混凝土纵向围堰拆除爆破减振措施及效果研究.pdf

第2 7 卷第2 期 2 0 1 0 年6 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．2 7N o ．2 J u n ．2 0 1 0 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 0 ．0 2 ．0 2 5 混凝土纵向围堰拆除爆破减振措施及效果研究 朱学贤1 ，王秀杰2 ，熊新宇1 ，张春燕1 1 ．长江水利委员会长江勘测规划设计研究院，武汉4 3 0 0 1 0 ；2 ．长江水利委员会长江科学院，武汉4 3 0 0 1 0 摘要提出了混凝土纵向围堰拆除爆破一种新的减振措施，即“预先形成减振带、靠近保护对象区域的 炮孔底部设置柔性垫层”的减振措施。通过理论分析和数值仿真计算表明，减振带的设置，增强了对爆破应 力波的反射作用，从而产生隔振效果，减振效果达到7 5 ％以上。研究成果成功运用于东坪水电站和株溪口 水电站混凝土纵向围堰拆除爆破工程中。 关键词拆除爆破；爆破振动；混凝土纵向围堰；减振带 中图分类号T U 7 4 6 ．5文献标识码A文章编号1 0 0 l 一4 8 7 X 2 0 1 0 0 2 0 0 9 2 0 4 S t u d yo nV i b r a t i o nD a m p i n gc a u s e db yE x p l o s i v eD e m o l i t i o n o fL o n g i t u d i n a lC o n c r e t eC o f f e r d a m Z H U X u e - x i a n l ，W A N GX 0 u - j i e 2 ，X I O N GX i n y u l ，Z H A N GC h u n - y a n l 1 ．C h a n g j i a n gI n s t i t u t eo fS u r v e yP l a n n i n gD e s i g n ＆R e s e a r c h ，C W R C ，W u h a n4 3 0 0 1 0 ，C h i n a ； 2 ．Y a n g t z eR i v e rS c i e n t i f i cR e s e a r c hI n s t i t u t e ，C W R C ，W u h a n4 3 0 0 1 0 ，C h i n a A b s t r a c t An e wm e a s t L r e s ，p r e s h a p i n gv i b r a t i o nd a m p i n gz o n ea n di n s t a l l i n gf l e x i b l el a y e ro nb o r e h o hf o o tn e B l “ t op r o t e c t i v eo b j e c t s ，o fc o n t r o l l i n gb l a s t i n gv i b r a t i o nc a u s e db yd e m o l i s h i n gl o n g i t u d i n a lc o n c r e mc o f f e r d a mW a sp r o - p o s e d ．T h r o u s ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ．