GD-3电站地下厂房岩台开挖爆破试验研究.pdf

第 35 卷 第 1 期 2018 年 3 月 爆 破 BLASTING Vol. 35 No. 1 ▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂ Mar. 2018 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2018. 01. 009 GD-3 电站地下厂房岩台开挖爆破试验研究* 祝文化， 燕 星， 颜文辉， 郑 臻 （武汉理工大学 土木工程与建筑学院， 武汉 430070 摘 要 地下厂房岩台开挖要求具有极高的控制精度和较小的破坏范围， 因此开挖难度大， 施工要求高。 实际工程中多采取工程类比和在相似地段进行爆破试验的方法， 但由于岩体赋存条件的差异及场地的限制， 不便进行不同组合的爆破参数试验效果比较。结合 GD-3 工程实际， 应用 ANSYS/ LS-DYNS 软件， 通过改变 线装药密度及孔间距， 进行了单孔及多孔条件下的岩台爆破模拟研究， 获得了较优的岩台爆破参数， 并据此 进行了现场爆破试验， 根据计算推荐的爆破参数进行施工， 获得了较为理想的岩台成型质量， 可为类似工程 提供借鉴。 关键词 地下厂房；岩台；爆破参数；ANSYS/ LS-DYNA 中图分类号 TD235. 3 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X 2018 01 -0054 -05 Experimental Study on Blasting Excavation of Rock Bench in Underground Powerhouse of GD-3 Power Station ZHU Wen-hua， YAN Xing， YAN Wen-hui， ZHENG Zhen （School of Civil Engineering and Architecture， Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， China Abstract High control accuracy and small range of damage are required in underground plant rock bench exca- vation， therefore the excavation is difficult and construction requirement is high. In practical engineering， engineering analogy and blasting test in a similar location are always used. Due to the occurrence conditions in rock and restric- tions on site， it is inconvenient to compare test results of different combinations of blasting parameters. Based on the engineering practice of GD-3， using the ANSYS/ LS-DYNS software， the simulations of rock bench blasting under sin- gle hole and porous condition were carried out by changing the charge density and hole spacing. The better rock blas- ting parameters were obtained， and conducted in a live blasting test. According to the calculation of the recommended blasting parameters for construction， a more ideal rock bench ing quality is obtained， which can provide reference for similar projects. Key words underground plant;rock bench;blasting parameters;ANSYS/ LS-DYNA 收稿日期 2017 -09 -22 作者简介 祝文化 （1966 - ， 男， 副研究员， 主要从事岩土工程的教 学和研究工作，（E-mail jyzwh whut. edu. cn。 