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復雜地層沉井爆炸助沉法施工安全的理論分析及數(shù)值模擬

文檔作者：田雨李洪濤劉賧姚強姜凌宇文檔來源： 1．四川大學水利水電學院 2．中國水利水電第五工程局有限公司第一分局		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年01月26日
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第12卷第5期
2014年1O月
南水北調(diào)與水利科技
South-to-North Water Transfers and Water Science&amp;amp;Technology
Vo1．12 No．5
Oct．2014
DOI：10．1347611．cnki．nsbdqk．2014．05．007
復雜地層沉井爆炸助沉法施工安全的
理論分析及數(shù)值模擬
田 雨 ，李洪濤 ，劉 賧 ，姚 強 ，姜凌宇
(1．四川大學水利水電學院，成都610065；2．中國水利水電第五工程局有限公司第一分局，成都610066)
摘要：喜兒溝水電站大型調(diào)壓井采用沉井法施工?？紤]到沉井結(jié)構(gòu)尺寸大，且位于漂卵礫石復雜地層中，在下沉施
工中采用爆炸助沉法，通過沖擊波超壓的交替升降使井壁振動產(chǎn)生下沉，從而解決下沉受阻難題。針對喜兒溝工程
實例，通過理論計算和動力有限元數(shù)值模擬，分別得到沉井不發(fā)生破壞的炸藥最大允許用量分別為171．13 kg和
74．87 。在實際工程中采用小藥量助沉可以在保證施工安全前提下，完成施工任務。
關(guān)鍵詞：喜兒溝水電站；施工安全；爆炸沖擊波；數(shù)值模擬；LS-DYNA；爆炸助沉法
中圖分類號：TV52；TV542；TV732．5 文獻標志碼：A 文章編號：1672—1683(2014)05—0027—05
Theoretical analysis and numerical simulation of the construction safety of
open caisson aid-sinking by explosion m ethod in complex strata
TIAN Yu ，LI Hong-tao ，LIU Yi ，YAO Qiang ，JIANG Ling-yuz
(1．School of Water Resource and Hydropower，Sichuan University，Chengdu 610065，China；
2．Sinohydro Bureau 5 Co．，Ltd，Chengdu 610066，China)
Abstract：The construction of large surge shaft in Xi'ergou hydropower station adopted the open caisson method．Due to that the
open caisson has a large structure and is located in the complex strata of pebbles gravel，the aid-sinking by explosion method was
used tO solve the problem of the blocked subsidence during the sinking construction according tO that vibration can cause the
shaft lining sinking resulting from the alternating rise and fall of overpressure of shock wave．The theoretical analysis and nu—
merical simulation were performed on the Xi'ergou project tO determ ine the maximum allowed amounts of explosive，which were
171．13 kg and 74．87 kg for the two methods respectively．In practical engineering，aid-sinking with small amount of explosive
can complete the construction tasks under the guarantee of construction safety
Key words：Xi'ergou hydropower station；construction safety；explosive blast；numerical simulation；LS-DYNA；aid—sinking by ex—
plosion method
甘肅喜兒溝水電站位于甘肅舟曲縣憨班鄉(xiāng)的白龍江干
流上，是尼什峽一沙川壩河段水電梯級開發(fā)規(guī)劃的第l1級
