| 标题 | 复杂地层沉井爆炸助沉法施工安全的理论分析及数值模拟 |
| 范文 | 田雨等 摘要：喜儿沟水电站大型调压井采用沉井法施工。考虑到沉井结构尺寸大，且位于漂卵砾石复杂地层中，在下沉施工中采用爆炸助沉法，通过冲击波超压的交替升降使井壁振动产生下沉，从而解决下沉受阻难题。针对喜儿沟工程实例，通过理论计算和动力有限元数值模拟，分别得到沉井不发生破坏的炸药最大允许用量分别为171.13 kg和74.87 kg。在实际工程中采用小药量助沉可以在保证施工安全前提下，完成施工任务。 关键词：喜儿沟水电站；施工安全；爆炸冲击波；数值模拟；LSDYNA；爆炸助沉法 中图分类号：TV52；TV542；TV732.5 文献标志码：A 文章编号： 16721683（2014）05002705 Theoretical analysis and numerical simulation of the construction safety of open caisson aidsinking by explosion method in complex strata TIAN Yu1，LI Hongtao1，LIU Yi1，YAO Qiang1，JIANG Lingyu2 （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 aidsinking 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 numerical simulation were performed on the Xi'ergou project to determine the maximum allowed amounts of explosive，which were 171.13 kg and 74.87 kg for the two methods respectively.In practical engineering，aidsinking 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；LSDYNA；aidsinking by explosion method 甘肃喜儿沟水电站位于甘肃舟曲县憨班乡的白龙江干流上，是尼什峡—沙川坝河段水电梯级开发规划的第11级电站，属三等中型工程。电站设计水头57.8 m，装机容量72 MW，年发电量3.13亿KW·h。电站调压井布置在河谷右岸VI级阶地前缘，设计为开敞阻抗式调压井，直径22 m，总体下沉深度65 m，调压井结构和地质剖面图见图1。 调压井上部地层为淡黄色粉土和块碎石土，厚33.4 m，下部为冲洪积含漂石砂卵砾石层，厚63.6 m，漂石约占5%～8%，较密实。 调压井开挖过程中，若采用锚索或锚杆、锚筋束缚和喷射混凝土的方式加固井壁，不仅很难寻找合适的锚固段，而且成孔困难。故采用沉井法施工，将调压井开挖临时结构与井筒永久结构合二为一，有效避免井壁坍塌，降低了安全风险。但在实际施工过程中，由于漂卵砾石层的存在，沉井下沉过程是不均衡的，有明显断续性。 对于沉井等类似下沉过程中停沉受阻问题的处理，人们常采用加重法、射水法、泥浆润滑套法、抽水法等[1]措施，而较少采用小药量井中激震爆破辅助下沉法[2]，主要是考虑到炸药用量不易控制而可能造成井壁破坏及其他对施工安全不利的影响。 本文以喜儿沟特大型调压井项目为例，在深入了解爆破辅助下沉法原理的基础上，利用LSDYNA有限元数值模拟复杂地层条件下爆炸助沉法的机理及爆炸产生的冲击波作用压力变化规律，并与理论计算进行对比，为类似沉井施工过程中爆炸助沉法的安全应用提供理论支撑。 1 理论分析与计算 1.1 爆炸冲击波理论分析 1.1.1 爆炸冲击波基本原理 装药爆炸时，会在有限空间内迅速释放出大量的能量，形成高温高压气体，猛烈地推动周围静止的空气，并形成冲击波[3]。当爆轰波到达爆炸产物与周围介质的分界面时，会出现两种情况：一方面向爆炸产物内传播稀疏波；另一方面在空气介质中形成初始冲击波[4]。 