孔底设复合消能结构的岩体爆破振动特性研究.pdf

第34卷 第4期 2017年12月 爆 破 BLASTING Vol. 34 No. 4 Dec. 2017 doi10. 3963／ j. issn. 1001 －487X. 2017. 04. 002 孔底设复合消能结构的岩体爆破振动特性研究* 刘 涛 a，b， 陈 明 a，b， 胡浩然a，b， 严 鹏 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 爆破振动的特性、 控制方法及措施一直是工程爆破界的研究热点。基于白鹤滩水电站坝基开挖中 开展的孔底设复合消能的岩体爆破开挖试验， 结合动力有限元技术数值模拟， 以及对实测振动傅里叶频谱分 析， 研究了孔底设复合消能结构的岩体爆破振动特性。数值模拟与现场监测结果表明 孔底设复合消能结构 相对于常规装药结构能够大幅减小炮孔底部岩体的爆破振动速度， 减小幅度达到30％以上， 相应的傅里叶 幅值谱峰值和主频率也有降低， 可见爆破孔孔底设复合消能结构可有效降低孔底的峰值振动速度， 从而控制 孔底岩体的爆破损伤范围。 关键词 复合消能结构；数值模拟；爆破试验；爆破振动；振动频率 中图分类号 TV542 文献标识码 A 文章编号 1001 －487X（2017）04 －0007 －05 Study on Blasting Vibration Characteristics of Rock Mass with Composite Energy Dissipation Structure at Bottom of Blasthole LIU Taoa， b， CHEN Minga， b， HU Hao-rana， b， YAN Penga， b （a. State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science； b. Key Lab of Rock Mechanics in Hydraulic Structural Engineering， Ministry of Education，Wuhan University，Wuhan 430072，China） Abstract The characteristics，control s and measures of blasting vibration have been the hotspot of engi- neering blasting. Based on the blasting test of dam foundation excavation in Baihetan hydropower station with compos- ite energy dissipation structure at the bottom of blasthole，numerical simulation analysis of dynamic finite element as well as the Fourier spectrum analysis of the measured vibration data，the blasting vibration characteristics of rock mass with composite energy dissipation structure at the bottom of the blasthole are studied. Numerical simulation and field monitoring results show that composite energy dissipation structure can greatly reduce blasting vibration of the bottom rock mass compared with conventional charge structure，and the reduction can reach more than 30％. The cor- responding peak Fourier amplitude and frequency are also reduced. It can be concluded that composite energy dissi- pation structure at the bottom of blasthole can effectively reduce the peak particle vibration velocity of bottom rock mass，thus controlling the blasting damage range of the bottom rock mass. Key words composite energy dissipation structure；numerical simulation；blasting experiment；blasting vibra- tion；vibration frequency 收稿日期2017 －08 －17 作者简介刘 涛（1994 －） ， 男， 硕士研究生， 研究方向为工程爆破 与岩石动力学， （E-mail）liutao000＠ whu. edu. cn。 