大坝灌浆帷幕爆破振动响应特性的数值模拟.pdf

第35卷 第3期 2018年9月 爆 破 BLASTING Vol. 35 No. 3 Sep. 2018 doi10. 3963／ j. issn. 1001 -487X. 2018. 03. 023 大坝灌浆帷幕爆破振动响应特性的数值模拟* 陈 明 a，b， 邓 珂 a，b， 张 俊 a，b， 严 鹏 a，b， 王高辉a，b， 肖燕君a，b （ 武汉大学a.水资源与水电工程科学国家重点实验室；b.水工岩石力学教育部重点实验室， 武汉430072） 摘 要 针对爆破施工对邻近灌浆帷幕的影响问题， 基于ANSYS-LSDYNA分别建立了坝基段和岸坡段灌 浆帷幕的二维有限元动力模型， 采用数值方法模拟研究了爆破施工时三种不同基岩条件下灌浆帷幕的爆破 振动响应特性。结果表明 随岩体硬度提高， 帷幕处质点振动速度减小而第一主应力增大。对于同一岩体， 岸坡段灌浆帷幕的质点振动速度和第一主应力的最大值均出现在帷幕的顶部， 而坝基段灌浆帷幕的质点振 动速度与第一主应力最大值出现的位置不同。因此， 灌浆帷幕的爆破振动影响监测点布置， 需要综合考虑爆 源位置、 测点部位、 岩体性能的影响。 关键词 灌浆帷幕；爆破振动；质点峰值振动速度；数值模拟 中图分类号 TV542 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X（2018）03 -0141 -06 Numerical Simulation about Blasting Vibration Response Characteristics of Grout Curtain of Dam CHEN Minga， b， DENG Kea， b， ZHANG Juna， b， YAN Penga， b， WANG Gao-huia， b， XIAO Yan-juna， b （a. State Key Lab of Water Resources and Hydropower Engineering Science； b. Key Lab of Rock Mechanics in Hydraulic Structure Engineering Ministry of Education， Wuhan University，Wuhan 430072，China） Abstract The impact of blasting on nearby grout curtain can not be ignored in actual projects. Thus，two-dimen- sional dynamic finite models of grout curtain under dam foundation and inside bank，based on ANSYS-LSDYNA，are built to study the blasting vibration characteristics of grout curtain constrained within three kinds of rock foundation by numerical simulation. Results show that peak particle velocity（PPV）decreases while the first principal stress in- creases with the rise of rock hardness. For the grout curtain inside bank slope，the maximum PPV and first principal stress are both attained on the top on grout curtain. But for curtain under dam