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​1:100围堰模型倾倒试验研究

futao 爆破拆除 2019-06-05 599 0
川渝拆除17713551981

1:100围堰模型倾倒试验研究

为了验证预埋集中药室倾倒爆破方案的可靠性及其相关的拆除爆破对周围环境的影响,于2005年8月16~21日在长江科学院前坪试验基地进行了RCC围堰1:100模型倾倒爆破试验。具体试验内容及其目的如下:

(1)倾倒的可靠性试验:模拟围堰拆除时的实际水位135m条件下,围堰是否能顺利倾倒,以及堰块倾倒后的形态。并进行无水条件下单个堰块及多个堰块的倾倒试验,了解堰块间约束解除与否对倾倒的影响。

(2)倾倒产生的涌浪测试:在水位135m条件下,测试围堰倾倒时产生的涌浪情况,了解围堰拆除时产生的涌浪对周围环境的影响。

(3)倾倒产生的触地振动测试:在水位135m条件下,测试围堰倾倒时产生的振动情况,了解围堰拆除时产生的振动对周围需保护物的影响。并进行无水条件下单个堰块及多个堰块的倾倒试验,了解单个堰块及多个堰块倾倒产生的振动量级之间的关系,以及无水条件下整体倾倒与有水条件下整体倾倒产生的振动之间的关系。

1)1:100模型倾倒试验条件。1:100模型倾倒试验是在三峡水利枢纽工程1:100整体模型上进行的。按照爆破设计方案,围堰高程110.0m以上为整体倾倒堰块,根据实际施工分缝将试验块分为10个堰块(6~15号),每个堰块的尺寸与实际围堰几何相似,采用常态混凝土分块制作;在高程110.0m以下的围堰上预制了与实际爆破缺口相似的梯形倾倒缺口见图3.1。围堰前地形概化为高程70.0m。

2)1:100模型堰块倾倒控制方法。在每个堰块顶部打一个铆钉,用细钢丝绳牵引至大坝上固定,用人工控制的方法实现分块或整体堰块的倾倒。当需要若干个堰块同时倾倒时,还在相邻的堰块顶部用铁片固定。

3)1:100模型堰块倾倒形态记录方式。1:100模型堰块倾倒试验时,用摄像机记录围堰的倾倒过程;用数码相机拍摄堰块倾倒后的形态。

4)1:100模型堰块倾倒涌浪观测范围及设备。1:100模型堰块倾倒试验时(堰内外水位均为高程135m),在围堰前水域、坝前布置涌浪观测点,用超声水位仪同步记录涌波水位值。

5)1:100模型堰块倾倒振动观测范围及设备。振动测点布置如下:在堰内靠近大坝的底部(高程50m,有水条件下该测点取消)、纵向围堰(高程140m、高程70m,有水条件下该测点取消),靠近大坝处、大坝顶部各布置一个三向振动传感器,用Minmate Plus爆破微型振动测试仪测试无水条件下堰块倾倒时产生的振动(包括速度时程曲线、峰值位移、峰值加速度等)。

3.4.1无水条件下1:100模型堰块整体倾倒试验为了解围堰堰块整体倾倒的可靠性和堰块倾倒后的形态,先进行了无水条件下1:100模型堰块整体倾倒试验,该试验共做了3次,分别于2005年8月16日进行了1次试验、

2005年8月20日进行了2次试验。

从摄像资料分析:在无水条件下,围堰堰块从开始倾倒至完全触地的时间为0.8~

0.9s。堰块倾倒后整齐地倒在围堰上游,除6号堰块由于受原导流明渠边坡的影响出现该堰块下游坡脚高于高程110m外,其余堰块倾倒后均低于高程110m;除15号堰块在倾倒过程中出现翻转外,其余堰块均没有出现翻转现象,原堰块上游面触地,也没有出现堰块之间重叠现象。堰块倾倒后的形态见图3.12(图片中可见水为堰前的未排干残留水)。

图3.12无水条件下堰块整体倾倒后的形态

图3.12无水条件下堰块整体倾倒后的形态

2有水条件下1:100模型堰块整体倾倒试验

三期围堰拆除时的水位初步定在高程135m,为了解在围堰内外有水情况下的堰块整体倾倒的可靠性和堰块倾倒后的形态,于2005年8月20日进行了有水条件下1:100模型堰块整体倾倒试验,该试验共做了3次。