基金项目 高等学校博士学科点专项科研基金 （20110143110017 模 拟地下工程应力环境的大尺寸试件岩爆试验研究 岩锚梁是大型水电站地下厂房的一种特殊结构 形式， 是通过锚杆 （或锚索 将岩台锚固在岩壁上浇 筑混凝土形成吊车梁， 是主厂房的重要构筑物之一。 因此， 岩台的开挖要求具有极高的控制精度和较小 的破坏范围。岩壁吊车梁的开挖一般需要预留岩台 保护层， 当岩台具有临空面后通过光面爆破形成岩 台。目前， 实际工程中爆破参数的确定主要采用工 程类比和在相似地段进行爆破试验的方法， 但由于 岩体赋存条件的差异及场地的限制， 通过类比的爆 破参数进行现场试验， 费工费时， 不便进行不同组合 的爆破参数试验效果的比较 [1-4]。有限元法是一种 通过将弹性理论、 计算数学和计算机模拟软件三者 相结合起来解决工程实际中所遇到的问题的有力方 万方数据 式， 适用于解决由爆炸作用所产生的具有高速与强 大冲击性特点的爆破工程问题 [5， 6]。本文基于埃塞 俄比亚 GD-3 水电站地下厂房岩壁梁岩台爆破开挖 工程， 运用 ANSYS/ LS-DYNS 分析软件， 对岩台成型 的孔网参数及装药量等爆破参数进行计算分析， 并 通过现场爆破试验进行验证和优化， 以期为类似工 程施工提供参考。 1 工程背景 GD-3 水电站位于埃塞俄比亚首都亚的斯南部 偏东约400 km， 是埃塞俄比亚最具开发潜力 Genale- Dawa 河上的一座十分重要的梯级水电站。电站为 引水式电站， 总装机容量 254 MW， 整个电站主要由 大坝及附属结构、 输水发电系统及地下厂房系统组 成。厂区洞室群位于新鲜岩体内， 主要是以片岩以 及花岗晶岩为主， 岩体大部分为Ⅱ、 Ⅲ类， 少部分为 Ⅳ、 Ⅴ类; 厂区岩体透水性较弱， 没有影响地下厂房 安全的断层带和大型的滑坡体。主厂房开挖尺寸 78. 20 m 23. 00 m 44. 48 m （长 宽 高 ， 其中 岩锚梁以上开挖跨度 24. 8 m， 以下开挖跨度 23 m， 岩锚 梁 位 于 地 下 厂 房 上 下 游 侧 墙 ▽ 857. 1 ▽ 860. 2 m的墙体岩壁上， 全长2 m 79. 7 m。岩体 物理力学参数统计见表 1。 表 1 岩体物理力学参数统计表 Table 1 Statistical table of physical and mechanical parameters of rock mass 岩性 风化 程度 密度/ （gcm -3 饱和干 吸水率/ 孔隙率/ 抗压强度/ MPa 饱和干 泊松 比/ μ 花岗岩 中等2. 622. 600. 400. 865700. 25 微新2. 652. 640. 270. 7951000. 20 2 模型的建立 ANSYS/ LS-DYNA 能够很好的模拟解决由爆炸 作用所产生的具有高速与强大冲击性特点的爆破工 程问题 [2]。针对岩锚梁岩台爆破开挖， 利用该软件 对岩台爆破参数进行单孔效应和群孔效应数值计算 模拟。建模说明如下 （1 模型统一采用 cm-g-μs 作为基本单位。岩 体、 炸药及堵孔材料等模拟参数的选择， 采用三维实 体单元; 炸药采用 ANSYS/ LS-DYN 提供的高能炸药 材料模型， 岩体材料采用线性随动硬化材料模型; 堵 塞材料采用土壤材料模型。结合实际工程， 炸药及 主要材料相关参数见表 2、 表 3。 表 2 炸药参数表 Table 2 Explosive parameters 密度/ （gcm -3 爆速/ （ms -1 A/ GPaB/ GPaR1R2ω 初始内能 Eo/ GPa 爆压 PCJ/ GPa 1. 33600214. 40. 1824. 20. 90. 154. 1924. 25 （注 A、 B、 R1、 R2、 ω 为试验所确定的常数 表 3 岩体及堵孔材料参数表 Table 3 Parameters of rock and stemming materials 材料 类型 密度/ （gcm -3 弹性模量/ GPa 泊松比/ μ 屈服应力/ MPa 剪切模量/ GPa 硬化参数/ GPa 岩体2. 65350. 2510014. 008. 0 堵孔材料1. 851. 6x10 -4 0. 2050. 250. 5 （2 单孔模拟考虑到炮孔对周围岩体的影响， 几何模型尺寸为 5. 0 m 8. 0 m 4. 0 m。