用于水电工程的堆石料爆破级配预测方法

摘要

本发明公开了一种用于水电工程的堆石料爆破级配预测方法，包括根据工程具体阶段和现场条件，采用适当的节理调查方法或手段，获得节理的位置和方位信息；现场拾取岩样，制成满足霍普金森压杆试验要求的试件，通过室内静力学和霍普金森压杆试验测得岩石的参数；选择合适的岩石和炸药模型以及模拟工具，对实测岩石参数进行处理得到模拟参数，然后进行爆破裂纹模拟得到裂纹开展的范围和数量；根据现场调查得到的岩体原生节理信息和爆破裂纹扩展成果，建立爆后节理岩体模型；根据爆后节理岩体的数据计算得到爆破级配。本发明方法中采用的设备和处理方式简单，方便工程现场应用，便于随着软硬件的改变进行优化。

说明书

技术领域

本发明涉及水电工程的堆石料爆破领域，特别涉及一种用于水电工程的堆石料爆破级配预测方法。

背景技术

水电工程，特别是堆石坝工程建设，需要开采大量石料。目前，大规模开采石料一般都是采用爆破方式。水电工程中拦河大坝采用的石料有特殊要求，为了保证石料填筑以后的防渗效果，需要尽量减小孔隙率，这就要求上坝的石料满足一定的均匀性要求，即级配要求。在实际工程中，为了能降低时间和经济成本，爆破开采的石料能达到上坝的标准是最理想的情况，也是爆破设计者所追求的目标。

但是爆破开采施工的影响因素很多，爆破结果很难预测，爆破设计的经验性很强。在高山峡谷地区，水电站挡水建筑物在选型时一般会优先考虑土石坝，特别是大中型水电工程，如长河坝、猴子岩、两河口水电站工程都选择了土石坝。土石坝又称当地材料坝，是由土料、石料等当地材料建成的一种经济型坝，是历史最为悠久的一种坝型，同时也是世界坝工建设中应用最为广泛和发展最快的一种重要坝型。土石坝主要包括均质坝、心墙坝和混凝土面板坝等。因为堆石坝对堆石料等填筑料的需求量很大，因此如何更方便、经济地获得坝体填筑料在土石坝工程中显得十分重要。

绝大多数土石坝工程中筑坝材料的获取途径都是爆破开采，特别是在高山峡谷地区，交通不便，采用爆破大规模开采得到土石料，且由于居民少，爆破开采的制约条件也少得多。一般土石坝料场开采爆破参数的确定首先是根据料场地质情况和爆破设计人员经验初步选取，然后进行爆破试验不断调整参数，直至爆后坝料级配符合设计级配曲线。但是由于地质条件越来越复杂，岩体结构面、节理裂隙等薄弱带也变得错综复杂，爆破效果往往很难达到设计的预期，炸药单耗也很难凭借以往的经验来把握，导致有些工程爆破设计时采的单耗偏低，实际爆破效果差，土石料级配和块度达不到设计要求，不得不用机器重新破碎，这样不仅浪费了时间，无法保证工期，而且成本控制也很难。

国内一些水电工程也有因为设计选择的料场无法开采出合适的坝料而不得不更换或变更的情况，如跷碛和水牛家工程曾更改过料场，长河坝工程则因过度料开采实际单耗过高进行过合同变更，这种情况会增加大量的试验成本和时间成本，极大的影响工程总成本和工期，甚至工程可行性。因而，借助合适的理论和方法对待爆破岩体进行分析，预测其爆后级配，具有重大的现实意义。

仅针对个别指标进行预测的KUZ-RAM模型，这种方法预测成果单一，只能与实际爆破后的成果进行对比，并给出一个大体指导，并不能依托经验，且应用范围不够广；对于张继春教授较为系统的研究，其能够得到爆破级配曲线，但该研究还是一个逆向推理与验证的过程，并没有提出一个在没有实际爆破情况下的完整可用的预测过程。并且该研究在各个部分都应用了分形理论，不利于该方法的优化和提升。可见，现有技术采用的方法都不够系统，应用性不强，与水电工程的要求对接不够，可优化性不强。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于水电工程的堆石料爆破级配预测方法，通过预测岩体在特定爆破参数下的级配，减少调整爆破参数的时间的成本。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种用于水电工程的堆石料爆破级配预测方法，包括以下步骤：

