CN106326546A - 一种预测核电工程岩体***损伤深度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种预测核电工程岩体***损伤深度的方法，包括以下步骤：开展***振动测试确定场地振动衰减规律；开展声波测试，初步确定岩体损伤深度；开展有限元数值模拟，计算岩体质点振动速度以及岩体***损伤深度；分别建立台阶***和预裂***方式下距爆源R1米处质点峰值振动速度随岩体***损伤深度的变化规律；将实际段装药量Q₀代入场地***振动衰减规律以及质点峰值振动速度随岩体损伤深度的变化规律中，即可预测使用该药量造成的***损伤深度。本发明通过数值模拟可以部分替代现场声波试验，减少现场试验次数从而降低外业工作量，提高施工效率，并能综合考虑现场***群孔效应，具有预测准确且操作便捷的特点。

Description

一种预测核电工程岩体***损伤深度的方法

技术领域

本发明涉及一种预测核电工程岩体***损伤深度的方法。

背景技术

核电站一般选择相对完整岩体作为核岛等关键建筑物基础，以满足核电站主体建筑物在自重以及地震荷载作用下变形要求。由于核电工程对建基面完整性要求很高，如何预测***开挖对保留基岩的损伤范围是确保建基面完整从而保证核电工程安全施工的前提条件。

目前，水利水电和岩土工程领域常常基于现场***振动试验和声波测试建立距爆源一定距离处质点峰值振动速度和岩体损伤深度的关系来实现对***损伤深度的预测和控制。但由于声波试验测试周期较长，工作量大，且与现场正常***施工交叉进行，而现场施工工期较紧，使得声波试验数据往往非常有限。由于数值模拟可以方便、经济、快速地模拟不同***规模、最大段装药量、开挖深度工况下的场地衰减规律与损伤特征，可以弥补现场声波试验数据不足的缺陷，但现有方法在确定模型***输入荷载时均做单孔单段简化处理，即假设现场***所有爆孔装药量集中在一个爆孔内一次起爆，无法考虑群孔效应，与现场多排多孔分段延时、一次起爆的实际情况出入较大。

此外，由于预裂***为取得较好预裂效果需要多孔同时起爆，产生的振动较大，但对下卧基岩的实际损伤不大，显著不同于台阶***，因而现有方法采用基于台阶***方式建立的损伤深度与质点振动速度的变化规律来预测预裂***的损伤深度会产生非常大的误差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种预测核电工程岩体***损伤深度的方法，该方法能综合考虑群孔效应、预测准确且操作便捷。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种预测核电工程岩体***损伤深度的方法，分别针对台阶***和预裂***两种***方式进行以下步骤：

步骤一、针对不同最大段装药量Qx、Qx+1···Qy的***炮次，在场地开展***振动测试，针对每个炮次获取距爆源R1、R2···Rn米处质点峰值振动速度的实测值v_测，然后采用萨道夫斯基公式进行回归分析，得到场地***振动衰减规律；

步骤二、针对不同最大段装药量Qx、Qx+1···Qy的***炮次分别开展爆前、爆后的声波测试，所述声波测试包括单孔和跨孔声波测试，绘制爆前爆后声波波速变化率k随钻孔深度H的变化关系曲线，选定声波波速变化率k为10％时对应的深度为损伤深度h，由所述关系曲线确定损伤深度h；

步骤三、采用显式动力有限元程序软件AUTODYN建立分析模型，计算最大段装药量为Qx时，距爆源R1米处质点峰值振动速度V的模拟值v_模；

步骤四、将最大段装药量为Qx时对应的质点峰值振动速度实测值v_测和模拟值v_模进行比较，当v_测和v_模的差值小于阈值时执行步骤五，否则重新执行步骤三；

步骤五、通过数值模拟，计算不同最大段装药量工况下岩体的损伤特征并绘制损伤云图，根据损伤云图确定损伤深度。同时计算出距爆源R1米处质点峰值振动速度，综合声波测试结果和***振动监测结果，建立距爆源R1米处质点峰值振动速度随***损伤深度的变化规律；

步骤六、将现场实际段装药量Q₀带入上述步骤一所述***振动衰减规律中，得到距爆源R1米处质点峰值振动速度V₀，将所述质点峰值振动速度V₀带入步骤五所述质点峰值振动速度随***损伤深度的变化规律中，即可预测使用该药量造成的***损伤深度。

本发明的有益效果是：现有技术开展声波试验测试周期较长，工作量大，且与现场正常***施工交叉进行，而现场施工工期较紧，使得声波试验数据往往非常有限，采用本发明提出的数值模拟技术可以部分替代现场声波试验，减少现场试验次数从而降低外业工作量，提高施工效率。

