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        基坑爆破開挖下的豐滿水電站老壩安全分析

        2021-03-12 09:18:50衛(wèi)
        海河水利 2021年1期
        關(guān)鍵詞:有限元振動施工

        沈 衛(wèi)

        (大連市水務(wù)事務(wù)服務(wù)中心,遼寧 大連 116021)

        豐滿水電站坐落于吉林省內(nèi),位于第二松花江干流上,始建于1937年,以發(fā)電為主,承擔(dān)城市及工農(nóng)業(yè)供水、灌溉、防洪、航運(yùn)等多種功能。由于建設(shè)期的特殊性,大壩設(shè)計(jì)及施工存在先天缺陷,結(jié)構(gòu)整體性能較差,混凝土強(qiáng)度低,安全隱患較為突出。擬新建1 座碾壓混凝土重力壩,軸線位于老壩軸線下游120 m。新壩采用挑流消能,壩身泄洪。施工利用老壩擋水,下游修筑鋼木圍囹,一期工程采用機(jī)組過流、二期采用左岸導(dǎo)流洞過水導(dǎo)流方式。

        新壩基坑開挖采用爆破施工,爆破產(chǎn)生振動波會對周圍建筑物安全造成一定影響。為此,采用顯式動力有限元分析法對新壩基坑爆破開挖下的老壩進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算。通過分析沖擊振動所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)振動速度等指標(biāo),綜合評價其對老壩安全性影響。通過類比分析,提出基礎(chǔ)開挖爆破控制標(biāo)準(zhǔn)、各建筑物爆破振動安全允許振速及最大單響藥量,確保施工期老壩安全運(yùn)行。

        1 計(jì)算模型

        以某取水壩段為典型結(jié)構(gòu),構(gòu)建起基于ANSYS軟件的三維有限元模型。有限元模型在地基底面及豎直邊界均采用固定約束,并選取一定范圍地基。為了更好反映大壩于建基面處應(yīng)力集中,有限元模型在建基面附近劃分的網(wǎng)格較密集。計(jì)算中假定新老壩段壩型一致且一一對應(yīng),以更好模擬新老壩之間的相互作用。有限元模型計(jì)算,考慮不同混凝土材料分區(qū)并考慮混凝土線彈性。模型三維坐標(biāo)方向規(guī)定如下:Y 向以豎直向下為負(fù);Z 向沿壩軸線由右岸指向左岸為負(fù);X 向以順河向指向上游為負(fù)。有限元三維模型,如圖1所示。

        圖1 典型取水壩段有限元計(jì)算模型

        2 計(jì)算方法

        2.1 爆破荷載

        爆破產(chǎn)生的振動除受堵塞質(zhì)量、炸藥性能、起爆方式、地質(zhì)地形條件、裝藥結(jié)構(gòu)等因素制約外,主要受距爆源距離及藥量因素影響。由于影響因素復(fù)雜,當(dāng)前主要依據(jù)實(shí)測資料進(jìn)行回歸分析總結(jié)出經(jīng)驗(yàn)公式,其中普遍采用的是前蘇聯(lián)薩道夫斯基公式:

        式中:K、α 為爆破非主要因素影響系數(shù);Q 為最大單響藥量(kg);R 為測點(diǎn)至爆源中心距離(m);V 為質(zhì)點(diǎn)振動速度峰值(cm/s)。

        爆破施工中炸藥各響之間存在緩沖或延時,單響爆破持續(xù)時間及振動衰減極快,可認(rèn)為各響爆破作用效應(yīng)的相關(guān)性很低。為便于得到規(guī)律性結(jié)論,動力計(jì)算只模擬單響爆破效應(yīng)。新壩基坑爆破開挖時最大單響藥量初步擬定的數(shù)值,詳見表1。

        表1 新壩基坑開挖爆破施工最大單響藥量初步擬定數(shù)值

        2.2 爆破標(biāo)準(zhǔn)及振動波

        目前爆破相關(guān)的規(guī)范規(guī)程[1]多認(rèn)為爆破振動控制及影響判斷指標(biāo)為質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度,實(shí)踐顯示,質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度與建筑物受爆破振動影響而產(chǎn)生的損壞之間具有較好關(guān)聯(lián)性。參照國內(nèi)外工程實(shí)際[2],確定老壩在新壩基坑開挖爆破振動下的影響指標(biāo)詳見表2。

        表2 爆破振動下老壩各典型位置安全允許標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值

        參照工程實(shí)例及經(jīng)驗(yàn)[3]得出概化振動速度付氏譜及爆破振動峰值,進(jìn)而求出典型加速度付氏譜及加速度峰值,新壩基坑開挖爆破加速度波如圖2所示。

        圖2 新壩基坑開挖爆破振動加速度波

        2.3 抗滑穩(wěn)定計(jì)算

        有限元數(shù)值模擬新壩基坑開挖爆破施工時,老壩建基面的抗滑穩(wěn)定性若按重力壩設(shè)計(jì)水利規(guī)范[4]推薦的安全系數(shù)法計(jì)算,比較容易看出抗滑穩(wěn)定安全度的變化,故本文抗滑穩(wěn)定計(jì)算按照水利規(guī)范相關(guān)規(guī)定進(jìn)行復(fù)核,其中包含抗剪斷強(qiáng)度公式及抗剪強(qiáng)度公式。

        抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算公式為:

        抗剪強(qiáng)度公式為:

