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 ． [ 2 ] L I UJ i a n - h u a ，F UH o n g y u a n ，L VD o n g b i n ．S t u d yO nd y n a m i cu n s t a b l em e c h a n i s ma n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o r r o c ks l o p e [ J ] ．J o u r a n lo ft r a n s p o r ts c i e n c ea n dE n g i n e e r - i n g ，2 0 1 0 ，2 6 3 2 5 3 0 ． i nC h i n e s e 万方数据 1 2 2 爆破2 0 1 2 年9 月 上接第6 4 页 1 在基本条件、掏槽方式、分段高度、炮孔布 置等方面相同的前提下，一次和分段爆破成井在起 爆顺序、施工工艺、炸药消耗量等方面有较大差异。 2 通过对比一次和分段爆破成井在清孔、装 药、封堵等施工工艺的不同，可见分段较一次爆破成 井难度大。 3 基于深孔直眼掏槽爆破机理、应力波反射 机理和应力波叠加原理，对2 种爆破技术进行比较 分析，得出一次爆破成井较分段爆破成井具有施工 速度快、成本低、劳动强度小、环境污染小、爆破效果 好等优点。 4 在华丰煤矿1 1 1 0 8 双矸石仓，通过合理运 用2 种爆破技术，顺利完成了2 个矸石仓的施工，较 木垛法、钻井法等其它施工方法提高了施工速度和 安全度，证明了超深孔爆破技术的优越性。 参考文献 R e f e r e n c e s 】 [ 1 ]蒋跃飞．盲天井深孔爆破一次成井掏槽方式试验研究 [ D ] ．昆明昆明理工大学，2 0 0 6 ． [ 2 ] 刘殿中，杨仕春．工程爆破实用手册[ M ] ．2 版．北京 冶金工业出版社，2 0 0 3 ． [ 3 ] 于亚伦．工程爆破理论与技术[ M ] ．北京冶金工业出 版社，2 0 0 4 ． [ 4 ] 周传波．深孔爆破一次成井模拟优化与应用研究[ D ] ． 武汉中国地质大学，2 0 0 6 ． [ 5 ] 危时安．爆破一次成井技术在漂塘钨矿的应用实践 [ J ] ．中国钨金，2 0 0 6 ，2 1 2 驻．1 4 ． [ 5 ] W E IS h i a n ．A p p l i c a t i o no fw e l ld r i l l i n gt e c h n o l o g yo n c e o fb l a s t i n gi nP i a o t a n gt u n g s t e nm i n e [ J ] ．C h i n aT u n g s t e n I n d u s t r y ，2 0 0 6 ，2 1 2 1 2 1 4 ． i nC h i n a [ 6 ] 张奇，李加庆．深孔爆破成井在召口分矿的应用 [ J ] ．山东冶金，2 0 0 9 4 3 8 - 3 9 ． [ 6 ] Z H A N GQ i ，L IJ i a q i n g ．A p p h c a f i o no fs h a f tf o r m a t i o nb y l o n g h o l eb l a s t i n gi nZ h a o k o ub r a n c hm i n e [ J ] ．S h a n d o n g M e t a l l u r g y ，2 0 0 9 4 3 8 - 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