前坪水庫泄洪洞明挖爆破試驗(yàn)與數(shù)值模擬

楊秋貴 王永好 姜新煜 婁運(yùn)達(dá) 皇甫澤華

摘 要：為了縮短前坪水庫泄洪洞開挖工期，并開挖出級(jí)配良好的筑壩石料，開展了泄洪洞爆破開挖試驗(yàn)與數(shù)值仿真模擬，研究了前坪水庫泄洪洞明挖爆破方案，優(yōu)選了泄洪洞明挖爆破的裝藥參數(shù)及布孔方案。結(jié)果表明：ANSYS中的動(dòng)力分析模塊LS-DYNA能夠有效模擬泄洪洞明挖爆破施工，有限元數(shù)值仿真模擬與爆破試驗(yàn)吻合較好，有限元計(jì)算模型具有一定的通用性，可以為類似工程的隧洞爆破開挖提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：泄洪洞明挖;爆破試驗(yàn);有限元法;數(shù)值模擬;前坪水庫

中圖分類號(hào)：TV522;TV542+.6文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.01.027

引用格式：楊秋貴，王永好，姜新煜，等.前坪水庫泄洪洞明挖爆破試驗(yàn)與數(shù)值模擬[J].人民黃河，2021，43（1）：137-140，151.

Numerical Simulation and Experimental Study on Flood Discharge Tunnel Blasting in Qianping Reservoir

YANG Qiugui1， WANG Yonghao2 ， JIANG Xinyu3， LOU Yunda3， HUANGFU Zehua3

（1.Henan Provincial Water Conservancy Research Institute， Zhengzhou 450003， China;

2.China Construction Seventh Engineering Bureau Co.， Ltd.， Zhengzhou 450004， China;

3.North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450046， China;

4.Qianping Reservoir Construction Administration Bureau of Henan Province， Zhengzhou 450000， China）

Abstract：Blasting is an important tunneling technique in the process of hydraulic tunnel excavation， which can significantly improve the efficiency of tunnel excavation. In order to shorten the excavation period of the flood discharge tunnel of Qianping Reservoir and to excavate the well-graded damming stones， the blasting excavation test and numerical simulation analysis of the tunnel were carried out. Combining with the blasting excavation project of Qianping Reservoir， the blasting scheme of flood discharge tunnel in Qianping Reservoir was studied by combining the field test and numerical simulation analysis， the charging parameters and hole layout scheme of the flood discharge tunnel blasting were optimized. The results show that the dynamic analysis module LS-DYNA in ANSYS can effectively simulate the blasting construction of the tunnel， the finite element numerical simulation is in good agreement with the blasting test and the finite element calculation model has certain generality and can provide reference for tunnel excavation by blasting in similar projects.

Key words： open excavation of flood discharge tunnel; blasting test; finite element method; numerical simulation; Qianping Reservoir

1 概 述

前坪水庫位于河南省洛陽市汝陽縣前坪村沙潁河支流北汝河上，是以防洪為主，結(jié)合供水、灌溉，兼顧發(fā)電的大型水庫[1]。前坪水庫總庫容5.84億m3，控制流域面積1 325 km2。水庫大壩采用黏土心墻土石壩，最大壩高90.3 m。水庫泄洪洞位于主壩左側(cè)，主要包括引渠段、進(jìn)口段、控制段、洞身段、消能工程段[2]，洞身結(jié)構(gòu)形式為無壓城門洞式，出口采用挑流方式消能。泄洪洞總長689 m，工作閘門采用尺寸為6.5 m×7.5 m的弧形鋼閘門和液壓啟閉裝置，事故檢修閘門采用尺寸為6.5 m×7.8 m的平板閘門和卷揚(yáng)機(jī)啟閉裝置。

泄洪洞進(jìn)口段地質(zhì)結(jié)構(gòu)上部為壤土與卵石互層，下伏基巖為安山玢巖;豎井控制端為弱風(fēng)化的安山玢巖，巖體裂隙發(fā)育;洞身段大部分為微弱風(fēng)化安山玢巖，局部為強(qiáng)風(fēng)化流紋巖，巖體陡傾角裂隙發(fā)育，完整性較差，圍巖類別為Ⅲ類;洞身段末端為強(qiáng)風(fēng)化安山玢巖，強(qiáng)度較低，穩(wěn)定性差，圍巖類別為Ⅳ類。

