爆破震动对高陡边坡稳定影响的数值模拟研究.pdf
第2 9 卷第3 期 2 0 1 2 年9 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 .2 9N o .3 S e p .2 0 1 2 d o i 1 0 .3 9 6 3 /j .i s s n .1 0 0 1 4 8 7 X .2 0 1 2 .0 3 .0 2 9 爆破震动对高陡边坡稳定影响的数值模拟研究 王建国,栾龙发,张智宇,李祥龙,凡春礼 昆明理工大学国土资源工程学院,昆明6 5 0 0 9 3 摘要在高陡边坡下进行爆破作业,为确保边坡及生产的安全,需对振动条件下边坡的动态稳定性有所 了解。相关的研究成果已表明,F L A C3 D 用于爆破荷载作用下边坡的动态响应分析是可行的。利用F L A C 3 D 软件建立了丽江阿海电站左岸高陡边坡的三维模型,将现场实测的振动数据从边坡底部输入,分析了爆 破结束后边坡体内位移场、应力场以及速度场的分布情况,从而判断该边坡在爆破荷载作用下的稳定性。 关键词爆破振动;高陡边坡;稳定性;F L A C3 D 模拟 中图分类号0 3 8 2 .2文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 2 0 3 0 1 1 9 一0 4 N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fB l a s t i n gV i b r a t i o nE f f e c t o nS t a b i l i t yo fH i g h - l s t e e pS l o p e W A N G 胁,l - g u o ,L U A NL o n g 而,Z H A N GZ h i y u ,L IX i a n g l o n g ,F A NC h u n l i K u n m i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ,K u n m i n g6 5 0 0 9 3 ,C h i n a A b s t r a c t I t i si m p o r t a n tt oe x p l o r et h ed y n a m i ci n f l u e n c eo fb l a s t i n gv i b r a t i o nO Rs l o p ef o rt h ep r o d u c t i o ns a f e t y i nh i g hs t e e ps l o p eb l a s t i n ge n g i n e e r i n g .R e l a t e dr e s e a r c h e ss h o wt h a tt h eF L A C 3 Dc a r lb eu s e df o rd y n a m i cr e s p o n s e a n a l y s i so ft h es l o p e ,t h e na3 Dm o d e lo fA h a ip o w e rs t a t i o n ’Sh i 曲s t e e ps l o p eW a sb u i l tb yt h es o f t w a r eF L A C 3 D .B y i n p u t t i n gt h em e a s u r e dv i b r a t i o nd a t af r o mt h es l o p eb o t t o m ,t h es t r e s sf i e l dd i s t r i b u t i o n s ,d i s p l a c e m e n tf i e l da n dv e - l o e i t yf i e l di nt h es l o p ew e r ea n a l y z e d ,w h i c hh e l p st od i s c l o s et h ee f f e c to fb l a s tl o a d i n go ns l o p es t a b i l i t y . K e yw o r d s b l a s t i n gv i b r a t i o n ;h i g h - s t e e ps l o p e ;s t a b i l i t y ;F L A C 3 Ds i m u l a t i o n 丽江市宁蒗县阿海电站位于金沙江边,沿江两 侧均已形成高陡边坡,在整个电站修建过程中,为形 成工业场地,对边坡底部进行爆破作业将不可避免, 而且爆破作业还会比较频繁。这就会使初始边坡状 况发生改变,地应力重新分布,地下水状态产生变化 等。这些因素势必会改变原先的平衡状态,使边坡 发生变形,严重的可能导致边坡的失稳J 。利用目 前动力分析技术已经相对成熟的F L A C3 D 软件,建 立该高陡边坡比较真实三维模型,加载现场实测的 爆破振速的值,对计算后的结果进行分析,观察边坡 在该爆破条件下的稳定性状态。 收稿日期2 0 1 2 0 6 1 5 作者简介王建国 1 9 8 7 一 ,男,硕士研究生、工程师,从事工程爆破 研究, E m a i l b a d t u o e r 1 6 3 .c o r n 。 1 爆破震速的确定 采用成都中科动态仪器有限公司研制生产的 I D T S - - 3 8 5 0 爆破振动仪及配套的传感器,实行多通 道数据采集、存储和分析。由于此次模拟的动荷载 是从边坡底部并沿x 方向加入,根据阿海电站左岸 高陡边坡的剖面图,在剖面线附近边坡的最下部布 置3 个测点,爆破结束以后,将3 组监测值导入电脑 中,利用该仪器自带的波形分析软件,选择中间的速 度值作为模拟要导入的爆破振速。最终选定的速度 波形如图1 所示,最大振速V 1 2 .7 3c m /s ,主频 4 3 .9 5H z . 万方数据 1 2 0 爆破 2 0 1 2 年9 月 1 0 .0 5 .0 0 - 5 .0 1 0 .0 1 3 .9 0 ㈣ 0 30 .2 00 .4 00 .6 00 .8 0 1 .0 0 1 .2 1 c H 2T i m e /s 图1 爆破振动波形图 F i g .1 W a v e f o r m so fb l a s t i n gv i b r a t i o n 2 模型的建立 图2 为阿海电站左岸边坡的剖面图。