基于3DEC的地應力大小對泄洪洞爆破施工動態響應的影響研究

鄭乘武

(中科華水工程管理有限公司，河南 鄭州 450000)

1 工程背景

溪源水庫位于閩候縣上街鎮宿洋村上游約300 m的溪源溪峽谷內，壩址以上控制流域面積約83.6 km2，多年平均徑流量9872萬m3，正常蓄水位97.0 m，總庫容2428萬m3，防洪庫容1323萬m3/1175萬m3(主汛期/非主汛期)，是福州大學城新校區防洪排澇的控制性工程，兼顧發電、供水。2005年省政府將溪源水庫工程列入省重點建設項目[1]。溪源水庫為工程等級為Ⅲ等，主要建筑物有攔河壩、引水系統、泄洪洞、發電廠房、升壓開關站及輸水管道等[2]。其中攔河壩、引水隧洞進水口和泄洪洞按3級建筑物設計。大壩設計洪水為100 a一遇，校核洪水為1000 a一遇，為拋物線雙曲變厚砌石拱壩。壩頂高程109.0 m，壩底高程40.2 m，最大壩高68.8 m，壩頂寬度4.3 m，壩頂中心線弧長231.2 m。 泄洪洞布置在壩址右岸，進口底板高程70.0 m，進口設一道事故檢修閘門，采用岸塔式結構，孔口尺寸3.0 m×3.0 m，洞身段長114.44 m，開挖洞徑3.8 m，襯砌厚度0.30 m。泄洪洞出口布置一道工作閘門，孔口尺寸3.0 m×3.0 m，閘室段底板高程69.0 m。泄洪洞施工采用全斷面爆破作業，開挖掏槽方式為四空孔十字形平行直眼掏槽，掏槽孔深度2.5 m，爆破輔助孔深度2.3 m。

2 3DEC有限元模型的構建

2.1 模型的構建與力學參數

根據相關研究成果，模型的邊界至少為開挖直徑的3～4倍，以減小邊界效應對模擬結果的影響。本次研究的溪源水庫泄洪洞的開挖直徑為3.8 m，研究中選擇模型的邊界為開挖直徑的5倍，因此選擇模型的邊界高度和寬度均為20.0 m。結合工程實際，在模型的左右和底部邊界施加固定約束，開挖巖體采用Mohr-Coulomb 彈塑性本構模型，結構面采用面面接觸[3]。為了模型計算簡單以及最大限度消除計算過程中不確定因素的影響，對地下水和水平構造力的影響不予考慮，同時在模型的頂部施加豎向應力以及模擬施工現場的環境地應力[4]。基于上述分析，獲得如圖1所示的爆破開挖簡圖。圖中的P為應力靜載，P1為施工開挖過程中的爆破動載。基于工程施工前的地質調查資料，研究中采取表1、表2所示的巖體力學參數和結構面參數。

圖1模型計算簡圖

2.2 爆破沖擊荷載的施加

由于傳統的3DEC模型并不能實現炸藥爆炸過程，因此需要以動力荷載輸入大方式對其進行模擬。目前，運用比較廣泛的爆破動力荷載輸入方法主要有三種：一是用薩道夫斯基經驗公式將爆破動荷載轉換成三角脈沖波并施加到開挖輪廓面，但是這種方法比較偏向于地震波，不適合定義爆炸沖擊波；二是將爆破源附近的質點振動速度時程實測結果作為動荷載輸入開挖輪廓面。這種方法的比較貼近實際，但是比較復雜，本次研究中并不具備相應的現場檢測技術手段。三是利用AUTODYN、LS-DYNA等帶有炸藥材料的軟件實現爆炸過程模擬。但是，如果將得到的波形直接輸入3DEC模型存在動態響應不明顯的問題。因此，在本次研究中首先提取LS-DYNA 數值模擬獲得的炸藥爆轟時程，然后進行增大升壓時間處理，將其延長到4 ms，并將其定義為一個簡化的三角形高斯脈沖波施加到開挖輪廓面上，以實現對爆破開挖對預留巖體的動態損傷研究，研究中對泄洪洞周邊圍巖內的質點振速進行監測，具體監測位置如圖2所示。

