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​爆破倾倒堰体翻转运动分析研究

futao 爆破拆除 2019-06-05 627 0
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爆破倾倒堰体翻转运动分析研究

理论的爆破倾倒能否使现实的RCC围堰倾倒,一般说,关键在于现实情况与设计要求之间能否一致。通常,两者不一致有两类原因:①设计要求和标准未能很好地涵盖边界条件,这类问题属设计范畴;②边界条件未能很好地涵盖现实情况,这类问题属边界条件范畴。

作为RCC围堰采用爆破倾倒方案对横向380m长、高30m堰体进行拆除,上述两类问题均要求一致,即采用水下爆炸药单耗来解决设计问题;采用力学分析来解决边界条件问题。本节则属后者。

1堰体翻转运动分析的基本方程

我国学者燕琳、唐甜和李世海针对中国长江三峡工程三期上游RCC围堰倾倒爆破拆除作过理论研究[4],用理论力学的方法来模拟RCC围堰的翻转过程,其基本假设为:

(1)由于RCC材料爆破后的整体性较好,局部的爆破开口对整个围堰没有实质性破坏,因此可将开口后的上部围堰视为刚体。

(2)围堰RCC材料沿纵向匀质。

(3)在重力矩作用下,堰体下游边残余连接部分被拉断,堰体侧向翻转并绕O轴转动(见图3.40)。

(4)堰体翻转过程中与保留堰体碰撞前后满足动量守恒。

(5)计算中不考虑碰撞后堰体转动以外的其他运动形式。

如图3.40所示的坐标体系,堰体全重心的位置按下列公式求出:

x=习mxi/Zm(3.11a)

y。=Zmy1/Zm(3.11b)

式中m——材料的单元质量;x1、y为——其位置坐标。

定义无量纲参数:

8=(xo-x-)/D(3.12)式中D——堰顶宽度;xo——O点坐标。

实现翻转的必要条件为8>0。

在重力矩的作用下堰体绕着O轴翻转的运动用刚体定轴转动的运动方程描述为式中I——堰体对于O轴的转动惯量;

4”——堰体角加速度;M——作用在堰体上对O轴的合力矩。

堰体绕O轴旋转一定角度后,切口上表面与下表面相交,发生碰撞。由于碰撞时间很短,可以认为这一碰撞过程动量守恒,碰撞前后堰体的角速度满足下述关系:

式中lo——堰体对于O'轴的转动惯量;a1、a2——碰撞前后堰体的角速度。

3.6.2堰体翻转的起始条件

重力是导致堰体翻转的主要外力。在考虑堰体翻转的起始条件时,除8>0外,还要考虑堰体的重力能否提供足够的力矩以克服堰体残余连接部分的强度,从而在上部堰体与下部堰体之间形成完全的破裂面。

决定堰体翻转的主动力矩包括重力矩和水的作用力矩,其中重力为主要主动力矩。反力矩以下游端残余连接部分的RCC材料强度为主。当主动力矩大于反力矩时堰体失稳

上部堰体重心与翻转支承点O之间的距离是衡量翻转的一个重要指标。

主动翻转力矩Mk和抗弯力矩Ms可用式(3.15)、式(3.16)计算:

Mx=|x1-xolW(3.15)式中W——翻转堰体在水中的重量;as——堰体抗弯强度;Ls——爆破拆除残余部分的连接长度。三个断面的Mx和Ms见表3.28。

表3.28三个断面的主动翻转力矩和抗弯力矩

表3.28三个断面的主动翻转力矩和抗弯力矩

由表3.28可知,三个拆除断面的Mx≥(2~3)Ms,表明该设计是可以拉断残余部分的连接,并实现堰体的翻转。

3.6.3堰体整体翻转的运动过程

计算结果表明,堰体的整体翻转大致可划分为两个发展阶段(见图3.41):

(1)堰体绕O轴翻转阶段,需时在3.0~3.5s之间,平均在3.25s(见图3.41中t=0~3.5s)。

(2)拆除断块与原堰体(块)发生碰撞后再绕O'轴翻转(见图3.41中t=3.5~4.0s)。

图3.41翻转过程图像

图3.41翻转过程图像

(a)t=0s;(b)t=1.0s;(c)t=2.0s;(d)t=3.0s;(e)t=3.5s;(f)t=4.0s反映整体翻转过程的参数:转角(p)和角速度()变化见图3.42。

图3.42堰体整体翻转过程的p与”同时间t的关系曲线

图3.42堰体整体翻转过程的p与”同时间t的关系曲线

(a)转角一t关系曲线;(b)角速度一t关系曲线由图3.42可知,碰撞前的角速度=wn=0.78rad/s;碰撞后的角速度”=w2=

1.10rad/s。分析研究表明,在堰体整体翻转过程中,翻转的启动速度和第一阶段结束时的角速度()对翻转效果有决定性影响:①翻转启动越快,堰体在爆破后的翻转越有保障;②第一阶段结束时的角速度(”)越大,对堰体的后续运动越有利。

6.4爆破倾倒前堰体切口位置与尺寸的翻转影响这里讲的“切口位置”是指爆破在围堰断面所形成的开口和围堰顶部的距离(h)

(见图3.40中的a点);而“切口尺寸”指的是切口深度(d)[见图3.40中的ac段(d)]。它是爆破在围堰断面所形成的开口宽度。

不论是切口位置(h)多少,还是切口深度(d)多大,爆破时对堰体翻转影响均可以用角速度(”)来说明(见图3.43)。

图3.43切口位置与深度对翻转的影响

图3.43切口位置与深度对翻转的影响

(a)一h关系曲线;(b)p'-d关系曲线

由图3.43(a)可知,当设计以h=25m、h=26m和h=27m时,在同样大小的爆破切口和药量前提下,随着h的下移即增大,其相应堰体翻转的”略有下降,比较分析表明,当h=25m时,较为理想。

由图3.43(b)可知,当设计以d=14.5m、d=11.7m和d=9.2m时,d越大,堰体在同一时刻所达到的”越大,相应堰体的翻转速度越迅速。


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