评估勘探爆破对大堤安全性影响的方法与流程

1.本发明涉及大堤安全影响评估，具体涉及一种评估勘探爆破对大堤安全性影响的方法。


背景技术：

2.为了保证河流下游堤防安全，如若在堤防附近进行勘探爆破作业，有必要评估勘探爆破对邻近堤防安全的影响，确保河流长治久安。现阶段，国内外普遍以质点峰值振动速度作为爆破振动控制的判据。然而，现有《爆破安全规程》(gb6722-2014)和《水电水利工程爆破施工技术规范》(dl/t5135-2013)尚未对堤防工程形成爆破安全振速控制标准，同时张正宇等国内学者关于水工建筑物、结构物、设备安全允许质点振动速度的相关研究也未涉及到堤防工程。
3.杨天生、何利华、蒋学武、胡海英、杨玉银和孙庆国等国内学者均分析研究了勘探爆破对邻近大堤安全的影响，但上述勘探爆破对堤防的相关研究均是基于监测资料分析，也即是基于勘探爆破事中监测数据，事后对堤防安全进行分析，未事前对堤防安全进行预判，一旦事中勘探爆破对堤防安全造成影响，后果不堪设想。
4.综上所述，针对勘探爆破对堤防安全影响分析问题，大部分研究成果均是基于监测资料分析，也即是基于勘探爆破事中监测数据，事后对堤防安全进行分析，未事前对堤防安全性进行预判。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明的目的是提供一种评估勘探爆破对大堤安全性影响的方法，解决现有方法不能提前预判勘探爆破对大堤安全性影响的问题。
6.技术方案：本发明所述的评估勘探爆破对大堤安全性影响的方法，包括以下步骤：
7.(1)根据大堤勘探爆破监测数据确定大堤爆破振动速度控制阈值；
8.(2)根据待评估大堤的结构尺寸，建立爆破振动三维动力有限元模型和典型堤段二维有限元模型；
9.(3)基于adina有限元分析软件，输入预设的材料参数、边界条件以及爆破荷载，对步骤(2)中所建立的爆破振动三维动力有限元模型进行爆破振动响应计算，得到爆破振动传播规律云图以及爆破荷载作用下大堤堤脚处动力响应时程曲线；
10.(4)根据步骤(3)中得到堤脚处动力响应时程曲线确定堤脚处振动速度最大值，将堤脚处振动速度最大值与步骤(1)得到大堤爆破振动速度控制阈值比对，根据比对结果判定勘探爆破对堤防工程安全是否有影响；
11.(5)根据步骤(4)的判定结果，基于geostudio有限元分析软件，将爆破荷载等效为地震荷载，对步骤(2)中所建立典型堤段二维有限元模型进行边坡稳定计算，得到爆破荷载作用下堤防抗滑稳定安全系数，根据爆破荷载作用下堤防抗滑稳定安全系数进一步判定勘探爆破对大堤的影响是否满足安全需求。
12.本发明中先根据堤脚处振动速度最大值与大堤爆破振动速度控制阈值比对判定是否对安全性有影响，判定结果无影响的情况下，再将爆破荷载等效为地震荷载计算抗滑稳定安全系数，根据抗滑稳定安全系数进行二次判定，保证判定结果的准确性。
13.其中，所述步骤(2)中爆破振动三维动力有限元模型模型采用均匀六面体网格，炸药位置处附近网格局部加密，炸药位置以外网格尺寸放大；
14.典型堤段二维有限元模型模型包括堤基和堤身，模型范围以两侧堤脚处为起点，分别向外和向下延伸3倍堤身高度，采用均匀四边形网格。
15.所述步骤(3)中模型除顶面外均施加无反射边界以模拟无限地层；选用弹性材料进行计算，以软岩为传播介质进行模拟；爆破荷载作用于炮孔壁上的初始平均爆轰压力为：
[0016][0017]
式中p0为炸药的爆轰压力；ρ0、d分别为炸药的密度和爆轰速度；k为等熵指数。
[0018]
另外，爆破升压时间为1ms，卸载时间为5ms；大堤堤脚处动力响应时程曲线为振动速度和振动加速度时程曲线，绘制的曲线以爆破荷载历时为横轴，以振动速度或振动加速度响应为纵轴。
