【摘要】：
國內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，其特殊的地質條件使得特高陡邊坡的開挖爆破技術研究和爆破對邊坡穩定性影響研究成為我國水電建設中的嶄新課題。特高陡邊坡開挖量大，高度高、坡度陡，施工布置困難，且邊坡永久支護工作隨開挖臺階同步下降，爆破與支護相互干擾。為了加快施工進度，必須采取大區深孔臺階爆破方法、微差順序起爆網絡，輪廓采用光面和預裂爆破技術，單次爆破規模很大，爆破持續時間長，循環次數比較多，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、工程地質力學、爆炸力學及巖石動力學、施工管理等多個學科領域，屬于多學科交叉的邊沿課題，具有重要的學術意義；而與其相關的工程技術問題也是我國大西南高山峽谷地區大型水電站建設中急需解決的關鍵技術問題，因此，該問題的研究也具有重要的工程應用意義。本文以坡高697m(國內水電站第一高邊坡)的小灣水電站高邊坡為背景工程，結合現場開挖爆破試驗，探討了爆破振動的監測和分析技術，研究了高陡邊坡快速開挖爆破技術，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定性的影響規律和抑制方法，提出了邊坡開挖爆破振動災害的控制措施，并進行了實踐驗證。研究取得如下成果：
(1)特高陡邊坡快速開挖爆破技術研究。在評介目前巖石開挖中常見的洞室爆破技術、藥壺爆破技術、深孔臺階爆破技術、預裂和光面爆破技術、洞室加預裂爆破技術的基礎上，通過分析比較，提出了采用深孔臺階與預裂和光面爆破相結合的邊坡開挖爆破方式，并對這種開挖爆破方式進行了優化：提出了采用控制起爆排數，對一次爆破總藥量進行優化設計的新概念；提出了對爆破參數進行優化設計，以保證可控爆破參數與起爆時差相匹配的新思路和新方法，減小了連續多次爆破對邊坡的累積損傷破壞。
(2)爆破振動災害的監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狀分析，提出了
邊坡監測應當以上一臺階坡腳為控制位置，近區和遠區相結合的監測方式。在分析手段上，采用以質點振動速度為主，質點振動加速度和持續時間為輔的組合分析方法，采用改進的薩道夫斯基公式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律，采用衰減規律公式對預裂的隔振效果進行了研究，得到預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律對后續開挖爆破進行了預報和控制。這些都為同類問題的研究奠定了基礎。
(3)爆破開挖損傷破壞效應的數值模擬研究。采用ANSYS／LS-DYNA程序分別對小灣水電站高邊坡近區和中遠區的爆破損傷破壞規律和破壞范圍進行了模擬計算，比較了不同臺階高度、不同藥量時，爆破振動的不同效應，并分析總結了位移、應變、損傷物理量的時程、空間分布等計算結果與實測結果的差異，通過對計算結果與實測結果的比較，提出了修正計算結果的折減系數，為預測試驗結果提供了參考和依據。
(4)邊坡爆破動力穩定分析與評價研究。結合時程分析法，采用主應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定性，得到邊坡爆破振動穩定安全系數隨時間的變化規律，反映了邊坡穩定性在爆破過程中的演變過程，為爆破設計的完善和優化提供了條件。分析結果表明：爆破振動對巖石高邊坡動力穩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定性。根據動、靜應力場確定滑移面S，采用可能滑移面S的抗剪強度比值法評價了邊坡的穩定性，得出在爆破荷載作用下，邊坡的穩定安全系數均大于1，是安全的。
(5)爆破振動災害的控制方法和技術研究。在試驗和理論分析的基礎上，提出降振應該從爆源、傳播途徑以及保護物的響應三個方面考慮。提出了通過合理優化爆破參數和起爆網絡以控制爆源，以及采用預裂縫或者減振孔以切斷爆炸應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筑物抗振能力。這種綜合性的爆破振動災害控制方法和技術得到了有效的檢驗。
本文理論研究和工程實踐緊密結合，改進和發展了特高陡邊坡的爆破開挖方法和技術，分析了高邊坡開挖爆破對邊坡穩定性的影響規律并提出了抑制方法，提出了高邊坡開挖爆破中振動災害控制技術和措施，文中所發展的學術思想和方法為同類問題的研究提供了可供借鑒的基礎，所提出的方法和技術對類似的高邊坡開挖有直接的參考作用。
【關鍵詞】：特高陡邊坡 開挖爆破 振動災害 損傷破壞 穩定性 控制 【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：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 國內外研究概況和發展趨勢12-21
- 1.3 本文的工程背景21
- 1.4 研究的主要內容21-23
- 第2章 爆破振動監測與分析23-39
- 2.1 爆破有害效應簡述23-24
- 2.2 爆破振動監測和測試24-27
- 2.3 邊坡的爆破安全控制標準27-31
- 2.4 邊坡的爆破振動傳播規律31-38
- 2.5 本章小結38-39
- 第3章 爆破近區損傷破壞規律39-54
- 3.1 近區作用簡述39-40
- 3.2 計算程序40
- 3.3 巖石爆破損傷模型40-43
- 3.4 數值模擬和分析43-52
- 3.5 本章小結52-54
- 第4章 邊坡爆破動力穩定分析與評價54-82
- 4.1 研究方法54-55
- 4.2 邊坡穩定性條件55-57
- 4.3 計算模型及參數57-63
- 4.4 結構自振特性及阻尼63-66
- 4.5 動力計算66-72
- 4.6 靜力計算72-75
- 4.7 動靜疊加應力及其分布75-79
- 4.8 邊坡穩定計算結果79-80
- 4.9 本章小結80-82
- 第5章 高陡邊坡開挖爆破技術82-96
- 5.1 邊坡開挖爆破技術簡述82-83
- 5.2 爆破方案及參數的確定方法83
- 5.3 預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 起爆網絡試驗成果分析90-95
- 5.6 本章小結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 基于最大拉應力準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測101-105
- 6.5 與聲波測試成果的對比105
- 6.6 本章小結105-107
- 第7章 高邊坡開挖方案比較與優化107-125
- 7.1 預裂、光爆技術及預裂縫隔震機理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果123-124
- 7.5 本章小結124-125
- 第8章 結論125-127
- 參考文獻127-132
- 附錄(一):攻讀博士學位期間發表的學術論文132-133
- 附錄(二):主持參與的科研項目和獲獎及專利情況133
