锦屏一级水电站边坡开挖爆破动力稳定性研究.pdf

第2 8 卷第l 期 爆破 V 0 1 ．2 8N o ．1 2 0 1 1 年3 月 B L A S T I N GM a r ．2 0 1 1 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 1 ．0 1 ．0 0 9 锦屏一级水电站边坡开挖爆破动力稳定性研究水 陈清运1 ’2 ，刘美山3 ，王香杰3 ，张电吉1 ’2 1 ．武汉工程大学环境与城市建设学院，武汉4 3 0 0 7 3 ；2 ．磷资源开发利用教育部工程研究中心，武汉4 3 0 0 7 3 ； 3 ．长江科学院爆破与振动研究所，武汉4 3 0 0 1 0 摘要采用A N S Y S ／L S - D Y N A 数值模拟方法，分4 种工况对锦屏一级水电站坝肩高陡边坡开挖爆破的动 力稳定性进行了数值模拟研究，采用质点振动速度和安全系数2 个指标评价边坡的稳定性，重点研究了潜在 滑体在开挖爆破过程中的安全。分析结果表明，受左岸岩体中发育的石也等断层影响，在进行E L ．19 1 0 ～ 18 8 5m 台阶开挖爆破时，边坡关键部位质点振动速度接近1 0c m ／s 的允许值；在爆破动力影响下，使潜在滑 体业已降低的静力安全系数进一步受影响，最小安全系数略大于施工安全系数1 ．1 5 。提出了相应减振措 施每开挖一个台阶后须对潜在滑体进行系统锚索加固和坡面喷护，降低爆破规模和单段药量，实测结果表 明，采取锚固支护后，边坡振动速度明显降低。 关键词高陡边坡；动力稳定性；锦屏一级电站；A N S Y S ／L S ．D Y N A 中图分类号T D 2 3 5 ．1文献标识码A文章编号1 0 0 l 一4 8 7 X 2 0 1 1 0 1 0 0 3 5 0 5 S t u d yo nD y n a m i c a lS t a b i l i t yo fS l o p eE x c a v a t i o n B l a s t i n ga tJ i n p i n gO n e - s t a g eH y d r o p o w e rS t a t i o n C H E NQ i n g - y u n l ”，L I UM e i ．s h a n 3 ，W A N GX i a n g - j i e 3 ，Z H A N GD i a n - j i l ’2 1 ．S c h o o lo fE n v i r o n m e n ta n dC i v i lE n g i n e e r i n g ，W u h a nI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y ，W u h a n 4 3 0 0 7 3 ，C h i n a ；2 ．E n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e rf o rE x p l o i t a t i o na n dU t i l i z a t i o no fP h o s p h o r u s R e s o u r c e s ，M i n i s t r yo fE d u c a t i o n ，W u h a n4 3 0 0 7 3 ，C h i n a ；3 ．R e s e a r c hI n s t i t u t eo fB l a s t i n ga n d V i b r a t i o n ，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 ，W u h a n4 3 0 01 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dA N S Y S ／L S D Y N AW a Sa d o p t e dt os t u d yt h ed y n a m i c a ls t a b i l i t yo f h i s ha n ds t e e ps l o p ea tJ i n p i n go n e s t a g eh y d r o p e w e rs t a t i o ni nf o u rw o r k i n gc o n d i t i o n s ．