计算时在 模型的前面施加 Z 方向的约束， 限制其节点的位 移; 在其后面、 右侧面以及底部施加无反射边界条件 模拟实际工程中的无限岩体; 其左侧面以及上表面 不施加任何约束， 模拟现场实际的临空面。 （3 根据单孔爆破效应的模拟结果， 确定在单 孔条件下爆破作用对岩体所产生的损伤范围及较为 适合的单孔装药量， 作为群孔爆破模拟条件， 进行群 孔效应研究。几何模型尺寸为 6. 0 m 9. 0 m 2. 0 m。 设置三个炮孔进行计算。计算时在模型的 前后面施加 Z 方向的约束限制其节点移动， 在模型 55第 35 卷 第 1 期 祝文化， 燕 星， 颜文辉， 等 GD-3 电站地下厂房岩台开挖爆破试验研究 万方数据 的左右以及底部施加无反射边界条件模拟实际工程 中无限岩体的情况， 将上表面设为临空面模拟实际 现场中的自由开挖面。模拟时除了需要改变炮孔间 距以外， 其余所采用的材料参数与单孔所确定的爆 破优化参数一致。 岩台单孔及群孔模型如图 1 所示。 图 1 岩台单孔及群孔模型图 Fig. 1 The single hole and some holes model of the rock bench 3 计算结果 3. 1 单孔爆破计算结果 根据类似工程的爆破效果及装药情况， 进行了 五组不同线装药密度的单孔爆破模拟， 通过对孔口 及孔底起爆方式进行比较，两种方式破坏区域基本 一致， 因此， 模拟计算统一采用孔底起爆方式进行分 析。爆破参数及计算结果见表 4。 岩体在不同单孔装药量的条件下， 炸药的爆炸 作用对炮孔周围岩体损伤破坏影响发展变化的典型 等效应力云图见图 2。参照岩体损伤破坏的相关方 法 [7-9]， 由不同工况下的计算结果可以看出 从30 μs 左右开始， 岩体在爆炸作用下从炮孔底部开始产生破 坏， 随着炸药爆炸作用的持续发展， 当达到1500 μs左 右时， 爆炸效应对岩体的影响基本趋于稳定。 单孔爆破作用下， 垂直炮孔、 倾斜炮孔对周围岩 体的破坏影响半径以及两炮孔在孔底位置的爆破叠 加影响范围统计值见表 4， 由统计结果可以看出 在 工况 1 的条件下， 垂直炮孔对周围岩体的破坏影响 半径大约为 32 cm， 倾斜炮孔的破坏影响半径大约 为 28 cm， 两炮孔叠加影响半径为 45 cm， 线装药密 度过大， 对岩体造成的损伤破坏程度较大， 不利于岩 台的成型; 而工况 4、 5 的条件下， 垂直炮孔、 倾斜炮 孔对周围岩体的破坏影响半径分别为 16 cm、 10 cm， 双炮孔爆破叠加影响半径大约为 25 cm、 16 cm， 线装药密度过小， 不利于群孔之间形成贯穿 的爆破裂缝。工况 2、 3 条件下， 线装药密度较为合 适， 进行群孔爆破模拟时， 可以该装药量作为模拟条 件， 改变不同的炮孔间距， 研究群孔爆破作用对岩体 所产生的影响效果。 表 4 单孔爆破计算参数及结果 Table 4 Calculation parameters and results of single hole blasting 工况位置 孔径/ mm 孔深/ m 炸药直径/ mm 堵塞长度/ m 线密度/ （gm -1 损伤半径/ cm 孔位叠加区 1 垂直孔403. 0250. 515032 45 斜面孔401. 5250. 512028 2 垂直孔403. 0250. 514022 35 斜面孔401. 5250. 511020 3 垂直孔403. 0250. 513020 30 斜面孔401. 5250. 510018 4 垂直孔403. 0250. 512018 25 斜面孔401. 5250. 59016 5 垂直孔403. 0250. 511010 16 斜面孔401. 5250. 58010 3. 2 群孔爆破计算结果 依据单孔爆破效应的模拟计算结果， 选取 2、 3 工况条件下的线装药密度， 作为群孔爆破模拟时的 装药量模拟条件， 借鉴类似工程经验 [10， 11]， 分别进 行孔间距为0. 5 m、 0. 4 m、 0. 3 m 的三组孔间距条件 下的群孔爆破模拟， 研究群孔爆破作用对岩体所产 生的影响效果。爆破参数及计算结果如表 5 所示。 岩体在不同线装药密度及不同炮孔间距条件 下， 炸药的爆炸作用对炮孔周围岩体损伤破坏影响 发展变化的典型等效应力云图见图 3。由不同工况 下的计算结果可以看出 从 30 μs 左右开始， 岩体在 爆炸作用下从炮孔底部开始产生破坏， 随着炸药爆 炸作用的持续发展， 当达到 1500 μs 左右时， 爆炸效 应对岩体的影响基本趋于稳定。 