t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ev i b r a t i o nd a m p i n gz o n ee n h a n c e st h er e f l e c t i o no fe x p l o s i o ns t r e s sw a v e ，a n dt h ee f f e c to fv i b r a t i o nd a m p i n ge x c e e d7 5p e r c e n t ，w h i c hW a s 印． p l i e ds u c c e s s f u l l yt od e m o l i s hl o n g i t u d i n a lc o n c r e t eo fD o n g p i n ga n dZ h u x i k o uh y d r o p o w e rs t a t i o n ． K e yw o r d s e x p l o s i v ed e m o l i t i o n ；b l a s t i n gv i b r a t i o n ；l o n g i t u d i n a lc o n c r e t ec o f f e r d a m ；v i b r a t i o nd a m p i n gz o n e 0 引言 在水利水电工程中，混凝土纵向围堰是导流工 程的主要组成部分，其布置的位置一般与大坝或闸 墩相连，与大坝基础的帷幕灌浆区、混凝土铺盖、闸 门、发电厂房及设备等相邻，见图1 。因此在围堰拆 除爆破时必须采取相应的控制爆破措施，如设置减 振孔或预裂 光面 爆破、预留保护层等，以确保保 护对象的安全。这些措施对降低爆破振动有一定的 作用，但均存在一定问题，如预裂爆破或光面爆破本 收稿日期2 0 0 9 1 2 3 1 作者简介朱学贤 1 9 7 7 一 ，男，工程师，硕士，研究方向工程爆破， E - m a i l z h u x x 5 8 1 6 3 ．c o r n 。 身产生的爆破振动效应就有可能超过保护对象安全 允许范围；预留保护层再分层拆除的方法则延长工 程施工工期、增加工程投资等。 图1 某水电站混凝土纵向围堰布置图 万方数据 第2 7 卷第2 期朱学贤，王秀杰，熊新宇，等混凝土纵向围堰拆除爆破减振措施及效果研究 9 3 针对混凝土纵向围堰的布置特点，提出了在围 堰与相连的保护对象之间设置减振带、在靠近保护 对象的炮孔底部设置柔性垫层的减振措施，通过 A N S Y S ／L S ．D Y N A 软件对减振措施的减振效果进行 模拟计算分析，得出具体的减振率，并将研究成果成 功运用于湖南资水东坪水电站和株溪口水电站混凝 土纵向围堰拆除爆破工程中。 1 减振措施和减振效果研究 1 ．1 减振措施 1 主体围堰爆破拆除前，在与永久建筑物连接 处的围堰部位预先形成l 条减振带，阻止围堰主体 爆破时应力波直接传人闸墩和导墙。 减振带长1 ．5m ，采用大布孑L 密集系数，小直径 药卷，松动爆破的方式，在混凝土纵向围堰实施爆破 前先爆破。由于是松动爆破，减振带单耗和单段药 量都不大，通过采用单孔单段的爆破方式，远小于预 留爆破或光面爆破对相邻保护对象的损害。 2 在靠近保护对象的炮孔底部设置柔性垫层， 有效地降低爆破振动。 在炮孔底部设置柔性垫层是水利水电工程保护 层开挖爆破的常见的措施。柔性垫层可用锯末等低 密度、高孑L 隙率的材料，或直接用竹筒。 1 ．2 减振原理分析 爆炸应力波是造成建 构 筑物破坏的主要能 源。当主爆孔爆破产生的应力波传到减振带后，波 的一部分能量反射回去，另一部分能量透过减振带 中的介质继续传播。此时，减振带界面上的应力的 转换可由下式确定 P 2 C 2 一P 1 C 1，．、 盯反2 盯人承而 o1 ， 印2 c 2， 、 盯折2 盯人承丽 ‘z J 式中，盯反为界面上的反射波应力；矿人为界面上的 入射波应力；矿折为界面上的折射波应力矽h C ，为分 别为人射波通过介质的密度与波速；p 、c 2 为分别为 折射波通过介质的密度与波速。 