高拱坝拱肩槽应力集中区爆破开挖损伤机制

The contour shape and damage control is an important topic of the construction of high arch dam of 300m. Based on the fracture and damage mechanics, borehole TV and sonic wave test, discontinuous - continuous numerical simulation method of fluid-solid coupling, the damage mechanism of blasting excavation at the stress concentration zone were investigated. The rule of the seam formation by contour blasting was revealed by analyzing the seam formation characteristic and impact factors. Then the evolution process of stress around the blast hole was studied to analyze the correlation relationship between damage depth and seam formation, and the spatial distribution of damage zone was investigated. The damage development of the whole blasting process was studied, and the cumulative damage mechanism of rock mass under the repeat disturbance was revealed. At last, the excavation approach based on the dual optimization of the contour shape and damage control was proposed. Research results can provide the theory basis for the contour excavation control of the stress concentration zone, and find widespread application in the industries of hydropower, transportation and deep mining.

拱肩槽建基面岩体的开挖成型和爆破损伤控制是300m级高拱坝建设中的重要难题。本项目以断裂力学和损伤力学为基础，采用钻孔电视和声波测试等试验技术，以及非连续-连续的爆破流固耦合数值计算方法，研究高拱坝拱肩槽应力集中区爆破开挖损伤机制。通过研究应力集中区轮廓爆破的成缝特征和影响因素，揭示高应力条件下轮廓爆破的成缝机理；进而分析岩体三维应力场演化历程与成缝特性的相关性规律，探明应力集中区轮廓爆破作用下岩体损伤的空间分布特征；研究建基面爆破全过程的岩体损伤演化特征，揭示重复爆破扰动下边坡岩体的累积损伤机制。课题研究成果可为高应力区岩体的轮廓开挖的优化控制提供科学依据，在水电、交通以及采矿等工程领域具有广阔的应用前景。

拱肩槽建基面岩体的开挖成型和爆破损伤控制是300m级高拱坝建设中的重要难题。本项目以断裂力学和损伤力学为基础，采用钻孔电视和声波测试等试验技术，以及非连续-连续的爆破流固耦合数值计算方法，研究了高拱坝拱肩槽应力集中区爆破开挖损伤机制。（1）首先研究了岩体爆炸应力场的时空演化特征，爆破过程中岩体径向应力和环向应力均经历了先压后拉的作用过程；考虑压剪损伤效应，修正弹性常数的确定方法，建立反应拉压联合作用机制的爆破损伤模型，基于实测结果对比，验证其预测损伤范围的精确性有所提高。（2）进而揭示了不同开挖方式下的爆破损伤全过程的演化特征，光面爆破中保留岩体的爆破损伤具有明显的累积效应，主爆孔产生的累积损伤最严重，光爆孔次之，缓冲孔最小，预裂爆破保留岩体几乎仅受预裂孔的作用，但预裂孔本身的损伤大于光爆孔；提出了基于岩体损伤程度的PPV损伤阈值的确定方法，比选了不同岩体爆破近区振动速度的预测方式，深化了基于PPV损伤判据的岩石高边坡临近轮廓面的设计方法。（3）基于深切河谷拱肩槽边坡的爆破开挖，建立动静耦合作用下的开挖损伤模型，研究了初始应力对拱肩槽边坡轮廓爆破的影响机制，平行水流方向的初始应力抑制了上下游边坡的预裂成缝，比选了轮廓爆破的实施时机；揭示了初始应力对边坡开挖全过程效果的影响，针对预裂爆破，地应力的抑制作用使上下游两侧孔间并未成缝，造成两侧轮廓不能形成；针对光面爆破，初始应力抑制了梯段爆破的累计损伤效应，但边界底部产生的高度应力集中导致光爆孔很难破岩；分别提出两种拉槽后预裂以及分段轮廓爆破的优化开挖方案，并进行比选，结果表明分段轮廓爆破方式利用了初始应力对爆破开挖损伤影响的有利因素，继承了不同开槽方案的优势，具有一定的参考价值。研究成果对加深爆破开挖影响机制的认识、优化高边坡爆破开挖设计、控制工程灾害等方面均具有重要的理论意义和应用价值。