t h ep a r t i c l ev i b r a t i n gv e l o c i t y a n ds d e t yf a c t o rw e 他u s e dt oe v a l u a t et h es t a b i l i t yo fs l o p e ．e m p h a t i c a l l yr e s e a r c h e dt h es d e t yo fp o t e n t i a ls l i pn l a g i nb l a s t i n ge x c a v a t i o n ．T h e 删l y t i cr e s u l t ss h o wt h a t ，o w i n gt oi n f l u e n c eo f 正机f a u l ta g e se t ei nl e f ts i d eb a n kr o c k m a s s ，t h ep a r t i c l ev i b r a t i o nv e l o c i t ya p p r o a c h e st h ep e r m i t t e dv a l u e1 0 c m ／sa tk e yp o s i t i o no fs l o p ei nE L ．19 1 0 m 一 18 8 5mb e n c hb l a s t i n g ；a sar e s u l to fb l a s td y n a m i ci n f l u e n c e ，t h ed e p r e s s e ds t a t i cf o r c es a f e t yf a c t o rf a r t h e rs u f f e r s f r o mi n f l u e n c ea ts l i d i n gf a c eo fp o t e n t i a ls l i pm a s s ，t h em i n i m a ls a f e t yf a c t o ri sa p p r e c i a b l yg r e a t e rt h a nc o n s t r u c t i o n s M e t yf a c t o r1 ．1 5 ．B a s e do nt h ea n a l y s i s ，t h ev i b r a t i o nd a m p i n gm e 船u r e sa r ep u tf o r w a r ds u c ha ss y s t e m a t i ca n c h o r c a b l er e i n f o r c e m e n ta n dc o n c r e t i n ga f t e re a c hb e n c hb l a s t i n g ，m i n i s h i n gb l a s t i n gs e t t l ea n dc h a r g ea m o u n tp e rd e l a y ． T h em o n i t o r e dr e s u l t ss h o wt h a tt h ev i b r a t i o nv e l o c i t yo fs l o p ed e c r e a s e so b v i o u s l ya f t e ．ra n c h o rc a b l er e i n f o r c e m e n t ． K e yw o r d s h i s ha n ds t e e ps l o p e ；d y n a m i cs t a b i l i t y ；J i n p i n go n e s t a g eh y d r o p o w e rs t a t i o n A N S Y S ／L S ．D Y N A 收稿日期2 0 1 0 0 5 2 2 作者简介陈清运 1 9 6 4 一 ，男，博士，副教授，主要从事采矿工程的 教学与研究工作， E m a i l q i n g y u n 2 ．