试验前,调节控制整个枢纽模型放水流量,使围堰内外的水位控制在高程135m。从摄像资料分析:在有水条件下,围堰堰块从开始倾倒至完全触地的时间为1.1~1.2s。堰块倾倒后的形态见图3.13。6号堰块由于受原导流明渠边坡的影响出现该堰块下游坡脚局部高于高程110m;15号堰块没有出现无水条件下的翻转情况,而出现了15号、14号堰块下游坡脚局部高于高程110m的现象;其余堰块原堰块上游面触地,倾倒后堰块均低于高程110m,也没有出现堰块之间重叠现象。

图3.13有水条件下堰块整体倾倒后的形态

图3.13有水条件下堰块整体倾倒后的形态

3无水条件下1:100模型堰块分块倾倒试验

分块倾倒试验的目的,就是要了解分块倾倒的可靠性、倾倒后的形态,以及分块倾倒产生的触地振动。

当需要若干个堰块同时倾倒时,在相邻的堰块顶部用铁片固定。分别进行了单个堰块(8号)、2个堰块(8号、9号)、3个堰块(7号、8号、9号)、4个堰块(7号、8号、9号、10号)、5个堰块(7号、8号、9号、10号、11号)、6个堰块(7号、8号、9号、

10号、11号、12号)、7个堰块(7号、8号、9号、10号、11号、12号、13号)、9个堰块(7号、8号、9号、10号、11号、12号、13号、14号、15号)的倾倒试验。堰块倾倒后的形态见图3.14(a)~(g)。堰块整齐地倾倒在保留堰体的上游面,并低于高程110m,原堰块上游面触地。

图3.14堰块倾倒后的形态(一) (a)无水条件下2个堰块倾倒后的形态;(b)无水条件下3个堰块倾倒后的形态

图3.14堰块倾倒后的形态(一)

(a)无水条件下2个堰块倾倒后的形态;(b)无水条件下3个堰块倾倒后的形态

图3.14堰块倾倒后的形态(二)

图3.14堰块倾倒后的形态(二)

(c)无水条件下4个堰块倾倒后的形态;(d)无水条件下5个堰块倾倒后的形态;(e)无水条件下6个堰块倾倒后的形态;(f)无水条件下7个堰块倾倒后的形态;

(g)无水条件下9个堰块倾倒后的形态

4 1:100模型堰块倾倒涌浪观测

结合1:100模型倾倒试验,进行涌浪观测。模型上游模拟自庙河至坝前约17km的库区地形,围堰前地形概化为高程70.0m,试验时坝前水位为高程135.0m,枢纽下泄流量Q=25000m3/s。

采用超声水位仪同步连接测试记录涌波水位值,并可自动整理、输出试验数据;岸坡最高水位、最低水位采用水准仪直接测量相应高程。

测点布置:在围堰中部垂直于围堰轴线的堰前80m、堰前330m、堰前630m及堰前1140m处布设4个测点,坝前15m处布设1个测点,茅坪溪内布设1个测点;在坝前茅坪港区岸坡设两处涌浪爬高测点,其中一处正对围堰,在堰前1380m处;另一处斜向对应围堰(夹角约45),在堰前1400m处。测点布置见图3.15。

在相同条件下进行了3组试验,涌浪测试成果见表3.12。

图3.15涌浪测点布置图

图3.15涌浪测点布置图

表3.12RCC围堰倾倒拆除坝前涌波测试成果表单位:m

表3.12RCC围堰倾倒拆除坝前涌波测试成果表单位:m

5 1:100模型堰块倾倒振动观测

 5.1无水条件下1:100模型堰块整体倾倒振动观测无水条件下1:100模型堰块整体倾倒试验测试成果见表3.13,典型测试波形见图3.16。

表3.13无水条件下1:100模型堰块整体倾倒振动测试成果表(2005年8月20日)

表3.13无水条件下1:100模型堰块整体倾倒振动测试成果表(2005年8月20日)

注V为垂直向;T为水平切向;L为水平径向;PVS为三个方向的峰值合速度。

图3.16无水条件下1:100模型堰块整体倾倒典型测试波形(坝顶)

图3.16无水条件下1:100模型堰块整体倾倒典型测试波形(坝顶)

5.2有水条件下1:100模型堰块整体倾倒振动观测1:100模型堰块有水条件下(堰内外水位均为高程135m)倾倒试验时测试成果见表

3.14,典型测试波形见图3.17。

5.3无水条件下1:100模型堰块分块倾倒振动观测无水条件下1:100模型堰块分块倾倒试验时,测试成果见表3.15,试验编号中“2块一3”表示2个堰块同时倾倒第3次试验,其余类同。图3.18为1个堰块倾倒的典型振动测试波形,图3.19为7个堰块倾倒的典型振动测试波形。

表3.14有水条件下1:100模型堰块整体倾倒振动测试成果表(2005年8月20日)