[0019]
所述步骤(4)中若步骤(3)中计算得到的堤脚处振动速度最大值小于步骤(1)中的振动速度控制阈值，则认为勘探爆破对堤防工程安全基本无影响；否则，认为勘探爆破影响堤防工程安全。
[0020]
所述步骤(5)中仅考虑横河向地震作用，将步骤(3)中计算得到的堤脚处振动加速度最大值等效为地震荷载，对堤防抗滑稳定进行计算，若计算得到的抗滑稳定安全系数大于规范规定的最小值，则更进一步说明勘探爆破不影响堤防稳定。
[0021]
地震荷载作用下堤防抗滑稳定安全系数计算公式如下：
[0022][0023]
式中：w为土条重量；q为水平向地震惯性力；μ为作用于土条底面的孔隙压力；a为条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角；b为土条宽度；c
′
为土条底面的有效凝聚力；为有效内摩擦角；mc为水平地震惯性力对圆心的力矩；r为圆弧半径。
[0024]
有益效果：
[0025]
本发明在大量堤防工程勘探爆破监测数据基础上，提出了黄河大堤堤脚处最大安全振动速度控制阈值，并基于有限元数值模拟技术，对大堤爆破振动响应进行了分析，结合计算结果，从堤脚处振动速度、堤身和堤基液化程度、堤身边坡稳定等方面出发，建立了勘探爆破对黄河大堤安全影响分析方法，可以提前评价勘探爆破对黄河大堤安全影响。本发明较为准确和科学地反映出黄河大堤堤脚处爆破荷载作用下的动力响应，可为同类勘探爆破对大堤安全影响分析提供强力的依据和参考。
附图说明
[0026]
图1是勘探爆破激发点与黄河下游左岸堤防位置关系示意图；
[0027]
图2是勘探爆破动力响应分析三维有限元模型；
[0028]
图3是单孔激发爆破荷载时程曲线；
[0029]
图4是单孔激发爆破加载情况；
[0030]
图5是工况1下10ms地表振动速度分布云图
[0031]
图6是工况1下15ms地表振动速度分布云图；
[0032]
图7是工况1下20ms地表振动速度分布云图；
[0033]
图8是工况1大堤坡脚处x向振动速度时程曲线；
[0034]
图9是工况1大堤坡脚处y向振动速度时程曲线；
[0035]
图10是工况1大堤坡脚处z向振动速度时程曲线；
[0036]
图11是36+200桩号典型断面示意图；
[0037]
图12是36+200桩号典型断面处有限元模型；
[0038]
图13是工况1大堤坡脚处x向(横河向)振动加速度时程曲线；
[0039]
图14是正常运行工况(无爆破荷载作用)下典型断面临河侧抗滑稳定计算结果；
[0040]
图15是正常运行+工况1爆破荷载作用下典型断面临河侧抗滑稳定计算结果。
具体实施方式
[0041]
下面结合附图和具体实例对本发明进行进一步说明。
[0042]
本实施例中地质勘探爆破涉及大堤区域主要为黄河下游左岸堤防，起止桩号为26+200至46+700，其中，以堤防堤脚位置或淤背区边界位置为起算距离，向外100m以内不布设炮点，具体如图1所示。
[0043]
工程实践表明，建(构)筑物因爆破振动而造成的破坏与质点峰值振动速度具有良好的相关性，因此国内外普遍以质点峰值振动速度作为爆破振动控制的判据。然而，现有《爆破安全规程》(gb6722-2014)和《水电水利工程爆破施工技术规范》(dl/t5135-2013)尚未对堤防工程形成爆破安全振速控制标准，同时张正宇等国内学者关于水工建筑物、结构物、设备安全允许质点振动速度的相关研究也未涉及到堤防工程。为了更科学合理地评价本次石油勘探爆破对邻近黄河大堤影响，检索了大量国内关于堤防工程爆破安全振速控制的相关研究。表1列举了近年来研究中类似工程的爆破安全振速控制标准。