c I l e n 1 6 3 ．c o r n 。 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 9 7 4 0 3 1 锦屏一级水电站位于四川省凉山彝族自治州盐 源县和木里县境内的雅砻江干流上，其挡水建筑物 为混凝土双曲拱坝，坝高3 0 5m ，厚高比0 ．2 0 7 ，为在 万方数据 爆破2 0 1 1 年3 月 建的世界第一高拱坝。坝肩左、右人工开挖边坡高 度均超过3 0 0m ，其中左岸拱肩槽 含缆机平台 开 挖边坡高达5 3 0m ，右岸拱肩槽 含缆机平台 开挖 边坡高达4 4 5m ，为特大型超高边坡，因此，边坡稳 定对拱坝安全运行至关重要⋯。 在影响锦屏一级水电站坝肩边坡稳定的诸因素 开挖爆破、边坡高陡、复杂的工程地质条件、高地 应力的卸荷等 中，开挖爆破是一个至关重要的因 素，开挖爆破对边坡稳定的影响十分突出，短期影响 到电站顺利建设，长期将危及到电站安全运行。锦 屏一级水电站坝肩边坡施工强度高、施工场地狭窄， 为确保整体边坡和局部潜在滑体在爆破施工中的稳 定，选用有限元A N S Y S ／L S D Y N A 作为研究分析手 段，对高陡边坡稳定性进行分析，并与实际监测资料 对比，力求为控制爆破设计及精细化爆破施工提供 科学依据。 1 坝址边坡工程地质概况 锦屏一级水电站坝址选在普斯罗沟与手爬沟间 1 ．5k m 长的河段上，河道顺直而狭窄，为典型的深 切“V ”型谷。正常蓄水位18 8 0m ，谷宽约4 1 0m 。 锦屏一级水电站周围60 0 0k m 2 范围内，历史上未发 生M s 4 ．7 级的地震，是地震活动的极微弱地区， 工程区地震基本烈度为Ⅶ度。 坝址左岸为千米以上高陡边坡，基岩裸露，岩壁 耸立，高程l9 0 0m 以下坡度为6 0 一9 0o 。坝址区出 露地层主要有中上三叠统杂谷脑组二段 疋一3 2 2 大 理岩，厚度约6 0 0m ；杂谷脑组三段 疋3 Z ， 砂板岩， 出露于左岸19 0 0 ～23 0 0m 高程之间，厚度约 4 0 0m 。基岩为大理岩、砂板岩。坝址区构造断裂、 层间挤压带及基岩裂隙发育，左岸发育有五、六、五 等不同规模的断层、深部裂缝、煌斑岩脉x 、层间挤 压错动带和边坡浅表部发育的卸荷裂隙，节理裂隙 主要发育3 ～4 组旧J 。边坡浅表部岩层弯曲拉裂及 重力倾倒变形较明显，边坡破坏模式为反倾倒破坏。 左岸E L ．18 8 5m 以上边坡被六、正等不同规模 断层切割，且其中广泛分布着深部裂缝及卸荷裂隙。 五断层倾向坡外，断层破裂面与开挖临空面包围的 岩体是整个边坡稳定的关键。通过试算，断层破裂 面构成了左岸坝肩抗滑稳定的滑动面，潜在滑动体 出口为E L ．18 6 5m 。左岸边坡工程地质情况见 图l 。 右岸自然岸坡稳定，爆破振动的影响仅限于边 坡岩体的表层，不致影响边坡的整体稳定性。 图1坝址左岸边坡分区及计算断面图 2 边坡开挖爆破动力稳定性分析 2 ．1 边坡开挖爆破与数值计算模型建立 锦屏一级水电站左岸18 8 5m 水平以上边坡开 口线最大开挖高程为21 0 5m ，边坡最大开挖高度达 2 2 0I l l 。整个边坡共设六级马道．3J ，分别在20 8 0m 、 20 5 0m 、2 0 2 0m 、19 9 0m 、19 4 5m 、l9 1 5m 水平，马 道宽3 m ，设计坡面开挖坡比为1 0 ．5 。边坡开挖采 用预裂爆破，先预裂1 0I n ，然后分2 个5m 的台阶 进行梯段爆破。预裂爆破参数孔深l ln l ，孔径为 咖9 0m m ，装药直径咖3 2m m ，线装药密度2 6 0g ／m ， 单孔药量约4 ．0k g ，间距O ．8m ，4 孑L ／段，最大单段 药量3 2k g ，堵塞长度为1 ．5m 。梯段爆破参数孔 径为咖9 0m m ，孔深5 ．0m ，药径咖7 0m m ，单孑L 药量 约1 8 ．0 ～2 0 ．0k g ，最大单孑L 单响药量约4 0 ．0k g ，间 排距2 ．5m 2 ．5n l ，2 孑L ／段，堵塞长度为1 ．5n l 。 几何模型建立。在边坡工程详细调查的基础 上，根据水利部工程岩体分类标准HJ ，对坝址影响 范围内的边坡岩体进行了分类，共分为4 大类7 个 级别。