CN111750753A - 一种用于改善水下掏槽***破碎效果的***排水方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于改善水下掏槽***破碎效果的***排水方法,首先针对水下圆形岩石基础的直孔掏槽***合理布置中心空孔;然后根据空孔体积及******后爆生气体膨胀规律,计算用于排水的药包药量,安放排水药包至中心空孔底部;之后在排水药包上依次进行防护层和排水隔离物施工;对排水隔离物上方压水进行受力分析,根据***后的气泡空腔膨胀规律及所述上方压水上升运动规律,计算药包***后爆生气体充满中心空孔所需时间,确定排水药包与待爆除岩体药包的起爆时差;根据该时差依次起爆排水药包、待爆除岩体药包。本发明提供的***排水方法可加强掏槽***中心空孔的应力波反射拉伸破碎作用,大幅提高水下掏槽***的破碎效果和掘进效率。
Description
技术领域
本发明属于***施工技术领域,涉及一种水下基础开挖***施工技术,尤其是涉及一种用于改善水下掏槽***破碎效果的***排水方法,可广泛应用于海上风电嵌岩桩基础、跨海大桥水下桥墩基础、各类水下井筒等的***开挖。
背景技术
随着世界能源开发研究的发展,可持续发展作为一种能源开发的基本指导思想,风力发电作为一种新型可持续能源得到世界各国高度重视,我国风电的发展速度也相当迅速,近年来路上风电有了大规模的开发,但其具有许多缺点和限制条件,因海上风电场因具有风速大、有效发电时间长、不占用陆地、距离负荷中心近等优点,具有很好的可开发前景。海上风机必须支撑在海上风机基础上。因海洋环境的复杂性,海上风机基础造价占海上风电场成本的20%以上。如何降低风机基础造价,减少海上风机基础施工周期,促进风电场尽早发电创造效益是开发海上风电的重要课题。
当前阶段,国内外用于海上风电场的风电机组基础型式主要有桩基础(包括单桩基础、导管架基础、三脚架基础等)、重力式基础、吸力筒式基础和悬浮型基础等四种。其中,单桩基础受力分析明确,结构形式简单,施工速度快。国外风电场已经将单桩基础应用于0~40m水深海域,风力发电机组单机容量高达8MW;国内风电场也已具备丰富的单桩基础软基海床建设经验。据统计,目前75%以上的海上风机基础均采用单桩基础形式。然而我国辽宁、山东、浙江、福建、广东、广西等沿海存在大面积浅覆盖层地基,因为基岩面埋藏深度深度浅,往往无法将钢管桩沉入设计需要的设计高程,因此通常采用嵌岩桩。嵌岩桩桩基主要分为桩孔开挖和钢筋混凝土浇筑两大部分,对于桩孔的施工,目前主要采用人工挖孔或旋挖机钻孔施工。旋挖机挖孔效率高,但旋挖机械进出场费用高,且受到空间、道路等条件制约,特别是旋挖机在中硬岩中施工时,钻机钻进困难,机械磨损大,不经济,尤其对于大直径嵌岩桩施工来说,由于嵌岩桩施工设备缺乏,很难实现大直径全断面嵌岩;人工挖孔采用水下石方***的方式进行,在桩孔施工中通常采用水下控制***。
桩基基础水下掏槽***施工时,如图3所示,待爆除岩体1的炮孔布置由内向外依次为中心孔、掏槽孔、辅助孔6、轮廓孔7,中心孔一般不装药,中心孔与掏槽孔***后会形成中心空孔2,或者中心空孔2由大型钻孔设备施工形成,周边辅助孔与轮廓孔起爆时,其与中心空孔之间的待开挖岩体侧向受到中心空孔内较大的静水压力,且水的可压缩性较空气要小很多,临空面条件较差,严重影响***效果,同时增加了后续清渣、出渣工作的难度;若采用较大的***单耗一定程度上可以改善***效果,但此时水下***会产生较强的***冲击波,对周围构筑物和海洋生物都会产生不利影响,同时会显著增加工程造价,现有技术并不能有效解决这一问题,因此寻求一种兼顾工程造价、***开挖效果、***冲击波三方面的***施工方法具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于改善水下掏槽***破碎效果的***排水方法,以解决上述背景技术存在的问题,通过***排水的方法加强掏槽***中心空孔的应力波反射拉伸破碎作用,并为破碎岩体的后续移动或抛掷提供自由空间,避免水阻力对***效果的不利影响,大幅提高水下掏槽***的破碎效果和掘进效率,同时降低***冲击波强度。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种用于改善水下掏槽***破碎效果的***排水方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤S1、针对水下圆形岩石基础的直孔掏槽***,布置中心空孔和待爆除岩体药包;
