西摩瀑布大坝地基土的抗震升级爆破夯实

西摩瀑布大坝地基土的抗震升级爆破夯实来自ASCT的罗恩·J·埃利奥特，，太平洋爆破及拆卸有限公司刘易斯克拉克，，专业工程师布莱尔格赫尔博士，，爆炸夯实公司埃德富洛普，，Klohn克里彭贝格有限公司尼尔K·辛格工程师，，和大温哥华水区的弗兰克·胡贝尔工程师。摘要：本文介绍了爆破压实技术成功应用于温哥华西摩瀑布大坝的抗震升级中对地基土的致密化，原来填土路堤在1958年至1961年建成，2004年至2007年升级为最大可靠度承受地震的影响本文提供了对土壤的爆炸压实理论的一般背景资料，历史使用，现场地质，工程的限制，选择炸药，爆破设计，使用的仪器，实施中遇到的问题和解决方案，以及所取得的成果。该项目涉及使用电子雷管帽感光乳剂炸药经受极端过压环境。该项目是一个通过使用“最先进的技术”再加上最新的设备来实现的出色例子。该项目要求一队钻探人员，爆破人员和工程师的密切合作达到在非常苛刻的条件下难以实现的目标。引言：西摩瀑布大坝位于不列颠哥伦比亚省温哥华西摩河下西摩保护区（LSCR），巴拉德湾以北大约18公里（图一）。大坝充当贮水池为超过200万居民温哥华新城供给大约三分之一的饮用水。该保护区是一个重要的休闲区设有远足和自行车道和位于下游300米的鲑鱼孵化场。围绕西摩河的下部土地具有大量居住，商业和工业的发展前景。温哥华地区被称为具有较高的地震潜在风险。西摩瀑布大坝抗震升级的目的是使大坝达到在加拿大大坝协会列出现代抗震建筑标准-大坝安全指南，使它能够承受的最大可信地震效应（MCE）对应于一个6.5级地震与当地（PGA）0.5克图1：西摩瀑布大坝位置图1920年底，一个高9米的混凝土大坝最初建造在西摩河提供对温哥华地区饮用水。并在1960年初这座大坝被纳入一个新的约30米高的含部分混凝土的土坝。这种新坝的填土部分是220米长。为了完成大坝填土部分的MCE地震升级，因此决定在现有大坝下游脚趾建立一个新的填土路基。深爆炸压实工作从10到20m深采用组合强夯法（DC），在上10米的土壤剖面为新填土路堤基础地面需改进。深层爆炸压实设计采取了体积压实沉降引起的体积应变与在地震作用下体积应变在2％至5％的范围内抖动。该组合强夯法的目的是要创造压实颗粒土壤超过25相当于渗透测试N160值上层。地质：西摩瀑布大坝东端具体的部分是建在基岩上，包括硬的海岸山脉，复杂的大规模的花岗闪长岩。这基岩面从美洲狮溪扇覆盖一个半径约800米的半圆区域，倾向西并布满粗砂和砾石。大坝填土部分是建立在这美洲狮溪山谷的西侧始发的冰水沉积碎屑。美洲狮溪冲积扇上层20米到40米部分由包括18米以上部分包含的粗巨石，鹅卵石，沙子和碎石的松散颗粒物质组成。该材料逐渐变得更细，约30米深时过渡到粗砂。用于原地材料的典型级配曲线在图2中找到。图2当地土级配地下水位在大坝下方的颗粒沉积物是通过渗透的影响通过从美洲狮溪现有土坝和西风补给风扇。地下水流朝向的鱼孵化场向东南方向。环境问题：位于大坝下方300米处的鱼孵化场大部分依赖于美洲狮溪谷呈喷射状的地下水。而爆破夯实过程所产生的化学残留物必须符合规定的水生生物的生存要求。含氨量限制在每升25.7毫克，硝酸盐的含量则限制在每升200毫克。地下水控制系统由四个控制井构成，每口井爆破时所喷射的化学残余物都在可接受限度以内。鱼孵化场的每个产卵池都采取超压措施，采用低于50千帕的压力来保护鲑鱼产卵。爆破产生的最大颗粒速率低于13毫米每秒。大坝安全问题：在爆破夯实过程中，通过限制最大颗粒速率来保证大坝的稳定性。最大颗粒速率不得超过以下要求:鱼孵化场区：13毫米每秒距离爆炸控制板最近18米建筑区：75毫米每秒混凝土大坝顶端：25毫米每秒距离爆炸控制板最近8米西摩主2号直径2.29米管线处：120毫米每秒大坝活土填充区底处：120毫米每秒一批由13个测震仪组成的测量仪器投入使用，通过增加多余度衡量，从而符合限度。