核电站基岩爆破开挖损伤区研究

第24卷 增1 岩石力学与工程学报 V ol.24 Supp.1 2005年8月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Aug .，2005

收稿日期：2005–05–11；修回日期：2005–06–21

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50374063，50439030)；国家重点基础研究发展规划(973)项目(2002CB412705)

作者简介：李俊如(1965–)，女，硕士，1987年毕业于重庆大学矿山工程物理专业，现任副研究员，主要从事岩石动力学方面的研究工作。E-mail ：jrli@whrsm. 。

核电站基岩爆破开挖损伤区研究

李俊如1，夏 祥1，李海波1，王晓炜2，周青春1

(1. 中国科学院 武汉岩土力学研究所，湖北 武汉 430071；2. 中广核工程有限公司，广东 深圳 518124)

摘要：根据岭澳核电站二期工程基岩爆破现场进行的4组声波试验，并基于爆前爆后声波波速变化率确定的损伤门槛值得到了各次爆破岩体的损伤范围。研究结果表明，周围岩体在爆孔的装药区段深度范围内，损伤程度最大，而近地面和爆孔底部以下的岩体损伤则较小；距爆区越近，岩体损伤变量越大，爆孔底部以下的损伤深度也越大；爆破作用下岩体的损伤深度要小于水平方向的损伤范围，其比例大约为1∶3；岩体的损伤范围随单孔药量增大的趋势明显。

关键词：岩石力学；损伤范围；核电站；声波测试； 基岩爆破

中图分类号：TU 459+.3 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2005)增1–4674–05

STUDY ON BLAST-INDUCED BEDROCK DAMAGE EXTENSION

FOR A NUCLEAR POWER STATION PROJECT

LI Jun-ru 1，XIA Xiang 1，LI Hai-bo 1，WANG Xiao-wei 2，ZHOU Qing-chun 1

(1. Institute of Rock and Soil Mechanics ，Chinese Academy of Sciences ，Wuhan 430071，China ； 2. China Guangdong Nuclear Power Station Engineering Co.，Ltd.，Shenzhen 518124，China )

Abstract ：Four groups of sonic wave tests have been performed in the bedrock blasting excavation at the Ling ′ao nuclear power station project of Guangdong Province ，China. The changes of sonic wave speed before and after the detonation are obtained. Based on the relationship of sonic wave changing ratio and the critical damage parameter ，the damage extention of each blast and sonic wave test is determined. It is found that surrounding rock in the depth of charging section is the most seriously damaged. In the area adjacent to the ground and beneath the bottom of the charge hole ，the rock is less damaged under blasting. The damage parameters and depth under the bottom of charge holes increase clearly with the decreasing distance from the donation. It has also been observed that the horizontal damage distance of rock under explosion is approximate 3 times of the damage depth. The blast-induced damage extention distinctly increases with the single charge weight.

Key words ：rock mechanics ；damage extension ；nuclear power station ；sonic wave testing ；rock blasting

1 引 言

广东岭澳核电站厂址位于深圳市东南45 km ，位于大亚湾核电站东北方向1～2 km 的沿海地带，设计总装机容量为360×104

千瓦，分两期进行，其中一期(1#

，2#

)两台机组已先后于2002年和2003年

投入使用。即将营建的二期工程3#，4#两台机组，

将布置在一期1#，2#机组以东约340 m 处，场平标高7.00 m PRD 。根据现场地质勘察报告，二期工程场区基岩未发现断裂，主要由长英角岩、堇青石角岩和钠长石化细粒斑状花岗岩、细粒花岗岩构成，原岩是晚泥盆世春湾组碎屑岩。根据设计要求，需要对基岩爆破开挖，而爆破会对下卧基岩造成一定

