前坪水库泄洪洞明挖爆破试验与数值模拟

杨秋贵 王永好 姜新煜 娄运达 皇甫泽华

摘 要：为了缩短前坪水库泄洪洞开挖工期，并开挖出级配良好的筑坝石料，开展了泄洪洞爆破开挖试验与数值仿真模拟，研究了前坪水库泄洪洞明挖爆破方案，优选了泄洪洞明挖爆破的装药参数及布孔方案。结果表明：ANSYS中的动力分析模块LS-DYNA能够有效模拟泄洪洞明挖爆破施工，有限元数值仿真模拟与爆破试验吻合较好，有限元计算模型具有一定的通用性，可以为类似工程的隧洞爆破开挖提供参考依据。

关键词：泄洪洞明挖;爆破试验;有限元法;数值模擬;前坪水库

中图分类号：TV522;TV542+.6文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.01.027

引用格式：杨秋贵，王永好，姜新煜，等.前坪水库泄洪洞明挖爆破试验与数值模拟[J].人民黄河，2021，43（1）：137-140，151.

Numerical Simulation and Experimental Study on Flood Discharge Tunnel Blasting in Qianping Reservoir

YANG Qiugui1， WANG Yonghao2 ， JIANG Xinyu3， LOU Yunda3， HUANGFU Zehua3

（1.Henan Provincial Water Conservancy Research Institute， Zhengzhou 450003， China;

2.China Construction Seventh Engineering Bureau Co.， Ltd.， Zhengzhou 450004， China;

3.North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450046， China;

4.Qianping Reservoir Construction Administration Bureau of Henan Province， Zhengzhou 450000， China）

Abstract：Blasting is an important tunneling technique in the process of hydraulic tunnel excavation， which can significantly improve the efficiency of tunnel excavation. In order to shorten the excavation period of the flood discharge tunnel of Qianping Reservoir and to excavate the well-graded damming stones， the blasting excavation test and numerical simulation analysis of the tunnel were carried out. Combining with the blasting excavation project of Qianping Reservoir， the blasting scheme of flood discharge tunnel in Qianping Reservoir was studied by combining the field test and numerical simulation analysis， the charging parameters and hole layout scheme of the flood discharge tunnel blasting were optimized. The results show that the dynamic analysis module LS-DYNA in ANSYS can effectively simulate the blasting construction of the tunnel， the finite element numerical simulation is in good agreement with the blasting test and the finite element calculation model has certain generality and can provide reference for tunnel excavation by blasting in similar projects.

Key words： open excavation of flood discharge tunnel; blasting test; finite element method; numerical simulation; Qianping Reservoir

1 概 述

前坪水库位于河南省洛阳市汝阳县前坪村沙颍河支流北汝河上，是以防洪为主，结合供水、灌溉，兼顾发电的大型水库[1]。前坪水库总库容5.84亿m3，控制流域面积1 325 km2。水库大坝采用黏土心墙土石坝，最大坝高90.3 m。水库泄洪洞位于主坝左侧，主要包括引渠段、进口段、控制段、洞身段、消能工程段[2]，洞身结构形式为无压城门洞式，出口采用挑流方式消能。泄洪洞总长689 m，工作闸门采用尺寸为6.5 m×7.5 m的弧形钢闸门和液压启闭装置，事故检修闸门采用尺寸为6.5 m×7.8 m的平板闸门和卷扬机启闭装置。

泄洪洞进口段地质结构上部为壤土与卵石互层，下伏基岩为安山玢岩;竖井控制端为弱风化的安山玢岩，岩体裂隙发育;洞身段大部分为微弱风化安山玢岩，局部为强风化流纹岩，岩体陡倾角裂隙发育，完整性较差，围岩类别为Ⅲ类;洞身段末端为强风化安山玢岩，强度较低，稳定性差，围岩类别为Ⅳ类。

