進(jìn)行模擬。目前，運(yùn)用比較廣泛的爆破動(dòng)力荷載輸入方法主要有三種：一是用薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式將爆破動(dòng)荷載轉(zhuǎn)換成三角脈沖波并施加到開挖輪廓面，但是這種方法比較偏向于地震波，不適合定義爆炸沖擊波；二是將爆破源附近的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度時(shí)程實(shí)測(cè)結(jié)果作為動(dòng)荷載輸入開挖輪廓面。這種方法的比較貼近實(shí)際，但是比較復(fù)雜，本次研究中并不具備相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)手段。三是利用AUTODYN、LS-DYNA等帶有炸藥材料的軟件實(shí)現(xiàn)爆炸過程模擬。但是，如果將得到的波形直接輸入3DEC模型存在動(dòng)態(tài)響應(yīng)不明顯的問題。因此，在本次研究中首先提取LS-DYNA 數(shù)值模擬獲得的炸藥爆轟時(shí)程，然后進(jìn)行增大升壓時(shí)間處理，將其延長(zhǎng)到4 ms，并將其定義為一個(gè)簡(jiǎn)化的三角形高斯脈沖波施加到開挖輪廓面上，以實(shí)現(xiàn)對(duì)爆破開挖對(duì)預(yù)留巖體的動(dòng)態(tài)損傷研究，研究中對(duì)泄洪洞周邊圍巖內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)振速進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體監(jiān)測(cè)位置如圖2所示。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置示意圖

2.3 計(jì)算工況設(shè)計(jì)

在實(shí)際工程中，由于沉積、變質(zhì)以及地質(zhì)構(gòu)造的作用影響，層狀巖層的厚度在不同的地質(zhì)區(qū)表現(xiàn)不一[5]。針對(duì)溪源水庫(kù)泄洪洞施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，巖層的層厚在0.3～0.6 m之間，屬于中厚層。因?yàn)楸疚闹饕芯康貞?yīng)力大小對(duì)泄洪洞爆破施工動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響，因此將巖層的層厚設(shè)計(jì)為0.5 m不變，同時(shí)通過改變模型頂部預(yù)加荷載，以模擬不同地應(yīng)力狀態(tài)下圍巖爆破的動(dòng)態(tài)響應(yīng)?；谏鲜鏊悸?，研究中選取5 MPa、10 MPa和15 MPa三種不同的預(yù)加荷載，對(duì)泄洪洞開挖爆破進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 圍巖振速衰減規(guī)律分析

利用上節(jié)構(gòu)建的3EDC軟件對(duì)三種不同工況下的圍巖動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，并提取圖2各個(gè)測(cè)點(diǎn)的振速峰值，結(jié)果如表3所示。同時(shí)，對(duì)爆破應(yīng)力和地應(yīng)力耦合條件下的泄洪洞拱頂上方、邊墻左側(cè)以及底板下方的質(zhì)點(diǎn)峰值振速衰減幅值進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖3所示。由表3中的計(jì)算結(jié)果可知，在三種不同工況下質(zhì)點(diǎn)的振速峰值最大值均位于底板下方，同時(shí)該部位的衰減幅度也是最大的；從同一測(cè)點(diǎn)不同工況下的振速對(duì)比來看，各測(cè)點(diǎn)的振速隨著預(yù)加荷載的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的態(tài)勢(shì)。

表3 不同工況下各測(cè)點(diǎn)振速峰值計(jì)算結(jié)果 m/s

圖3 不同工況下各測(cè)點(diǎn)振速峰值衰減幅度

3.2 塑性區(qū)分析

利用構(gòu)建的模型，對(duì)不同工況下的泄洪洞爆破應(yīng)力施加前后的圍巖塑性區(qū)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，獲得如圖4～圖9所示的塑性區(qū)分布云圖。由圖可知，在爆破應(yīng)力施加前，模型由于受到地應(yīng)力的作用，泄洪洞圍巖存在一定范圍的塑性區(qū)，并且塑性區(qū)的范圍會(huì)隨著地應(yīng)力的增大而增大。在施加爆破應(yīng)力之后，不同工況下的圍巖塑性區(qū)范圍都比爆破應(yīng)力施加前明顯向四周擴(kuò)大，并主要沿著垂直于結(jié)構(gòu)面的方向發(fā)展。同時(shí)，塑性區(qū)范圍會(huì)隨著地應(yīng)力的增大而減小，說明地應(yīng)力對(duì)爆破導(dǎo)致的圍巖塑性區(qū)發(fā)展有明顯的抑制作用。

圖4 5 MPa爆破應(yīng)力施加前塑性區(qū)云圖

圖5 5 MPa爆破應(yīng)力施加后塑性區(qū)云圖

圖6 10 MPa爆破應(yīng)力施加前塑性區(qū)云圖

圖7 10 MPa爆破應(yīng)力施加后塑性區(qū)云圖

圖8 15 MPa爆破應(yīng)力施加前塑性區(qū)云圖

圖9 15 MPa爆破應(yīng)力施加后塑性區(qū)云圖

3.3 位移矢量動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

對(duì)不同工況下泄洪洞拱頂豎向位移量進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果如表4所示。由表格中的計(jì)算數(shù)據(jù)可知，相對(duì)于爆破應(yīng)力施加前，在爆破應(yīng)力施加后泄洪洞圍巖拱頂?shù)淖畲笪灰屏匡@著增加，但是變化量會(huì)隨著地應(yīng)力的增加而減小，其變化在5～10 MPa時(shí)相差不大，但是在15 MPa時(shí)變化比較明顯。因此，較大的地應(yīng)力對(duì)爆破的影響有明顯的抑制作用。

表4 拱頂位移量計(jì)算結(jié)果 mm

4 結(jié) 論

本文利用離散元軟件3DEC對(duì)溪源水庫(kù)泄洪洞爆破開挖過程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并獲得如下主要結(jié)論：

(1)峰值振速最大值均位于底板下方，同時(shí)該部位的衰減幅度也最大；各測(cè)點(diǎn)的振速隨著預(yù)加荷載的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的態(tài)勢(shì)。

(2) 在爆破應(yīng)力施加前，塑性區(qū)的范圍會(huì)隨著地應(yīng)力的增大而增大。在施加爆破應(yīng)力之后，圍巖塑性區(qū)范圍向四周擴(kuò)大，并主要沿著垂直于結(jié)構(gòu)面的方向發(fā)展。同時(shí)，塑性區(qū)范圍會(huì)隨著地應(yīng)力的增大而減小，說明地應(yīng)力對(duì)爆破導(dǎo)致的圍巖塑性區(qū)發(fā)展有明顯的抑制作用

(3) 在爆破應(yīng)力施加后泄洪洞圍巖拱頂?shù)淖畲笪灰屏匡@著增加，但是變化量會(huì)隨著地應(yīng)力的增加而減小，說明較大的地應(yīng)力對(duì)爆破的影響有明顯的抑制作用。

(4)根據(jù)本文研究成果，在施工中遭遇的高地應(yīng)力洞段可以適當(dāng)提高裝藥量進(jìn)行巖體爆破。