爆破夯实基本原则：在过去，爆破夯实几乎三分之二发生在新大坝部分的18个控制板处，而现在则需要在地面发射爆炸命令，从而产生一系列连续的爆炸，从中释放的能量导致土地周期性变形，这一变形过程会根据爆炸声重复多次循环从而使较松软的土地趋于夯实化，特别是那些离爆破洞口较远的地方。据认为，修整变形主要负责这一体积的压实，特别是在距离超过从爆破孔数米之遥的土壤。对于饱和的土壤和由于孔隙水的相对不可压缩性的土壤，在爆破过程中覆土压力会被传递到孔隙流体和爆破期间超静水压的发展。只要应变振幅和应变的周期数是足够的，土体液化（即孔隙水压力暂时升高至有效垂直覆应力在土体，以便创建一个重液）。这种再固结通常发生数小时至数天以下的爆破中，这取决于该土壤和排水的渗透性等边界条件，并通过大量的水在地表面释放或导致爆破残留壳的存在。“短期”的体积变化也造成通过土壤爆破震动而产生土壤结构混乱进而开辟出一条通道。在几米之内的电荷爆轰，流体动力压力大到足以引起孔隙流体的压缩，即使体积压缩相对较小。一旦地面的面积被爆破，那么孔隙压力已大致消退，通过反复震动引起附加沉降取决于土壤的密度和硬度。首先通过破坏任何现有的无粘性土颗粒之间存在的联系,随后附加沉降后的孔隙水压力消散。爆破结果是地表沉降和提高土壤抵抗未来的在现场的地震震动影响。通过这种方式，爆破压实预加条件地应对未来的循环载荷的影响。因为覆盖层土壤的粗粒性质和这些材料的相对高的内部摩擦，在1998年进行了现场先前爆破试验已经表明对于土体以上液化的深度的局部区域的拱起潜力。这个拱起过程可以减少在地面发生的固定点的频率。因此，它被认为是理想的为创建液化尽可能的区域中的任一项所述的深度，从而尽量减少拱起过程。这是通过跨越，使时间延迟，超过25毫秒爆破孔的阵列，有顺序地引爆所有指控在特定深度来实现的。以减少爆炸振动叠加。爆炸物甲板上采用“自下而上”的序列与相邻甲板之间2秒延迟引爆。任何残留拱将通过以下强夯工作加以解决。钻井挑战：在爆炸压实工作涉及钻探约800孔，共计超过16,000米的钻探深度。Foundex探索有限公司的钻井作业使用DR-24型号钻，并安装在贯通桥卡车AP-1000钻机开展，每个钻机成立钻使用168毫米外径螺纹钢外壳和对称的钻井系统185毫米直径的孔。Symmetrix系统是一个同心圆形覆盖层钻井系统，只需要较少的扭矩，通过大石头高效钻孔。该系统由外螺纹套管与一块套管鞋上引，101毫米直径的CSR内杆连接到潜孔锤试点位和一次性环位。以上的潜孔试点位锁定套管环位采用卡口式耦合。环状钻头上自由旋转的套管鞋与随钻，壳体不旋转。DR-24型号钻装有一个900CFM/350PSI压缩机和AP-1000装备有750CFM/250PSI压缩机供给空气的钻探。而钻孔，空气通过在导频比特的表面被迫返回向上宽槽的导频和环位之间，然后进一步向外壳和内钻杆之间形成环形空间。贯穿力仅通过钻柱向所述导频比特中，击打环状钻头传送。当孔被钻至目标深度，定向钻头从环状钻头解锁以微弱的逆时针运动，并通过外壳撤回。之后，在钻洞深度，回收面内杆柱104毫米ODPVC套管安装在PVC外壳被安装上的端部和使用水来克服任何浮力的问题，同时降低了PVC的深度。在DR-24号强大的驱动扭矩并结合回调压力能使34200公斤的190,00Nm的压力按照要求使其外壳拔出地面。而AP-1000搭载了一台双50吨液压千斤顶拉外壳才能成功使其拔出地面。该钻机每周工作6-7天，每天24小时，极端钻井条件下，会遇到大量的花岗岩甚至巨石。在爆破压实板的挖掘中，会遇到许多大于20立方米大小的巨石。通过这些石块和松散材料，将导致钻孔破损和钻外壳的损失。当壳体破损发生，配管被取回地面，碎片取出来，并且该孔被重新向下钻取到某一深度。该钻机和遇到的巨石尺寸的例子可以从图片1中看出。爆破设计：爆破物重量的选取，爆破孔的布局，以及爆炸的序列的选择，都是由设计工程师（Klohn克里平伯杰）进行的项目内容。承包商的责任是实现设计，并确保安全引爆的所有费用。以这种方式，爆破压实进行了使用方法的规范。