foundation，the maximum values of the first principal stress and PPV emerge at different positions. Therefore，arrangement of blasting vibration monitoring points should take blasting source，monitor site and rock properties into consideration comprehensively. Key words grout curtain；blasting vibration；peak particle velocity；numerical simulation 收稿日期2018 -04 -19 作者简介陈 明（1977 -） ， 男， 湖南耒阳人， 博士、 教授， 主要从事 水利水电工程施工技术及岩石动力学方面的教学与研究， （E-mail）whuchm＠ whu. edu. cn。 基金项目国家重点研发计划项目（2016YFC0402008） ； 国家自然科 学基金资助项目（51779193） 灌浆帷幕是一道连续的地下挡水墙， （能减小 岩体的渗流量和降低渗透压力。自20世纪以来， 帷 幕灌浆已成为水工建筑物地基防渗处理的主要手 段， 然而在帷幕附近进行爆破施工时， 存在爆破振动 对灌浆帷幕安全的影响问题。爆破振动产生的附加 应力和应变， 可能导致灌浆帷幕处的总应力及应变 超过灌浆帷幕的强度或变形能力， 从而导致灌浆帷 幕的损伤甚至破坏， 影响大坝的防渗性能及安全。 不少研究者针对爆破施工对邻近灌浆帷幕的影 响问题进行了研究。许红涛等基于应力波理论研究 了爆破应力波与灌浆帷幕结构面的相互作用， 推导 万方数据 了灌浆帷幕的爆破安全质点振动速度计算公式[ 1]。 水中央等基于黑河大坝施工过程中“先灌后挖”方 案， 得到了已灌浆饱和黑云母石英片岩爆破孔底以 下质点振速分布规律， 提出了水泥灌浆帷幕破坏的 质点振动速度控制标准[ 2]。钟权等结合大渡河深 溪沟水电站安装间排水灌浆廊道开挖工程， 分析了 爆破振动对灌浆帷幕的影响[ 3]。国内相关规范也 提出了灌浆区的爆破振动速度允许标准， 如水电 水利工程爆破施工技术规范（DL／ T 5135 2013） [4]规定龄期为 7 ～28 d的灌浆区允许振动速 度值为2. 0 ～5. 0 cm／ s。目前， 具体针对爆破振动对 灌浆帷幕的影响研究相对较少， 对有初始应力条件 下的灌浆帷幕的破坏机理及其振动响应特性研究尚 不充分。 根据水电工程中大坝灌浆帷幕的常规布置方 案， 采用数值模拟方法， 研究临近坝基段和岸坡段灌 浆帷幕的爆破施工在灌浆帷幕处诱发的振动响应特 性， 为分析爆破振动对灌浆帷幕的安全影响提供 参考。 1 灌浆帷幕爆破振动响应数值分析模 型与参数 在水电工程中， 大坝的灌浆帷幕根据其位置可 分为坝基段灌浆帷幕和岸坡段灌浆帷幕。两者由于 赋存环境的不同， 在爆破振动作用下的振动响应存 在差别， 因此分别建立模型进行研究。利用ANSYS- LSDYNA建立二维有限元模型， 模拟灌浆帷幕处的 地形地质环境， 让模型在自重作用下达到平衡。然 后利用重启动技术在相应边界施加爆破荷载， 分析 爆破荷载作用下灌浆帷幕处产生的爆破振动响应， 读取模型中各监测点的质点振动速度和第一主应 力， 研究不同部位处的峰值质点振动速度和附加应 力的分布规律。 1. 1 计算模型 1. 1. 1 坝基段灌浆帷幕计算模型 基于葛洲坝枢纽三号船闸扩机工程， 研究大坝 上游附近进行爆破开挖时， 坝基段灌浆帷幕的振动 响应。葛洲坝大坝为混凝土重力坝， 基岩为砂岩， 岩 体吸水性强， 基岩浅层透水性大。为了加强防渗效 果， 降低坝基扬压力、 防止夹层渗透破坏， 在基础灌 浆排水廊道内布置两排孔深30 m的帷幕灌浆孔。 将研究的问题简化为平面应变问题， 建立大坝横截 面的二维模型， 如图1。