现有技术在确定模型***输入荷载时均做单孔单段简化处理，即假设现场***所有爆孔装药量集中在一个爆孔内一次起爆，无法考虑群孔效应，与现场多排多孔分段延时、一次起爆的实际情况出入较大，本发明采用有限元程序AUTODYN精确模拟了现场***实际采用的多排多孔毫秒延期的***过程，可有效考虑群孔效应，获得了更符合现场实际的***输入荷载。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述岩体的***方式包括台阶***和预裂***。

采用上述进一步方案的有益效果是，目前核电工程***施工过程中，一般既包括台阶***又包括预裂***，分别针对台阶***和预裂***进行上述步骤，可以得到两种***方式下的损伤深度与质点振动速度的关系，从而用于两种***方式下的损伤深度预测，从根本上避免了现有技术采用基于台阶***方式建立的损伤深度与质点振动速度的变化规律来预测预裂***的损伤深度而产生较大误差的缺陷。

进一步，所述步骤一中，获取距爆源R1、R2···Rn米处质点峰值振动速度的实测值的具体步骤为：

在距爆源R1、R2···Rn米处各布置一台三向速度传感器采集各采集点处的三向振动速度，所述三向包括垂直方向、水平径向和水平切向，每台三向速度传感器与振动信号记录仪相连，爆后将所述信号记录仪与计算机相连，通过计算机读取并分析记录仪拾取的振动信号。

采用上述进一步的有益效果是，获取距爆源不同距离处的指点峰值振动速度时，采集各点的三向振动速度，可以计算出个各方向上的振动速度衰减规律，使得试验测得结果更全面、精准。

进一步，所述跨孔声波试验，具体是通过以下方式进行：

在爆区中部区域选择5个爆孔兼做声波孔，声波孔深度比爆孔设计深度超深2-3米，选择中心爆孔作为发射孔，选择所述发射孔周边4个爆孔作为接收孔，4个所述接收孔到发射孔的距离相等，4个孔同时接收信号，同步工作。

采用上述进一步方案的有益效果是，现场的孔超声波试验中，由于孔数繁多，如果一个孔发射信号，一个孔采集信号，必然导致跨孔试验程序繁杂，且容易出错。采用上述一孔发射信号，4孔同步接收信号的试验方法，可以大大提高跨孔测试的效率，且能保证试验数据的准确性。

进一步，所述步骤二中，通过单孔和跨孔声波测试得到基岩爆前声波波速值，然后将声波孔孔底超深部分填塞细沙至装药设计标高，装填***实施***，在爆后清渣完毕并清除声波孔孔底填塞物后，进行爆后声波实验，得到相应爆前各测点基岩声波波速值，并由此绘制爆前爆后声波波速变化率随深度的变化关系曲线。

进一步，所述步骤三中采用显式动力有限元程序软件AUTODYN建立分析模型的具体步骤包括，分别建立***和岩石单元，岩石材料本构模型选用RHT材料模型，该模型选用的材料参数包括：密度、剪切模量、体积模量、压缩强度和压缩应变率指数由现场和室内试验确定；乳化***和空气材料状态方程分别采用标准JWL状态方程和线性多项式状态方程；模型边界条件采用Flow_out无反射边界。

采用上述进一步方案的有益效果是可以合理考虑群孔效应并准确计算质点振动速度。

进一步，所述步骤五中通过数值模拟计算不同最大段装药量工况下岩体损伤特征的具体步骤包括，计算***荷载作用下岩石累计塑性应变∑Δε_P，以及岩石材料破坏时的塑性应变ε_p,failure，在此基础上定义损伤量D，并绘制损伤云图，其中ε_p,failure≥ε_f,min，ε_f,min为材料破坏时的最小塑性应变。

采用上述进一步方案的有益效果是可以准确模拟岩体***损伤特征并绘制损伤云图，从而准确确定***损伤深度。

附图说明

图1为本发明的步骤流程图；

图2为现场测得的台阶***垂直向峰值振动速度衰减规律图；

图3为现场测得的台阶***水平径向峰值振动速度衰减规律图；

图4为现场测得的台阶***水平切向峰值振动速度衰减规律图；

图5为现场测得的预裂***垂直向峰值振动速度衰减规律图；

图6为现场测得的预裂***水平径向峰值振动速度衰减规律图；

图7为现场测得的预裂***水平切向峰值振动速度衰减规律图；

图8为本发明跨孔声波试验布置俯视图；

图9为本发明跨孔声波试验布置剖视图；

图10为本发明爆前爆后声波波速变化率随深度的变化关系图；

图11为本发明台阶***数值分析模型图；

图12为本发明预裂***数值分析模型图；

图13为本发明台阶***损伤模拟云图；

图14为本发明预裂***损伤模拟云图；

图15为本发明台阶***方式下距爆源40米处质点峰值振动速度随***损伤深度的变化关系图；

图16为本发明预裂***方式下距爆源40米处质点峰值振动速度随***损伤深度的变化关系图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1，如图1所示，一种预测核电工程岩体***损伤深度的方法，分别针对台阶***和预裂***两种***方式进行以下步骤：