65爆 破 2018 年 3 月 万方数据 图 2 单孔爆破计算的典型等效应力云图 （t 1500 μs Fig. 2 Typical equivalent stress cloud diagram of single hole blasting calculation （t 1500 μs 表 5 群孔爆破计算参数及结果 Table 5 Calculation parameters and results of some holes blasting 工况位置 孔径/ mm 孔深/ m 炸药直径/ mm 堵塞长度/ m 线密度/ （gm -1 损伤半径/ cm 孔位叠加区 孔距/ m 1 垂直孔403. 0250. 514028 300. 5 斜面孔401. 5250. 511025 2 垂直孔403. 0250. 513018 220. 5 斜面孔401. 5250. 510015 3 垂直孔403. 0250. 514030 400. 4 斜面孔401. 5250. 511027 4 垂直孔403. 0250. 513020 300. 4 斜面孔401. 5250. 510018 5 垂直孔403. 0250. 514033 450. 3 斜面孔401. 5250. 511030 6 垂直孔403. 0250. 513022 300. 3 斜面孔401. 5250. 510020 群孔爆破作用下， 垂直炮孔、 倾斜炮孔对周围岩 体的破坏影响半径以及两炮孔在孔底位置的爆破叠 加影响范围统计值见表 5， 由统计结果可以看出 当 炮孔间距为 0. 5 m 时， 工况1 条件下， 炮孔周围岩体 受到炸药爆炸作用下所产生的影响半径为垂直孔大 约为 28 cm， 斜面孔大约为 25 cm， 孔底部位影响半 径为 30 cm， 并且孔与孔之间完全贯穿， 而工况 2 的 线装药密度条件下， 孔间未能完成贯穿; 当炮孔间距 为 0. 4 m 时， 工况3 条件下， 炮孔周围岩体受到炸药 爆炸作用下所产生的影响半径为垂直孔大约为 30 cm斜面孔大约为 27 cm， 孔底区域的影响半径为 40 cm; 工况 5 条件下， 炮孔周围岩体受到炸药爆炸 作用下所产生的影响半径垂直孔大约为 20 cm、 斜 面孔大约为 18 cm， 孔底区域的影响半径为 30 cm; 孔间完全贯穿; 当炮孔间距为 0. 3m 时， 炮孔周围岩 体受到炸药爆炸作用下所产生的影响半径过大， 不 利于岩台的成型。 在保证岩台成型质量的前提下， 根据模拟计算 结果并考虑施工作业效率， 本工程岩台开挖爆破现 场试验参数推荐为 炮孔间距 0. 4 0. 5 m， 垂直孔 线装药密度为 130 140 g/ m， 斜面孔线装药密度为 100 110 g/ m。 4 岩台爆破开挖现场试验 为了验证模拟计算结果的合理性及可行性， 确 保岩锚梁岩台按设计要求开挖成型， 根据模拟计算 结果给出的爆破参数 孔间距 0. 4 0. 5 m， 垂直孔 线装药密度为 130 140 g/ m， 斜面孔线装药密度为 100 110 g/ m， 在地下厂房第Ⅱ层开挖过程中的相 似地段， 按岩锚梁开挖工序， 预留保护层进行岩台成 型爆破开挖现场试验。 爆破试验前， 首先由测量人员对试验部位精准 放样， 包括垂直孔及斜面孔的开孔位置、 斜面孔的钻 孔方向， 钢管架搭设位置， 计算垂直孔及斜面孔的造 孔深度并实施造孔。垂直孔和斜面孔均采用手风钻 造孔， 造孔完毕由爆破人员进行验孔、 装药、 联线、 爆 75第 35 卷 第 1 期 祝文化， 燕 星， 颜文辉， 等 GD-3 电站地下厂房岩台开挖爆破试验研究 万方数据 破。现场试验钻孔见图 4。爆破结束后， 对爆破效 果及爆破参数进行分析、 评价、 调整。岩台开挖爆破 现场试验共进行了 3 次， 在给定的爆破参数条件下 均达到了较为理想的爆破效果， 开挖成型的岩台见 图 5。 图 3 群孔爆破计算的典型等效应力云图 （t 1500 μs Fig. 3 The typical equivalent stress cloud diagram of some holes blasting calculation （t 1500 μs 图 4 岩台现场试验钻孔示意图 Fig. 4 The drilling diagram of rock bench on site 图 5 爆破后岩台效果图 Fig. 5 Outside view of rock bench after blasting 5 结论 岩锚梁作为地下厂房工程中的一个重要结构， 其岩台的成型直接影响岩锚梁质量以及后续地下厂 房施工运行的安全与稳定。