减振带在实施松动爆破后，区内由空气和碎混 凝土填充，且有一定的宽度，由于空气的波阻值 p 2 C 对于岩石的波阻抗值P 。C ，而言可忽略不计。 由于上式可知 盯反2 一盯人 3 盯折 0 4 因此，由于减振带的设置，增强了对爆破应力波 的反射作用，从而产生隔振效果。 1 ．3 减振效果研究 1 ．3 ．1 计算模型 以东坪水电站混凝土纵向围堰拆除爆破工程为 依托，选取围堰与导墙连接段作为计算模型，为简化 计算，只计算单个炮孑L 的爆破工况。计算模型范围 堰底以下岩石范围5 0i n ，导墙长度5 0n l ，围堰长度 3 0m 。由于模型属半无限体，为消除人为边界处的 反射波对结构动力响应的影响，将围堰上、下游两侧 以及岩石底部和四周设定为非反射边界，其余界面 为自由界面。计算分有减振措施和无减振措施2 种 工况，计算分析减振措施设置前后爆破振动传播规 律，确定具体的减振率。计算分析程序采用国际通 用程序A N S Y S ／L S D Y N A 。三维网格划分见图2 、无 减振带网格见图3 局部 、设置减振带网格见图4 局部 。 图2 三维网格划分图 图3 元减振带网格图 局部 1 ．3 ．2 计算参数 堰底基岩取Ⅱ级岩石；导墙混凝土为C 2 0 ；减振 万方数据 爆破2 0 1 0 年6 月 带的混凝土经过爆破后，除其内部产生众多裂缝外， 其强度等级大大降低，为简化计算，采用降低其材料 参数按Ⅳ类岩来考虑，其计算结果偏安全。计算采 用的材料力学参数见表1 。 图4 设置减振带网格图 局部 表l 计算采用的材料力学参数 材料 k 黑， 翟泊差比翟 堰底基岩 2 6 ．03 0 ．00 ．3 5 03 ．5 0 围堰混凝土 C 1 5 2 4 ．5 2 2 ．00 ．1 6 70 ．9 1 导墙混凝土 C 2 0 2 4 ．5 2 5 ．50 ．1 6 71 ．1 0 减振带混凝土 2 4 ．53 ．00 ．3 0 00 ．5 0 爆源模拟单孔爆破情况，炮孔深1 0m ，堵塞2 ．O m ，装药长8 ．0m ，孔径9 0n l l T l ，药径7 0I T I I T I ，采用不 藕合装药结构。本文采用了L S - D Y N A 内建的高性 能炸药材料和状态方程来模拟炸药的爆轰过程。爆 轰产物的状态方程反映了压力与体积应变 或密度 变化 之间的关系，是材料的重要特性之一，计算中 采用J W L 状态方程，其表达式为 肚A 1 一荆e 呐～B 1 一荆e 啦～争 5 式中，y 是体积变化，A ，B ，∞，R ，，R ，E o 是材料常数。 计算炸药材料参数见表2 , J W L 状态方程参数见表3 。 ’ 表2 炸药材料参数表 竺竺盟羔 竺垒鳘竺竺竺竺 炸药 10 0 036 0 03 ．2 40 ．00 ．0 0 ．0 0 ．0 2 ．1 4 E 91 ．8 2 E 94 ．2 0 O ．9 00 ．3 04 ．1 9 E 91 ．O O 表2 中，R 。为材料密度，k g ／m 3 ；D 为爆速度， m ／s ；P C J 为C h a p m a n J o u g e t 压力，G P a ；G 为体积模 量，G P a ；S I G Y 为屈服应力，G P a 。 表3 中，A ，B ，R l ，R 2 ，O M E G 为常数；V o 为体积； 晶为能量。 1 ．3 ．3 计算结果 目前，爆破振动安全监测大都以质点振动速度 的峰值作为爆破振动效应的标准。取导墙顶部距减 振带5m 、1 0m 、1 5m 、2 0m 距离处质点在设置减振 前后的振动速度时程曲线，见图5 一图1 2 ，最大振动 速度对比见表4 。 1 ，6 ‘- 4 ； 3 釜二i 一6 - 8 I ． ，h ．⋯．． 0 ⋯。。．扩_ 舯 叭s 。． ● 图5 距减振带5m 处振动速度时程曲线 减振措施设置前 2 ．