步骤一、针对最大段装药量范围为8-40kg的***炮次，在场地开展***振动测试，其中***炮次为34次；针对每个炮次获取距爆源不同距离处质点峰值振动速度的实测值，然后采用萨道夫斯基公式进行回归分析，得到场地***振动衰减规律。

每次***时，在***抛掷方向后方区域内距爆源不同距离处布置三个以上测(其中一个测点的爆源距为40米)，每处布置一个测点，每个测点布置一台三向(垂直向、水平径向和水平切向)速度传感器，每台速度传感器分别与振动信号记录仪相连，所述振动信号记录仪记录***引起质点的振动情况，爆后将信号记录仪与计算机相连，读取并分析记录仪拾取的振动信号，并采用萨道夫斯基公式，针对台阶***和预裂***两种方式，分别对现场实测垂直向、水平径向和水平切向峰值振动速度进行回归分析，得到场地三向振动速度衰减规律，该规律如下式及图2-7所示：

台阶***：

垂直向振动速度衰减规律：相关系数r2＝0.821；

水平径向振动速度衰减规律：相关系数r2＝0.876；

水平切向振动速度衰减规律：相关系数r2＝0.852。

预裂***：

垂直向振动速度衰减规律：相关系数r2＝0.877；

水平径向振动速度衰减规律：相关系数r2＝0.883；

水平切向振动速度衰减规律：相关系数r2＝0.895。

式中：V为峰值振动速度，cm/s；Q为最大段药量，kg；R为爆源距，m。

步骤二、针对最大段装药量为8、14、15、18、22和24kg的***炮次分别开展爆前、爆后的超声波测试，所述超声波测试包括单孔和跨孔超声波测试。绘制爆前爆后声波波速变化率k随钻孔深度H的变化关系曲线，选定声波波速变化率k为10％对应的深度为损伤深度h，由所述关系曲线确定损伤深度h。

如图8所示，在爆区中部区域选择5个爆孔兼做声波孔(声波孔深度比爆孔设计深度超深2-3米)。选择中心爆孔作为发射孔，选择所述发射孔周边4个爆孔作为接收孔，4个所述接收孔到发射孔的距离相等。***前进行单孔和跨孔声波测试，沿爆孔每间隔20cm进行声波测试得到基岩爆前声波波速值。然后将声波孔孔底超深部分填塞细沙至装药设计标高，装填***实施***。如图9所示，在爆后清渣完毕并清除声波孔孔底填塞物后，进行爆后声波实验，得到相应爆前各测点基岩声波波速值，并绘制爆前爆后声波波速变化率随深度的变化关系曲线。根据《水工建筑物岩石基础开挖工程技术规范》(SL47-94)，当***前后波速变化率大于10％即认为岩体产生损伤，由此初步确定***开挖时岩体损伤深度，如图10所示。

步骤三、采用显式动力有限元程序软件AUTODYN建立分析模型，计算最大段装药量为15kg时，距爆源40米处质点峰值振动速度V的模拟值。

步骤四、将最大段装药量为15kg时对应的质点峰值振动速度实测值v_测和模拟值v_模进行比较，当v_测和v_模的差值与v_测的比值小于10％时执行步骤五，否则重新执行步骤三。

采用AUTODYN软件分别建立台阶***和预裂***两种方式数值分析模型，如图11，12所示。建模时分别建立***和岩石单元，岩石材料本构模型选用RHT材料模型，该模型选用的材料参数包括：密度、剪切模量、体积模量、压缩强度和压缩应变率指数，其值由现场和室内试验确定；乳化***和空气材料状态方程分别采用标准JWL状态方程和线性多项式状态方程。模型边界条件采用Flow_out无反射边界。模拟不同***方式(台阶***和预裂***)下现场实际***时***过程，计算场地质点振动速度，并与现场振动监测结果进行对比，当v_测和v_模的差值小于阈值时执行步骤五，否则对所述数值分析模型参数进行调整，重新执行步骤三。

步骤五、通过数值模拟，计算不同最大段装药量工况下岩体的损伤特征并绘制损伤云图，如图13，14所示，根据损伤云图确定损伤深度。同时计算出距爆源40m处质点峰值振动速度，综合声波测试结果和***振动监测结果，分别建立台阶***和预裂***两种方式下距爆源40m处质点峰值振动速度随***损伤深度的变化规律，如下式及图15，16所示。

