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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

文档作者：田雨李洪涛刘赕姚强姜凌宇文档来源： 1．四川大学水利水电学院 2．中国水利水电第五工程局有限公司第一分局		点击数：	更新时间： 2021年01月26日
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第12卷第5期
2014年1O月
南水北调与水利科技
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
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
田 雨 ，李洪涛 ，刘 赕 ，姚 强 ，姜凌宇
(1．四川大学水利水电学院，成都610065；2．中国水利水电第五工程局有限公司第一分局，成都610066)
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 。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；LS-DYNA；爆炸助沉法
中图分类号：TV52；TV542；TV732．5 文献标志码：A 文章编号：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，是尼什峡一沙川坝河段水电梯级开发规划的第l1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、抽水法等口]措施，而
较少采用小药量井中激震爆破辅助下沉法l2]，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
收稿日期：2014—00—00 修回日期：2014—00-00 网络出版时间：2014—08—27
网络出版地址：http：／／w、^rw．cnki．net／kcms／doi／10．13476／j．cnki．nsbdqk．2014．05．007．html
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51009104)；大学生创新创业训练计划国家级重点项目(201410610069)；大学生创新创业训练计划
省级重点项目(20131O61O174)
作者简介：田雨(1991一)，男，河北石家庄人，主要从事水利水电工程方面的学习和研究工作。E-mail：454301972@qq．com
通讯作者：李洪涛(1979一)，男，湖北仙桃人，副教授，硕士生导师，主要从事水利工程施工、工程爆破方面的研究。E-mail：htl@SCU．edu．cn
|试g≮ 簖 ．27．
越 瓣 d n1 峨 ‰
第12卷总第74期·南水北调与水利科技．2014年第5期
力减去空气中的原始压力P。(一般是标准大气压)，
即△P，一
P，一P。。空气冲击波的超压遵守爆炸相似律，即空气冲击
波阵面上的压力并不取决于装药的绝对尺寸和重量
， 而完全
取决于离爆炸地点的距离与装药半径的比值
、该炸药的比能
和周围空气的压力。有关TNT装药爆轰冲击波超压AP
，
及传播规律及其经验公式较多，本文采用文献[6—9]中的公．
式，其中R为计算超压值位置与爆炸点的距离(m)，
计算2
号岩石型乳化炸药不同用量情况下，R一11 m处(沉井壁)的
△Pf值。
小利的影响。
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LS-DYNA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
。
[=二 生—一 1 62(
粉土和块碎石土 1 61C
／鹕压井中心缎
／、 一一一j 一。 1l 56090
， 1 580
塑苎一 ——上 1 570
I 560
中洪积宙漂石砂卵砾石层 l 550
蓦
／-
岩分再线 I 54O
I 1 530
一 4．
导 扩挖 1 520
灰绿一探灰色绢英千枚岩 1 510
一
丝互垄堡鲤一一一 、 抗孔⋯一 l 500
§I壅蹙 压力管道 l 490
、 、 l l 480
{喧
图1 调压井结构和地质剖面
Fig．1 Structural diagram and geologic section of the s
urge shalt
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
击波跚。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 。
自由空气中的理想冲击波波形称为p￡曲线(图2)[
，
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ira后冲击波到达该位置，经过时间rfr后该位
置压力由P。突跃至最大值P，；波阵面通过后该位置压力迅
速下降，经过时间 (正压作用时间)压力经指数衰减到Pr
，
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P⋯