为了缩短前坪水库泄洪洞开挖工期，并开挖出级配良好的筑坝石料，开展了泄洪洞爆破开挖试验与数值仿真模拟。

2 泄洪洞明挖爆破试验

2.1 岩体爆破理论概述

岩体爆破是一个十分复杂的过程，涉及物理、化学、力学和岩石的物理性质等多个影响因素[3]。在爆破瞬间，炸药在岩体内形成冲击波，同时岩体又将冲击波反射给炸药，根据爆炸过程中的爆轰波可知：

ux=DHk+1[1-（pxpH-1）2k（k+1）pxpH+k-1]（1）

式中：ux为爆孔岩石径向破碎速度;px为孔壁初始冲击波压力;pH为爆轰压力;DH为爆轰速度;k为爆炸产物的等熵指数，取k=3。

爆孔岩石径向破碎速度还可表示为

ux=px（1ρ0-1ρx）（2）

其中

px=ρ0Dxux（3）

式中：ρ0和ρx分别为岩体的初始密度和冲击波阵面上的岩体密度;Dx为冲击波的传播速度。

岩体中冲击波的传播速度和波阵面上岩石质点的运动速度存在如下关系：

Dx=a+bux（4）

式中：a、b为由试验确定的与岩体性质有关的常数。

通过式（1）～式（4）可求解岩体中的初始冲击波参数px、pH和DH。

在冲击波的传播过程中，岩石中冲击波波阵面后的连续方程为

ρt+（ρu）r+ρur=0（5）

式中：t为时间;r为冲击波的作用半径;ρ为冲击波阵面后的岩石密度;u为岩石质点的运动速度。

冲击波在传播过程中，其波阵面后岩石介质密度变化很小，因此可将冲击波阵面后的岩石按等密度考虑，即ρ为常数。由式（5）可得

ur=u0r0（6）

式中：r0为炮孔半径;u0为孔壁岩石的初始运动速度。

动量守恒方程为

σr=ρ0uDx（7）

式中：σr为波阵面的压应力。

由式（4）、式（6）、式（7）可得

σr=ρ0（ar0u0r+br20u20r2）（8）

岩石发生压缩破坏为临界条件，由波阵面的压应力σr等于岩石的动态抗压强度σs来确定，由式（8）可以求得岩石破碎区半径：

rs=u0r0（aρ0+a2ρ20+4bρ0σs）2σs（9）

若用爆破冲击波的传播速度Dx衰减为冲击波纵波速度CP来确定破碎区半径，可以得到

rs=bu0r0CP-a（10）

采用式（9）计算破碎区半径需要确定岩石的动态强度（该值难以测得），而式（10）中的参数较容易确定。式（10）没有考虑炮孔半径随时间的变化，对于岩质较硬的岩石计算精度较好，对于软岩应该考虑炮孔半径的变化。

2.2 泄洪洞明挖爆破试验设计

鉴于泄洪洞断面尺寸较大，洞外采用台阶开挖法，选择在泄洪洞出口处进行明挖爆破试验，试验于2016年1月2日进行。结合试验场地的实际情况，采用炮孔直径为100 mm、药卷直径为32 mm的2#岩石乳化炸药和药卷直径为52 mm的2#岩石粉状乳化炸药。采用台阶式爆破，每层台阶高为6～12 m，利用潜孔钻钻孔，主爆孔呈梅花形布置，沿开口线布置一排预裂孔，预裂孔与主爆孔之间布置一排缓冲爆破孔。采用缓冲爆破技术，可以有效减缓主爆孔爆破对预裂面保留岩体的损伤。泄洪洞明挖爆破试验采用的试验参数见表1。

2.3 泄洪洞明挖爆破试验效果

对两次爆破试验进行对比，发现两次试验都没有产生大量飞石，第二次试验效果明显好于第一次。主要表现在第一次爆破试验的爆破松散度不明显，存在较多的大块石，碎石分布不均匀，碎石级配不合理，碎石清理需要较大工作量，没有达到预期效果;第二次爆破试验的爆破松散度较好，只存在少量的大块石，碎石级配分布合理，碎石松散容易清理，爆破效果满足施工要求，达到了预期效果。第二次爆破试验参数见表2。

3 泄洪洞明挖爆破数值模拟

3.1 有限元模型

采用有限元软件ANSYS中的动力分析模块LS-DYNA建立前坪水库泄洪洞明挖爆破数值分析模型，见图1。根据工程实际爆破情况，取高度10 m、宽度17 m、纵深12 m的长方体建模，并施加无反射边界[4]，共划分214 389个单元，均采用Solid164三维实体单元，岩石采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型[5]，岩石密度为2 650 kg/m3，弹性模量为5 GPa，泊松比为0.2，硬化参数为0.5，失效应力为25.88 MPa。乳化炸药采用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型和状态方程EOS_JWL进行模拟[6]。泄洪洞明挖爆破数值分析炮孔位置示意见图2。

