岩石高边坡爆破动力稳定性研究

论文摘要

国内在建和待建的大型水电工程大多坐落在西南、西北高山峡谷地区。边坡开挖区呈条带状分布,场地狭窄,施工道路布置困难。为了加快施工进度,往往采用大区域深孔梯段微差爆破技术,一次爆破规模大,带来突出的岩石高边坡爆破震动动力稳定性问题。爆破震动对岩石高边坡的动力稳定性影响问题,涉及到工程地质力学、爆炸力学及岩石动力学等多个科学领域,属于多学科交叉的力学边缘问题,也是我国西南、西北等高山峡谷地区大型水电工程建设过程中亟需解决的关键性技术问题。因此,该问题的深入研究具有较高的理论价值和重要的工程应用意义。本文就爆破震动荷载特性、含断层高边坡爆破震动动力响应特性、高边坡爆破动力稳定数值方法以及边坡爆破动力稳定安全判据和标准等方面进行了一系列研究,取得了如下主要研究成果:提出了爆破震动场模拟中的爆破荷载等效施加方法。通过比较分析(a)考虑炸药中爆轰波传播过程的爆破荷载施加(b)在炮孔壁上直接施加爆破荷载(c)在同排炮孔连线所在面上施加等效爆破荷载(面压力)等三种不同的爆破荷载施加方法,得出结论:在中远区爆破震动场模拟时,采用施加等效爆破荷载的方法是可行的。研究了爆破震动荷载特性及微差爆破中的爆破震动叠加效应。通过单孔、多孔爆破数值模拟对比,分析了爆源特性、岩体介质特性、微差爆破延迟时间、爆心距及雷管延期精度等因素对爆破震动叠加效应的影响,得到了爆破震动叠加放大系数随爆心距的变化关系。采用遗传算法研究了在考虑微差雷管延期误差条件下,因雷管延期偏差引起的爆破震动叠加放大系数的可能最大值。研究了含断层高边坡在爆破地震波作用下的动力响应特性。分析了断层厚度、断层产状及断层充填介质的波阻抗等参数对地震波传播规律的影响,确定了爆破地震波通过断层后幅值、频率等参数的衰减规律,探讨了地震波通过断层后的震动叠加现象。研究了含断层岩石高边坡在爆破震动作用下的局部动力稳定性。结合锦屏一级水电站左岸坝肩槽高边坡爆破开挖,分析了该工程边坡在爆破震动荷载作用下的动力特性,并比较了不同爆破方案的优劣,为工程实践提供了参考和依据。基于刚体极限平衡分析中的Sarma法,采用时程分析方法研究了高边坡在爆破震动荷载作用下的动力稳定性,并结合锦屏一级水电站高边坡爆破开挖进行了算例分析。该法综合考虑了爆破震动的频谱结构、幅值和相位角的变化,可以得到边坡爆破震动稳定安全系数随时间的变化规律,较好地反映了边坡稳定性在爆破过程中的变化历程。研究表明,在计算中考虑频率衰减的影响是有必要的;选取动力稳定安全系数时程曲线上的最小安全系数作为边坡动力稳定安全系数是偏于安全的。研究了高边坡爆破开挖时的震动控制标准。通过岩石高边坡的爆破震动响应动力有限元计算,根据边坡马道上的峰值应力与质点峰值振动速度的统计关系,按照极限拉应力准则,确定了边坡爆破振动速度安全阈值,为边坡爆破震动监测位置的正确选择提供了依据。并以小湾水电站高边坡爆破开挖为例,进行了结合工程的应用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 问题的提出及国内外研究现状
• 1.2.1 峡谷地区岩石高边坡开挖及爆破震动控制研究现状
• 1.2.2 高边坡开挖中的爆破震动荷载特性
• 1.2.3 岩体结构对高边坡动力稳定性的影响
• 1.2.4 高边坡爆破震动动力稳定性评价方法
• 1.3 本文的研究内容及方法
• 第2章 爆破震动场动力有限元模拟中爆破荷载等效施加方法
• 2.1 问题的提出
• 2.2 动力有限元及LS-DYNA简介
• 2.3 三种爆破荷载施加方法的比较
• 2.3.1 流固耦合算法
• 2.3.2 爆破荷载施加在炮孔壁上
• 2.3.3 等效爆破荷载施加在炮孔连心线所在面上
• 2.4 数值模拟与分析
• 2.4.1 计算模型
• 2.4.2 计算结果分析
• 2.5 爆破荷载等效施加方法的适用范围
• 第3章 岩石高边坡中的爆破震动荷载特性研究
• 3.1 概述
• 3.2 近区和中远区爆破震动荷载特性比较
• 3.2.1 单孔爆破震动波形
• 3.2.2 多孔微差延迟爆破震动波形
• 3.3 爆破震动波形的叠加问题
• 3.3.1 爆破震动波形叠加效应的影响因素
• 3.3.2 多孔延期爆破震动叠加放大系数
• 3.3.3 爆破震动产生叠加的起始位置
• 3.3.4 岩性对震动叠加效应的影响
• 3.3.5 工程算例
• 3.4 雷管延期偏差引起的震动叠加问题
• 3.4.1 遗传算法基本原理
• 3.4.2 雷管延期偏差引起震动叠加问题的计算模型
• 3.4.3 算例分析与结论
• 3.5 本章小结
• 第4章 含断层高边坡的爆破震动动力响应特性研究
• 4.1 研究现状
• 4.2 高边坡岩体中断层对地震波传播特性影响的数值模拟
• 4.2.1 影响机制分析
• 4.2.2 断层对爆破地震波幅值衰减效应的数值模拟
• 4.2.3 微差爆破时爆破地震波通过断层后的叠加效应
• 4.3 锦屏水电站左岸坝肩槽高边坡爆破开挖动力有限元分析
• 4.3.1 边坡地形地质情况概述
• 4.3.2 数值模拟与结果分析
• 4.3.3 不同开挖方式及延迟时间情况下的震动效应
• 4.4 断层对高边坡局部爆破动力稳定的影响分析
• 4.5 结论
• 第5章 基于时程法的高边坡爆破震动动力稳定分析
• 5.1 研究现状
• 5.2 基于SARMA法的岩质高边坡爆破动力稳定时程分析
• 5.2.1 边坡稳定极限平衡SARMA分析方法
• 5.2.2 爆破震动惯性力的确定
• 5.2.3 基于SARMA法的边坡动力稳定时程分析方法
• 5.3 锦屏一级水电高边坡爆破震动动力稳定分析
• 5.3.1 工程概况
• 5.3.2 计算方案及结果
• 5.4 时程分析中爆破震动频率衰减效应的影响
• 5.5 本章小结
• 第6章 高边坡爆破开挖动力稳定安全判据及控制标准
• 6.1 影响高边坡动力稳定安全判据及控制标准的因素
• 6.2 边坡动力稳定安全判据的选取
• 6.3 边坡爆破震动速度安全控制标准
• 6.3.1 岩质高边坡爆破振速安全阈值
• 6.3.2 小湾水电站高边坡爆破振速安全阈值研究
• 第7章 结论与展望
• 参考文献
• 博士期间参加科研项目及发表文章一览
• 致谢