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。
图2 自由空气中理想冲击波波形
Fig．2 Ideal shock wave{orm in the free air
1·1．2 空气冲击波峰值超压计算公式的选取
空气冲击波峰值超压△P，是指冲击波波阵面上峰值压
· 28 · l试 l 竞
珏珏0撼R嘲衙0靠|- 瓤％ 辊露稿
分别取2号岩石型乳化炸药的用量为15
、30 kg、65
kg,75 kg、85 kg、100 kg，当量系数取0
． 7O8[1 ，则对应的
TNT质量为10．62 kg、21．24 kg、46． 02 、53． 1 k 、6o．18
、70·8 kg时，根据不同的计算公式取合适的计算范围，得
到的超压△P，值见图3。图3中W 为TNT炸药的质量
(kg)；△P，为空气冲击波超压峰值(kg／cinz)，即1Os Pa
l
1
I
1
堂
、’0
司n
0
0
— 一勃路德经验公式—÷一国防工程设计规范公式
0 20 40 60 80 100 12 O
kg
图3 各家公式得到超压值对比
Fig．3 Comparison of the overpressure va1ues
calculated by various fonnu1as
由图3可知，根据各公式计算得到超压AP，值增长趋势
相似，距离一定时，随炸药用量的增加，各公式得出的结果偏
差逐渐增大，萨道夫斯基公式偏高最大。针对本工程计算目
的以及实际工程状况，为保证较为安全的炸药用量确定
， 同
时考虑较为简化的影响因素，选取炸药用量较小而计算超压
值偏大的萨道夫斯基公式进行理论计算，公式如下：
根据材料力学相关知识Ⅲ 可知，圆柱形井简中侧壁受
力情况见图4。考虑其周向应力时，取井简中相距单位1的
两个横截面所夹的部分，再取通过轴线的平面将其切为两
半，其中下部分受力情况见图5。把气体和井筒闭连成一体
作为研究对象，则向下的作用力就是气压作用在长度为1
、宽
度为直径D的矩形上的力。作用在两条壁厚上的周向应力
构成了向上的作用力，则其力平衡式为
DP
一 (2)
式中： 为筒壁厚度。
当爆炸时产生的压力P足够大，使得井筒内壁上的应力
大于其抗拉强度 ]时，井壁就会发生破坏
。
I．2 实际工程的分析计算
喜儿沟水电站调压井顶面高程1 589．
O0 m，底面高程
1 524．O0 m，井筒总高度为65 m。沉井内直径为22． 0 m，井
⋯
R
，二 撕
理
蝴
一特
3 ¨
田 雨等·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
图4 井筒中存在内压示意图
Fig．4 Schematic diagram of pressure in the shaft
尸
图5 纵剖面受力示意图
Fig．5 Sc hematic diagram of force in the longitudinal profile
壁底节厚度1．6 1TI，向上每节井壁厚度1．5 m，外壁向内缩10
cm。井壁所用混凝土为C25型，由《公路钢筋混凝土及预应
力混凝土桥涵设计规范》可知，其抗拉强度标准值为1．78
MPa。以最安全方式考虑，设钢筋对增加井壁混凝土动态抗
拉强度系数为1，[ ]一1．78 MPa；即取井壁平均厚度 一
1．5 In，直径D一22 In，安全系数fs一1，故不使井壁发生受
拉破坏的理论计算超压值为2．4×10 Pa，以萨道夫斯基公
式计算得到可使用的2号岩石型乳化炸药最大用量为
171．13 kg。
2 数值模拟
LS-DYNA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
In。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L DYNA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。
LS0YLU
tlmf
炸
元测点
图6 模型示意图
Fig．6 Schematic diagram of the model
空气简化为无黏性理想气体，冲击波膨胀假设为等熵绝
热过程[ ]。以LS-DYNA 中的*MAT-NULI 材料模型和
*EOSyLINEAR-POI YNOMIAL方程模拟空气。*EOSLINEAR_
POLYNOMIAI 方程表达式为
声一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均为与气体性质有关的常数；ID、
、e。、y分别为气体的初始密度、密度、初始单位体积内能和
绝热指数。
空气材料的模型参数取值为：卢。一1．292 9×10 g／cm3，
一2．5× 10 Pa，y一1．4[ ’
。
2．1．2 炸药材料模型的相关参数
LS-DYNA程序可以直接模拟高能炸药的爆炸过程。炸
药材料采用高能炸药*MAT-HIGH —EXPLOSIVE-BURN
和*EOS-JWL状态方程描述，炸药与工程实际一致，为2号
岩石乳化炸药。模拟炸药爆轰过程中的压力和比容关系的
JWL状态方程如下：
P：A(1一 )e-R,V+B(1一 )e-R,V+ (7)
式中：A、B、 、Rz、 为材料常数；P为压力(Pa)；V为相对