電站，屬三等中型工程。電站設(shè)計水頭57．8 m，裝機容量72
MW，年發(fā)電量3．13億KW ·h。電站調(diào)壓井布置在河谷右
岸vI級階地前緣，設(shè)計為開敞阻抗式調(diào)壓井，直徑22 m，總
體下沉深度65 m，調(diào)壓井結(jié)構(gòu)和地質(zhì)剖面圖見圖1。調(diào)壓井
上部地層為淡黃色粉土和塊碎石土，厚33．4 m，下部為沖洪積
含漂石砂卵礫石層，厚63．6 m，漂石約占5 ～8 ，較密實。
調(diào)壓井開挖過程中，若采用錨索或錨桿、錨筋束縛和噴
射混凝土的方式加固井壁，不僅很難尋找合適的錨固段，而
且成孔困難。故采用沉井法施工，將調(diào)壓井開挖臨時結(jié)構(gòu)與
井筒永久結(jié)構(gòu)合二為一，有效避免井壁坍塌，降低了安全風
險。但在實際施工過程中，由于漂卵礫石層的存在，沉井下
沉過程是不均衡的，有明顯斷續(xù)性。
對于沉井等類似下沉過程中停沉受阻問題的處理，人們
常采用加重法、射水法、泥漿潤滑套法、抽水法等口]措施，而
較少采用小藥量井中激震爆破輔助下沉法l2]，主要是考慮到
炸藥用量不易控制而可能造成井壁破壞及其他對施工安全
收稿日期：2014—00—00 修回日期：2014—00-00 網(wǎng)絡(luò)出版時間：2014—08—27
網(wǎng)絡(luò)出版地址：http：／／w、^rw．cnki．net／kcms／doi／10．13476／j．cnki．nsbdqk．2014．05．007．html
基金項目：國家自然科學基金資助項目(51009104)；大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃國家級重點項目(201410610069)；大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃
省級重點項目(20131O61O174)
作者簡介：田雨(1991一)，男，河北石家莊人，主要從事水利水電工程方面的學習和研究工作。E-mail：454301972@qq．com
通訊作者：李洪濤(1979一)，男，湖北仙桃人，副教授，碩士生導師，主要從事水利工程施工、工程爆破方面的研究。E-mail：htl@SCU．edu．cn
|試g≮ 籪 ．27．
越 瓣 d n1 峨 ‰
第12卷總第74期·南水北調(diào)與水利科技．2014年第5期
力減去空氣中的原始壓力P。(一般是標準大氣壓)，
即△P，一
P，一P。。空氣沖擊波的超壓遵守爆炸相似律，即空氣沖擊
波陣面上的壓力并不取決于裝藥的絕對尺寸和重量
， 而完全
取決于離爆炸地點的距離與裝藥半徑的比值
、該炸藥的比能
和周圍空氣的壓力。有關(guān)TNT裝藥爆轟沖擊波超壓AP
，
及傳播規(guī)律及其經(jīng)驗公式較多，本文采用文獻[6—9]中的公．
式，其中R為計算超壓值位置與爆炸點的距離(m)，
計算2
號巖石型乳化炸藥不同用量情況下，R一11 m處(沉井壁)的
△Pf值。
小利的影響。
本文以喜兒溝特大型調(diào)壓井項目為例，在深入了解爆破
輔助下沉法原理的基礎(chǔ)上，利用LS-DYNA有限元數(shù)值模擬
復雜地層條件下爆炸助沉法的機理及爆炸產(chǎn)生的沖擊波作
用壓力變化規(guī)律，并與理論計算進行對比，為類似沉井施工
過程中爆炸助沉法的安全應用提供理論支撐
。
[=二 生—一 1 62(
粉土和塊碎石土 1 61C
／鶘壓井中心緞
／、 一一一j 一。 1l 56090
， 1 580
塑苧一 ——上 1 570
I 560
中洪積宙漂石砂卵礫石層 l 550
驀
／-
巖分再線 I 54O
I 1 530
一 4．
導 擴挖 1 520
灰綠一探灰色絹英千枚巖 1 510
一
絲互壟堡鯉一一一 、 抗孔?一 l 500
§I壅蹙 壓力管道 l 490
、 、 l l 480
{喧
圖1 調(diào)壓井結(jié)構(gòu)和地質(zhì)剖面
Fig．1 Structural diagram and geologic section of the s
urge shalt
1 理論分析與計算
1．1 爆炸沖擊波理論分析
1．1．1 爆炸沖擊波基本原理
裝藥爆炸時，會在有限空間內(nèi)迅速釋放出大量的能量
，
形成高溫高壓氣體，猛烈地推動周圍靜止的空氣，并形成沖
擊波跚。當爆轟波到達爆炸產(chǎn)物與周圍介質(zhì)的分界面時
，會
出現(xiàn)兩種情況：一方面向爆炸產(chǎn)物內(nèi)傳播稀疏波；另一方面
在空氣介質(zhì)中形成初始沖擊波 。
自由空氣中的理想沖擊波波形稱為p￡曲線(圖2)[
，
由圖可見：某一位置在沖擊波到達之前的壓力等于大氣壓力
Po；經(jīng)過時間ira后沖擊波到達該位置，經(jīng)過時間rfr后該位
置壓力由P。突躍至最大值P，；波陣面通過后該位置壓力迅
速下降，經(jīng)過時間 (正壓作用時間)壓力經(jīng)指數(shù)衰減到Pr
，
并繼續(xù)下降，直至出現(xiàn)負超壓峰值；在一定時間內(nèi)其壓力又
逐漸地回升到P?