结合埃塞俄比亚 GD-3 电站地下厂房实际工程， 利用 ANSYS/ LS-DYNA 计 算软件， 通过对岩台成型部位爆破参数进行单孔和 群孔爆破效应模拟分析， 得到了炮孔周围岩体受到 炸药爆炸作用下所产生的影响范围， 据此进行爆破 参数的优化分析， 给出了较为合适的岩台开挖爆破 参数， 并在地下厂房第Ⅱ层开挖过程中的相似地段， 按岩锚梁岩台成型开挖工序， 进行了现场爆破试验， 获得了良好的开挖效果。试验结果也验证数值计算 的实用性及可行性， 减少了现场试验次数， 加快了施 工进度。在类似工程中可采用该方法进行爆破参数 优化、 减少现场试验次数。 下转第 65 页 85爆 破 2018 年 3 月 万方数据 [10] 郑炳旭. 经山寺铁矿优化开采综合爆破技术 [J] . 岩 石力学与工程学报， 2012， 31 （8 1530-1536. [10] ZHENG Bing-xun. Multiple blasting techniques for ex- ploitation optimization of Jinshan Temple iron mine [J] . Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2012， 31 （8 1530-1536. （in Chinese [11] 张引良， 袁文华. 黑岱沟露天煤矿爆破根底和大块产 生的原因及对策分析 [J] . 露天采矿技术， 2016， 31 （S1 31-32， 36. [11] ZHANG Yin-liang， YUAN Wen-hua. Analysis of causes and countermeasures of blasting foundation and bulk in Heidaigou Open-pit [J] . Opencast Mining Technology， 2016， 31 （S1 31-32， 36. （in Chinese [12] 崔晓荣， 周名辉， 吕 义. 露天矿的中小型设备高强 度开采技术 [J] . 西部探矿工程， 2009 （11 102-105. [12] CUI Xiao-rong， ZHOU Ming-hui， LV Yi. Mining technol- ogy of small and medium sized equipment for high strength open in pit mine [J] . Western Exploration Pro- ject， 2009 （11 102-105. （in Chinese 上接第 58 页 参考文献 References [1] 陈 彬， 杜汉青， 安 萍. 复杂条件下的地下厂房岩壁 梁岩台开挖爆破实践 [J] . 爆破， 2006， 23 （2 38-40. [1] CHEN Bin， DU Han-qing， AN Ping. Engineering practice in blasting excavation of underground workshops rock an- chor beam in complex conditions [ J] . Blasting， 2006， 23 （2 38-40. （in Chinese [2] 李新平， 徐 剑， 张成良， 等. 溪洛渡电站地下厂房岩 台开挖爆破试验研究 [J] . 爆破， 2008， 25 （2 30-33. [2] LI Xin-ping， XU Jian， ZHANG Cheng-liang， et al. Experi- mental study on rock bench blasting excavation in under- ground workshop of Xiluodu Hydropower Station [ J] . Blasting， 2008， 25 （2 30-33. （in Chinese [3] 沈 洁， 程 康， 黄 霖， 等. 百色水利枢纽地下厂房 岩壁梁岩台开挖二序工法研究 [ J] . 爆破，2003， 20 （2 29-30. [3] SHEN Jie， CHENG Kang， HUANG Lin， et al. Experimen- tal study on blasting of crane beam at rockwall in an un- derground workshop of guangxi baise water conservancy control project [J] . Blasting， 2003， 20 （2 29-30.（ in Chinese [4] 李冬冬， 肖 明， 陈俊涛， 等. 地下厂房岩锚梁岩台爆 破开挖精细化控 [J] . 