為了縮短前坪水庫泄洪洞開挖工期，并開挖出級(jí)配良好的筑壩石料，開展了泄洪洞爆破開挖試驗(yàn)與數(shù)值仿真模擬。

2 泄洪洞明挖爆破試驗(yàn)

2.1 巖體爆破理論概述

巖體爆破是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，涉及物理、化學(xué)、力學(xué)和巖石的物理性質(zhì)等多個(gè)影響因素[3]。在爆破瞬間，炸藥在巖體內(nèi)形成沖擊波，同時(shí)巖體又將沖擊波反射給炸藥，根據(jù)爆炸過程中的爆轟波可知：

ux=DHk+1[1-（pxpH-1）2k（k+1）pxpH+k-1]（1）

式中：ux為爆孔巖石徑向破碎速度;px為孔壁初始沖擊波壓力;pH為爆轟壓力;DH為爆轟速度;k為爆炸產(chǎn)物的等熵指數(shù)，取k=3。

爆孔巖石徑向破碎速度還可表示為

ux=px（1ρ0-1ρx）（2）

其中

px=ρ0Dxux（3）

式中：ρ0和ρx分別為巖體的初始密度和沖擊波陣面上的巖體密度;Dx為沖擊波的傳播速度。

巖體中沖擊波的傳播速度和波陣面上巖石質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度存在如下關(guān)系：

Dx=a+bux（4）

式中：a、b為由試驗(yàn)確定的與巖體性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。

通過式（1）～式（4）可求解巖體中的初始沖擊波參數(shù)px、pH和DH。

在沖擊波的傳播過程中，巖石中沖擊波波陣面后的連續(xù)方程為

ρt+（ρu）r+ρur=0（5）

式中：t為時(shí)間;r為沖擊波的作用半徑;ρ為沖擊波陣面后的巖石密度;u為巖石質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度。

沖擊波在傳播過程中，其波陣面后巖石介質(zhì)密度變化很小，因此可將沖擊波陣面后的巖石按等密度考慮，即ρ為常數(shù)。由式（5）可得

ur=u0r0（6）

式中：r0為炮孔半徑;u0為孔壁巖石的初始運(yùn)動(dòng)速度。

動(dòng)量守恒方程為

σr=ρ0uDx（7）

式中：σr為波陣面的壓應(yīng)力。

由式（4）、式（6）、式（7）可得

σr=ρ0（ar0u0r+br20u20r2）（8）

巖石發(fā)生壓縮破壞為臨界條件，由波陣面的壓應(yīng)力σr等于巖石的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度σs來確定，由式（8）可以求得巖石破碎區(qū)半徑：

rs=u0r0（aρ0+a2ρ20+4bρ0σs）2σs（9）

若用爆破沖擊波的傳播速度Dx衰減為沖擊波縱波速度CP來確定破碎區(qū)半徑，可以得到

rs=bu0r0CP-a（10）

采用式（9）計(jì)算破碎區(qū)半徑需要確定巖石的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度（該值難以測得），而式（10）中的參數(shù)較容易確定。式（10）沒有考慮炮孔半徑隨時(shí)間的變化，對(duì)于巖質(zhì)較硬的巖石計(jì)算精度較好，對(duì)于軟巖應(yīng)該考慮炮孔半徑的變化。

2.2 泄洪洞明挖爆破試驗(yàn)設(shè)計(jì)

鑒于泄洪洞斷面尺寸較大，洞外采用臺(tái)階開挖法，選擇在泄洪洞出口處進(jìn)行明挖爆破試驗(yàn)，試驗(yàn)于2016年1月2日進(jìn)行。結(jié)合試驗(yàn)場地的實(shí)際情況，采用炮孔直徑為100 mm、藥卷直徑為32 mm的2#巖石乳化炸藥和藥卷直徑為52 mm的2#巖石粉狀乳化炸藥。采用臺(tái)階式爆破，每層臺(tái)階高為6～12 m，利用潛孔鉆鉆孔，主爆孔呈梅花形布置，沿開口線布置一排預(yù)裂孔，預(yù)裂孔與主爆孔之間布置一排緩沖爆破孔。采用緩沖爆破技術(shù)，可以有效減緩主爆孔爆破對(duì)預(yù)裂面保留巖體的損傷。泄洪洞明挖爆破試驗(yàn)采用的試驗(yàn)參數(shù)見表1。