根據(jù)前人對爆炸沖擊波的研究結(jié)果，沖擊波作用到井壁
上，通過正相時間及負相時間的壓力值交替變化使井壁發(fā)生
法向振動，使得沉井外壁與井周土體間的摩阻力發(fā)生短時間
地波動，促使沉井順利下沉。
圖2 自由空氣中理想沖擊波波形
Fig．2 Ideal shock wave{orm in the free air
1·1．2 空氣沖擊波峰值超壓計算公式的選取
空氣沖擊波峰值超壓△P，是指沖擊波波陣面上峰值壓
· 28 · l試 l 競
玨玨0撼R嘲衙0靠|- 瓤％ 輥露稿
分別取2號巖石型乳化炸藥的用量為15
、30 kg、65
kg,75 kg、85 kg、100 kg，當量系數(shù)取0
． 7O8[1 ，則對應的
TNT質(zhì)量為10．62 kg、21．24 kg、46． 02 、53． 1 k 、6o．18
、70·8 kg時，根據(jù)不同的計算公式取合適的計算范圍，得
到的超壓△P，值見圖3。圖3中W 為TNT炸藥的質(zhì)量
(kg)；△P，為空氣沖擊波超壓峰值(kg／cinz)，即1Os Pa
l
1
I
1
堂
、’0
司n
0
0
— 一勃路德經(jīng)驗公式—÷一國防工程設(shè)計規(guī)范公式
0 20 40 60 80 100 12 O
kg
圖3 各家公式得到超壓值對比
Fig．3 Comparison of the overpressure va1ues
calculated by various fonnu1as
由圖3可知，根據(jù)各公式計算得到超壓AP，值增長趨勢
相似，距離一定時，隨炸藥用量的增加，各公式得出的結(jié)果偏
差逐漸增大，薩道夫斯基公式偏高最大。針對本工程計算目
的以及實際工程狀況，為保證較為安全的炸藥用量確定
， 同
時考慮較為簡化的影響因素，選取炸藥用量較小而計算超壓
值偏大的薩道夫斯基公式進行理論計算，公式如下：
根據(jù)材料力學相關(guān)知識Ⅲ 可知，圓柱形井簡中側(cè)壁受
力情況見圖4?？紤]其周向應力時，取井簡中相距單位1的
兩個橫截面所夾的部分，再取通過軸線的平面將其切為兩
半，其中下部分受力情況見圖5。把氣體和井筒閉連成一體
作為研究對象，則向下的作用力就是氣壓作用在長度為1
、寬
度為直徑D的矩形上的力。作用在兩條壁厚上的周向應力
構(gòu)成了向上的作用力，則其力平衡式為
DP
一 (2)
式中： 為筒壁厚度。
當爆炸時產(chǎn)生的壓力P足夠大，使得井筒內(nèi)壁上的應力
大于其抗拉強度 ]時，井壁就會發(fā)生破壞
。
I．2 實際工程的分析計算
喜兒溝水電站調(diào)壓井頂面高程1 589．
O0 m，底面高程
1 524．O0 m，井筒總高度為65 m。沉井內(nèi)直徑為22． 0 m，井
?