模型由大坝、 基岩和防渗帷 幕组成， 沿帷幕从上至下每隔3 m布置1个测点， 共 11个。同时， 在灌浆廊道、 坝踵和坝址各布置1个 测点， 分析各测点的振动响应特性。 图1 坝基段灌浆帷幕模型示意图（ 单位m） Fig. 1 Model of grout curtain under dam foundation（unitm） 1. 1. 2 岸坡段灌浆帷幕计算模型 以五强溪水电站扩机工程为例， 研究引水隧洞 掏槽爆破时， 岸坡段灌浆帷幕产生的振动响应特性。 五强溪水电站扩机工程共布置了两条施工支洞， 其 中，1＃引水隧洞爆破开挖部位距离灌浆帷幕最小只 有58 m， 施工时引起的爆破振动对帷幕可能产生较 大影响。根据枢纽布置和扩机工程设计， 建立右岸 岸坡基岩、 灌浆廊道和帷幕的二维有限元模型， 如图 2所示。其中， 灌浆廊道设有混凝土衬砌。从灌浆 廊道底板开始， 沿帷幕向下每隔3 m取一个测点， 即 W1～ W11共11个测点。 图2 岸坡段灌浆帷幕模型示意图（ 单位m） Fig. 2 Model of grout curtain inside bank slope（unitm） 1. 2 计算参数 1. 2. 1 爆破振动荷载 爆破振动是岩体在动荷载作用下的弹性动力响 应， 为简化数值模拟， 将作用在炮孔壁上的爆破荷载 根据圣维南原理等效后， 在粉碎区的边界上施加爆 破荷载曲线[ 5]。分别在距坝踵 30 m处和距帷幕 58 m处的边界上施加等效爆破荷载曲线。将爆破 荷载的作用型式简化为三角形，荷载上升时间为 1 ms， 正压作用时间为6 ms， 如图3所示。 等效在弹性边界上的爆破荷载峰值按照公式 241爆 破 2018年9月 万方数据 （1） 进行计算 Pe＝ ρeD2 2（γ ＋ 1） re r 0 2γ r0 r 1 2＋ μ 1-μ r1 r 2 2- μ 1-μ （1） 式中Pe为爆破荷载峰值；ρe为炸药密度；D是 炸药爆轰速度；γ为炸药的等熵指数；μ为泊松比；r1 为半无限岩体中柱状药包起爆时粉碎区半径；r2为 破碎区半径，re为装药直径；r0为炮孔半径。 图3 爆破荷载曲线 Fig. 3 Blasting load curve 坝基段模拟预裂爆破， 炮孔装药结构为不耦合 装药， 等效爆破荷载施加边界位于大坝上游。岸坡 段模拟引水隧洞掏槽爆破， 为浅孔爆破， 预留的等效 爆破荷载施加边界为边长1. 5 m的正方形。两种情 况下所用的炸药均为常用乳化炸药， 由于爆破设计 的不同导致其计算出的爆破荷载峰值略有差别， 计 算参数如表1所示。 1. 2. 2 模型力学参数 岩土体作为爆破地震波的传播媒介， 其力学性 质对爆破振动衰减具有重要影响。为了全面分析灌 浆帷幕在不同地质条件下的振动响应， 本文按照水 利工程中的岩石分类， 选取有代表性的硬岩、 中硬岩 和软岩进行数值模拟。 在爆破动力荷载作用下， 岩体抗拉强度和弹性 模量与应变率呈现出较强的相关性[ 6，7]。且灌浆 后， 水泥结石充填于原有结构面或裂隙中， 使得灌后 岩体的变形模量和强度等均有一定程度提高[ 8-10]。 故在相关文献基础上， 将三种岩石灌浆前后的物理 力学参数进行换算， 模型各部位相关物理力学参数 如表2。 表1 爆破荷载参数 Table 1 Blasting load parameters 参数 ρe／ （kgm -3） D／ （ms -1） r1／ mmr2／ mmre／ mmr0／ mmPe／ MPa 坝基1030360030090060767. 2 岸坡10303600160480324213. 3 表2 模型各部位物理力学参数 Table 2 Physical and mechanical parameters in different parts 部位分类 密度／ （kgm -3）动弹性模量 ／ GPa 泊松比 软岩2300200. 350 基岩中硬岩2700400. 