3.2 爆破应力分析

通过对前坪水库泄洪洞明挖爆破进行数值仿真分析，按照预裂孔爆破→缓冲孔爆破→主爆孔爆破的顺序进行模拟计算。在第二次爆破试验装药量及布孔方案条件下，得到了各爆破阶段岩体的最大主应力云图，见图3～图5。由图3可以看出，预裂爆破主要作用在明挖台阶的两侧，在预裂爆破完成后两侧形成贯通的两条裂缝将开挖区和山体分开。由图4可以看出，缓冲爆破后在预裂面和主爆区之间形成一个岩石破碎区。由图5可以看出，在主爆完成后，缓冲爆破形成的缓冲区起到了缓冲作用，主爆对预裂面没有影响，达到了洞脸围岩稳定的目的。从最后主爆孔爆破情况来看，主爆孔爆破使岩體逐层脱落，每一排主爆都形成了完全贯通的裂缝。可见，第二次爆破试验采取的装药和布孔方案合理，效果良好。

3.3 爆孔附近最大主应力

为了分析爆孔附近最大主应力随时间的变化情况，在主爆孔外围的岩体上沿水平方向取4个计算点，主爆孔半径为50 mm，计算点A、B、C、D距离主爆孔圆心分别为50、100、150、200 mm。主爆孔外围岩体计算点应力随时间变化曲线见图6。

从图6可以看出，主爆孔外围岩体计算点的最大主应力随时间而波动，主爆孔内壁的计算点A最大主应力最大，并随时间先增大后减小，在2 500 μs左右最大主应力达到岩体的失效应力，岩石出现破碎，随着到主爆孔圆心距离的增加其外围计算点的最大主应力逐渐减小。计算点A处的最大主应力是计算点B处应力值的2倍左右，说明主爆孔具有明显的应力集中效应，在爆破冲击波作用下，岩石破碎区逐渐向外扩展，各个主爆孔的破碎区连接在一起，就能够使主爆区的岩石发生破碎，达到理想的爆破效果。图6 主爆孔外围岩体计算点应力随时间变化曲线

3.4 爆破震速时程分析

为了分析爆破过程对周围建筑物的影响，在距离爆破点43 m的地方设置观测点，监测爆破产生的震速和频率的变化，并将有限元计算结果同现场监测结果进行对比。监测点处X、Y、Z方向震速时程曲线见图7。

从图7可以看出：监测点X方向震速在0.38 s左右达到最大值，监测的最大震速为0.287 cm/s，有限元计算得到的最大震速为0.281 cm/s;监测点Y方向震速在0.25 s左右达到最大值，监测的最大震速为0.688 cm/s，有限元计算得到的最大震速为0.652 cm/s;监测点Z方向震速在0.20 s左右达到最大值，监测的最大震速为0.584 cm/s，有限元计算得到的最大震速为0.563 cm/s。有限元分析与现场监测得到的最大震速值比较接近，监测点爆破震动的频率为8.0～12.4 Hz。可见，爆破震动的速度峰值较小，震动频率比一般建筑物的固有频率高，爆破震动对周围建筑物影响很小。

4 结 语

由前坪水库泄洪洞明挖爆破试验和数值仿真模拟分析结果可以看出，第二次爆破试验采取的装药参数和布孔方案爆破效果较好，碎石级配合理，满足泄洪洞明挖爆破施工要求。有限元动力分析结果表明，动力分析结果与现场试验吻合较好，证明了有限元模型的正确性和有效性。有限元动力分析模型是一种通用的计算模型，在计算过程中可以通过调整模型中的岩石力学参数，来模拟不同岩性的爆破开挖过程，从而确定不同巖石参数条件下爆孔的布孔方式、爆孔参数、装药量、起爆网络和时间间隔等参数，对同类水工隧洞爆破开挖具有一定参考价值。

参考文献：

[1] 刘武斌，郭乙霏，雷银拴，等.前坪水库泄洪洞施工期监测及围岩稳定分析[J].人民黄河，2019，41（7）：140-142.

[2] 宁保辉，来亦姝，王春磊，等.前坪水库大坝应力变形及抗水力劈裂研究[J].人民黄河，2019，41（5）：122-125.

[3] 王勖成.有限单元法[M].北京：清华大学出版社，2003：468-472.

[4] 杨小林.岩石爆破损伤机理及对围岩损伤作用[M].北京：科学出版社，2015：52-55.

[5] 尚晓江，苏建宇.ANSYS/LS-DYNA动力分析方法与工程实例[M].北京：中国水利水电出版社，2006：108-113.

[6] 石少卿，康建功，汪敏，等.ANSYS/LS-DYNA在爆炸与冲击领域内的工程应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2011：67-72.

【责任编辑 张华兴】