步骤1：根据工程阶段和现场条件，获得节理的位置信息和方位信息；若山体已开挖，存在外露节理的情况，采用测量工具测量节理的实际位置和方位；若山体还未开挖，没有节理外露的情况，采用岩体完整性评价方法对节理进行预测；

步骤2：现场拾取岩样，制成满足霍普金森压杆试验要求的试件，通过室内静力学和霍普金森压杆试验测得岩石参数；

步骤3：采用塑性随动材料模型作为岩体材料模型，采用ANSYS/LS-DYNA软件作为模拟工具，并采用公用节点模型算法、耦合模型算法和等效荷载算法三种模拟方法分别进行爆破裂纹扩展模拟，进而综合三种模拟方法得到的结果分析出最佳的爆破裂纹扩展的范围和数量；

步骤4：根据现场调查得到的岩体原生节理的位置信息和方位信息，以及爆破裂纹扩展成果，采用ANSYS建立爆破后节理岩体模型；并假设所有节理均在爆破作用和工程开挖的破坏下成为贯通节理，将岩体完全切割成独立的岩块，通过软件的数据处理功能得到所有岩块的体面线数据文件；

步骤5：根据爆后节理岩体的数据文件计算得到爆破级配，并与设计级配进行对比，若不满足要求，则调整爆破参数重新进行爆破模拟。

根据上述方案，所述步骤1中，岩体完整性评价方法对节理进行预测具体操作为：对岩体进行钻孔和取芯，得到岩芯中的节理角度，或者利用岩体的地质调查和爆破施工成果得到岩芯中的节理角度，得到统计规律；同时利用钻孔和岩芯分别测得岩体和岩石的纵波波速，代入计算得到岩体完整性系数，其中，V_pm为岩体弹性纵波速度，单位km/s，V_pt为岩石弹性纵波速度，单位km/s；再根据GB/T>

根据上述方案，所述步骤2中，通过测量得到的岩石参数有密度、弹性模量、泊松比、屈服强度、切线模量、失效应变和抗拉强度；密度通过测量质量和体积后求得；抗拉强度通过室内静力学试验得到；屈服强度、切线模量和失效应变，则通过霍普金森压杆试验得到岩石试件的应力应变曲线后，再处理得到。

根据上述方案，所述步骤1中，测量节理的实际位置和方位所采用的测量工具包括皮尺罗盘、孔内照相机、数码相机、三维激光扫描仪。

根据上述方案，在步骤5中，计算得到爆破级配的方法是采用UltraEdit和Excel将爆破节理岩体模型的数据文件处理成为矩阵形式，再采用MATLAB编程方法对数据文件进行计算，得到级配曲线，岩块块度评价指标为第五条最长边和等效球直径。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：得到了系统的、实用的预测方法，各种技术手段依托的设备和处理过程足够简单，方便工程现场应用，各步骤有效衔接，且便于随着软硬件的改变进行优化。

附图说明

图1为本发明方法实现流程图。

图2为现场节理调查步骤的过程示意图。

图3为现场节理面采样与相应的节理描绘结果。

图4为SHPB实验中长河坝料场岩石试件初步破坏时(试件断裂但整块率较高，此时平均应变率＝103.47S^-1)对应的应力应变曲线成果。

图5为SHPB实验中长河坝料场岩石试件处于临界破坏时(试件整体已破坏且即将出现粉碎状的块体，此时平均应变率＝134.35S^-1)对应的应力应变曲线成果。

图6为SHPB实验中长河坝料场岩石试件处于粉碎破坏时(试件出现大量粉碎状的块体，此时平均应变率＝186.42S^-1)对应的应力应变曲线成果。

图7为爆破裂纹模拟的步骤示意图，

图8为处理数据文件过程的示意图。

图9为本发明对长河坝江咀料场节理取样岩体的预测级配曲线以及现场筛分试验得到的级配曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明提供的用于水电工程的堆石料爆破级配预测方法，在山体已开挖和未开挖的情况下均能实现对节理岩体爆破级配曲线的预测。其中涉及的因素主要包括材料和爆破两个方面，爆破影响考虑爆破机理、爆破施工参数，材料的影响考虑节理调查尺度、节理位置和方位要素、岩体和炸药参数。节理调查尺度和爆破裂纹模拟成果对预测的精度影响最大。下面针对长河坝江咀料场一块典型的节理岩体进行爆破级配预测。