新坝基的足迹分解成一系列的18个爆炸板，从225平方米到1200平方米的不同规模。演练使用2m至4m设计图案交错等边三角形的图案布置，分为三个道次，导致土体中的炸药均匀分布。钻孔和爆破进行了三个步骤的接力，从最西端的面板和向东进行，逐渐接近最敏感的地区，如大坝趾和它区域旁边的重力墙，氯化建设，供水管道等。这使我们能够调整在爆破中的设计，因此我们也更接近关键结构。面板布局可以在图3看出。图3：爆破压实面板布局设计钻孔深度从16米到27米变化不等。作为项目选择的爆炸物必须是防水的，可靠的大动态超压条件下，并满足严格的爆炸后残留的要求。同样重要的是，爆炸没有在高冲击负荷传播。IremiteTX（迪诺TX）选定它来验证它的动态冲击条件下的可靠性。炸药被装到甲板，爆炸物甲板的数目随面板的位置和钻孔深度而异一般地使用3〜5个炸药甲板，甲板之间两秒钟的延迟时间是用来与孔对孔时序设置的，其最大值60毫秒，最小值25毫秒。用0.10〜0.15公斤/立方米粉末条件下，爆炸压实覆盖了从10米区下面开挖地面20米的区域。典型装载细节可以在图4中可以找到。位于靠近的坝趾爆破孔现有的水坝。对于位于更远离坝爆破孔，甲板使用较大的炸药的重量高达30公斤。图4：典型的炮孔装细节（近坝趾）作为项目要求的一部分，我们要监测和核查引爆顺序，以确保所有的爆炸性甲板已成功发射。还有一个要求，即雷管要在+/-10毫秒火的设计的燃烧时间。为了满足这一要求，Ⅰ-杆电子雷管具有+/-1ms的额定精度被选择的项目。这些雷管具有高达96兆帕（14,000磅）动态耐冲击性。延迟定时最多14秒可能与这些电子雷管。为了保证在高静态和动态超压爆炸序列的可靠性，每层甲板采用250克投助推器。监测的点火顺序采用冗余系统进行监控。一个系统涉及使用导爆示踪剂从各铸助推器线甲板上（见图2）。导爆管盘在一桩对孔项圈，爆炸是使用摄像机拍摄的。从导爆管线圈的闪烁可以确定每个甲板爆轰。第二个系统使用的地震仪与三轴检波器包。水听器也被连接到一个地震仪通道和水听器安装在靠近爆炸充满水的井。只要延迟进行射击序列，我们可以拿起每层甲板的使用跟踪从水听器和发射垂直方向的地震检波器的地震仪设备来检测。第三个系统中的高速数据收集器和高电阻同轴电缆在每次爆破孔，以不仅监测爆炸性甲板的发射，也是监控的速度爆炸在每层甲板的炸药。这后一系统用于识别大部分电爆炸。第四个系统也使用涉及使用安装在基础电应变计测压计土在现有坝趾。从孔隙水压力响应测压计用一第二高速数据采集系统进行监控。凡指控引爆靠近测压计，孔压力尖峰可能被识别。在炸药加载操作，质量控制检查进行到记录：炮孔深度底层甲板高程顶层甲板升高所引起高度每个甲板编程发射时间使用13个测震仪监测爆破，和一个高速数据采集系统监测同轴电缆响应。一旦爆破主管和工程师已对每个质量控制项目签了字，爆炸被允许继续进行。在I-杆雷管被捆绑，在按顺序排列，从爆炸最接近大坝的一角开始，随着爆炸序列运动逐步远离现有坝趾。这有助于直接冲击波远离大坝等敏感结构和有限的冲击波的坝趾堆叠（放大）的可能性。所有下层甲板开火的费用在第一甲板收费前被结算。炸药加载过程的照片显示在照片3。爆破挑战：问题是遇到高瞬态过压影响在顶部甲板爆炸的雷管可靠性。这个问题通过安装外保护钢套覆盖在电子雷管解决了（见照片4）。这增加了圣像雷管138兆帕（20,000磅）的超压阻力。我们提出了雷管的顶部甲板顶部贷的炸药，造成从下面的甲板雷管更大的分离。投助推器呈倒置，使帽井朝上。我们还在第2个，第三个和第四个甲板底部增加了一个气垫。投助推器引物，密封在一个塑料袋套住周围的空气助推器，进一步保护了雷管。爆破孔外壳是也是干燥的在装船前泵送，以尽量减少潜在的流体动力震动之间的费用。甲板之间的长期拖延时间允许的PVC套管向上冲高在爆炸中下层，创造一个潜在的安全问题。该溶液是用具体的权重进行设计的壳体压紧系统，一个钢领，转扣。该系统可以看出，在照片3。照片图5示出一个典型的爆破面板的触发，说明气体和水从爆炸孔发出，接着伴随由于液化作用