通讯作者陈 明（1977 －） ， 男， 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。 基金项目国家自然科学基金面上项目（No. 51279146、No. 51479 147） 水利水电工程中涉及到大量的岩体建基面开 挖， 爆破是目前建基面开挖的主要手段， 但爆破开挖 荷载的作用下不可避免的会对基岩产生扰动， 形成 开挖损伤区， 控制好岩体开挖中的爆破损伤， 对保证 水工建筑物的安全施工和运行具有重要意义。 万方数据 现阶段岩体建基面的开挖面临着开挖效率的提 高和开挖质量控制之间的矛盾。传统的浅孔分层爆 破开挖， 采用的是一种“层层剥皮”的施工方法， 施 工效率很低； 取消保护层的水平预裂法或保护层一 次爆除的水平光面爆破法， 开挖效果尚佳， 但需先挖 先锋槽， 并且水平钻孔效率低， 施工强度仍难满足要 求。为了提高施工效率和质量， 赵根等提出了采用 环向聚能不设保护层的岩体建基面开挖技术， 但因 聚能药包药量有限， 难以取得理想效果［ 1］； 卢文波 等提出了孔底设圆锥形或球形刚性体与-砂垫层相 结合的复合消能结构的坝基开挖技术， 并在白鹤滩 水电站坝基开挖中得到了应用， 取得了较好的效果， 其爆破损伤深度控制在1. 1 m以内， 并得到了较平 整的建基面［ 2，3］。 众所周知， 爆破峰值质点振动速度与岩体的爆 破损伤密切相关［ 4］， 在工程实践中通常采用峰值质 点振动速度作为岩体、结构损伤的判断依据。如 LAIN F通过现场爆破振动监测和数值模型计算研 究了岩体损伤范围与爆破质点峰值速度的关系［ 5］； 严鹏等对白鹤滩左岸坝肩槽进行振动监测， 验证了 爆破振动峰值与保留岩体损伤深度有很好的相关 性， 并对岩石高边坡开挖损伤进行了预测， 取得不错 效果［ 6］。 在已有研究的基础上， 特别是球形聚-消能复合 垫层结构的基础上， 研究坝基开挖过程中， 炮孔底部 设有以铸铁为材料制成的球和以松砂为材料的柔性 垫层组成的复合消能结构的爆破振动特性， 进一步 揭示复合消能结构的降振机理及效果。 1 复合消能结构作用机理 复合消能结构由以铸铁或高波阻抗混凝土为材 料的球和以松砂为材料的柔性垫层组合而成。其具 体结构及应力波透、 反射示意图如图1所示。 根据应力波透、 反射理论， 当一束一维弹性波从 一种介质a垂直传入另一种介质b时， 将在分界面 上发生透、 反射［ 7］， 应力波在不同材料表面的反射 系数和透射系数可用下式表示 R ＝ ρb（Cp） b － ρ a（ Ca） a ρa（Cp） a ＋ ρ b（ Cp） b （1） T ＝ 2ρ b（ Cp） b ρa（Cp） a ＋ ρ b（ Cp） b （2） 式中R为反射系数；T为透射系数；ρ为材料密 度；Cp为材料纵波波速。 由式（1） 、 （2）可知， 两种介质的波阻抗（ρ，Cp） 对透射波与反射波的大小起着关键的作用。当介质 b的波阻抗大于介质a的波阻抗时， 反射应力波和 入射应力波同号， 透射波的应力幅值强于入射波； 反 之， 当介质b的波阻抗小于介质a的波阻抗时， 反射 应力波和入射应力波异号， 透射波的应力幅值弱于 入射波动。 图1 复合消能结构应力波透、 反射示意图 Fig. 1 Transmission and reflection of stress wave in the structure 由应力波理论可知， 在孔底布置复合消能结构 的炮孔中， 炸药、 铁球、 柔性垫层以及岩体的波阻抗 各不相同， 爆炸应力波将在不同材料的交接面处多 次反射与透射， 图1给出了作用过程的应力波传播 示意图。首先， 当炸药起爆引发的冲击波从爆生气 体中传播到铸铁中， 在铸铁的交界面上将发生一次 反射和透射， 部分被反射回孔底上部的岩体中， 部分 冲击波继续在铸铁中传播， 很快到达铸铁与垫层的 交界面， 由于铸铁的波阻抗远大于垫层的波阻抗， 在 该界面上将发生强烈的二次反射， 而仅有少量的能 量透射入垫层中。垫层材料的大幅度变形和压实将 进一步消耗入射冲击波的能量， 最后被大幅削弱的 冲击波作用在炮孔底部岩体， 在孔底岩体中产生爆 破振动和爆破损伤。 2 现场爆破试验 在白鹤滩水电站进行了复合消能结构试验。试 验具体情况为 设置4个间排距为3. 5 m 3. 5 m炮 孔爆破试验， 工况设置情况及炮孔剖面图如图2所 示， 旨在检验复合消能结构的减振效果。