台阶***：

$V_{40m}=0.916e^{0.5221h_D}$

预裂***：

$V_{40m}=1.118e^{0.8532h_D}$

式中，V_40m为距爆源40m处的允许质点峰值振动速度，cm/s；h_D为影响深度，m。

步骤六、将现场实际段装药量Q₀带入上述步骤一所述***振动衰减规律中，得到距爆源40米处质点峰值振动速度V₀，将所述质点峰值振动速度V₀带入步骤五所述质点峰值振动速度随***损伤深度的变化规律中，即可预测使用该药量造成的***损伤深度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种预测核电工程岩体***损伤深度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、针对不同最大段装药量Qx、Qx+1···Qy的***炮次，在场地开展***振动测试，针对每个炮次获取距爆源R1、R2...Rn米处质点峰值振动速度的实测值v_测，然后采用萨道夫斯基公式进行回归分析，得到场地***振动衰减规律；

步骤二、针对不同最大段装药量Qx、Qx+1···Qy的***炮次分别开展爆前、爆后的声波测试，所述声波测试包括单孔和跨孔超声波测试，绘制爆前爆后声波波速变化率k随钻孔深度H的变化关系曲线，选定声波波速变化率k为10％时对应的深度为损伤深度h，由所述关系曲线确定损伤深度h；

步骤三、采用显式动力有限元程序软件AUTODYN建立分析模型，计算最大段装药量为Qx时，距爆源R1米处质点峰值振动速度V的模拟值；

步骤四、将最大段装药量为Qx时对应的质点峰值振动速度实测值v_测和模拟值v_模进行比较，当v_测和v_模的差值小于阈值时执行步骤五，否则重新执行步骤三；

步骤五、通过数值模拟，计算不同最大段装药量工况下岩体的损伤特征并绘制损伤云图，根据损伤云图确定损伤深度，同时计算出距爆源R1米处质点峰值振动速度，综合声波测试结果和***振动监测结果，建立距爆源R1米处质点峰值振动速度随***损伤深度的变化规律；

步骤六、将现场实际段装药量Q₀带入上述步骤一所述***振动衰减规律中，得到距爆源R1米处质点峰值振动速度V₀，将所述质点峰值振动速度V₀带入步骤五所述质点峰值振动速度随***损伤深度的变化规律中，从而预测使用该药量造成的***损伤深度。

2.根据权利要求1所述一种预测核电工程岩体***损伤深度的方法，其特征在于，所述岩体的***方式包括台阶***和预裂***。

3.根据权利要求1所述一种预测核电工程岩体***损伤深度的方法，其特征在于，所述步骤一中，获取距爆源R1、R2···Rn米处质点峰值振动速度的实测值的具体步骤为：

在距爆源R1、R2···Rn米处各布置一台三向速度传感器，所述三向包括垂直方向、水平径向和水平切向，每台三向速度传感器与振动信号记录仪相连，爆后将所述信号记录仪与计算机相连，通过计算机读取并分析记录仪拾取的振动信号。

4.根据权利要求1所述一种预测核电工程岩体***损伤深度的方法，其特征在于，所述跨孔声波试验，具体是通过以下方式进行：

在爆区中心区域选择5个爆孔兼做声波孔，声波孔深度比爆孔设计深度超深2-3米，选择中心爆孔作为发射孔，选择所述发射孔周边4个爆孔作为接收孔，4个所述接收孔到发射孔的距离相等。

5.根据权利要求1所述一种预测核电工程岩体***损伤深度的方法，其特征在于，所述步骤二中，通过单孔和跨孔声波测试得到基岩爆前声波波速值，然后将声波孔孔底超深部分填塞细沙至装药设计标高，装填***实施***，在爆后清渣完毕并清除声波孔孔底填塞物后，进行爆后声波实验，得到相应爆前各测点基岩声波波速值，并由此绘制爆前爆后声波波速变化率随深度的变化关系曲线。

6.根据权利要求1所述一种预测核电工程岩体***损伤深度的方法，其特征在于，所述步骤三中采用显式动力有限元程序软件AUTODYN建立分析模型的具体步骤包括，分别建立***和岩石单元，岩石材料本构模型选用RHT材料模型，该模型选用的材料参数包括：密度、剪切模量、体积模量、压缩强度和压缩应变率指数，其值由现场和室内试验确定；乳化***和空气材料状态方程分别采用标准JWL状态方程和线性多项式状态方程；模型边界条件采用Flow_out无反射边界。

7.根据权利要求1所述一种预测核电工程岩体***损伤深度的方法，其特征在于，所述步骤五中通过数值模拟计算不同最大段装药量工况下岩体损伤特征的具体步骤包括，计算***荷载作用下岩石累计塑性应变∑Δε_P，以及岩石材料破坏时的塑性应变ε_p,failure，在此基础上定义损伤量D，并绘制损伤云图，其中ε_p,failure≥ε_f,min，ε_f,min为材料破坏时的最小塑性应变。