喀斯特地質條件下溶洞對彈性波傳播的影響規律研究

岳夢蕾，劉光漢，余紅兵

(貴州新聯爆破工程集團有限公司， 貴州 貴陽 550002)

喀斯特地質條件下溶洞對彈性波傳播的影響規律研究

岳夢蕾，劉光漢，余紅兵

(貴州新聯爆破工程集團有限公司， 貴州 貴陽 550002)

巖體自由面是造成地震動力響應得以放大的重要因素，研究自由面放大效應對于存在溶洞情況下爆破工程的動力分析具有重要意義。采用彈性波動力學，輔以數值模擬手段，研究了應力波作用下單自由面、雙自由面對應力波的放大作用。對于地下工程中復雜自由面(溶洞)，借助于數值模擬，研究了溶洞幾何形狀、襯砌對應力波的作用，并根據彈性理論進行了動力學響應分析。研究結果表明：不同形狀的溶洞對應力波均有應力集中作用，地震荷載作用下，城門洞形、矩形、圓形3種斷面形狀對溶洞位移響應的變化規律以圓形溶洞的位移響應最小，矩形溶洞位移響應最大，隨著溶洞埋深的增大而應力作用影響減少，相對位移增加。

溶洞；應力波；自由面放大效應；動力學響應

爆破地震波在完整巖體內傳播可以視為彈性波，爆破地震波的非線性特征主要體現在斷層、節理等巖體軟弱面位置。巖體弱面尤其是出現溶洞情況下的動力學性質和動力穩定性問題是一項涉及復雜動力學過程的熱點課題，研究各類巖體弱面波動效應無疑具有重要的理論和工程意義，是探索動態荷載作用下節理巖體變形破壞機理及動力作用機制最基本、最重要的基礎。相關學者對巖體弱面如裂隙、軟弱夾層等結構對爆炸應力波傳播的影響作出了諸多研究，并總結出相應的影響規律[1-4]，但對巖體缺陷如溶洞對應力波的傳播影響研究甚少，本文研究不同溶洞工況對爆炸應力波傳播影響，并利用數值模擬對其進行總結分析，研究成果對現場不同溶洞工況下的爆破生產具有一定的指導意義。

1 爆炸應力波傳播基本原理[5]

按照爆炸應力傳播性質的分類不同，基本可以分為縱波(P波)、橫波(S波)，其中，橫波又分平面內橫波(SV波)、平面外橫波(SH波)。橫波(SH波)是垂直于入射面的水平振動，位移在水平面內，反射和折射后不改變原振動的性質。縱波(P波)、和平面內橫波(SV波)的質點位移均位于入射面內，一定條件下二者可以相互轉換(見圖1)。縱波(P波)傳播的區域內，巖石發生膨脹和壓縮，橫波(S波)傳播區域內，巖體內發生切變，當未遭遇巖體面時，縱波(P波)、橫波(S波)可看作在無限介質內傳播。當遭遇巖體面時，根據形成的條件和質點振動的軌跡不同會生成面波，如Rayleigh波、Love波等。面波都是由體波在波阻抗界面上疊加而轉化來的，它們的主要特點之一是傳播速度隨周期不同而變化(稱為頻散現象)。

當這些基本類型的波傳播至巖體軟弱面時，不僅發生波場的分解，還可改變振動的性質。由于P波和SV波是爆破地震波構成的基礎，同時也是構成面波的元素，因此在研究彈性波穿越巖體弱面波動效應時均采用縱波(P波)和平面內橫波(SV波)。

圖1 P波、SV波、SH波振動關系

天然邊坡、地表、溶洞等構成的自由面是由成千上萬個單自由面共同構成，在此以幾種幾何形式的溶洞自由面研究復雜自由面相互作用下的動力響應規律。

溶洞的自由面規模一般較小、形狀復雜，目前尚沒有完善的理論解。但受圍巖的約束作用，在地震動力作用過程中與地表自由面的動力響應差異很大。動力作用仍然可以通過模擬彈性波在這些幾何邊界上的反射、折射、繞射，得到不同因素影響下的動力響應，其規律仍符合彈性波的傳播。

2 應力波傳播過程的數值模擬

目前的研究資料表明，在地震荷載作用下，溶洞的動力響應主要受深度、溶洞形狀、地應力分布的影響，因此數值模擬重點在于探討這些因素的影響。溶洞周圍巖體參數如下：

荷載采用正弦速度波時程v=Asin(2πft)。最大振幅A取0.1 m/s；周頻率f=1 Hz；持續時間取1 s，邊界條件視具體情況采用粘滯邊界(無反射邊界)或自由邊界。

表1 石灰巖巖體動參數

為了避免由于加速度-速度-應力轉換過程中頻譜造成的頻移，在模型的底部直接施加0.1 MPa的應力。

3 復雜自由面(溶洞)對應力波傳播的影響

3.1 溶洞幾何形狀對應力波傳播影響分析

在靜態工況下，巖體處于穩定狀態，此時巖體不同區域的質點在靜態荷載作用下處于平衡狀態。而爆破地震波的傳播，在巖體內產生的是強度不同的動應力撓動，這種波動力疊加到靜態荷載上，使得巖體存在兩種可能：一是處于新的平衡態，一是趨向不平衡。因此，研究這種動應力的大小對于搞清爆破中溶洞對波傳播影響的程度是非常有意義的。