R
，二 撕
理
蝴
一特
3 ¨
田 雨等·復雜地層沉井爆炸助沉法施工安全的理論分析及數(shù)值模擬
圖4 井筒中存在內(nèi)壓示意圖
Fig．4 Schematic diagram of pressure in the shaft
尸
圖5 縱剖面受力示意圖
Fig．5 Sc hematic diagram of force in the longitudinal profile
壁底節(jié)厚度1．6 1TI，向上每節(jié)井壁厚度1．5 m，外壁向內(nèi)縮10
cm。井壁所用混凝土為C25型，由《公路鋼筋混凝土及預應
力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》可知，其抗拉強度標準值為1．78
MPa。以最安全方式考慮，設(shè)鋼筋對增加井壁混凝土動態(tài)抗
拉強度系數(shù)為1，[ ]一1．78 MPa；即取井壁平均厚度 一
1．5 In，直徑D一22 In，安全系數(shù)fs一1，故不使井壁發(fā)生受
拉破壞的理論計算超壓值為2．4×10 Pa，以薩道夫斯基公
式計算得到可使用的2號巖石型乳化炸藥最大用量為
171．13 kg。
2 數(shù)值模擬
LS-DYNA是國際上最著名的顯式動力分析程序，該程
序的顯式算法特別適合于分析各類高度非線性的復雜力學
過程。因此通過合理的建立模型、分析求解及后處理分析很
好的模擬了針對本施工條件下的爆炸產(chǎn)生的沖擊波傳播及
作用過程。
2．1 計算模型及方法
2．1．1 空氣材料模型及相關(guān)參數(shù)
針對本工程實際，炸藥是中心起爆，且沉井具有軸對稱
特點，因此建模時考慮只建1／8三維模型(圖6)?？諝饽Ｐ?
半徑取代表性實際工程尺寸11 m，為保證貼合實際沖擊波在
空氣中傳播情況，同時減少多余計算，簡化空氣模型高度為14
In。取每組邊界距離爆炸中心最近的一點為單元測點。
炸藥爆炸過程是一個高速的化學變化過程，加之空氣介
質(zhì)的流動性很大。為了較好地模擬裝藥爆炸后沖擊波的傳
播，算法采用L DYNA程序中的多物質(zhì)ALE算法。建模
時，空氣介質(zhì)和炸藥均使用映射方法劃分網(wǎng)格，單元采用多
物質(zhì)ALE算法。為了模擬出沉井井壁處的壓力值變化及對
沖擊波的反射效果，在空氣周圍邊界處施加法向約束、上邊
界施加無反射條件約束，相應的對稱面施加對稱面約束。
LS0YLU
tlmf
炸
元測點
圖6 模型示意圖
Fig．6 Schematic diagram of the model
空氣簡化為無黏性理想氣體，沖擊波膨脹假設(shè)為等熵絕
熱過程[ ]。以LS-DYNA 中的*MAT-NULI 材料模型和
*EOSyLINEAR-POI YNOMIAL方程模擬空氣。*EOSLINEAR_
POLYNOMIAI 方程表達式為
聲一co+ cl +c2 + f3 + ( +C5 + c6 )eO (3)
其中，
C0一C1一C2一c3 C6—0 (4)
C4一c5一~- 1 (5)
,~=p／oo一1 (6)
式中 、f 、c 、C。、f 、c5、fs均為與氣體性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)；ID、
、e。、y分別為氣體的初始密度、密度、初始單位體積內(nèi)能和
絕熱指數(shù)。
空氣材料的模型參數(shù)取值為：盧。一1．292 9×10 g／cm3，
一2．5× 10 Pa，y一1．4[ ’
。
2．1．2 炸藥材料模型的相關(guān)參數(shù)