步骤S2、根据中心空孔的体积及******后爆生气体膨胀规律,计算用于排水的排水药包药量,将系有配重的排水药包安放到中心空孔底部;
步骤S3、在排水药包上依次进行防护层和排水隔离物施工;
步骤S4、对排水隔离物上方压水进行受力分析,根据***后的气泡空腔膨胀规律及所述上方压水上升运动规律,计算排水药包***后爆生气体膨胀充满中心空孔的空孔体积所需时间,确定排水药包与待爆除岩体药包的起爆时差;
步骤S5、根据确定的起爆时差依次起爆排水药包和待爆除岩体药包。
优选的,本发明提供的一种用于改善水下掏槽***破碎效果的***排水方法,还可以具有以下特征:所述中心空孔直径为0.5~2.0m,深度比岩体开挖深度大0.5~1.0m。
优选的,本发明提供的一种用于改善水下掏槽***破碎效果的***排水方法,还可以具有以下特征:所述排水药包药量的计算可按照药包爆后生成的爆生气体充满中心空孔时的压力等于待爆除岩体顶部处静水压力Pw的原则确定,具体方法如下:
步骤2.1、水下***高压气泡内的初始压力满足:
公式(1)中:Qc为***爆热,Q为药包质量,V0为药包体积,γ为爆热指数;
步骤2.2、忽略爆生气体的粘滞性,并把爆生气体当作多方气体,则该气体的状态方程为:
PVv=const 公式(2)
式中:V为爆生气体体积,P为爆生气体压力,v为等熵指数。
步骤2.3、基于排水药包药量确定原则并联立公式(1)和公式(2)可以求得排水药包药量为:
公式(3)中,ρe为排水药包的密度。
优选的,本发明提供的一种用于改善水下掏槽***破碎效果的***排水方法,还可以具有以下特征:所述防护层材质可以是细沙或岩屑。
优选的,本发明提供的一种用于改善水下掏槽***破碎效果的***排水方法,还可以具有以下特征:所述排水隔离物材质可以是外部包裹有钢丝网的PVC或木材。
优选的,所述排水隔离物的形状为圆板状,圆板直径比所述中心空孔孔径小5~20cm,厚度为10~20cm。
优选的,本发明提供的一种用于改善水下掏槽***破碎效果的***排水方法,还可以具有以下特征:所述排水隔离物上方压水受到爆生气体的推力Px、上层水的静水压力Ph及自重G,如图2所示。
优选的,本发明提供的一种用于改善水下掏槽***破碎效果的***排水方法,还可以具有以下特征:所述计算隔离物上方压水的运动规律包含以下步骤:
步骤a.将求解时间t域离散成微小时间段dt;
步骤b.在每个微小时间段进行受力分析,计算各时刻排水隔离物上方压水的加速度;
爆生气体膨胀压力(岩体变形相对中心空孔体积可忽略):
1)岩体变形相对中心空孔体积可忽略,爆生气体膨胀压力为:
公式(4)中:Vx为爆生气体推动排水隔离物创造的膨胀空间的体积,V0为排水药包初始体积;
2)将已开挖桩基孔内排水隔离物上压水与隔离物看成一个整体,整体重力:
Gi=(ρwVx+mp)g 公式(5)
公式(5)中:ρw为水的密度,mp为排水隔离物质量,g为重力加速度;
3)排水隔离物上压水所受上层水静水压力:
式中:h为待爆除岩体顶部处水深。
i时刻排水隔离物上压水的加速度:
步骤c.在每个微小时间段将排水隔离物上方压水的运动看作匀加速运动进行各时刻速度vi+1、位移xi+1、爆生气体创造的膨胀空间体积Vx更新,直至排水隔离物及其上方压水运动创造的空间Vx等于所述中心空孔的体积V1并初步形成负压,并记录排水隔离物上方压水从开始运动至此时的持续时间。
i+1时刻速度:
vi+1=vi+aidt 公式(8)
i+1时刻位移:
xi+1=xi+(vi+vi+1)dt/2 公式(9)
爆生气体创造的膨胀空间体积:
Vx=πr2xi+1 公式(10)
公式(10)中:r为中心空孔半径。
本发明的有益效果:
本发明提供的***排水方法既可加强掏槽***中心空孔的应力波反射拉伸破碎作用,并为破碎岩体的后续移动或抛掷提供自由空间,大幅提高水下掏槽***的破碎效果和掘进效率;创造的自由空间又可作为空腔隔层发挥对***冲击波的衰减作用,可显著降低水下***时的***单耗,排水便捷,高效环保,经济实用。
附图说明
附图1为本发明***排水方法的排水药包安装示意图。
图2排水药包***后排水隔离物上方压水受力分析示意图。
图3为现有技术中桩基基础水下掏槽***施工时炮孔布置示意图。
图中:1-待爆除岩体,2–中心空孔,3-排水药包,4-防护层,5-排水隔离物,6-辅助孔,7-轮廓孔,8-排水隔离物上方压水。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不能用来限制本发明的范围。
下面结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性前提下,所获得的所有实施例,都属于本发明保护的范围。某海上风电场基础采用单桩基础,基岩面埋藏深度深度浅,因此选用嵌岩桩,桩基孔开挖深度为15.0m,倾角为90°,待爆除岩体1顶面海水水深为15m,由于大断面钻孔机械的缺乏,传统掏槽***开挖方法施工效率低,施工进度缓慢,因此决定采用本发明提出的***排水法改善水下掏槽***破碎效果。具体包括以下步骤:
S1、针对水下圆形岩石基础的直孔掏槽***,合理布置并施工中心空孔2(按照现有技术根据开挖岩体的尺寸、硬度和水下条件等确定),本实施例基于水下基础***施工方案,确定中心空孔2位置为圆形基础中心处,直径为1.0m,深度为16.0m,圆形基础直径为8m;
S2、排水药包3采用可以防水高能乳化***,药包密度为1200kg/m3,药包爆热为6.5×106J/kg,根据中心空孔2体积V1=12.57m3及******后爆生气体膨胀规律,利用公式(3)计算用于排水的药包药量m为20kg,并将系有配重的药包安置到中心空孔2的底部;
S3、在排水药包3上依次进行防护层4和排水隔离物5施工,防护层4的材质为岩屑,用尼龙袋封装,排水隔离物5的材质为外部包裹有钢丝网的PVC,形状为圆板状,圆板直径为0.9m,厚度为15cm;
S4、对排水隔离物上方压水8进行受力分析,如图2所示,排水隔离物上方压水8受到爆生气体的推力Px、上层水的静水压力Ph及自重G,计算***后的气泡空腔膨胀规律与所述上方压水上升运动规律,包含以下步骤:
步骤a.将求解时间t域离散成微小时间段dt=0.00001s(实际不限于该数值,一般为0.0001-0.000001s之间);
步骤b.在每个微小时间段进行受力分析,计算各时刻排水隔离物上方压水8的加速度,见公式(7);
步骤c.在每个微小时间段将排水隔离物上方压水8的运动看作匀加速运动进行各时刻速度vi+1、位移xi+1、爆生气体创造的膨胀空间体积Vx更新,计算详见公式(8)至公式(10),直至排水隔离物5及其上方压水运动创造的空间Vx等于所述中心空孔2的体积V1,爆生气体将中心空孔2内的水排出瞬间,中心空孔2内部分爆轰产物连同空气冲出中心空孔2,中心空孔2上部由于气体变稀薄,可认为此时刻中心空孔2内初步形成负压,记录排水隔离物上方压水8从开始运动至此时的持续时间t=157.18ms。
步骤d.依据药包***后爆生气体充填满S1中中心空孔2体积所需时间t=157.18ms,根据***延时段位的精度确定排水药包3与待爆除岩体药包的起爆时差为160ms,本实施例中,因为***延时起爆的精度受限,因此起爆时差取整为160ms;
S5、根据确定的起爆时差依次起爆排水药包3和待爆除岩体药包。
本实施例采用了本发明提出的水下基础开挖***排水方法,经爆后***效果的宏观检测,发现破岩效果良好,且***过程***冲击波对周围扰动较小。