进而对边坡岩体进行了分区，分区结果见 图l 。同时，在建模过程中充分考虑了煌斑岩脉、 以断层、．是断层等结构体。 物理模型建立。爆破荷载采用等效荷载处理方 法，模型中直接将等效爆破荷载施加到爆破部位。 经计算，本方案作用在同排预裂孔连心线与孔轴线 所在面上的等效压力为5 ．5 7M P a ，作用在同排主爆 孔连心线与孔轴线所在面上的等效压力为 1 2 ．9 1M P a ，误差分析表明∞j ，在爆心距为2 0 倍炮 孔直径范围以外，爆炸荷载等效处理引起的计算误 万方数据 第2 8 卷第1 期陈清运，刘美山，王香杰，等锦屏一级水电站边坡开挖爆破动力稳定性研究 3 7 差均不超过5 ％。模型尺寸为4 0 01 1 1 4 0 0m ，边界 条件为水平构造应力是自重应力的2 ．3 倍，本构关 系选用M A T _ P L A S T I C K I N E M A T I C ，岩体及破碎带 基本力学参数按表1 取值。 表1 锦屏一级电站边坡岩体计算力学参数 2 ．2 计算工况及结果分析 2 ．2 ．1 锦屏高边坡开挖爆破技术要求 锦屏一级电站具有开挖边坡高陡、岩体破碎、施 工强度高、施工场地狭窄等特点，因此，对锦屏一级 坝肩边坡的爆破控制，从爆破设计到工程安全提出 了一系列严格技术要求J 1 采用坡脚质点振动 速度作为边坡开挖施工爆破的重要控制指标，根据 锦屏边坡特点确定设计建基面及边坡防护目标 1 0m 处安全质点振动速度要求≤1 0c m ／s ； 2 对特 殊部位如潜在滑体、紧邻水平建基面、沟槽等，要保 证边坡永久运行允许稳定最小安全系数1 ．2 5 ，施工 过程中允许稳定最小安全系数1 ．1 5 。 2 ．2 ．2 工况及测点布置 数值模拟分4 种工况，监测点布置见表2 和图 2 a 一图2 d 。 表2 工况及测点布置 2 ．2 ．3 测点振动速度 在不同工况条件下，振动速度时程曲线上各测 点峰值见表3 。 表3 振动速度时程曲线上测点振动速度峰值 由表3 可见，在缆机平台、E L ．19 6 0 19 3 0i n 水平、E L ．19 6 0 ～l9 3 0m 水平开挖爆破时，各监测 点的水平振动速度和垂直振动速度均低于1 0c m ／s 的允许值，最大也只达到允许值的6 6 ％，由此可见， 在工况l 一3 下，根据振动速度指标判据，整体边坡 是稳定的。 当E L ．19 1 0 ～18 8 5m 开挖爆破时，E L ．19 3 0i n 缆机平台内侧 节点2 7 7 3 3 处最大水平振动速度为 5 ．4c m ／s ，最大垂直振动速度为9 ．1c n V s ，接近允许 振动速度1 0c m ／s 的允许值，爆破振动对边坡影响较 大，因此在爆破施工中需要采取减振措施。 2 ．2 ．4 潜在滑体安全系数全程曲线 开挖爆破作用下，潜在滑体滑裂面抗剪强度储 备最小比值 安全系数 见表3 ，潜在滑体安全系数 万方数据 3 8爆破2 0 1 1 年3 月 时程曲线见图3 a 一图3 d 。 a 工况功略薨部位及监测节点位置 2 ． 鬟 2 ． 籁 懈 删 艚 c 工况3 加载部位及监测节点位置 r n b 工况2 加载部位及监测节点位置 翼伊9 6 7 栖 d 工况4 力Ⅱ载部位及监测节点位置 图2 各加载部位及监测节点位置图 T i m e l s a 工况l 潜在滑体安全系数时程曲线 T i m e l 8 c 工况3 潜在滑体安全系数时程曲线 2 ．2 巍 1 ．O 爨 垛 删 器 m m 00 ．0 50 ．1 00 ．1 5 0 ．2 0 0 ．2 50 ．3 00 ．3 50 ．4 00 ．4 50 ．5 0 T i m e l s b 工况2 潜在滑体安全系数时程曲线 1 f m e l s d 工况4 潜在滑体安全系数时程曲线 图3各工况时潜在滑体安全系数时程曲线 由表4 可见，静力状态下潜在滑体的安全系数 随开挖深度增加而降低，即由2 ．1 9 2 降到1 ．3 8 6 ；在 爆破动力影响下，工况1 、3 爆破旌工对潜在滑体安 全系数影响较小，施工是安全的；工况2 、4 在开挖爆 破作用下，滑裂面的抗剪强度储备比值最大降幅达 2 6 ．8 ％、5 ．3 ％，最小安全系数为1 ．2 5 5 、1 ，3 1 3 ，接近 永久运行允许稳定最小安全系数1 ．