250 硬岩2800500. 200 软岩2370220. 315 灌浆帷幕 中硬岩2780440. 225 硬岩2900550. 180 重力坝2400280. 167 衬砌层2400280. 167 1. 3 计算工况 共设置六种计算工况， 每个模型分别设基岩和 灌浆帷幕为软岩、 中硬岩和硬岩三种工况以比较不 同地质条件下的帷幕爆破振动响应，工况设置如 表3。 表3 计算工况 Table 3 Simulation conditions 工况岩性灌浆帷幕位置 1软岩坝基段 2中硬岩坝基段 3硬岩坝基段 4软岩岸坡段 5中硬岩岸坡段 6硬岩岸坡段 2 坝基段灌浆帷幕的爆破振动响应特性 待模型在自重作用下平衡后， 在坝踵上游施加 爆破振动荷载， 截取软岩条件下V2测点的振动波 形， 如图4所示。爆破荷载作用约10 ms后， 爆破应 力波传播至该测点处， 引起振动， 质点振动速度最大 达到了8. 5 cm／ s。随着爆破荷载强度的衰减， 爆破 振动逐渐减小。 读取各测点的数据， 绘制质点振动速度和第一 主应力随帷幕深度的变化曲线， 如图5和图6。可 341第35卷 第3期 陈 明， 邓 珂， 张 俊， 等 大坝灌浆帷幕爆破振动响应特性的数值模拟 万方数据 见， 相同爆破荷载作用下， 随着岩石弹性模量增大， 产生的质点振动速度减小，但产生的第一主应力 增大。 图4 振动波形（ 基岩为软岩， 测点V2） Fig. 4 Vibration wave（soft rock，V2） 图5 振动速度随帷幕深度变化曲线 Fig. 5 Curve of PPV changing with curtain depth 图6 第一主应力随帷幕深度变化曲线 Fig. 6 Curve of first principle stress changing with curtain depth 对于同一岩体， 随着帷幕深度增加， 质点振动速 度在帷幕顶部有小幅度增大而后逐渐减小， 第一主 应力先增大后减小、 最大值出现在灌浆帷幕的中上 部。质点振动速度和第一主应力的变化趋势存在差 异， 其原因在于， 当应力波传播至大坝与帷幕顶部交 界处会产生透反射作用， 帷幕顶部在坝体混凝土较 强的约束作用下振动减小， 随着远离大坝混凝土部 位， 约束作用减弱， 帷幕中振动有一定增强， 但在帷 幕的中部及下部， 由于爆心距增大， 振动强度降低。 在施加爆破荷载之前， 帷幕受自身和大坝重力 作用， 处于受压状态。应力波引起的附加动应力与 静态压应力叠加后， 灌浆帷幕的受力状态改变， 在坝 基岩体中形成拉应力， 本文用第一主应力表示， 如图 6所示。第一主应力在帷幕中部达到最大而后 减小。 比较图5中灌浆帷幕处的峰值质点振动速度与 图6中第一主应力的分布规律可知， 坝基段灌浆帷 幕的质点振动速度和应力状态之间并无一一对应 关系。 整理位于灌浆廊道、 坝址和坝踵三个测点的数 据， 如表4。相比帷幕内部， 廊道底板处产生的第一 主应力较大但质点振速较小。而距爆源较近处（迎 爆侧）的坝踵， 第一主应力较小但质点振速较大。 可见， 难以用通常进行爆破监测的灌浆廊道、 坝址和 坝踵的振动速度来评价灌浆帷幕中可能产生的最大 振速。 表4 坝基段灌浆帷幕测点监测值 Table 4 Monitoring value of grout curtain under dam 测点位置 软岩 中硬岩 硬岩 PPVS1PPVS1PPVS1 P1廊道5. 963654. 853884. 21449 P2坝踵10. 3009. 4208. 740 P3坝趾5. 201. 765. 0511. 304. 7512. 30 注PPV为质点振动速度，cm／ s；S1为第一主应力，kPa 3 岸坡段灌浆帷幕的爆破振动响应特性 选取软岩条件下的W1测点振动波形， 如图7 所示。当施加爆破荷载17 ms后， 应力波传播至灌 浆帷幕，帷幕中产生较大振动，振速最大值为 12. 