不同溶洞幾何形狀下最大及最小動主應力等值線表明，無論采用哪種幾何形狀，構成溶洞幾何的自由面交點首先會存在程度不同的應力集中，且隨著動荷載作用時間不斷變化，與自由面交點容易造成波振動強度增大是相符的(見圖2、圖3)。因此，不同溶洞幾何下地震荷載的作用仍屬于應力波自由面效應范疇。

3.2 溶洞形狀對溶洞位移的影響

為了分析不同斷面形狀下的位移響應，數值分析中，取圓形、城門洞形和矩形3種斷面溶洞形式。

圖2 圓形溶洞P、SV波作用最大(小)主應力分布規律

圖3 矩形溶洞P、SV波作用最大(小)主應力分布規律

城門洞形斷面上部為12.5 m的半圓，下部為25 m×12.5 m的矩形；矩形斷面為25 m×25 m的矩形，圓形斷面為半徑為12.5 m的圓。3種模型的監測點相同，分別為頂板中點，底板中點，拱肩(矩形與半圓交界點)。

不同埋深情況下，城門洞形、矩形、圓形3種斷面形狀對溶洞位移響應的變化規律發現，地震荷載作用下，3種斷面形狀下以圓形溶洞的位移響應最小，矩形溶洞位移響應最大(見圖4)。隨埋深的增加，3種斷面對溶洞響應影響的程度都減小，當埋深超過300 m后，形狀對溶洞影響程度減小。因此淺埋隧洞情況下形狀對溶洞的影響較埋深影響明顯。不同高跨比下的隧洞引起的振動位移并不相同，而是存在最佳的高跨比，此時頂拱與底板位移接近，相對位移更小。

圖4 不同隧洞形狀拱頂位移

3.3 埋深對溶洞變形的影響分析

地下溶洞的變形規律不僅受溶洞幾何形狀自由面的影響，通常還受地表自由面的共同作用。溶洞上覆覆蓋層的厚度(埋深)，往往是決定溶洞動力響應的決定性因素。

埋深對巖體溶洞動力響應的影響包含兩個方面，一是上覆巖體自重的作用，一是地表自由面的散射作用。巖體自重可以視為巖體初始應力場，在彈性波影響范圍內可不考慮。荷載分別采用0.1 MPa的P波、SV波，以城門洞形隧洞為例分析取4種埋深(地表到溶洞頂板的垂直距離)50 m，100 m，200 m，400 m分別進行研究。巖體溶洞動力響應影響時上邊界采用自由邊界，其它邊界采用粘滯邊界。

從圖7～圖8可以看出，在同一地震荷載作用下，不同點的絕對振動量隨著距離自由面的距離(埋深)增加明顯減小，溶洞內壁的相對位移卻增加。現有震害資料中統計出的地震破壞隨埋深的減小而增大，實際上正是由于彈性波傳播的自由面效應造成的。

圖5 P波作用不同埋深溶洞內壁絕對位移

圖6 P波作用不同埋深溶洞內壁振動相對位移

圖7 SV波溶洞內壁各點振動絕對位移

圖8 SV波作用下溶洞內壁最大相對位移

4 結 論

利用ANSYS/LS-DYNA，對不同形狀、不同埋深、不同大小的溶洞對爆炸應力波傳播影響效果進行了模擬分析，得出了爆炸應力波以爆炸點為起點，隨著傳播距離的增大，埋深的增加而逐漸衰減，溶洞對爆炸應力波的傳播有應力集中作用；同時，城門洞形、矩形、圓形3種斷面形狀對溶洞位移響應的變化規律以圓形溶洞的位移響應最小，矩形溶洞位移響應最大。研究結果對指導喀斯特地質條件下溶洞發育地區的爆破施工具有一定的參考意義，在實際工程應用中，需結合具體的工況，在保證安全生產的前提下，確定溶洞爆破施工的具體工況，以實現最優的爆破施工效果。

[1]李新平,趙 航,羅 憶,等.深部裂隙巖體中彈性波傳播與衰減規律試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2015,34(11)：2319-2326.

[2]李 昂,張麗艷.裂縫介質彈性波場數值模擬及波場特征[J].大慶石油地質與開發,2016,35(2)：127-133.

[3]張志禹,樊 婷,王喜樂.孔隙結構參數對地震各類波傳播的影響研究[J].地球科學進展,2015,30(12)：1306-1317.

[4]徐向宇,姚邦華,魏建平,等.煤層預裂爆破應力波傳播規律及增透機理模擬研究[J].爆破,2016,33(2)：32-38.

[5]宋 林，邵珠山，吳敏哲.應力波在節理巖體中的傳播特性探析[J].煤炭學報，2011，36(S2)：241-246.

2017-04-15)

岳夢蕾(1971-)，貴州貴陽人，工程師，從事爆破事業管理工作，Email：602574716@qq.com。