【摘要】：
國內(nèi)在建和待建的大型水利水電工程大多坐落在大西南高山峽谷地區(qū)，其特殊的地質(zhì)條件使得特高陡邊坡的開挖爆破技術(shù)研究和爆破對邊坡穩(wěn)定性影響研究成為我國水電建設(shè)中的嶄新課題。特高陡邊坡開挖量大，高度高、坡度陡，施工布置困難，且邊坡永久支護(hù)工作隨開挖臺階同步下降，爆破與支護(hù)相互干擾。為了加快施工進(jìn)度，必須采取大區(qū)深孔臺階爆破方法、微差順序起爆網(wǎng)絡(luò)，輪廓采用光面和預(yù)裂爆破技術(shù)，單次爆破規(guī)模很大，爆破持續(xù)時間長，循環(huán)次數(shù)比較多，爆破振動對邊坡安全的影響問題突出。邊坡爆破安全問題涉及到工程爆破技術(shù)、工程地質(zhì)力學(xué)、爆炸力學(xué)及巖石動力學(xué)、施工管理等多個學(xué)科領(lǐng)域，屬于多學(xué)科交叉的邊沿課題，具有重要的學(xué)術(shù)意義；而與其相關(guān)的工程技術(shù)問題也是我國大西南高山峽谷地區(qū)大型水電站建設(shè)中急需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，因此，該問題的研究也具有重要的工程應(yīng)用意義。本文以坡高697m(國內(nèi)水電站第一高邊坡)的小灣水電站高邊坡為背景工程，結(jié)合現(xiàn)場開挖爆破試驗，探討了爆破振動的監(jiān)測和分析技術(shù)，研究了高陡邊坡快速開挖爆破技術(shù)，分析了爆破對邊坡巖體的損傷和破壞機理，研究了爆破開挖對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律和抑制方法，提出了邊坡開挖爆破振動災(zāi)害的控制措施，并進(jìn)行了實踐驗證。研究取得如下成果：
(1)特高陡邊坡快速開挖爆破技術(shù)研究。在評介目前巖石開挖中常見的洞室爆破技術(shù)、藥壺爆破技術(shù)、深孔臺階爆破技術(shù)、預(yù)裂和光面爆破技術(shù)、洞室加預(yù)裂爆破技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過分析比較，提出了采用深孔臺階與預(yù)裂和光面爆破相結(jié)合的邊坡開挖爆破方式，并對這種開挖爆破方式進(jìn)行了優(yōu)化：提出了采用控制起爆排數(shù)，對一次爆破總藥量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的新概念；提出了對爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以保證可控爆破參數(shù)與起爆時差相匹配的新思路和新方法，減小了連續(xù)多次爆破對邊坡的累積損傷破壞。
(2)爆破振動災(zāi)害的監(jiān)測方式與分析方法研究。爆破振動作為邊坡危害之首，一直是人們重點研究的對象。通過對背景工程的現(xiàn)狀分析，提出了
邊坡監(jiān)測應(yīng)當(dāng)以上一臺階坡腳為控制位置，近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)相結(jié)合的監(jiān)測方式。在分析手段上，采用以質(zhì)點振動速度為主，質(zhì)點振動加速度和持續(xù)時間為輔的組合分析方法，采用改進(jìn)的薩道夫斯基公式V=Kρ~ue~(β(?))建立了小灣水電站特高陡邊坡爆破振動沿邊坡方向的衰減規(guī)律，采用衰減規(guī)律公式對預(yù)裂的隔振效果進(jìn)行了研究，得到預(yù)裂縫對上一馬道坡腳處的振動隔振率在32.5％～44.5％之間的理想減震效果。并用爆破振動傳播規(guī)律對后續(xù)開挖爆破進(jìn)行了預(yù)報和控制。這些都為同類問題的研究奠定了基礎(chǔ)。
(3)爆破開挖損傷破壞效應(yīng)的數(shù)值模擬研究。采用ANSYS／LS-DYNA程序分別對小灣水電站高邊坡近區(qū)和中遠(yuǎn)區(qū)的爆破損傷破壞規(guī)律和破壞范圍進(jìn)行了模擬計算，比較了不同臺階高度、不同藥量時，爆破振動的不同效應(yīng)，并分析總結(jié)了位移、應(yīng)變、損傷物理量的時程、空間分布等計算結(jié)果與實測結(jié)果的差異，通過對計算結(jié)果與實測結(jié)果的比較，提出了修正計算結(jié)果的折減系數(shù)，為預(yù)測試驗結(jié)果提供了參考和依據(jù)。
(4)邊坡爆破動力穩(wěn)定分析與評價研究。結(jié)合時程分析法，采用主應(yīng)力場單元抗剪強度儲備比值法來評價爆破振動下邊坡的穩(wěn)定性，得到邊坡爆破振動穩(wěn)定安全系數(shù)隨時間的變化規(guī)律，反映了邊坡穩(wěn)定性在爆破過程中的演變過程，為爆破設(shè)計的完善和優(yōu)化提供了條件。分析結(jié)果表明：爆破振動對巖石高邊坡動力穩(wěn)定性的影響僅限于邊坡巖體的表層，對不存在潛在滑動面的完整巖體邊坡而言，只要控制爆破振動就不至于影響邊坡的整體穩(wěn)定性。根據(jù)動、靜應(yīng)力場確定滑移面S，采用可能滑移面S的抗剪強度比值法評價了邊坡的穩(wěn)定性，得出在爆破荷載作用下，邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)均大于1，是安全的。
