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《中国科学技术大学》 2007年
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特高陡边坡开挖爆破技术及其对边坡稳定性的影响

刘美山  
【摘要】: 国内在建和待建的大型水利水电工程大多坐落在大西南高山峡谷地区,其特殊的地质条件使得特高陡边坡的开挖爆破技术研究和爆破对边坡稳定性影响研究成为我国水电建设中的崭新课题。特高陡边坡开挖量大,高度高、坡度陡,施工布置困难,且边坡永久支护工作随开挖台阶同步下降,爆破与支护相互干扰。为了加快施工进度,必须采取大区深孔台阶爆破方法、微差顺序起爆网络,轮廓采用光面和预裂爆破技术,单次爆破规模很大,爆破持续时间长,循环次数比较多,爆破振动对边坡安全的影响问题突出。边坡爆破安全问题涉及到工程爆破技术、工程地质力学、爆炸力学及岩石动力学、施工管理等多个学科领域,属于多学科交叉的边沿课题,具有重要的学术意义;而与其相关的工程技术问题也是我国大西南高山峡谷地区大型水电站建设中急需解决的关键技术问题,因此,该问题的研究也具有重要的工程应用意义。本文以坡高697m(国内水电站第一高边坡)的小湾水电站高边坡为背景工程,结合现场开挖爆破试验,探讨了爆破振动的监测和分析技术,研究了高陡边坡快速开挖爆破技术,分析了爆破对边坡岩体的损伤和破坏机理,研究了爆破开挖对边坡稳定性的影响规律和抑制方法,提出了边坡开挖爆破振动灾害的控制措施,并进行了实践验证。研究取得如下成果: (1)特高陡边坡快速开挖爆破技术研究。在评介目前岩石开挖中常见的洞室爆破技术、药壶爆破技术、深孔台阶爆破技术、预裂和光面爆破技术、洞室加预裂爆破技术的基础上,通过分析比较,提出了采用深孔台阶与预裂和光面爆破相结合的边坡开挖爆破方式,并对这种开挖爆破方式进行了优化:提出了采用控制起爆排数,对一次爆破总药量进行优化设计的新概念;提出了对爆破参数进行优化设计,以保证可控爆破参数与起爆时差相匹配的新思路和新方法,减小了连续多次爆破对边坡的累积损伤破坏。 (2)爆破振动灾害的监测方式与分析方法研究。爆破振动作为边坡危害之首,一直是人们重点研究的对象。通过对背景工程的现状分析,提出了边坡监测应当以上一台阶坡脚为控制位置,近区和远区相结合的监测方式。在分析手段上,采用以质点振动速度为主,质点振动加速度和持续时间为辅的组合分析方法,采用改进的萨道夫斯基公式V=Kρ~ue~(β(?))建立了小湾水电站特高陡边坡爆破振动沿边坡方向的衰减规律,采用衰减规律公式对预裂的隔振效果进行了研究,得到预裂缝对上一马道坡脚处的振动隔振率在32.5%~44.5%之间的理想减震效果。并用爆破振动传播规律对后续开挖爆破进行了预报和控制。这些都为同类问题的研究奠定了基础。 (3)爆破开挖损伤破坏效应的数值模拟研究。采用ANSYS/LS-DYNA程序分别对小湾水电站高边坡近区和中远区的爆破损伤破坏规律和破坏范围进行了模拟计算,比较了不同台阶高度、不同药量时,爆破振动的不同效应,并分析总结了位移、应变、损伤物理量的时程、空间分布等计算结果与实测结果的差异,通过对计算结果与实测结果的比较,提出了修正计算结果的折减系数,为预测试验结果提供了参考和依据。 (4)边坡爆破动力稳定分析与评价研究。结合时程分析法,采用主应力场单元抗剪强度储备比值法来评价爆破振动下边坡的稳定性,得到边坡爆破振动稳定安全系数随时间的变化规律,反映了边坡稳定性在爆破过程中的演变过程,为爆破设计的完善和优化提供了条件。分析结果表明:爆破振动对岩石高边坡动力稳定性的影响仅限于边坡岩体的表层,对不存在潜在滑动面的完整岩体边坡而言,只要控制爆破振动就不至于影响边坡的整体稳定性。根据动、静应力场确定滑移面S,采用可能滑移面S的抗剪强度比值法评价了边坡的稳定性,得出在爆破荷载作用下,边坡的稳定安全系数均大于1,是安全的。 (5)爆破振动灾害的控制方法和技术研究。在试验和理论分析的基础上,提出降振应该从爆源、传播途径以及保护物的响应三个方面考虑。提出了通过合理优化爆破参数和起爆网络以控制爆源,以及采用预裂缝或者减振孔以切断爆炸应力波的传播途径从而控制爆破振动损伤的方法;同时通过加固终端以提高构筑物抗振能力。这种综合性的爆破振动灾害控制方法和技术得到了有效的检验。 本文理论研究和工程实践紧密结合,改进和发展了特高陡边坡的爆破开挖方法和技术,分析了高边坡开挖爆破对边坡稳定性的影响规律并提出了抑制方法,提出了高边坡开挖爆破中振动灾害控制技术和措施,文中所发展的学术思想和方法为同类问题的研究提供了可供借鉴的基础,所提出的方法和技术对类似的高边坡开挖有直接的参考作用。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TV542

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