[0044]
表1研究文献中类似工程的爆破安全振速控制标准
[0045][0046]
参考《爆破安全规程》(gb6722-2014)、《水电水利工程爆破施工技术规范》(dl/t5135-2013)中相关土质结构物的爆破振动安全允许标准，在大量黄河堤防工程勘探爆破监测数据基础上，充分考虑黄河堤防的重要性与实际现状，为确保堤防工程的绝对安全，本发明提出了黄河大堤堤脚处最大安全振动速度控制阈值，即黄河大堤堤脚处最大安全振动速度控制阈值为1.0cm/s。
[0047]
根据某洼陷带三维地震勘探项目爆破施工规划，选取表2所示工况作为典型计算工况，计算工况包含地震勘探项目爆破施工规划中最危险工况。
[0048]
表2各计算工况爆破参数表
[0049][0050]
根据爆破应力波的传播衰减理论，随着距爆源距离增加，爆破应力波逐渐衰减，质点的爆破振动速度也越来越小。在距离不变情况下，爆破炸药量越大，质点爆破振动速度也就越大。
[0051]
为研究地震勘探爆破施工对黄河大堤的影响情况，根据前述罗列计算工况，建立不同工况下单孔激发爆破模型，模拟不同工况下单孔激发爆破对既有大堤的影响过程。典型三维模型如图2所示。模型以垂直于黄河大堤线路方向为x轴，平行黄河大堤线路方向为y轴，竖直方向为z轴，模型长宽根据工况不同结合边界效应影响分别确定为210m与410m，深度方向分别为25m、35m和45m。建模过程中为减少网格形状及尺寸对计算结果的影响，采用均匀六面体网格，不同工况下网格数量分布在130万到190万网格之间；炮孔直径为75mm。
[0052]
由于本实施例中关注的保护对象均距离爆源很远，同时考虑到爆破振动随着岩体
质量的变差衰减速率显著提高，而且在土质介质中爆破振动衰减速率更快。参考设计资料及已有相关研究成果，为安全起见，本次以软岩为传播介质进行模拟，若基于软岩的计算结果能满足安全要求，则基于土质介质的计算结果更能满足工程安全需求。其中，软岩选取表3所示材料物理力学参数。
[0053]
表3材料物理力学参数
[0054][0055]
为减少边界效应对计算结果的影响，模型除顶面外均施加无反射边界，以模拟无限地层的效果。计算完成后选取距爆源100m、200m位置的测点观察质点峰值振动速度，对地震勘探爆破振动响应进行分析。另外，对于爆炸荷载，根据凝聚炸药爆轰波的c-j理论，耦合装药条件下炮孔壁上的初始平均爆轰压力为：
[0056][0057]
式中p0为炸药的爆轰压力；ρ0、d分别为炸药的密度和爆轰速度；k为等熵指数。
[0058]
本次勘探爆破相关参数如下：激发孔孔内装药4.0kg与6.0kg，炸药密度1300kg/m3，炸药爆速4500m/s，装药直径45mm，炮孔直径75mm，对应的装药长度分别为2.0m与3.0m，计算得爆破荷载峰值为0.154gpa。
[0059]
根据三角型爆破荷载变化时程曲线理论，爆破荷载采用三角形荷载，考虑到爆炸荷载的短时强加载特性，根据相关文献，取爆破升压时间为1ms，卸载时间为5ms，爆炸荷载时程曲线如图3所示。
[0060]
某洼陷带三维地震勘探爆破荷载的施加部位如图4所示。本节将通过数值模拟的方法，分析地震勘探爆破荷载作用下黄河大堤的振动响应。以工况1为例，图5至图7分别给出了该工况下10ms、15ms和20ms时地表爆破振动传播规律云图。由图可知，爆破后爆破振动波由激发孔底部装药位置在岩体中向周边传播衰减，传播到地表黄河大堤处时，已衰减至很小。
[0061]
另外，同样以工况1为例，图8至图10为黄河大堤坡脚位置处不同方向振动速度时程曲线图。表4为不同工况下黄河大堤坡脚位置处的振速峰值。