体积；Eo为初始比内能(Pa)E14]。
2号岩石乳化炸药l1 ]相关参数见表1。
表1 2号岩石乳化炸药参数
Tab．1 Parameters of 2# rock emulsion explosive
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LS-DYNA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
试 2讲 l ．29．
∞ 4 a ％ A r r
第12卷总第74期·南水北调与水利科技·2014年第5期
表2 炸药模型尺寸及对应炸药量
Tab．2 Sizes of explosive models and
the corresponding quantities of explosive
组号
C
衅
m
径炸
／c
鳊
r／ ，l m 度 籀仁约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，作用于井壁后超压衰减过程由于受到井壁所施加的法向
约束影响，不同于在无限空间内的冲击波衰减规律，会有较
大的反弹趋势，且会产生反射叠加的效果，甚至超越第一个
峰值超压值，如5、6组。特别是6组中，叠加作用造成出现
最大超压值的时间为31．60 ms，超压值达到3．50×10 Pa。
表3 各组冲击波传到时间及第一峰值压力
Tab．3 Shock wave travel time and
the first peak value of overpressure
10 20 30 l0 20 30 40
时间／ms
0 l0 20 30 40
时间／ms
图7 各组单元测点压力过程线
Fig．7 The pressure hydrograph of unit measuring points in each group
冲击波是一种压缩应力波，虽然其强度低于混凝土的抗 部“放空炮”爆炸助沉时，根据图9数值模拟曲线，为防止超
压强度，不能直接压碎混凝土，但其超压应力值可引起混凝 压达到混凝抗拉强度标准值，使混凝土井壁发生破坏，在保
土层产生径向扩张和切向拉伸应变 l6¨。因此，冲击波超压 证沉井施工及运用安全的条件下，所用的2号岩石乳化炸药
传到井壁处会使其发生径向的位移，进而改变井周摩阻力大
小，促使沉井下沉。
2．2．2 典型冲击波传播过程
根据实际工程，以C25混凝土抗拉强度标准值进行验
算，数值模拟的第4组第一峰值压力△P，是2．42×10 Pa>
2．40×10 Pa(不使井壁发生受拉破坏的理论计算的最大超
压值)，结果较为接近，其典型冲击波传播过程见图8。
由图8可以看出，冲击波以球形波形式进行传播，超压
峰值随冲击波传到而沿井壁向上扩展，并有逐渐减小趋势。
因此，第4组数值模拟整个过程中，超压最大值即为第一次
接触井壁时峰值。
3 冲击波超压理论值与数值模拟值对比分析
由数值模拟结果绘制炸药用量w一峰值压力△P，曲线，
与理论计算所的曲线对比(图9)发现，数值模拟结果普遍高
于理论计算值，且药量越大，二者相差越多。假设在沉井中
． 30． “ 竞 t
最大药量不得超过74．87 ，小于以萨道夫斯基公式计算得
到的171．13 kg。
喜儿沟水电站工程中，爆炸助沉法所用的炸药量为4节
≯32药卷捆绑，共计800 g。对该炸药量进行数值模拟，得到
的井壁处压力过程线见图1O，传到时间T一28．80 ms，超压
值为0．122×10 Pa。实际工程中炸药用量远小于74．87 kg，
是因为实际工程地质条件等各不相同，且爆破的过程是瞬时
而复杂的，爆破的结果受多种因素综合影响，数值模拟时考
虑的影响因素不够全面，故在类似实际指导中需综合考虑确
定炸药用量。
4 结语
喜儿沟水电站调压井施工过程中采用了“爆炸助沉法”
的措施很好的解决了沉井停沉受阻的问题，提高了施工效
率。从受拉破坏角度考虑，通过数值模拟，提出最多可使用
炸药量为74．87 kg，因此喜儿沟水电站调压井工程中采取的
“小药量激震爆破辅助下沉”的方法不会使井壁发生破坏，可
” ：暑
l，R
田 雨等·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
0 20 4O 60 80 lO0 120
W／kg
图9 数值模拟与理论计算对比曲线
Fig．9 Comparison of pressures obtained from
【】umerical sinmlation and theoretical calculation
f1‘J(J
^一一———^ 一～ “ ：一—
元素
A3862
A
(J
时间／ms
图10 实际工程对应压力过程线
Fig．1 0 l'he corresponding pressure hydrograph
in practical engineering
以保证施工安全。
由于理沦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Ⅱ向。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。
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