0 1 ．5 f1 ．0 7 0 ．5 昌0 ．0 墨篡 一1 ．5 - 2 ．0 8 6 彳、4 ， 2 目0 墨二 一6 - 8 1 ．5 ，、1 ．0 ’0 ．5 昌0 ．0 ≤- 0 ．5 1 ．O 1 ．5 ● 。／＼．八． 八．一一一．一 O ”V ＼ ／o ．甜叫一0 ．1 00 ．1 50 2 胁 图6 距减振带5m 处振动速度时程曲线 减振措施设置后 帆⋯．一一一 ． 。_ l ／删 甜一面。 0 ．1 5叱 图7 距减振带1 0m 处振动速度时程曲线 减振措施设置前 O ● l 。』l I 几 r ＼．一一．一 O ”U ‰V ’赢i ～o ”一∽ ● ％ 图8 距减振带1 0m 处振动速度时程曲线 减振措施设置后 万方数据 第”卷第2 期朱学贤，王秀杰，熊新宇，等混凝土纵向围堰拆除爆破减振措施及效果研究 9 5 4 3 f 2 I I 蛊0 墨二 一3 4 [ ／L ．．卜，、儿一一⋯ O ’I f o V V ’ WV0 ．0 50 ．1 00 ．1 50 ． T ／s 图9 距减振带1 5m 处振动速度时程曲线 减振措施设置前 0 ．6 0 ．4 T - 0 ．2 O g - 0 ．2 ≤_ 0 ．4 - 0 ．6 - 0 ．8 1 ．r 1 ．八⋯．⋯一． - ／ 。W 删。r 一小一叱 矶 图1 0 距减振带1 5m 处振动速度时程曲线 减振措施设置后 2 ．5 2 ．O 1 ．5 T ，撼 目0 墨乩- 0 ．5 一1 ．5 - 2 ．0 - 2 ．5 佩⋯从一。 州％拶矗～0 ’1 5 ∽ 跳 图1 1 距减振带2 0m 处振动速度时程曲线 减振措施设置前 O ．6 0 ．5 ，、0 ．4 T 8 暑 暑0 墨．。- 0 ． 一0 ．3 0 ．4 - - 0 ．5 ● ． f ＼． 八。 ．．一 ，1 ．O 恍yw 搿一≯0 ● ● V 讹 图1 2 距减振带2 0m 处振动速度时程曲线 减振措施设置后 表4 不同距离处最大振动速度对比表 O I ．3 ．4 减振效果分析 1 由表4 可知‘，在设置减振措施后减振效果 明显，减振率达到7 5 ％以上。张正宇等人在葛洲坝 工程预裂爆破试验得出了预裂缝的减振率由近及远 达到4 8 ．2 ％～7 0 ．8 ％。一些学者的研究也表明“爆 破地振波在传播至预裂缝时，由于预裂缝间空气帷 幕的阻隔，会形成地振波屏蔽区，屏蔽区越大，隔振 效果越好，而屏蔽区的大小与预裂缝参数 即长度、 厚度、深度 密切相关”【2 1 ；“断层对爆破振动的平均 减振率是随着断层厚度的增加而变大”【3 】。本文的 计算结果也验证了这些结论，并通过计算得到出具 体的减振率。 2 从质点振动速度时程曲线还可以看出，在设 置减振带前，振动频率高，主振相持续时间短；而在 设置减振带后，振动频率也较低，振动周期和主振相 持续时间变长。这也符合一般工程的认识减振带 的设置，使得地振波中的高频成分急剧衰减，越到远 区，振动波频率越低，振动周期因而变长。 3 在靠近保护对象的炮孔底部设置柔性垫层 的减振作用有2 个。首先，围堰炮孔内炸药爆炸时， 部分应力波由堰底的基岩出入保护对象，从而产生 爆破振动效应引起破坏，柔性垫层的设置，增强对爆 破应力波的反射；其次，围堰炮孔内炸药爆炸后所产 生的冲击波和爆破气体作用于孔壁产生径向裂隙和 环状裂隙同时，通过柔性垫层的可压缩性及对冲击 波的阻滞作用，大大减少了对炮孔底部的冲击压力， 从而起到了对保护对象的保护作用。 2 实际工程应用 东坪水电站和株溪口水电站混凝土纵向围堰拆 除爆破工程均位于资水干流的中游湖南省安化县城 关附近，围堰体形为梯形构造物，围堰均与闸墩、导 墙连接，与闸门、帷幕灌浆区、厂房及民房相邻，拆除 方量分别为2 ．2 万m 3 、1 ．2 万m 3 。围堰拆除爆破 时，要求爆破振动效应不得对闸墩、导墙、大坝基础 的帷幕灌浆等保护对象造成破坏，因此爆破拆除难 度大。 