(5)爆破振動災(zāi)害的控制方法和技術(shù)研究。在試驗和理論分析的基礎(chǔ)上，提出降振應(yīng)該從爆源、傳播途徑以及保護(hù)物的響應(yīng)三個方面考慮。提出了通過合理優(yōu)化爆破參數(shù)和起爆網(wǎng)絡(luò)以控制爆源，以及采用預(yù)裂縫或者減振孔以切斷爆炸應(yīng)力波的傳播途徑從而控制爆破振動損傷的方法；同時通過加固終端以提高構(gòu)筑物抗振能力。這種綜合性的爆破振動災(zāi)害控制方法和技術(shù)得到了有效的檢驗。
本文理論研究和工程實踐緊密結(jié)合，改進(jìn)和發(fā)展了特高陡邊坡的爆破開挖方法和技術(shù)，分析了高邊坡開挖爆破對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律并提出了抑制方法，提出了高邊坡開挖爆破中振動災(zāi)害控制技術(shù)和措施，文中所發(fā)展的學(xué)術(shù)思想和方法為同類問題的研究提供了可供借鑒的基礎(chǔ)，所提出的方法和技術(shù)對類似的高邊坡開挖有直接的參考作用。
【關(guān)鍵詞】：特高陡邊坡 開挖爆破 振動災(zāi)害 損傷破壞 穩(wěn)定性 控制 【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2007
【分類號】：TV542
【DOI】：CNKI:CDMD:1.2008.039432
【目錄】：
- 致謝4-5
- 摘要5-7
- ABSTRACT7-11
- 第1章 緒論11-23
- 1.1 概述11-12
- 1.2 國內(nèi)外研究概況和發(fā)展趨勢12-21
- 1.3 本文的工程背景21
- 1.4 研究的主要內(nèi)容21-23
- 第2章 爆破振動監(jiān)測與分析23-39
- 2.1 爆破有害效應(yīng)簡述23-24
- 2.2 爆破振動監(jiān)測和測試24-27
- 2.3 邊坡的爆破安全控制標(biāo)準(zhǔn)27-31
- 2.4 邊坡的爆破振動傳播規(guī)律31-38
- 2.5 本章小結(jié)38-39
- 第3章 爆破近區(qū)損傷破壞規(guī)律39-54
- 3.1 近區(qū)作用簡述39-40
- 3.2 計算程序40
- 3.3 巖石爆破損傷模型40-43
- 3.4 數(shù)值模擬和分析43-52
- 3.5 本章小結(jié)52-54
- 第4章 邊坡爆破動力穩(wěn)定分析與評價54-82
- 4.1 研究方法54-55
- 4.2 邊坡穩(wěn)定性條件55-57
- 4.3 計算模型及參數(shù)57-63
- 4.4 結(jié)構(gòu)自振特性及阻尼63-66
- 4.5 動力計算66-72
- 4.6 靜力計算72-75
- 4.7 動靜疊加應(yīng)力及其分布75-79
- 4.8 邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果79-80
- 4.9 本章小結(jié)80-82
- 第5章 高陡邊坡開挖爆破技術(shù)82-96
- 5.1 邊坡開挖爆破技術(shù)簡述82-83
- 5.2 爆破方案及參數(shù)的確定方法83
- 5.3 預(yù)裂爆破試驗成果分析83-87
- 5.4 深孔臺階爆破試驗成果分析87-90
- 5.5 起爆網(wǎng)絡(luò)試驗成果分析90-95
- 5.6 本章小結(jié)95-96
- 第6章 高邊坡開挖爆破破壞范圍96-107
- 6.1 概述96
- 6.2 動力有限元法96-100
- 6.3 基于最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則確定圍巖體爆破破壞范圍100-101
- 6.4 小灣高邊坡爆破影響范圍預(yù)測101-105
- 6.5 與聲波測試成果的對比105
- 6.6 本章小結(jié)105-107
- 第7章 高邊坡開挖方案比較與優(yōu)化107-125
- 7.1 預(yù)裂、光爆技術(shù)及預(yù)裂縫隔震機理107-109
- 7.2 小灣高邊坡開挖方案比較109-122
- 7.3 影響巖石高邊坡爆破振動速度的主要因素122-123
- 7.4 爆破振動的控制措施及其實踐結(jié)果123-124
- 7.5 本章小結(jié)124-125
- 第8章 結(jié)論125-127
- 參考文獻(xiàn)127-132
- 附錄(一):攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文132-133
- 附錄(二):主持參與的科研項目和獲獎及專利情況133