LS-DYNA程序可以直接模擬高能炸藥的爆炸過程。炸
藥材料采用高能炸藥*MAT-HIGH —EXPLOSIVE-BURN
和*EOS-JWL狀態(tài)方程描述，炸藥與工程實際一致，為2號
巖石乳化炸藥。模擬炸藥爆轟過程中的壓力和比容關(guān)系的
JWL狀態(tài)方程如下：
P：A(1一 )e-R,V+B(1一 )e-R,V+ (7)
式中：A、B、 、Rz、 為材料常數(shù)；P為壓力(Pa)；V為相對
體積；Eo為初始比內(nèi)能(Pa)E14]。
2號巖石乳化炸藥l1 ]相關(guān)參數(shù)見表1。
表1 2號巖石乳化炸藥參數(shù)
Tab．1 Parameters of 2# rock emulsion explosive
炸藥模型同樣采取1／8建模，并通過改變炸藥尺寸，分
別計算模擬了6個不同藥量炸藥爆炸的沖擊波過程。炸藥
模型尺寸及炸藥用量見表2。
2．2 模擬結(jié)果及分析
2．2．1 不同炸藥用量對應超壓過程曲線
通過對LS-DYNA計算結(jié)果的后處理，得到單元測點的
40 ms內(nèi)的壓力過程線，見圖7。
根據(jù)各組壓力過程線可以得出沖擊波傳到井壁處超壓
值大小及時間(表3)。對比可知，隨著炸藥用量加大，作用到
井壁處測點超壓峰值變大；當炸藥用量很小時，作用超壓值
很小，對于井壁幾乎沒有影響，且沖擊波衰減較快，沒有明顯
的受井壁反射而產(chǎn)生疊加效應，如1、2組；當炸藥用量足夠
試 2講 l ．29．
∞ 4 a ％ A r r
第12卷總第74期·南水北調(diào)與水利科技·2014年第5期
表2 炸藥模型尺寸及對應炸藥量
Tab．2 Sizes of explosive models and
the corresponding quantities of explosive
組號
C
釁
m
徑炸
／c
鳊
r／ ，l m 度 籀仁約1苕／ Kg
12
15
20
21
22
23
12
15
2O
21
22
23
14．22
27．22
65．80
76．20
87．60
100．10
1 6
I 4
室
．R
出1 2
1 0
0 8
4
3
日
窘
出
l
0
22
2O
1 8
∞
墨l 6
I 4
l 2
l 0
0．8
出
大，作用于井壁后超壓衰減過程由于受到井壁所施加的法向
約束影響，不同于在無限空間內(nèi)的沖擊波衰減規(guī)律，會有較
大的反彈趨勢，且會產(chǎn)生反射疊加的效果，甚至超越第一個
峰值超壓值，如5、6組。特別是6組中，疊加作用造成出現(xiàn)
最大超壓值的時間為31．60 ms，超壓值達到3．50×10 Pa。
表3 各組沖擊波傳到時間及第一峰值壓力
Tab．3 Shock wave travel time and
the first peak value of overpressure
10 20 30 l0 20 30 40
時間／ms
0 l0 20 30 40
時間／ms
圖7 各組單元測點壓力過程線
Fig．7 The pressure hydrograph of unit measuring points in each group
沖擊波是一種壓縮應力波，雖然其強度低于混凝土的抗 部“放空炮”爆炸助沉時，根據(jù)圖9數(shù)值模擬曲線，為防止超
壓強度，不能直接壓碎混凝土，但其超壓應力值可引起混凝 壓達到混凝抗拉強度標準值，使混凝土井壁發(fā)生破壞，在保
土層產(chǎn)生徑向擴張和切向拉伸應變 l6¨。因此，沖擊波超壓 證沉井施工及運用安全的條件下，所用的2號巖石乳化炸藥