表3.14有水条件下1:100模型堰块整体倾倒振动测试成果表(2005年8月20日)

注V为垂直向;T为水平切向;L为水平径向;PVS为三个方向的峰值合速度。

图3.17有水条件下1:100模型堰块整体倾倒典型测试波形(坝顶)

图3.17有水条件下1:100模型堰块整体倾倒典型测试波形(坝顶)

表3.15无水条件下1:100模型堰块分块倾倒振动测试成果表(2005年8月21日)

表3.15无水条件下1:100模型堰块分块倾倒振动测试成果表(2005年8月21日)

续表

续表

续表

续表

注V为垂直向;T为水平切向;L为水平径向;PVS为三个方向的峰值合速度。

图3.181个堰块倾倒的典型振动测试波形(坝顶)

图3.181个堰块倾倒的典型振动测试波形(坝顶)

4.6成果分析

6.1倾倒可靠性试验成果分析

3次无水堰块整体倾倒试验表明:在无水条件下,堰块倾倒过程基本一致,堰块从开始倾倒至完全触地的时间为0.8~0.9s,除15号堰块在倾倒过程中出现翻转外,其余堰块均没有出现翻转现象;堰块倾倒后的形态基本一致,原堰块上游面触地,并整齐地倒在围堰上游,没有出现堰块之间重叠现象,且试验的重复性较好;除6号堰块由于受原导流

图3.197个堰块同时倾倒的典型振动测试波形(坝顶)

图3.197个堰块同时倾倒的典型振动测试波形(坝顶)

明渠边坡的影响出现该堰块下游坡脚高于高程110m外,其余堰块倾倒后均低于高程110m。说明在无水条件下,只要能形成预计缺口,堰块整体倾倒是可靠的。

3次围堰内外水位均为高程135m时的堰块整体倾倒试验表明:在有水条件下,围堰堰块从开始倾倒至完全触地的时间为1.1~1.2s,堰块均没有出现翻转现象;堰块倾倒后的形态基本一致,原堰块上游面触地,并整齐地倒在围堰上游,没有出现堰块之间重叠现象,且试验的重复性较好,除6号堰块由于受原导流明渠边坡的影响出现该堰块下游坡脚局部高于高程110m外,还出现了15号、14号堰块下游坡脚局部高于高程110m的现象。说明在有水条件下,只要能形成预计缺口,堰块整体倾倒是可靠的。经现场观察,出现15号、14号堰块下游坡脚局部高于高程110m的现象,是由于15号堰块在倾倒过程中受到了与15号堰块相邻的横向围堰的夹制作用造成的。三峡工程三期上游RCC围堰拆除爆破时,可采取如下措施解决:15号堰块靠纵向围堰侧的横向围堰爆破孔的孔深应不小于倾倒缺口高程(高程95.0m),且应先于倾倒部分起爆;6号堰块可采取钻孔爆破削除坡脚(8m左右)的方法予以解决。

堰块分块倾倒试验表明:在排除6号堰块、15号堰块两端的影响后,围堰堰块倾倒过程非常顺利,倾倒后原堰块上游面触地,没有出现堰块之间重叠现象,并整齐地倾倒在保留堰体的上游面,且均低于高程110m。说明只要处理好6号堰块、15号堰块两端的影响,缺口按设计形成,围堰堰块的倾倒是可靠的。

6.2涌浪试验成果分析

三峡工程三期上游RCC横向围堰爆破拆除堰块同时倾倒,在堰体至坝前形成较大涌波,最高水位为137.33m,即坝前最大涌浪高度为2.33m。历经约1800s波幅衰减至0.5m以下,3000s后趋于平稳。

围堰前水体随堰块倾倒向上游推移,堰前水体先升后降,并顺右电厂前山体向上游传播、并向左岸衍射,传播至茅坪凤凰山、左岸隔流堤后反射,并与后续波产生叠加,向上游传播波速约20~25m/s,波长约500~600m。