自由空气中的理想冲击波波形称为Pt曲线（图2）[5]，由图可见：某一位置在冲击波到达之前的压力等于大气压力Po；经过时间Ta后冲击波到达该位置，经过时间Tr后该位置压力由Po突跃至最大值Pf；波阵面通过后该位置压力迅速下降，经过时间Td（正压作用时间）压力经指数衰减到Po，并继续下降，直至出现负超压峰值；在一定时间内其压力又逐渐地回升到Po。 根据前人对爆炸冲击波的研究结果，冲击波作用到井壁上，通过正相时间及负相时间的压力值交替变化使井壁发生法向振动，使得沉井外壁与井周土体间的摩阻力发生短时间地波动，促使沉井顺利下沉。 2 数值模拟 LSDYNA是国际上最著名的显式动力分析程序，该程序的显式算法特别适合于分析各类高度非线性的复杂力学过程。因此通过合理的建立模型、分析求解及后处理分析很好的模拟了针对本施工条件下的爆炸产生的冲击波传播及作用过程。 2.1 计算模型及方法 2.1.1 空气材料模型及相关参数 针对本工程实际，炸药是中心起爆，且沉井具有轴对称特点，因此建模时考虑只建1/8三维模型（图6）。空气模型半径取代表性实际工程尺寸11 m，为保证贴合实际冲击波在空气中传播情况，同时减少多余计算，简化空气模型高度为14 m。取每组边界距离爆炸中心最近的一点为单元测点。 炸药爆炸过程是一个高速的化学变化过程，加之空气介质的流动性很大。为了较好地模拟装药爆炸后冲击波的传播，算法采用LSDYNA程序中的多物质ALE算法。建模时，空气介质和炸药均使用映射方法划分网格，单元采用多物质ALE算法。为了模拟出沉井井壁处的压力值变化及对冲击波的反射效果，在空气周围边界处施加法向约束、上边界施加无反射条件约束，相应的对称面施加对称面约束。 炸药模型同样采取1/8建模，并通过改变炸药尺寸，分别计算模拟了6个不同药量炸药爆炸的冲击波过程。炸药模型尺寸及炸药用量见表2。 2.2 模拟结果及分析 2.2.1 不同炸药用量对应超压过程曲线 通过对LSDYNA计算结果的后处理，得到单元测点的40 ms内的压力过程线，见图7。 根据各组压力过程线可以得出冲击波传到井壁处超压值大小及时间（表3）。对比可知，随着炸药用量加大，作用到井壁处测点超压峰值变大；当炸药用量很小时，作用超压值很小，对于井壁几乎没有影响，且冲击波衰减较快，没有明显的受井壁反射而产生叠加效应，如1、2组；当炸药用量足够 以保证施工安全。 由于理论计算时假设炸药外部为无限空间，没有任何阻力，并未考虑实际井壁约束对冲击波造成的影响，而实际由于井壁约束条件等因素，会对冲击波传播产生反射叠加效果，且炸药用量越多，叠加效应越显著，使得理论计算值与数值模拟值的差异随炸药用量的增多而增大。实际工程中，在保证井壁不产生受拉破坏的前提下，应多考虑冲击波可能产生的噪声污染以及对其它工程配套设施的不利影响。另外，受约束的爆炸冲击过程模型参数由于影响因素较多，故仍需深入研究。 参考文献（References）： [1] 梁建立，王欢刚.沉井下沉常见问题及处理方法[J].中小企业管理与科技，2009 （9）：214214.（LIANG Jianli，WANG Huangang.Common problems in sunk well construction and solution to these problems[J].Management and Technology of SME，2009 （9）：214214.（in Chinese）） [2] 姜凌宇，张黎.特大型调压井沉井法施工技术研究与应用[J].中国水运：下半月，2013 （3）：238240.（JIANG Lingyu，ZHANG Li.Research and application of sunkwell method in extralarge surge shaft[J].China Water Transport：the latter half of March，2013 （3）：238240.（in Chinese）） [3] Ahmed Faragmy Farag Tolba Response of FRPretrofitted Reinforced Concrete Panels to Blast Loading [D].Canada：Carleton University，2001，12. 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