傳到井壁處會使其發(fā)生徑向的位移，進而改變井周摩阻力大
小，促使沉井下沉。
2．2．2 典型沖擊波傳播過程
根據(jù)實際工程，以C25混凝土抗拉強度標準值進行驗
算，數(shù)值模擬的第4組第一峰值壓力△P，是2．42×10 Pa>
2．40×10 Pa(不使井壁發(fā)生受拉破壞的理論計算的最大超
壓值)，結(jié)果較為接近，其典型沖擊波傳播過程見圖8。
由圖8可以看出，沖擊波以球形波形式進行傳播，超壓
峰值隨沖擊波傳到而沿井壁向上擴展，并有逐漸減小趨勢。
因此，第4組數(shù)值模擬整個過程中，超壓最大值即為第一次
接觸井壁時峰值。
3 沖擊波超壓理論值與數(shù)值模擬值對比分析
由數(shù)值模擬結(jié)果繪制炸藥用量w一峰值壓力△P，曲線，
與理論計算所的曲線對比(圖9)發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬結(jié)果普遍高
于理論計算值，且藥量越大，二者相差越多。假設(shè)在沉井中
． 30． “ 競 t
最大藥量不得超過74．87 ，小于以薩道夫斯基公式計算得
到的171．13 kg。
喜兒溝水電站工程中，爆炸助沉法所用的炸藥量為4節(jié)
≯32藥卷捆綁，共計800 g。對該炸藥量進行數(shù)值模擬，得到
的井壁處壓力過程線見圖1O，傳到時間T一28．80 ms，超壓
值為0．122×10 Pa。實際工程中炸藥用量遠小于74．87 kg，
是因為實際工程地質(zhì)條件等各不相同，且爆破的過程是瞬時
而復雜的，爆破的結(jié)果受多種因素綜合影響，數(shù)值模擬時考
慮的影響因素不夠全面，故在類似實際指導中需綜合考慮確
定炸藥用量。
4 結(jié)語
喜兒溝水電站調(diào)壓井施工過程中采用了“爆炸助沉法”
的措施很好的解決了沉井停沉受阻的問題，提高了施工效
率。從受拉破壞角度考慮，通過數(shù)值模擬，提出最多可使用
炸藥量為74．87 kg，因此喜兒溝水電站調(diào)壓井工程中采取的
“小藥量激震爆破輔助下沉”的方法不會使井壁發(fā)生破壞，可
” ：暑
l，R
田 雨等·復雜地層沉井爆炸助沉法施工安全的理論分析及數(shù)值模擬
0 20 4O 60 80 lO0 120
W／kg
圖9 數(shù)值模擬與理論計算對比曲線
Fig．9 Comparison of pressures obtained from
【】umerical sinmlation and theoretical calculation
f1‘J(J
^一一———^ 一～ “ ：一—
元素
A3862
A
(J
時間／ms
圖10 實際工程對應壓力過程線
Fig．1 0 l'he corresponding pressure hydrograph
in practical engineering
以保證施工安全。
由于理淪計算時假設(shè)炸藥外部為無限空間，沒有任何阻
力，并未考慮實際井壁約束對沖擊波造成的影響，而實際由
于井壁約束條件等因素，會對沖擊波傳播產(chǎn)生反射疊加效
果。且炸藥用量越多，疊加效應越顯著，使得理論計算值與數(shù)
值模擬值的差異隨炸藥用量的增多而增大。實際工程中，在
保證井壁不產(chǎn)生受拉破壞的前提下，應多考慮沖擊波可能產(chǎn)
生的噪聲污染以及對其它工程配套設(shè)施的不利影Ⅱ向。另外，
受約束的爆炸沖擊過程模型參數(shù)由于影響因素較多．故仍需
深入研究。
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