1 cm／ s， 随后振动逐渐衰减。 图7 振动波形（ 基岩为软岩， 测点为W1） Fig. 7 Vibration wave（soft rock，W1） 441爆 破 2018年9月 万方数据 绘制帷幕振速和第一主应力峰值随深度的变化 曲线， 如图8和图9。不同岩性下的质点振动速度 均以灌浆帷幕处最大， 且随着岩石硬度的提高， 帷幕 中第一主应力增大， 质点振动速度减小。 图8 振速随帷幕深度变化曲线 Fig. 8 Curve of PPV changing with curtain depth 图9 第一主应力随帷幕深度变化曲线 Fig. 9 Curve of first principle stress changing with curtain depth 受爆源位置的影响， 对于同一岩体， 在帷幕顶部 小范围内， 质点振动速度减小， 然后随帷幕深度增 加， 振速逐渐增大， 但仍小于帷幕顶部处振速值。同 样， 随帷幕深度增加， 第一主应力先小范围内迅速衰 减而后增大至某值后再减小。 同一基岩下， 岸坡段帷幕中的质点振动速度和 第一主应力变化趋势基本一致， 帷幕顶部（即灌浆 廊道处） 的质点振速和第一主应力均为整个帷幕产 生的振动响应中的最大值， 故帷幕顶部灌浆廊道处 的振动可体现灌浆帷幕的受振情况。 比较坝基段灌浆帷幕和岸坡段灌浆帷幕在爆破 荷载作用下的动力响应特性， 可知两者之间存在相 似之处， 即基岩硬度越小， 帷幕中产生的振动速度越 大； 基岩硬度越高， 附加的第一主应力越大。 由于爆破部位和灌浆帷幕赋存环境的不同， 两 者也存在一定的区别。取岸坡段硬岩条件下帷幕顶 部应力曲线， 如图10， 在重力作用下， 帷幕顶部已存 在约为0. 3 MPa的第一主应力。爆破应力波传播到 该处时， 第一主应力峰值最大达到了0. 5 MPa。而 坝基段帷幕顶部的初始第一主应力值则接近于0。 其原因在于， 坝基段帷幕位于大坝下方、 初始处于受 压状态， 岸坡段帷幕由于灌浆廊道的存在， 在顶部处 于受拉状态。爆破振动传播到该处后， 应力波在帷 幕处引起的扰动与天然状态下的应力产生叠加， 故 而岸坡段帷幕顶部动拉应力会进一步增大， 而坝基 段帷幕处的第一主应力增量及峰值较小。同时， 坝 基段帷幕顶部受到大坝的约束作用使得该部位振动 减弱， 而岸坡段帷幕顶部则由于应力波在廊道临空 面的影响下振动速度增大。 图10 岸坡段帷幕顶部第一主应力时程曲线 （ 基岩为硬岩， 测点为W1） Fig. 10 Maximum principal stress time-history curve of curtain top inside bank slope（hard rock，W1） 因此， 工程实践中进行爆破振动对灌浆帷幕安 全的影响时， 需要综合考虑爆源位置、 测点部位及岩 体属性等因素， 在合适部位布置的监测点才能反映 灌浆帷幕的爆破振动。 4 结论 通过以上分析， 可得到如下结论和认识 （1） 爆破振动作用下， 灌浆帷幕处的振动速度 随基岩硬度的增大而减小， 振动荷载与初始地应力 耦合作用下的第一主应力峰值随基岩硬度的增大而 增大。 （2） 坝基段和岸坡段灌浆帷幕具有不同的振动 速度响应规律。坝基灌浆廊道的振动速度小于灌浆 帷幕处的最大振动速度， 而岸坡灌浆廊道的振动速 度略大于灌浆帷幕处的最大振动速度。 （3） 灌浆帷幕的爆破振动影响监测测点布置， 需 要综合考虑爆源位置、 测点部位、 岩体性能的影响。 541第35卷 第3期 陈 明， 邓 珂， 张 俊， 等 大坝灌浆帷幕爆破振动响应特性的数值模拟 万方数据 参考文献（References） [1] 许红涛， 卢文波， 蔡联鸣.邻近爆破对坝基灌浆帷幕的 影响机理研究[J].岩石力学与工程学报，2004， 23（8） 1325-1329. 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