[0062]
表4不同工况爆破振动荷载作用下黄河大堤坡脚处振速峰值
[0063][0064]
由图8至图10及表4给出的地震勘探爆破爆炸荷载作用下黄河大堤的三维动力有限元结果，可以得到：
①
爆破振动波由激发孔底部装药位置在岩体中向周边传播衰减，传播到地表黄河大堤处时，已衰减至很小；
②
在典型爆破振动荷载作用下，不同工况的最大质点
峰值振动速度为0.514cm/s，峰值振动速度随爆心距的增大逐渐减小。
[0065]
另外，爆破振动在传播过程中的衰减规律符合萨道夫斯基衰减经验公式：
[0066][0067]
式中：r为爆破地点至被保护对象的距离；q为炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大一段药量；v为保护对象所在地质点振动安全允许速度；k、α为与爆破点至保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数，应通过现场试验确定。
[0068]
工程实践中，若未进行爆破振动试验、取得振动观测值时，通常采用经验公式和工程类比的方法确定k，α的取值。根据《爆破安全规程》(gb6722-2014)推荐爆区不同岩性的k、α值见表5。
[0069]
表5爆区不同岩性的k，α值
[0070][0071]
某洼陷带三维地震勘探项目处于黄河冲积平原，现场为软土地质，结合类似工程评估原则及不同工程地质条件下爆破振动衰减速率的演变规律，为安全起见，本次同样以软岩为传播介质进行模拟，若基于软岩的计算结果能满足安全要求，则基于土质介质的计算结果更能满足工程安全需求。本工程中的爆破参数采用k取250，α取1.8。爆破振动速度验算结果详见表6：
[0072]
表6爆破振动对被保护目标的安全验算
[0073][0074]
以工况1为例，可以看出萨道夫斯基衰减经验公式得到的爆破振动速度最大值为0.47cm/s，与基于有限元数值模拟技术得到的爆破振动速度最大值0.514cm/s基本一致，这从一定程度上证明了本次数值模拟的正确性。
[0075]
另外，模拟结果表明在单响药量为4kg和6kg的爆破荷载作用下，黄河大堤坡脚处最大峰值振速为0.514cm/s。基于前述黄河大堤的振动安全控制标准可知，地震勘探深孔爆破荷载对黄河大堤等保护对象安全的影响不大，不会威胁到其安全运行。
[0076]
同时，根据经验公式及三维动力有限元计算可得地震勘探爆破诱发的峰值质点振速传播到黄河大堤时的振动速度最大值分别为0.47cm/s和0.514cm/s，均远小于地震烈度6度时规定的地表振动速度(5cm/s～9cm/s)。当地震烈度小于6度时，堤身和堤基可判为不液化。
[0077]
最后，为了安全起见，本次拟基于geostudio有限元分析软件，将爆破荷载等效为
地震荷载对堤防工程进行安全评估。需要指出的是，由于爆破振动的持续时间比天然地震时间短，频率比天然地震高，在相同的峰值加速度下，爆破振动对堤防安全性能影响较天然地震偏低。因此，本文采用爆破荷载等效为地震荷载的方式对黄河大堤进行安全评估是偏安全的。
[0078]
本次地质勘探爆破涉及大堤区域主要为黄河下游左岸堤防，起止桩号为26+200至46+700。本次以36+200桩号断面为典型断面，分析爆破荷载所产生的峰值加速度对该断面堤防安全性能的影响。36+200桩号断面堤防堤顶宽度8m，堤身高度8m，上下游坡比均为1:3，堤顶高程71.0m(黄海高程系，下同)，临河侧和背河测地面高程为63.0m。根据36+200桩号断面工程地质横剖面图，建立了该断面几何模型，具体如图11所示。