为减小爆破振动的有害效应，采用在围堰与闸 墩、导墙连接的堰块部位通过松动爆破的方式预先 形成减振带，以及在上、下游靠近保护对象的堰块炮 孔底部设置柔性垫层的减振措施；此外，为将爆破振 动效应降至最低，还采用了毫秒微差起爆网路来控 制每一段起爆药量都小于最大允许一段起爆药量等 措施。减振带钻孑L 布置见图1 3 ；爆破后效果见图 1 4 ；爆破参数见表5 。 下转第1 0 5 页 万方数据 第2 7 卷第2 期谭卫华，林临勇，庄建康拆除爆破的飞石防护 1 0 5 管道的破坏，在这2 个构 建 筑物前方搭设排栅， 排栅挂竹笆等防护材料。冷却塔防护长度为4 0m 烟囱倒塌方向中心线左右各2 0n 1 ，防护高度为 1 0m ；西侧架空管线防护长度为4 0m 烟囱倒塌方 向中心线左右各2 0m ，防护高度为6m 。 3 ．5 安全警戒范围 本次控制爆破，爆破振动、冲击波、噪音比较容 易得到有效控制。由于爆破部位高，要对爆破飞石 作重点加强防护、使爆破飞石控制在2 0m 左右。按 照爆破安全规程要求，本次爆破警戒范围确定为 烟囱四周2 0 0m 。 3 ．6 爆破效果 爆破后，烟囱按设计呈“之”字形倒塌，经爆后 检查，倒地后爆堆最大高度4 ．5m ；自烟囱中心线计 算，烟囱向东倒塌长度为2 8m ，向西倒塌长度为 2 2 ．5m ，简体破碎充分；飞石控制在设计范围内，四 周厂房的所有设备和生产线安全运行，周边各类建 构 筑物及地下管线安然无恙。 参考文献 [ 1 ] 杨宝全，卢琦．控制爆破产生飞石的原因及其防治 [ J ] ．采矿技术，2 0 0 3 ，3 4 7 6 - 7 7 ． [ 2 ]康宁．工程爆破中的飞石预防和控制[ J ] ．爆破， 1 9 9 9 ，1 6 I 8 1 - 8 8 ． [ 3 ]邵必林，惠鸿斌．拆除爆破飞石产生的原因与防护措 施[ J ] ．西安矿业学院学报，1 9 9 8 ，1 8 3 ，2 8 0 - 2 8 6 ． [ 4 ]范磊，郭涛，李裕春，等．复杂环境中连体楼房控 制拆除技术研究[ J ] ．爆破，2 0 0 9 ，2 6 4 5 3 - 5 6 ． 上接第9 5 页 两围堰分别于2 0 0 7 年8 月1 5 日、2 0 0 8 年9 月 3 0 日成功拆除爆破，通过各种安全监测手段及爆后 宏观调查取得的资料均表明拆除爆破产生的爆破 振动等有害效应对周围建筑物没有造成不利影响， 建筑物均处于安全状态，电厂机电设备运行正常，居 民区生产生活正常。 图1 3 减振带钻孔布置图 单位c m 表5 减振带爆破参数表 3 结论 1 提出了混凝土纵向围堰拆除爆破新的减振 措施，即“预先形成减振带、靠近保护对象区域的炮 孑L 底部设置柔性垫层”的减振措施，并通过理论分 析和数值仿真计算减振效果能达到7 5 ％以上； 图1 4 减振带爆后效果图 2 将研究成果成功应用于东坪水电站和株溪 口水电站混凝土纵向围堰拆除爆破工程中。从爆破 振动安全监测及爆后宏观调查结果看，各保护对象 未受爆破振动破坏，爆破减振措施对减低爆破振动 效应行之有效。 根据我国水资源开发规划，陆续将有大量水利 水电工程投入建设，纵向混凝土围堰拆除爆破减振 措施的研究成果和成功经验，可应用于国内外类似 工程围堰的拆除设计与施工，其应用前景非常广阔。 参考文献 [ 1 ] 张正宇，张文煊，吴新霞，等．现代水利水电工程爆破 [ M ] ．北京中国水利水电出版社，2 0 0 3 ． [ 2 ]罗毓，刘雁鹰，易长平．预裂缝参数对减振效果影响 的数值分析[ J ] ．爆破，2 0 0 7 ，2 4 2 2 5 - 2 7 ． [ 3 ]李瑞青，许红涛，陈占军，等．含断层高边坡在爆破振 动作用下的动力响应特性研究[ J ] ．中国农村水利水 电，2 0 0 7 1 2 6 7 - 7 0 ． 万方数据