2 5 ，仅仅略大于 施工过程中允许稳定最小安全系数1 ．1 5 。因此，在 这两种工况的开挖爆破中，除了要做好减小单次爆 破的规模、减少单段药量外，最好还要在充分做好支 护的前提下进行开挖。 2 ．3 左岸边坡开挖爆破动力稳定性分析及控制措施 左岸在进行第4 个工况开挖爆破时，缆机平台 内侧垂向振动最大速度为9 ．1e m ／s ，接近1 0e m ／s 熬 爱* 撕≥ 万方数据 第2 8 卷第1 期陈清运，刘美山，王香杰，等锦屏一级水电站边坡开挖爆破动力稳定性研究3 9 的允许值。在爆破施工中需要降低爆破规模和单段 药量，以控制开挖爆破对缆机平台稳定性影响。 表4 潜在滑体最小安全系数 左岸边坡开挖至E L ．18 8 5m 时，静力条件下潜 在滑体安全系数从2 ．1 7 6 下降到1 ．3 1 3 ，略大于永 久运行允许稳定最小安全系数1 ．2 5 ，边坡的开挖对 潜在滑体的整体稳定是不利的，主要是因为边坡开 挖后鼻断层外侧起阻挡作用的“岩墙”将大部分被 削去，成为一个细长的“岩柱”，减少支撑所引起的。 在开挖爆破的频繁作用下，边坡动力稳定性系数随 台阶的开挖呈现逐渐减小趋势，最小值仅为1 ．2 5 5 ， 略大于施工过程中允许稳定最小安全系数1 ．1 5 ，潜 在滑体有可能产生失稳。这是由于爆破产生的“下 坐”力，加大了沿滑裂面的下滑力，使得潜在滑体的 滑裂面的抗剪力储备值减小。因此，对左岸 E L ．18 8 5m 以上台阶的开挖，在每开挖一个台阶后， 须对潜在滑体进行系统锚索加固和坡面喷护处理； 还要采取一些减振措施，如减小单次爆破的规模、减 少单段药量等；此外，降雨条件下会使五断层及岩体 中的摩擦力系数和粘聚力降低，在降雨及雨后 3 ～5d 以内限制甚至禁止爆破作业，并做好坡面排 水和坡体排水工作。 2 ．4 监测结果及对比分析 对潜在滑体采取锚固等支护措施后，2 0 0 7 年3 月 对左岸E L ．19 1 0 一E L ．18 8 5m 开挖爆破进行了监 测。实际爆破参数为数值模拟时采用的参数，监测 结果见表5 。 表5 左岸E L ．19 1 0 一E L ．18 8 5m 开挖爆破监测结果 测点 编号 仪器 编号 水平径向垂直向 峰值速度／峰值速度／测点布置 C I T I s 。 e m s ’1 注分子为实测值，分母为计算值。 由表5 可见，实测值与计算值都放映出爆点与 测点的距离越近振动速度越高，但没有超过允许值， 边坡是安全的；实测值比计算值小，主要是由于锚固 支护的结果，这从测点2 。就可以看出，在锚固点上 的测点振动速度很小，说明锚索的锚固作用较明显。 3 结语 1 坝肩左岸边坡受岩体中发育的五、五等断层 影响，在进行E L ．19 1 0 ～l8 8 5m 台阶开挖爆破时，边 坡关键部位质点振动速度接近1 0e m ／s 的允许值。 2 潜在滑体潜在滑体滑裂面的静力安全系数 随开挖深度增加逐渐降低，在爆破动力影响下，最小 安全系数逐渐接近边坡稳定的安全系数1 ．2 5 ，略大 于施工安全系数1 ．1 5 。 3 在此基础上提出改进措施每开挖一个台阶 后须对潜在滑体进行系统锚索加固和坡面喷护处 理；进行E L ．19 6 0 19 3 0m 、E L ．19 1 0 18 8 5m 台阶开挖爆破时，在爆破旋工中需要降低爆破规模 和单段药量等措施；在降雨条件下会降低五断层破 碎带摩擦系数和粘聚力，因此降雨及雨后3 5d 以 内限制甚至禁止爆破作业，并做好坡面排水和坡体 排水处理。 4 实测结果表明，采取锚固支护后，边坡振动 速度明显降低。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ] 宋胜武，向柏宇，杨静熙，等．锦屏一级水电站复杂地 质条件下坝肩高陡边坡稳定性分析及其加固设计 [ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 1 0 ，2 9 3 4 4 2 4 5 8 ． [ 2 ]向柏宇．四川省雅砻江锦屏一级水电站枢纽边坡稳定 性分析及加固措施专题研究报告[ R ] ．成都中国水电 顾问集团成都勘测设计研究院，2 0 0 7 ． [ 3 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