[0079]
基于geostudio有限元分析软件，对36+200桩号断面型进行了剖分，具体如图12所示，其中，36+200桩号断面模型节点数为16178，单元数为15811，x方向横河向方向，且x正向指向临河侧。
[0080]
36+200桩号断面材料参数如表8.2-2所示。另外，36+200桩号附近大堤均位于滩地上，现阶段两侧边坡无水。
[0081]
表7 36+200桩号断面大堤材料参数
[0082][0083]
《水工建筑物抗震设计标准》(gb51247 2018)中第5.1.1条指出“除渡槽外的水工建筑物可只考虑水平向地震作用”，堤防工程类似于土石坝工程，计算过程中可只考虑横河向地震作用。
[0084]
基于数值模拟计算结果，以工况1位例，图13给出了工况1下黄河大堤坡脚位置处横河向加速度振动曲线图。需要指出，本发明是基于最不利工况虚拟进行考虑，将爆破荷载直接等效为地震荷载对堤防工程边坡稳定进行计算分析，如若该情况下堤防边坡稳定满足安全要求，则不同工况下爆破所产生的荷载也不会对堤防边坡稳定造成影响。事实上，尽管在工况1下堤脚处横河向峰值加速度为0.214g，相当于viii地震烈度所对应的峰值加速度，如上所述，一方面，建筑物因爆破振动而造成的破坏与质点峰值振动速度具有良好的相关性，另一方面，根据经验公式及三维动力有限元计算可得地震勘探爆破诱发的峰值质点振速传播到黄河大堤时的振动速度最大值分别为0.47cm/s和0.514cm/s，均远小于地震烈度6度时规定的地表振动速度(5cm/s～9cm/s)。因此，对于堤防本身而言，距离堤防100m处埋深30m的4kg炸药爆破所产生的能量远小于vi度地震所产生的能量，更与viii度地震所产生的能量无法相提并论。
[0085]
地震荷载作用下堤防抗滑稳定安全系数计算公式如下：
[0086][0087]
式中：w为土条重量；q为水平向地震惯性力；μ为作用于土条底面的孔隙压力；a为
条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角；b为土条宽度；c
′
为土条底面的有效凝聚力；为有效内摩擦角；mc为水平地震惯性力对圆心的力矩；r为圆弧半径。
[0088]
基于表7中计算参数，采用上式计算方法，对36+200桩号处典型断面进行了抗滑稳定分析。需要指出的是，若爆破点位于背水侧，则此时爆破冲击荷载对临水侧边坡稳定最不利；反之，如果爆破点位于临水侧，此时爆破冲击荷载对背水侧边坡稳定最不利。本次以临水侧边坡为例，分别对不同工况下边坡稳定进行了计算。以工况1为例(最不利工况)，图1至图2分别给出了正常运行工况(无爆破荷载作用)和工况1下典型断面临河侧抗滑稳定计算结果。
[0089]
由图可知，对于36+200桩号典型断面，各工况下临河侧抗滑稳定安全系数均大于《堤防工程设计规范》(gb50286-2013)规定的允许值(允许值为1.10，黄河下游堤防为1级堤防，根据《堤防工程设计规范》(gb50286-2013)中表3.2.3可知，基于瑞典圆弧法的非常运用条件ii下最小抗滑稳定安全系数为1.10)，满足安全需求。

技术特征：