2.3 泄洪洞明挖爆破試驗(yàn)效果

對(duì)兩次爆破試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩次試驗(yàn)都沒有產(chǎn)生大量飛石，第二次試驗(yàn)效果明顯好于第一次。主要表現(xiàn)在第一次爆破試驗(yàn)的爆破松散度不明顯，存在較多的大塊石，碎石分布不均勻，碎石級(jí)配不合理，碎石清理需要較大工作量，沒有達(dá)到預(yù)期效果;第二次爆破試驗(yàn)的爆破松散度較好，只存在少量的大塊石，碎石級(jí)配分布合理，碎石松散容易清理，爆破效果滿足施工要求，達(dá)到了預(yù)期效果。第二次爆破試驗(yàn)參數(shù)見表2。

3 泄洪洞明挖爆破數(shù)值模擬

3.1 有限元模型

采用有限元軟件ANSYS中的動(dòng)力分析模塊LS-DYNA建立前坪水庫泄洪洞明挖爆破數(shù)值分析模型，見圖1。根據(jù)工程實(shí)際爆破情況，取高度10 m、寬度17 m、縱深12 m的長方體建模，并施加無反射邊界[4]，共劃分214 389個(gè)單元，均采用Solid164三維實(shí)體單元，巖石采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型[5]，巖石密度為2 650 kg/m3，彈性模量為5 GPa，泊松比為0.2，硬化參數(shù)為0.5，失效應(yīng)力為25.88 MPa。乳化炸藥采用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型和狀態(tài)方程EOS_JWL進(jìn)行模擬[6]。泄洪洞明挖爆破數(shù)值分析炮孔位置示意見圖2。

3.2 爆破應(yīng)力分析

通過對(duì)前坪水庫泄洪洞明挖爆破進(jìn)行數(shù)值仿真分析，按照預(yù)裂孔爆破→緩沖孔爆破→主爆孔爆破的順序進(jìn)行模擬計(jì)算。在第二次爆破試驗(yàn)裝藥量及布孔方案條件下，得到了各爆破階段巖體的最大主應(yīng)力云圖，見圖3～圖5。由圖3可以看出，預(yù)裂爆破主要作用在明挖臺(tái)階的兩側(cè)，在預(yù)裂爆破完成后兩側(cè)形成貫通的兩條裂縫將開挖區(qū)和山體分開。由圖4可以看出，緩沖爆破后在預(yù)裂面和主爆區(qū)之間形成一個(gè)巖石破碎區(qū)。由圖5可以看出，在主爆完成后，緩沖爆破形成的緩沖區(qū)起到了緩沖作用，主爆對(duì)預(yù)裂面沒有影響，達(dá)到了洞臉圍巖穩(wěn)定的目的。從最后主爆孔爆破情況來看，主爆孔爆破使巖體逐層脫落，每一排主爆都形成了完全貫通的裂縫?？梢?，第二次爆破試驗(yàn)采取的裝藥和布孔方案合理，效果良好。

3.3 爆孔附近最大主應(yīng)力

為了分析爆孔附近最大主應(yīng)力隨時(shí)間的變化情況，在主爆孔外圍的巖體上沿水平方向取4個(gè)計(jì)算點(diǎn)，主爆孔半徑為50 mm，計(jì)算點(diǎn)A、B、C、D距離主爆孔圓心分別為50、100、150、200 mm。主爆孔外圍巖體計(jì)算點(diǎn)應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線見圖6。