本发明具体技术方案主要包括：

1)根据工程具体阶段和现场条件，采用适当的节理调查方法或手段，获得节理的位置和方位信息。2)现场拾取岩样，制成满足霍普金森压杆试验要求的试件，通过室内静力学和霍普金森压杆试验测得岩石的参数。3)选择合适的岩石和炸药模型以及模拟工具，对实测岩石参数进行处理得到模拟参数，然后进行爆破裂纹模拟得到裂纹开展的范围和数量。4)根据现场调查得到的岩体原生节理信息和爆破裂纹扩展成果，建立爆后节理岩体模型。5)根据爆后节理岩体的数据计算得到爆破级配，并与设计级配进行对比，若不满足要求，则调整爆破参数重新进行爆破模拟。

节理调查的方法和手段需要根据现场情况和条件来具体确定。对于山体已开挖，存在外露节理的情况，可合理选择皮尺罗盘、孔内照相机、数码相机、三维激光扫描仪等工具测量节理的实际位置和方位，这种情况下如果节理外露面是由爆破造成的，还需要区分原生节理与爆破节理。可以采用三维激光扫描仪进行高精度的还原和识别，或者通过调查大量节理得到节理要素的数据库，分析各要素的统计规律，然后根据规律随机生成节理。

对于山体还未开挖，没有节理外露的情况，采用岩体完整性评价的方法对节理进行预测，具体操作为：对岩体进行钻孔和取芯，或利用岩体的地质调查或爆破施工成果，调查岩芯中的节理角度，得到其统计规律。同时利用钻孔和岩芯分别测得岩体和岩石的纵波波速，代入计算得到岩体完整性系数，式中：V_pm—岩体弹性纵波速度(km/s)，V_pt—岩石弹性纵波速度(km/s)。根据《工程岩体分级标准》(GB/T>

表1岩体完整性指标与岩体体积节理数关系表

岩体质量级别岩体结构类型岩块块度(m)J_V(条/m³)K_VⅠ完整(大块状)≥1.0<3>0.75Ⅱ较完整(块状)1.0～1.43～100.75～0.55Ⅲ较破碎(碎块状)0.4～0.210～200.55～0.35Ⅳ破碎(碎石状)≤0.220～350.35～0.15

本发明中，需要通过测量得到的岩石参数有密度、弹性模量、泊松比、屈服强度、切线模量、失效应变和抗拉强度。密度可通过测量质量和体积后求得，抗拉强度通过室内静力学试验得到，屈服强度、切线模量、失效应变通过霍普金森压杆试验得到岩石试件的应力应变曲线后处理得到。

岩体材料模型采用塑性随动材料模型，模拟工具采用ANSYS/LS-DYNA软件，并采用公用节点模型算法、耦合模型算法和等效荷载算法三种模拟方法进行爆破裂纹扩展模拟，综合三种方法的结果分析可到裂纹开展的范围和数量。此外，在有限元的理论内，还可以采用ABAQUS/LS-DYNA平台中的扩展有限元(XFEM)方法，或者RFPA平台。另外，离散元理论更接近岩石的本构关系，基于该理论可以采用PFC和3DEC软件进行模拟。

采用ANSYS建立节理岩体模型，并假设所有节理均在爆破作用和工程开挖的破坏下成为贯通节理，将岩体完全切割成独立的岩块，通过软件的数据处理功能得到所有岩块的体面线数据文件。

通过UltraEdit和Excel将爆破节理岩体模型的数据处理成为矩阵形式，采用MATLAB编程的方法对数据进行计算得到级配曲线，或者采用VB、C、C++等语言都可以编制计算程序，或者根据源数据直接做一个小程序得到级配曲线。岩块块度评价指标为第五条最长边和等效球直径。