1.一种评估勘探爆破对大堤安全性影响的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据大堤勘探爆破监测数据确定大堤爆破振动速度控制阈值；(2)根据待评估大堤的结构尺寸，建立爆破振动三维动力有限元模型和典型堤段二维有限元模型；(3)基于adina有限元分析软件，输入预设的材料参数、边界条件以及爆破荷载，对步骤(2)中所建立的爆破振动三维动力有限元模型进行爆破振动响应计算，得到爆破振动传播规律云图以及爆破荷载作用下大堤堤脚处动力响应时程曲线；(4)根据步骤(3)中得到堤脚处动力响应时程曲线确定堤脚处振动速度最大值，将堤脚处振动速度最大值与步骤(1)得到大堤爆破振动速度控制阈值比对，根据比对结果判定勘探爆破对堤防工程安全是否有影响；(5)根据步骤(4)的判定结果，基于geostudio有限元分析软件，将爆破荷载等效为地震荷载，对步骤(2)中所建立典型堤段二维有限元模型进行边坡稳定计算，得到爆破荷载作用下堤防抗滑稳定安全系数，根据爆破荷载作用下堤防抗滑稳定安全系数进一步判定勘探爆破对大堤的影响是否满足安全需求。2.根据权利要求1所述的评估勘探爆破对大堤安全性影响的方法，其特征在于，所述步骤(2)中爆破振动三维动力有限元模型模型采用均匀六面体网格，炸药位置处附近网格局部加密，炸药位置以外网格尺寸放大；典型堤段二维有限元模型模型包括堤基和堤身，模型范围以两侧堤脚处为起点，分别向外和向下延伸3倍堤身高度，采用均匀四边形网格。3.根据权利要求1所述的评估勘探爆破对大堤安全性影响的方法，其特征在于，所述步骤(3)中模型除顶面外均施加无反射边界以模拟无限地层；选用弹性材料进行计算，以软岩为传播介质进行模拟；爆破荷载作用于炮孔壁上的初始平均爆轰压力为：式中p0为炸药的爆轰压力；ρ0、d分别为炸药的密度和爆轰速度；k为等熵指数。另外，爆破升压时间为1ms，卸载时间为5ms；大堤堤脚处动力响应时程曲线为振动速度和振动加速度时程曲线，绘制的曲线以爆破荷载历时为横轴，以振动速度或振动加速度响应为纵轴。4.根据权利要求1所述的评估勘探爆破对大堤安全性影响的方法，其特征在于，所述步骤(4)中若步骤(3)中计算得到的堤脚处振动速度最大值小于步骤(1)中的振动速度控制阈值，则认为勘探爆破对堤防工程安全基本无影响；否则，认为勘探爆破影响堤防工程安全。5.根据权利要求1所述的评估勘探爆破对大堤安全性影响的方法，其特征在于，所述步骤(5)中仅考虑横河向地震作用，将步骤(3)中计算得到的堤脚处振动加速度最大值等效为地震荷载，对堤防抗滑稳定进行计算，若计算得到的抗滑稳定安全系数大于规范规定的最小值，则更进一步说明勘探爆破不影响堤防稳定，地震荷载作用下堤防抗滑稳定安全系数计算公式如下：式中：w为土条重量；q为水平向地震惯性力；μ为作用于土条底面的孔隙压力；a为条块
重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角；b为土条宽度；c
′
为土条底面的有效凝聚力；为有效内摩擦角；m
c
为水平地震惯性力对圆心的力矩；r为圆弧半径。

技术总结
本发明公开了一种评估勘探爆破对大堤安全性影响的方法，在大量堤防工程勘探爆破监测数据基础上，提出了大堤堤脚处最大安全振动速度控制阈值，并基于有限元数值模拟技术，对大堤爆破振动响应进行了分析，结合计算结果，从堤脚处振动速度、堤身和堤基液化程度、堤身边坡稳定等方面出发，建立了勘探爆破对大堤安全影响分析方法。建立了勘探爆破对黄河大堤安全影响分析方法，可以提前评价勘探爆破对黄河大堤安全影响。本发明较为准确和科学地反映出黄河大堤堤脚处爆破荷载作用下的动力响应，可为同类勘探爆破对大堤安全影响分析提供强力的依据和参考。依据和参考。依据和参考。


技术研发人员：宋力 赵寿刚 郭博文 王世忠 李桐 高玉琴 范冰 鲁立三 刘忠 常芳芳 张凯 李娜 崔姗姗 余元宝 杨志刚 校永志 汪德华 查阳光 连军航
受保护的技术使用者：黄河水利委员会黄河水利科学研究院
技术研发日：2023.04.23
技术公布日：2023/7/22