堰前80m处最高水位为136.55m,即该处最大涌浪高度为1.55m。历经约1200s波幅衰减至0.5m以下,2100s后趋于平稳。

涌波在堰前330m处最高水位为136.95m,即该处最大涌浪高度为1.95m。历经约500s波幅衰减至0.5m以下,1500s后趋于平稳。

涌波到达茅坪凤凰山前已明显衰减,堰前1140m处最高水位为135.85m,该处最大涌浪高度为0.85m。茅坪溪内涌波指标与堰前1140m处相近。

正对围堰的茅坪凤凰山脚出现涌浪爬高,试验测得茅坪凤凰山脚正对围堰处最高水位为139.2m,即该处最大涌浪爬高为4.2m。斜向对应围堰处爬高3.1m。

把3次试验各测点的最大涌浪值进行

整理,得到涌浪随距离增加的变化趋势

(见图3.20)。

从图3.20可明显看出:随着距离的

增加,涌浪呈显著的衰减变化趋势。由于正对围堰前方的茅坪凤凰山脚出

现涌浪爬高现象,围堰拆除时,应采取一定的防涌浪措施。围堰拆除后,三峡大坝

将在水位高程156m运行,因此,涌浪高度在高程156m以下均不会对需保护物产

生危害,主要应考虑涌浪对船只的影响,特别是对靠近岸坡船只的影响,如采取在岸坡需保护物附近设置防浪竹排,船只离开岸坡停靠等措施即可解决。

6.3倾倒试验振动测试成果分析

从振动测试波形来看:有3个相对较大的振动峰值集中区,说明堰块在倾倒过程中有3次比较明显的撞击。

为便于分析围堰堰块整体倾倒在有水与无水两种工况条件产生的振动,把两种情况下产生的振动测试资料汇于表3.16中。从表3.16可以看出:在有水工况条件下,围堰堰块整体倾倒产生的振动明显小于无水条件下产生的振动,有水条件下产生的振动仅为无水条件下的1/8~1/6。三期围堰拆除时的工况条件为堰内外水位保持在135m,试验成果说明水体对降低堰块冲击振动的作用明显。

为分析围堰堰块分块倾倒产生的振动变化情况,将无水条件下分块倾倒在各测点处产生的振动测试资料进行汇总,并将多块倾倒产生的振动与单块倾倒产生的振动进行了对比,见表3.17~表3.21。

从表3.18、图3.21可以看出:在分块倾倒的试验中,坝顶处无水条件下多块与单块倾倒产生的振动之比,随同时倾倒堰块数的增加总体呈增大的变化趋势,变化平均值在

表3.16围堰堰块整体倾倒在有水与无水条件两种情况下振动速度对比表

表3.16围堰堰块整体倾倒在有水与无水条件两种情况下振动速度对比表

注T为水平切向;V为竖直向;L为水平径向;PVS为三个方向的峰值合速度。

表3.17坝顶处无水条件下分块倾倒产生的振动(1号测点)(2005年8月21日)

表3.17坝顶处无水条件下分块倾倒产生的振动(1号测点)(2005年8月21日)

注T为水平切向;V为竖直向;L为水平径向;PVS为三个方向的峰值合速度。

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表3.18坝顶处无水条件下多块与单块倾倒产生的振动之比(1号测点)

表3.19纵向围堰高程70m靠近大坝处无水条件下分块倾倒产生的振动(3号测点)(2005年8月21日)

表3.19纵向围堰高程70m靠近大坝处无水条件下分块倾倒产生的振动(3号测点)(2005年8月21日)

注T为水平切向;V为竖直向;L为水平径向;PVS为三个方向的峰值合速度。

1.44~4.63之间,最大值是由10个堰块同时倾倒产生的。

从表3.20、图3.22可以看出:纵向围堰高程70m靠近大坝处无水条件下多块与单块倾倒产生的振动之比,随同时倾倒堰块数的增加总体呈增大的变化趋势,变化平均值在

1.49~8.03之间,最大值是由10个堰块同时倾倒产生的。

表3.20纵向围堰高程70m靠近大坝处无水条件下多块与单块倾倒产生的振动之比(3号测点)

表3.20纵向围堰高程70m靠近大坝处无水条件下多块与 单块倾倒产生的振动之比(3号测点)

图3.21坝顶处无水条件下多块与单块倾倒 产生的振动之比变化趋势(1号测点)

图3.21坝顶处无水条件下多块与单块倾倒

产生的振动之比变化趋势(1号测点)

图3.22纵向围堰高程70m无水条件下多块与 单块倾倒产生的振动之比变化趋势

图3.22纵向围堰高程70m无水条件下多块与

单块倾倒产生的振动之比变化趋势

表3.21堰内高程50m靠近大坝处无水条件下分块倾倒产生的

振动(4号测点)(2005年8月21日)

表3.21堰内高程50m靠近大坝处无水条件下分块倾倒产生的 振动(4号测点)(2005年8月21日)

注T为水平切向;V为竖直向;L为水平径向;PVS为三个方向的峰值合速度。

从表3.17~表3.21可以看出:多块同时倾倒在各测点处产生的振动比单块的大,并随同时倾倒堰块数的增加,相应产生的振动值呈增大的趋势,但并非是简单的叠加,这与各堰块到测点之间的距离有关;表中出现的不符合增大趋势的数据,可能与堰块间的相互牵制作用以及堰块没有同时倾倒有关。