從圖6可以看出，主爆孔外圍巖體計(jì)算點(diǎn)的最大主應(yīng)力隨時(shí)間而波動(dòng)，主爆孔內(nèi)壁的計(jì)算點(diǎn)A最大主應(yīng)力最大，并隨時(shí)間先增大后減小，在2 500 μs左右最大主應(yīng)力達(dá)到巖體的失效應(yīng)力，巖石出現(xiàn)破碎，隨著到主爆孔圓心距離的增加其外圍計(jì)算點(diǎn)的最大主應(yīng)力逐漸減小。計(jì)算點(diǎn)A處的最大主應(yīng)力是計(jì)算點(diǎn)B處應(yīng)力值的2倍左右，說明主爆孔具有明顯的應(yīng)力集中效應(yīng)，在爆破沖擊波作用下，巖石破碎區(qū)逐漸向外擴(kuò)展，各個(gè)主爆孔的破碎區(qū)連接在一起，就能夠使主爆區(qū)的巖石發(fā)生破碎，達(dá)到理想的爆破效果。圖6 主爆孔外圍巖體計(jì)算點(diǎn)應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

3.4 爆破震速時(shí)程分析

為了分析爆破過程對(duì)周圍建筑物的影響，在距離爆破點(diǎn)43 m的地方設(shè)置觀測點(diǎn)，監(jiān)測爆破產(chǎn)生的震速和頻率的變化，并將有限元計(jì)算結(jié)果同現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。監(jiān)測點(diǎn)處X、Y、Z方向震速時(shí)程曲線見圖7。

從圖7可以看出：監(jiān)測點(diǎn)X方向震速在0.38 s左右達(dá)到最大值，監(jiān)測的最大震速為0.287 cm/s，有限元計(jì)算得到的最大震速為0.281 cm/s;監(jiān)測點(diǎn)Y方向震速在0.25 s左右達(dá)到最大值，監(jiān)測的最大震速為0.688 cm/s，有限元計(jì)算得到的最大震速為0.652 cm/s;監(jiān)測點(diǎn)Z方向震速在0.20 s左右達(dá)到最大值，監(jiān)測的最大震速為0.584 cm/s，有限元計(jì)算得到的最大震速為0.563 cm/s。有限元分析與現(xiàn)場監(jiān)測得到的最大震速值比較接近，監(jiān)測點(diǎn)爆破震動(dòng)的頻率為8.0～12.4 Hz?？梢?，爆破震動(dòng)的速度峰值較小，震動(dòng)頻率比一般建筑物的固有頻率高，爆破震動(dòng)對(duì)周圍建筑物影響很小。

4 結(jié) 語

由前坪水庫泄洪洞明挖爆破試驗(yàn)和數(shù)值仿真模擬分析結(jié)果可以看出，第二次爆破試驗(yàn)采取的裝藥參數(shù)和布孔方案爆破效果較好，碎石級(jí)配合理，滿足泄洪洞明挖爆破施工要求。有限元?jiǎng)恿Ψ治鼋Y(jié)果表明，動(dòng)力分析結(jié)果與現(xiàn)場試驗(yàn)吻合較好，證明了有限元模型的正確性和有效性。有限元?jiǎng)恿Ψ治瞿Ｐ褪且环N通用的計(jì)算模型，在計(jì)算過程中可以通過調(diào)整模型中的巖石力學(xué)參數(shù)，來模擬不同巖性的爆破開挖過程，從而確定不同巖石參數(shù)條件下爆孔的布孔方式、爆孔參數(shù)、裝藥量、起爆網(wǎng)絡(luò)和時(shí)間間隔等參數(shù)，對(duì)同類水工隧洞爆破開挖具有一定參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉武斌，郭乙霏，雷銀拴，等.前坪水庫泄洪洞施工期監(jiān)測及圍巖穩(wěn)定分析[J].人民黃河，2019，41（7）：140-142.

[2] 寧保輝，來亦姝，王春磊，等.前坪水庫大壩應(yīng)力變形及抗水力劈裂研究[J].人民黃河，2019，41（5）：122-125.

[3] 王勖成.有限單元法[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003：468-472.

[4] 楊小林.巖石爆破損傷機(jī)理及對(duì)圍巖損傷作用[M].北京：科學(xué)出版社，2015：52-55.

[5] 尚曉江，蘇建宇.ANSYS/LS-DYNA動(dòng)力分析方法與工程實(shí)例[M].北京：中國水利水電出版社，2006：108-113.

[6] 石少卿，康建功，汪敏，等.ANSYS/LS-DYNA在爆炸與沖擊領(lǐng)域內(nèi)的工程應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011：67-72.

【責(zé)任編輯 張華興】