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围堰爆破及爆后流水冲渣过程研究是岩土工程施工中的关键技术问题,涉及到岩石力学、工程爆破、爆炸力学及水力学等多个科学领域。其研究成果对围堰拆除施工具有重要的指导意义,对我国近年众多大中小型水电站建设具有显著的工程应用价值。本文以湖南常德的沅水桃源水电站围堰为工程背景,根据防洪要求,对围堰分洪爆破方案进行了设计。利用LS-DYNA软件对围堰分洪爆破过程进行了数值模拟。通过经验公式的计算和PFC2D软件的数值模拟,对围堰爆破后的流水冲渣效果进行了研究。得到的主要结论如下:
(1)围堰是由不同的填筑材料依照一定的颗粒级配回填压实堆积形成,为了保证分洪围堰段拆除完全、堆积高度低,满足高水位、高流速时及时形成分洪缺口并快速分流。经过方案比选,一期围堰分洪爆破拆除段内防渗墙按钻孔爆破设计,围堰堆积体按预留药室集中药包爆破设计。
(2)通过LS-DYNA软件进行了围堰爆破过程数值模拟,结果表明在爆破荷载作用下,原本就是靠堆挤压密而成的围堰材料之间的粘结作用将不复存在,围堰将产生以松散为主的破坏。
(3)确定了KUZ-RAM模型作为爆渣块度分析的依据,采用经验公式对流水冲渣效果进行了分析,通过对爆渣启动速度计算方法和经验公式的分析总结,得到了启动速度的通式。通过引入溃坝理论分析了围堰爆破时的水流速度以及围堰爆破拆除瞬间的水流状态,结果表明:在围堰拆除瞬间,水流速度可将块度在50cm以下的爆渣冲走,如果将特征块度控制在27.5cm附近,在爆破拆除后水流能将绝大部分的爆渣冲走,形成设计的分洪缺口,降低洪水位,实现爆破应急分洪。
(4)应用离散元软件PFC2D对围堰爆后流水冲渣的效果进行了数值模拟,并和经验公式计算结果进行了比较验证,结果表明:模型边界内的爆堆的高度有明显下降,颗粒数量大量减少,通过水流冲刷爆堆以实现分洪的目的基本实现。