表3.22堰内高程50m靠近大坝处无水条件下多块与单块倾倒产生的振动之比(4号测点)

表3.22堰内高程50m靠近大坝处无水条件下多块与单块倾倒产生的振动之比(4号测点)

图3.23堰内高程50m无水条件下多块与单块倾倒产生的振动之比变化趋势

图3.23堰内高程50m无水条件下多块与单块倾倒产生的振动之比变化趋势

从表3.22、图3.23可以看出:堰内高程50m靠近大坝处无水条件下多块与单块倾倒产生的振动之比,随同时倾倒堰块数的增加总体增大的变化趋势不是很明显(10个堰块同时倾倒的测试数据除外),变化平均值在0.57~1.33之间。

4.7模型倾倒计算与试验成果对比分析

用DDA程序对1:100模型倾倒过程进行计算,计算结果与模型试验的录像进行对比,无论是倾倒过程还是倾倒时间几乎一致。在倾倒过程中有3次比较明显的冲击,这从振动测试波形中也得到验证。在无水条件下,1:100模型堰块从开始倾倒到完全静止整个过程历时为800~900ms。

通过模型计算,在有水条件下,1:100模型堰块从开始倾倒到完全静止整个过程历时为1100ms,计算的倾倒过程见图3.24。

运用1:100模型试验录像资料以及模型计算的成果,对三峡工程三期上游RCC围堰原型的单块倾倒过程进行模拟计算:从爆破缺口完全形成开始到堰块倾倒至堰前高程70m位置,整个过程历时为12.4s。

4.8结论

通过1:100模型试验和模拟计算,可得到以下结论:

图3.241:100模型堰块计算倾倒过程(有水条件)

图3.241:100模型堰块计算倾倒过程(有水条件)

(a)0ms;(b)100ms;(c)200ms;(d)300ms;(e)400ms;(f)500ms;(g)600ms;

(h)700ms;(i)800ms;(j)900ms;(k)1000ms;(1)1100ms

(1)在爆破缺口能按设计要求形成的前提下,围堰堰块能按设计要求顺利倾倒,倾倒是可靠的。

(2)在处理好6号、15号堰块的前提下,堰块倾倒后的形态是满足设计要求的,原堰块上游面触地,并整齐地倒在围堰上游,没有出现堰块之间重叠现象,且试验的重复性较好;堰块倾倒后均可低于高程110m。

(3)6号堰块的高程110m以上的下游坡脚需做局部削坡处理,与15号堰块相邻的横向围堰爆破孔的孔深应不小于倾倒缺口高程,且应先于倾倒部分起爆。

(4)在无水条件下,堰块倾倒过程基本一致,堰块从开始倾倒至完全触地的时间为0.8~0.9s;在围堰内外水位为高程135m时,围堰堰块从开始倾倒至完全触地的时间为1.1~1.2s。这与模型计算结果几乎一致。

(5)通过涌浪测试:随着距离的增加,涌浪呈显著的衰减变化趋势。RCC横向围堰爆破拆除堰块同时倾倒,在坝前产生的最大涌浪高度为2.33m;在堰前80m处产生的最大涌浪高度为1.55m;在堰前330m处产生的最大涌浪高度为1.95m;在堰前1140m处产生的最大涌浪高度为0.85m。正对围堰的茅坪凤凰山脚出现涌浪爬高,在该处产生的最大涌浪爬高为4.2m;茅坪溪内涌浪指标与堰前1140m处相近。由于正对围堰前方的茅坪凤凰山脚出现涌浪爬高现象,围堰拆除时,应采取一定的防涌浪措施。

(6)通过振动测试:在测试波形中一般有3个相对较大的振动峰值集中区,说明堰块在倾倒过程中有3次比较明显的撞击。在有水工况条件下,围堰堰块整体倾倒产生的振动明显小于无水条件下产生的振动,有水条件下产生的振动仅为无水条件下的1/8~1/6。三峡工程三期上游RCC围堰拆除时的工况条件为堰内外水位保持在高程135m,试验成果说明水体对降低堰块冲击振动的作用明显。

(7)多块同时倾倒在各测点处产生的振动比单块的大,并随同时倾倒堰块数的增加,相应产生的振动值呈增大的趋势,但并非是简单的叠加,这与各堰块到测点之间的距离、堰块间的相互牵制作用有关。

(8)三峡工程三期上游RCC围堰原型的单块倾倒过程模拟计算结果表明:从爆破缺口完全形成开始到堰块倾倒至堰前高程70m位置,整个过程历时为12.4s


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