        式中:K'為按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);f'為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù);C'為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷凝聚力(kPa);∑W為作用于壩體上的全部荷載對滑動平面的法向分值(kN);A為壩基接觸面截面積(m2);∑P 為作用于壩體上的全部荷載對滑動平面的切向分值(kN);K 為按抗剪強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);f 為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪摩擦系數(shù)。

        3 計(jì)算結(jié)果及分析

        3.1 壩體振速

        老壩各典型位置處計(jì)算的振動峰值,詳見表3。除壩基帷幕處的最大速度峰值為1.79 cm/s、略大于控制標(biāo)準(zhǔn)1.5 cm/s外,其余各典型位置均滿足控制標(biāo)準(zhǔn)要求。由于壩高不同以及與爆破點(diǎn)的距離不同,爆破動反應(yīng)的峰值和在壩高方向的分布均有所不同。

        表3 老壩各典型位置在基坑爆破施工情況下振速峰值cm/s

        3.2 壩體動應(yīng)力

        老壩壩踵處在基坑爆破開挖情況下的動力第一主應(yīng)力時程曲線如圖3 所示,較大值主要出現(xiàn)在壩踵及壩頂位置。壩踵位置在基坑開挖爆破施工時最大動拉應(yīng)力0.079 MPa,在正常蓄水位且無爆破施工條件下,靜壓應(yīng)力0.062 MPa,靜動組合后拉應(yīng)力約0.02 MPa,數(shù)值較小,且拉應(yīng)力區(qū)域十分有限,遠(yuǎn)小于0.07 倍的壩底寬度值。按現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范中對壩踵拉應(yīng)力區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價,如此小量級的拉應(yīng)力并不會影響壩體的安全性。因此,從爆破產(chǎn)生的壩體動應(yīng)力分析,對老壩壩體強(qiáng)度不會產(chǎn)生明顯影響。

        圖3 新壩基坑開挖爆破壩踵處動力第一主應(yīng)力時程曲線

        3.3 抗滑穩(wěn)定性

        新壩基礎(chǔ)開挖爆破最不利工況下老壩壩基穩(wěn)定性計(jì)算值,詳見表4。由表4 可知,爆破施工下穩(wěn)定系數(shù)K'和K分別下降0.72%和0.87%,爆破對老壩的抗滑穩(wěn)定性影響作用非常微弱。

        表4 老壩抗滑穩(wěn)定系數(shù)在有無爆破情況下的計(jì)算值

        3.4 爆破開挖藥量敏感性分析

        采用初擬定最大單響藥量進(jìn)行新壩基礎(chǔ)開挖爆破時,取水壩段老壩帷幕區(qū)振速反應(yīng)稍微超出安全控制標(biāo)準(zhǔn)。為此,針對該壩段進(jìn)行開挖爆破藥量的敏感性分析,探討不同藥量開挖爆破情形下壩體動力響應(yīng)規(guī)律,從而確定最大允許單響藥量,分析計(jì)算所取藥量詳見表5。

        表5 不同計(jì)算工況下單響藥量最大取值情況

        不同工況下,新壩基礎(chǔ)開挖爆破時老壩帷幕處的振速峰值反應(yīng)詳見表6?;娱_挖時對應(yīng)50 m 處最大單響藥量取170 kg 左右時,動力響應(yīng)可滿足安全振速控制要求。建議原擬定爆破藥量做適當(dāng)降低,或者進(jìn)一步論證爆破振動控制標(biāo)準(zhǔn)是否可以適當(dāng)放寬。其余爆破距離的單響藥量也相應(yīng)調(diào)整,具體數(shù)值詳見表7。

        表6 爆破開挖不同藥量老壩防滲帷幕處振速峰值計(jì)算值

        表7 調(diào)整后各爆心距采用最大單響藥量

        4 結(jié)論

        (1)根據(jù)初擬定施工期爆破參數(shù)即最大單響藥量和爆破振動控制指標(biāo),新壩基礎(chǔ)開挖爆破時,取水壩段壩基除防滲帷幕振速峰值計(jì)算值超出控制標(biāo)準(zhǔn)建議值,其余部位均可滿足安全要求??紤]新壩基礎(chǔ)開挖及壩體澆筑時,老壩仍處于擋水運(yùn)行狀態(tài),建議新壩基礎(chǔ)開挖最大單響藥量應(yīng)適當(dāng)降低,以降低和控制爆破對老壩基礎(chǔ)防滲體系的影響作用。

        (2)通過對基礎(chǔ)開挖爆破對老壩應(yīng)力和沿建基面抗滑穩(wěn)定性分析結(jié)果綜合評價,老壩動應(yīng)力反應(yīng)幅值很小,壩踵等典型位置靜動應(yīng)力組合仍可滿足規(guī)范要求。爆破振動動應(yīng)力作用效應(yīng)后,老壩沿建基面抗滑穩(wěn)定性沒有明顯不利變化,安全性態(tài)無明顯降低,爆破對結(jié)構(gòu)承載力影響作用較小。

        (3)老壩部分壩段安全裕度偏低,新壩又距老壩較近,施工期相互影響不同程度存在,建議在施工期做好安全監(jiān)測及監(jiān)控[5]。保證施工質(zhì)量,控制好施工參數(shù)及強(qiáng)度,確保施工期和完建后新老壩安全,尤其應(yīng)加強(qiáng)爆破監(jiān)測及爆破控制,同時開展爆破振動現(xiàn)場實(shí)驗(yàn),為準(zhǔn)確爆破振動分析評價提供可靠依據(jù)。

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