华中科技大学学报 （自然科学 版 ， 2016， 44 （5 81-86. [4] LI Dong-dong， XIAO Ming， CHEN Jun-tao， et al. Under- ground powerhouse rock-anchored crane beam rock wall blasting excavation refinement control [J] . Journal of Hua- zhong University of Science and Technology （Natural Sci- ence Edition ， 2016， 44 （5 81-86. （in Chinese [5] 王泳嘉， 冯夏庭. 关于计算岩石力学发展的几点思考 [J] . 岩土工程学报， 1996 （4 103-104. [5] WANG Yong-jia， FENG Xia-ting. Some thoughts on calcu- lating the development of rock mechanics [J] . Journal of Geotechnical Engineering， 1996 （4 103-104.（in Chi- nese [6] 时党勇， 李裕春， 张胜民. 基于 ANSYS/ LS-DYNA8. 1 进 行显式动力分许 [M] . 北京 清华大学出版社， 2005. [7] 朱传云， 喻胜春. 爆破引起岩体损伤的判别方法研究 [J] . 工程爆破， 2001， 7 （1 12-16. [7] ZHU Chuan-yun， YU Sheng-chun. Study on the criterion of rockmass damage caused by blasting [J] . Engineering Blasting， 2001， 7 （1 12-16. （in Chinese [8] 杨 军， 高文学， 金乾坤. 岩石动态损伤特性实验及爆 破模型 [J] . 岩石力学与工程学报， 2001， 20 （3 320- 323. [8] YANG Jun， GAO Wen-xue， JIN Qian-kun. Experiment on dynamic damage property of rock and new damage model for rock fragmentation by blasting [J] . Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2001， 20 （3 320-323. （in Chinese [9] 陈俊桦， 李新平， 张家生. 基于爆破损伤的岩台保护层 开挖爆破参数研究 [J] . 岩石力学与工程学报， 2016， 35 （1 98-108. [9] CHEN Jun-hua， LI Xin-ping， ZHANG Jia-sheng. Study on blasting parameters of protective layer excavation of rock bench based on blasting-induced damage [ J] . Chinese Journal of RockMechanicsandEngineering，2016， 35 （1 98-108. （in Chinese [10] 俞杨明， 祁建东， 叶 昀， 等. 利用数值模拟技术优化 光面爆破炮孔间距 [J] . 金属矿山， 2013， 446 （8 38- 41. [10] YU Yang-ming， QI Jian-dong， YE YUN， et al. Optimizing the smooth blasting hole spacing with numerical simula- tion technology [J] . Metal Mine， 2013， 446 （8 38-41. （in Chinese [11] 郭培华. 拉西瓦地下厂房岩锚梁开挖爆破优化与实 施 [J] . 爆破， 2005， 22 （4 38-40. [11] GUO Pei-hua. Optimization and implementation on blas- ting excavation of underground workshops rock anchor beam [J] . Blasting， 2005， 22 （4 38-40. （in Chinese 56第 35 卷 第 1 期 郭春阳， 池恩安， 赵明生， 等 别矿台阶深孔爆破孔排距优化试验及应用 万方数据