炮孔孔深 8爆 破 2017年12月 万方数据 均为6. 3m， 孔径100 mm， 装药直径32 mm， 连续装 药， 装药长度4. 5 m，单孔药量4. 5 kg，堵塞段 1. 5 m， 孔底垫层厚度0. 3 m。四个炮孔中，A孔和C 孔底部设置复合消能结构，B孔和D孔为常规垂直 孔，A孔和B孔的起爆点位于装药段上部，C孔和D 孔的起爆点位于装药段底部。A、B、C、D四孔的孔 内雷管分别选用MS1、MS5、MS9和MS13， 孔外采用 导爆索传爆。 图2 工况设置情况及典型剖面示意图 Fig. 2 Working condition setting and typical section sketch map 为比较常规装药结构和复合消能结构孔底振动 的区别， 在图2所示在四个炮孔正中间，1＃监测孔炮 孔底部高程以下1 m（ 测点4） 、1. 5 m（ 测点5） 和2 m （ 测点6） 分别布置传感器， 测得的典型波形图如图 3所示。各测点质点峰值速度及降低率总结如表1 所示。 图3 孔底测点垂直振动速度 Fig. 3 The vertical vibration velocity at the bottom of blasting hole 表1 孔底测点质点峰值速度及降低率 Table 1 The peak particle velocity and the reduction rate at the bottom of blasting holes 测点 位置 复合消能结构PPV／ （cms －1） 常规装药结构 PPV／（cms －1） 降低 率／ ％ 孔底1. 0 m14. 5133. 3556. 5 孔底1. 5 m11. 0921. 4748. 3 孔底2. 0 m7. 9214. 0743. 7 由表1可以看出， 孔底设有复合消能结构可以 大幅减小孔底岩体振动， 并且由前文叙述已知岩石 爆破损伤和质点峰值速度存在着很好的相关性， 所 以在试验方面验证了孔底设有复合消能结构具有明 显减小孔底岩体振动和损伤的效果。 3 孔底设有复合消能结构的爆破振动 数值模拟 3. 1 计算模型及参数的选取 为进一步研究复合消能结构保护下炮孔底部爆 破损伤和振动特性， 基于LS-DYNA二次开发的爆破 损伤模拟技术， 对复合消能结构工况的炮孔和常规 装药工况的炮孔进行爆破数值仿真。 根据试验背景， 建立数值计算模型如图4所示。 由于结构具有对称性， 为减少计算网格数， 采取1／4 模型， 并适当减少堵塞段的长度。模型高度7. 4 m， 炮孔深度5 m， 其中堵塞长度0. 5 m， 孔底岩石厚度 2. 0 m， 炮孔直径100 mm， 装药直径32 mm， 铁球直 径80 mm， 垫层厚度0. 3 m。本次计算选取一组底 部起爆的试验作为对比， 也就是图2所示的C、D孔 9第34卷 第4期 刘 涛， 陈 明， 胡浩然， 等 孔底设复合消能结构的岩体爆破振动特性研究 万方数据 的两种对比工况。 图4 数值计算模型（ 单位m） Fig. 4 Numerical calculation models（unitm） 数值计算中采用LS-DYNA的流-固耦合（ALE） 算法模拟炸药的冲击作用， 其原理是实现材料在网 格中流动， 可有效计算爆炸冲击过程中的大变形问 题。炸药材料模型选用*mat＿high＿explosive＿burn 材料， 结合*EOS＿JWL状态方程来模拟炸药爆炸过 程中压力与体积的关系， 表达式如下 p ＝ A 1 － ω R1 J V e－R1V＋ B 1 － ω R2 J V e－R2V＋ ωE 0 V （3） 式中p为JWL状态方程决定的压力；V为相对体 积；E0为初始比内能；A、B、R1、R2和ω为描述JWL 方程的独立常数。以上参数的取值均参考LS-DY- NA用户手册［ 8］。炸药的相关参数取值详见表 2。 表中，PCJ为Chapman-Jouget压力。 空气采用mat＿null材料实现， 同时结合*EOS＿ LINEAR＿POLYNOMIAL控制的状态方程描述空气 的作用 P ＝ C0＋ C1μ ＋ μ2 2μ 2 ＋ C3μ3＋（C4＋ C5μ ＋ C6μ2）e （4） 式中C0＝ C1＝ C2＝ C3＝ C6＝0，C4＝ C5＝0. 4； μ ＝ ρ／ ρ0； 其中ρ、ρ0分别为初始材料密度， 当前材料 密度；e为比内能。 本次计算中， 采用胡英国在经典TCK模型基础 上改进的拉压损伤模型， 模型通过改进损伤的计算方 法获得了与现场实测吻合结果， 具体验证见文献［9］ 。 损伤模型中材料相关的物理参数如表3所示。 表2 炸药相关参数 Table 2 Parameters of explosive 密度／ （kgm －3） 爆速／ （ms －1）A／ GPa B／ GPaR1R2ω 130036002200. 24. 51. 