该边坡的 坡脚高程为1 2 0 0m 左右,边坡陡峻。该边坡地层为 中上三叠统杂谷脑组一套浅变质岩层,岩层平均产 状为N 2 5o 一4 3o E /N W /3 5 。一5 0o ,边坡为反倾向 边坡。根据岩性和岩体质量分级把整个模型划分成 6 种材料类型,参数见表1 。 根据以上真实的地形地质条件,建立边坡的数 值模型,简要过程如下心 3 ] 1 网格剖分的最小尺寸取2m ,先采用A N S Y S 建立三维模型,然后通过读取“a n s y st of l a c ”程 序将其导人F L A C3 D 。模型共剖分节点1 38 5 0 个, 单元8 8 2 0 个。 2 为了能够吸收来自模型内部的入射波,采 用粘滞边界条件,当波动入射角小于6 0 。时,粘滞边 界对于波的吸收是收是有效的。 3 选择在岩土边坡分析中应用较多的瑞利阻 尼,其值设为1 .0 ,输入的波形主频为4 3 .9 5H z ,则 中心频率为7 .0 ,通过命令“s e td y nd a m pR a y l e i g h 1 .07 .0 ”来实现。 图2 边坡地质剖面图 单位m F i g .2 G e o l o g i c a ls e c t i o no ft h er o c ks l o p e u n i t m 4 选取莫尔~库伦弹塑性模型,该模型通常 用于描述岩土体的剪切破坏。 表1 岩体物理力学参数 T a b l e1 P h y s i c o m e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fr o c km a s s 3 模拟结果分析 用F I A C3 D 进行边坡的动态响应分析分步进 行①分析边坡在自重条件下的应力和变形;②初始 化第1 步的位移和速度,再输入动力荷载 通过离 散数据形式加载,该数据由测震仪器生成 ,分析其 在爆破荷载作用下的稳定性H 03 。 图3 是边坡在自重和构造应力共同作用下铅直 方向的位移矢量图。从图上可以看出,靠近边坡面 的位移量明显大于内侧的位移,但位移很小,最大处 仅有6 .6m m ,说明其在初始地应力作用下稳定性良 好。相比之下,边坡体在坡脚和坡顶处的位移略大 于其他地方,故此次研究以这2 个区域为对象,分析 爆破振动对边坡稳定性的影响。 图4 、图5 是边坡的位移和速度随时间的变化 云图。从图4 、5 中可以看出,在爆破荷载作用下,水 平方向向坡外的最大位移为3 .7 6c m ,竖直方向的 最大的速度为1 0 .2 8c m /s 。 图6 是爆破以后,边坡的剪应力变化云图,从图 中可以看出,在爆破荷载作用下,边坡所受的剪应力 随着高度的增加而逐渐消失,最大剪应力出现在边 坡底部,但值很小,只有0 。2 5 5M P a 。 万方数据 第2 9 卷第3 期王建国,栾龙发,张智宇,等爆破震动对高陡边坡稳定影响的数值模拟研究 1 2 l 4 结论 注,必要时请及时予以锚杆加固’以保证其稳定安全。 利用F L A C3 D 软件模拟丽江阿海电站左岸的 高陡边坡,通过软件中的动力分析模块输入现场实 测的爆破振动波形数据,对数值计算以后边坡体内 的动态响应进行分析。结果显示,在此次爆破荷载 作用下,边坡发生了一定性的永久位移,位移量为 3 .7 6c m 左右,速度的最大值为1 0 .2 8c m /s 。边坡 体内的剪应力最大值出现在边坡的底部,为 0 .2 5 5M P a 。从以上分析的位移、速度、应力三方面 来看,此次的爆破振动对该边坡的稳定性影响很小, 边坡仍处于稳定状态。 出坡的位移久 rt ,fr ‘“kS l f D f 蕊抟删工加 鬻嚣桫 心l ■} o j‘ № 薯■啊棚’* 岫 滩I 嘲曲∞一* 蛳 崔蜘啊p ∞卜王蛳 耻鞫■H 咀、I ■.~ ∥。■-,。 譬荭豳O 飞婚整蕊 ‘≮6 獬 .。霭瓢 鬣 浸 t .鸣。.么。 j 矗一 羹蔓j ≯■ 篓鬻毒;豢蔓‘0 i攀 0 。j _ 。≥| Ij ≮j ‘j 誊 _ 1 I { _ - - 图4 爆后边坡体内水平位移分布图 F i g .4 H o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to fr o c ks l o p ea f t e rb l a s t i n g 值得注意的是,随着爆破作业的不断进行,并考 虑边坡本身自重的影响,应对该边坡底部进行密切关 网5 爆 } ’i g .5 V e r t i c a 。{ j 甩自m 。 髓曩 一。-t f 1 _ 毫 - - 囊.0 、 _- 1 1 量 真黧隰 。i 、, 、 ‘鹗l l f ∞赫■∞ 朋嘛嘣 嗣船篙;嚣慧 图6 爆后边坡体内剪应力分布图 F i g .6 S h e a rs t r e s so fr o c ks l o p ea f t e rb l a s t i n g 参考文献 R e f e r e n c e s [ I ] 蔡路军,马建军,周余奎,等.大冶铁矿东露天高陡边 坡爆破震动监测[ J ] .武汉科技大学学报 自然科学 , 2 0 0 6 ,2 9 1 5 1 - 5 4 . [ 1 ] C A IL u - j u n ,M AJ i a n - j u n ,Z H O UY u - k u i ,e ta 1 .M o i f i t o r i n g o fb l a s t i n gv i b r a t i o no nt h eh i g h s t e e ps l o p eo fe a s to p e n P i ti nD a y eI r o nM i n e [ J ] .Jo fW u h a nU n i v e r s i t yo fS c i - e n e ea n dT e c h n o l o g y N a t u r a lS c i e n c e s ,2 0 0 6 ,2 9 1 5 1 - 5 4 . i nC h i n e s e [ 2 ] 刘建华,付宏渊,吕东滨.岩质边坡动力失稳机制及数 值模拟研究[ J ] .交通科学与工程,2 0 1 0 ,2 6 3 2 5 3 0 . 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