表1 巖體力學參數

表2 結構面力學參數

圖2 監測點位置示意圖

2.3 計算工況設計

在實際工程中，由于沉積、變質以及地質構造的作用影響，層狀巖層的厚度在不同的地質區表現不一[5]。針對溪源水庫泄洪洞施工現場的地質調查結果，巖層的層厚在0.3～0.6 m之間，屬于中厚層。因為本文主要研究地應力大小對泄洪洞爆破施工動態響應的影響，因此將巖層的層厚設計為0.5 m不變，同時通過改變模型頂部預加荷載，以模擬不同地應力狀態下圍巖爆破的動態響應。基于上述思路，研究中選取5 MPa、10 MPa和15 MPa三種不同的預加荷載，對泄洪洞開挖爆破進行數值模擬分析。

3 計算結果與分析

3.1 圍巖振速衰減規律分析

利用上節構建的3EDC軟件對三種不同工況下的圍巖動態響應特征參數進行數值模擬，并提取圖2各個測點的振速峰值，結果如表3所示。同時，對爆破應力和地應力耦合條件下的泄洪洞拱頂上方、邊墻左側以及底板下方的質點峰值振速衰減幅值進行計算，結果如圖3所示。由表3中的計算結果可知，在三種不同工況下質點的振速峰值最大值均位于底板下方，同時該部位的衰減幅度也是最大的；從同一測點不同工況下的振速對比來看，各測點的振速隨著預加荷載的增大呈現出先減小后增大的態勢。

表3 不同工況下各測點振速峰值計算結果 m/s

圖3 不同工況下各測點振速峰值衰減幅度

3.2 塑性區分析

利用構建的模型，對不同工況下的泄洪洞爆破應力施加前后的圍巖塑性區進行數值模擬分析，獲得如圖4～圖9所示的塑性區分布云圖。由圖可知，在爆破應力施加前，模型由于受到地應力的作用，泄洪洞圍巖存在一定范圍的塑性區，并且塑性區的范圍會隨著地應力的增大而增大。在施加爆破應力之后，不同工況下的圍巖塑性區范圍都比爆破應力施加前明顯向四周擴大，并主要沿著垂直于結構面的方向發展。同時，塑性區范圍會隨著地應力的增大而減小，說明地應力對爆破導致的圍巖塑性區發展有明顯的抑制作用。

圖4 5 MPa爆破應力施加前塑性區云圖

圖5 5 MPa爆破應力施加后塑性區云圖

圖6 10 MPa爆破應力施加前塑性區云圖

圖7 10 MPa爆破應力施加后塑性區云圖

圖8 15 MPa爆破應力施加前塑性區云圖

圖9 15 MPa爆破應力施加后塑性區云圖

3.3 位移矢量動態響應分析

對不同工況下泄洪洞拱頂豎向位移量進行模擬計算，結果如表4所示。由表格中的計算數據可知，相對于爆破應力施加前，在爆破應力施加后泄洪洞圍巖拱頂的最大位移量顯著增加，但是變化量會隨著地應力的增加而減小，其變化在5～10 MPa時相差不大，但是在15 MPa時變化比較明顯。因此，較大的地應力對爆破的影響有明顯的抑制作用。

表4 拱頂位移量計算結果 mm

4 結 論

本文利用離散元軟件3DEC對溪源水庫泄洪洞爆破開挖過程中的動態響應進行數值模擬研究，并獲得如下主要結論：

(1)峰值振速最大值均位于底板下方，同時該部位的衰減幅度也最大；各測點的振速隨著預加荷載的增大呈現出先減小后增大的態勢。

(2) 在爆破應力施加前，塑性區的范圍會隨著地應力的增大而增大。在施加爆破應力之后，圍巖塑性區范圍向四周擴大，并主要沿著垂直于結構面的方向發展。同時，塑性區范圍會隨著地應力的增大而減小，說明地應力對爆破導致的圍巖塑性區發展有明顯的抑制作用

(3) 在爆破應力施加后泄洪洞圍巖拱頂的最大位移量顯著增加，但是變化量會隨著地應力的增加而減小，說明較大的地應力對爆破的影響有明顯的抑制作用。

(4)根據本文研究成果，在施工中遭遇的高地應力洞段可以適當提高裝藥量進行巖體爆破。