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岩石高边坡爆破动力稳定性研究

许红涛  
【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。


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