第24卷增1 李俊如等. 核电站基岩爆破开挖损伤区研究 • 4675 •

程度的损伤，分析爆炸荷载作用下基岩的损伤影响范围以确保预留基岩的完整性是工程爆破开挖关心的问题。

一般认为爆炸产生的应力波是基岩损伤的主要因素。根据这一认识，国内外研究人员针对爆破荷载作用下基岩的损伤特征进行了大量的研究工作。例如，文[1，2]对三峡工程左岸临时船闸中部高程119.4 m的弱风化底板花岗岩进行了现场爆破试验，通过爆破前后的岩体声波的对比，确定出爆破松裂半径为1.4～2.0 m，松裂深度为0.2～0.7 m。文[3]对大理岩在耦合填塞、耦合不填塞及不耦合填塞三种爆破条件下进行了小药量的模拟爆破试验，对离爆点不同位置的岩样进行了声波、抗拉和抗压力学性能的参数试验。研究结果表明随着爆源距的增加，岩石声波速度、强度和弹性模量逐步增大，爆破损伤程度减弱；装药结构和炮孔填塞方式的改变，对岩石的损伤程度有明显的影响，耦合填塞时，中远区的岩石损伤也较严重；耦合不填塞时，岩石的损伤程度明显比耦合填塞的情况减弱；不耦合填塞时，此时岩石的损伤程度又比耦合不填塞时弱。文[4]在TCK损伤模型的基础上，考虑岩石冲击损伤过程的声波测试衰减规律，构造新的岩石爆破损伤模型，将该模型应用于LS-DYNA3D动态有限元程序，计算岩石的损伤范围。文[5～8]建立涉及应力波引起损伤的岩体力学本构模型，并采用有限元进行数值模拟计算，得出花岗岩基坑开挖掏槽爆破形成的岩体损伤半径为0.3～0.4 m，起爆周边眼后，岩体的损伤半径为0.8～1.3 m，模拟结果与实际基本吻合。

本文基于广东岭澳核电站二期工程基岩爆破开挖过程的声波测试，分析了爆破荷载作用下引起核电站基岩的损伤区域以及影响因素，旨在为类似工程提供借鉴。

2 现场试验测点布置

为确定爆破荷载作用下基岩的损伤范围，分析其损伤特征，共进行了4次声波试验。每次爆破前后都对相应的爆破孔和声波孔进行声波检测，对比其在各个深度范围的声波波速变化，确定损伤值。为确定爆破对基岩的影响深度，试验时利用了4个爆破孔作为声波试验孔，该炮孔深度比设计深度深1.5～3.5 m。进行爆前声波测试后，将底部填塞至设计深度施爆，爆后清出孔底装填物后，再进行爆后声波测试。为测定基岩沿水平方向损伤范围，在爆区外沿直线按一定距离布置4个声波孔，根据这一系列声波孔各个深度的波速变化情况就可以确定爆区外岩体损伤区的基本形状。图1为第4次试验时声波测试孔布置，其中1#～4#号孔为声波孔，相互间隔1 m，为量测沿水平方向的损伤范围。5#～8#孔为爆孔兼作声波孔，比其他爆孔超深约2.2 m，用于量测爆孔底部以下区段的损伤情况。

图1 第4次试验声波孔布置示意图

Fig.1 Arrangement of the fourth sonic wave testing points 3 基岩损伤的判定标准

岩体损伤可以看作是由于爆炸作用使原有裂隙张开、扩展，从而导致岩体弹性模量降低的过程[6，7]。可以用比例常数D(弹性模量损失系数)表示岩体的损伤程度：D = 0代表岩体无损伤；D = 1代表岩体完全破碎；对于0＜D＜1，表示岩石处于非完全破碎的过渡状态，比例常数即损伤变量可表示为

1

E

D

E

=−(1) 式中：E0为爆破前岩体的弹性模量；E为含裂纹体的宏观等效弹性模量(爆破后的等效弹性模量)。

我国《水工建筑物岩石基础开挖工程技术规范》(SL47–94)中对岩体的爆破破坏也作了相应的规定，采用岩体波速在爆前爆后的变化率η来判定爆破荷载作用下岩体的破坏程度：

00

1

c c c

c c

η

−

==−(2) 式中：c0为爆破前在岩体中测得的声波速度，c为爆破后对应c0测试部位的声波速度。根据规范，当η＞10％时，即判定岩体破坏。

根据弹性波理论，爆破前后岩体弹性模量为

200

000

(1)(12)

1

E c

μμ

ρ

μ

−−

=

+

(3)

2

(1)(12)

1

E c

μμ

ρ

μ

−−

=

+

(4)