10. 35 表3 模型相关物理力学参数 Table 3 Pysico-mechanical parameters of model 材料 密度／ （kgm －3） 动弹性 模量／ GPa 泊松比 损伤系数 λ／ （kgJ －1） 岩石250015. 000. 220. 0001 铁球7850206. 000. 30 垫层1800 0. 240. 35 3. 2 计算结果及分析 3. 2. 1 孔底振动分布特征 为方便模型与试验对照， 在图5中标出各测点 在模型中的位置。复合消能结构工况下数值仿真得 到的1＃监测孔炮孔底部高程以下1. 5 m（ 测点5）质 点振动速度和现场实验监测结果比较如图6所示。 图5 测点位置布置图 Fig. 5 Location of the measuring point 图6 模拟与实测垂直振动速度对比 Fig. 6 Comparison of numerical simulation and measured vertical vibration velocity 从图6中可以看出， 模拟结果与实测结果基本 一致， 说明了数值模拟的正确性。 为特别比较常规装药结构和复合消能结构的孔 底振动区别， 取孔底正下方1. 5 m（ 图5中测点7） 的 模拟典型波形图如图7所示。从图7中可以得出常 规装药结构和复合消能结构的质点峰值速度差别很 大， 从33. 8 cm／ s降低到20. 2 cm／ s， 减振40. 2％。 模拟结果与实测结果， 在减振规律上也是比较一致 的， 所以在数值仿真方面也验证了孔底设有复合消 01爆 破 2017年12月 万方数据 能结构具有明显减小岩体振动和损伤的效果。模拟 得到侧面炮孔底部高程以下1. 5 m（图5中测点5） 处的常规装药结构和复合消能结构两种工况的振动 对比如图8所示。 图7 孔底正下方模拟振动速度对比 Fig. 7 The simulated vibration velocity just below the bottom of the hole 图8 孔底模拟振动速度对比 Fig. 8 Comparison of simulation vibration velocity at the bottom of the blasting holes 从图8可以看出， 常规装药结构和复合消能结 构两种工况在炮孔侧面（测点5位置）的振动从 16. 6 cm／ s降低到10. 9 cm／ s， 减振34. 3％， 模拟的 侧面测点减振效果见表4， 可见孔底消能结构的隔 振效果较好， 但是与试验相比还是有差别， 其原因是 因为试验测点布置在离炮孔较远的位置， 而采用流 固耦合方法模拟， 网格需要划分很小， 对于离炮孔越 近的位置， 模拟效果越好［ 10］。 表4 模拟的侧面测点减振效果 Table 4 Simulation vibration reduction effect of side measurement points 测点 复合消能 结构ppv／ （cms －1） 常规装药 结构ppv／ （cms －1） 模拟降低 率／ ％ 试验降低 率／ ％ 测点415. 8024. 234. 756. 5 测点510. 9016. 634. 348. 3 测点67. 3110. 530. 343. 7 3. 2. 2 孔底振动频谱特征 图9显示了复合消能结构和常规装药结构两种 工况在1＃监测孔炮孔底部高程以下1 m（测点4） 、 1. 5 m（ 测点5） 和2 m（ 测点6） 处实测质点振动速度 的傅里叶频谱曲线。可以看出复合消能结构的幅值 谱峰值明显小于常规装药结构， 从另外一个角度也 说明了复合消能结构有明显的减振效果。由图9也 可知， 设有复合消能结构的爆破振动主频率相对于 常规装药结构诱发的主频率有所降低。 图9 质点频谱分析图 Fig. 9 Fourier spectrum of particle velocity time histories 4 结论 基于白鹤滩水电站开展的坝基岩体爆破开挖试 验， 结合有限元数值模拟以及对实测振动傅里叶频 谱分析， 研究孔底设复合消能结构的爆破振动特性， 得到如下认识 （1） 爆破开挖试验和数值模拟均证明孔底设复 合消能结构能够大幅减小炮孔底部岩体的爆破振动 速度， 减小幅度达30％以上， 最大能达到56.5％， 峰 值质点振动速度的降低可有效降低炮孔底部岩体的 爆破损伤范围， 因此在炮孔底部设复合消能结构可 以广泛用于水平建基面的开挖。 （下转第26页） 11第34卷 第4期 刘 涛， 陈 明， 胡浩然， 等 孔底设复合消能结构的岩体爆破振动特性研究 万方数据 prospect of pipeline leak detection technology［J］. 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