以上实施方式仅用于说明本发明,而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换,都不脱离本发明技术方案的精神和范围,均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种用于改善水下掏槽***破碎效果的***排水方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤S1、针对水下圆形岩石基础的直孔掏槽***,布置中心空孔和待爆岩体药包;
步骤S2、根据中心空孔的体积及******后爆生气体膨胀规律,计算用于排水的排水药包药量,将系有配重的排水药包安放到中心空孔底部;
步骤S3、在排水药包上依次进行防护层和排水隔离物施工;
步骤S4、对排水隔离物上方压水进行受力分析,根据***后的气泡空腔膨胀规律及所述上方压水上升运动规律,计算排水药包***后爆生气体膨胀充满中心空孔的空孔体积所需时间,确定排水药包与待爆除岩体药包的起爆时差;
步骤S5、根据确定的起爆时差依次起爆排水药包和待爆除岩体药包。
2.根据权利要求1所述的一种用于改善水下掏槽***破碎效果的***排水方法,其特征在于:所述中心空孔的直径为0.5~2.0m,深度比岩体开挖深度大0.5~1.0m。
3.根据权利要求1所述的一种用于改善水下掏槽***破碎效果的***排水方法,其特征在于:步骤S5中,所述排水药包药量的计算按照药包爆后生成的爆生气体充满中心空孔时的压力等于待爆除岩体顶部处静水压力的原则确定。
4.根据权利要求1所述的一种用于改善水下掏槽***破碎效果的***排水方法,其特征在于:步骤S3中,所述防护层是细沙或岩屑。
5.根据权利要求1所述的一种用于改善水下掏槽***破碎效果的***排水方法,其特征在于:步骤S3中,所述排水隔离物材质是外部包裹有钢丝网的PVC或木材。
6.根据权利要求1所述的一种用于改善水下掏槽***破碎效果的***排水方法,其特征在于:步骤S3中,所述排水隔离物形状为圆板状,圆板直径比所述中心空孔孔径小5~20cm,厚度为10~20cm。
7.根据权利要求1所述的一种用于改善水下掏槽***破碎效果的***排水方法,其特征在于:步骤S2中,所述排水药包药量的计算按照药包爆后生成的爆生气体充满中心空孔时的压力等于待爆除岩体顶部处静水压力Pw的原则确定,具体计算方法如下:
步骤2.1、水下***高压气泡内的初始压力满足:
公式(1)中:Qc为***爆热,Q为药包质量,V0为药包体积,γ为爆热指数;
步骤2.2、忽略爆生气体的粘滞性,并把爆生气体当作多方气体,则该气体的状态方程为:
PVv=const 公式(2)
式中:V为爆生气体体积,P为爆生气体压力,v为等熵指数。
步骤2.3、基于排水药包药量确定原则并联立公式(1)和公式(2)可以求得排水药包药量为:
公式(3)中,ρe为排水药包的密度。
8.根据权利要求1所述的一种用于改善水下掏槽***破碎效果的***排水方法,其特征在于:步骤S4中,所述计算排水药包***后爆生气体膨胀充满中心空孔的空孔体积所需时间包含以下步骤:
步骤a、将求解时间t域离散成微小时间段;
步骤b、在每个微小时间段进行受力分析,计算各时刻排水隔离物上方压水的加速度;
步骤c、在每个微小时间段将排水隔离物上方压水的运动看作匀加速运动进行各时刻速度、位移、爆生气体创造的膨胀空间体积更新,直至排水隔离物及其上方压水运动创造的空间等于所述中心空孔的体积,并记录隔离物上方压水从开始运动至此时的持续时间t,该时间t即为排水药包与待爆除岩体药包的起爆时差。
10.根据权利要求8所述的一种用于改善水下掏槽***破碎效果的***排水方法,其特征在于:步骤c中,各时刻速度、位移、爆生气体创造的膨胀空间体积计算公式如下:
i+1时刻速度:
vi+1=vi+aidt 公式(8)
i+1时刻位移:
xi+1=xi+(vi+vi+1)dt/2 公式(9)
爆生气体创造的膨胀空间体积:
Vx=πr2xi+1 公式(10)
公式(10)中:r为中心空孔半径。
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