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高卸荷槽在拆除130m高冷卻塔中的應用

2016-10-19 15:53:27 責任編輯:崔瑋娜

張英才1  范曉曉2  徐鵬飛1   蓋四海2  董保立2  王曉2

(1.河南理工大學,河南焦作,454000;2.河南迅達爆破有限公司,河南焦作,454000)

摘  要:本文主要介紹利用高卸荷槽技術成功爆破拆除華能澠池電廠130m冷卻塔的工程實踐,即:在倒塌中心線兩側對稱布置了13條高卸荷槽復式切口,僅對冷卻塔中的29對人字支柱進行爆破,使冷卻塔在傾倒過程中發生扭轉觸地解體,達到了安全、快速、經濟拆除高大建(構)筑物的設計要求。同時,利用ANSYS/LS-DYA軟件建立了冷卻塔爆破拆除三維有限元實體模型,對高卸荷槽在冷卻塔定向爆破拆除中的應用進行了數值計算。模擬傾倒過程和倒塌效果和實際有較好的一致性,可以為類似工程提供參考。

關鍵詞:高大薄壁鋼筋混凝土冷卻塔;控制爆破;高卸荷槽;數值模擬

 

1 工程概況

為了遏制全球氣候變暖,促進經濟可持續發展,澠池縣委縣政府響應國家關停和淘汰能耗高、污染重的大量小火電機組的號召,決定對華能澠池電廠機組關停淘汰。廠區內的一座130m高冷卻塔和兩座高度分別為180m、150m的煙囪(見圖1),需采用控制爆破拆除技術將其進行安全、經濟、快速地爆破拆除。

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1.1周圍環境

冷卻塔東側5m和北側10m為廠區圍墻,緊鄰北圍墻外側為村民自建的磚房,東北側75m為村民的石砌房,西側145m為待拆180m高煙囪,西南側為碎煤機房和2號轉運站,煙囪西側105m處為電廠主廠房,南面42m為彩鋼瓦房,條件較為復雜,如圖2所示。

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1.2冷卻塔結構

待拆除冷卻塔為6000m2雙曲線冷卻塔,整體現澆鋼筋混凝土高聳薄壁結構,塔高為130m;底部最大半徑44.586m;喉部半徑26.591m;頂部半徑28.471m,塔壁呈雙曲面形。塔壁最大壁厚0.8m;最小壁厚0.18m。人字支柱為直徑0.7m的圓樸.高度為7.8m,人字支柱共48對。圈梁高1.29m,厚度0.8m:冷卻塔內部淋水平臺為預制鋼筋混凝土構件,其與塔筒之間沒有結構性的連接,如圖3所示。

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2本工程的難點與重點

(1)冷卻塔高度為130m,為國內最高。控制爆破技術難度大,沒有經驗借鑒。

(2)冷卻塔高細比小.為130/89=1.46,在爆破時應加倍重視,并要充分考慮到冷卻塔底部直徑大,重心偏低,結構比較穩定,圈梁鋼筋布置較密,需防止坐而不倒,也應防止塌而不碎,造成爆堆過高難以處理。

(3)冷卻塔為薄壁結構,鉆孔數量多,起爆網路復雜,需采取可靠的網路連接技術。

(4)冷卻塔鉆孔數量多,裝藥填塞難,炮孔深度淺、抵抗線小,易產生飛石,因此必須嚴格控制單響藥量,并加強飛石防護,同時嚴格控制爆破振動和塌落觸地振動,保證對鄰近建筑物不造成影響。

3爆破設計

3.1爆破拆除方案選擇

根據冷卻塔自身結構、周圍環境情況、場地條件、各種需要保護設施的安全要求,并考慮到工期緊的要求,確定冷卻塔和煙囪都采用單向定向倒塌的控制爆破拆除方案,冷卻塔向南偏西39°倒塌,煙囪向南偏東8°倒塌。

3.2爆破切口設計

3.2.1  爆破切口設計原則

(1)切口大小應滿足:爆破后在重力作用下能產生足夠的傾倒力矩使冷卻塔按照設計方向倒塌。

(2)切口設計必須保證爆破后,雙曲線冷卻塔產生扭曲、變形塔身全部觸地解體。

3.2.2爆破切口設計

根據以往成功的施工經驗,對于冷卻塔僅對人字支柱鉆孔爆破,塔壁提前機械處理適當高度的卸荷槽,即可使塔體按設計方向順利倒塌、解體,可大大減少裝藥量,既有效地控制了爆破振動,又有利于縮短工期,提高安全系數。

(1)冷卻塔切口寬度取塔壁周長的3/5,即168m。由于僅對人字支柱爆破,實際施工時取人字支柱的個數為29對。

(2)根據冷卻塔的結構,切口下沿距地面的高度取人字支柱高度為7.8m。

3.2.3爆破預處理

(1)預開高卸荷槽。為確保傾倒方向準確無誤,預開兩個三角形的定向窗,定向窗高度為6m。為實現塔體連續倒塌和減小塔體觸地振動,在塔體傾倒正面塔身上增設高卸荷槽。高卸荷槽對稱開設在倒塌中心線中兩側。高卸荷槽處共有13個,兩端的卸荷槽高度為13m,中間的高度均為18m,卸荷槽寬度均為1.2m。卸荷槽為隔跨開設。槽內混凝土除凈,鋼筋保留。圈梁部分為隔槽破碎,鋼筋保留。如圖4所示。

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(2)爆破前采用機械對塔體內部的淋水平臺進行拆除,鋼爬梯也要切除,以免影響冷卻塔倒塌方向的精度。

3.3爆破參數設計

由于對人字支柱以上塔體部分采用了機械預破碎處理方案,在設計爆破缺口內僅需對人字支柱爆破即可。因此,僅設計人字支柱爆破參數。爆破參數詳見表l。

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3.4起爆網路設計

為減小單響起爆藥量,控制爆炸振動對周邊建(構)筑物和設施的影響,采用非電雙向多點觸發起爆網路,每個單向傳爆網路為2根導爆管雷管,雙向4根導爆管,最后形成一個閉合的網路,整個爆破缺口炮孔劃分為10個段別。煙囪和冷卻塔采用同一電起爆網路起爆。冷卻塔先起爆,煙囪后起爆,間隔時間為900ms。

4爆破安全設計

4.1爆破振動控制

4.1.1  炸藥爆炸振動效應

冷卻塔定向傾倒炸藥爆炸時產生的質點振動速度計算公式[1]見式(1):

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式中R——爆破振動安全允許距離,m;

Q——炸藥量,齊發爆破為總藥量,延時爆破為最大一段藥量,kg;

v——保護對象所在地質點振動安全允許速度,cm/s;

K,α——與爆破點至計算保護對象間的地形、地質條件有關的系數和衰減指數。

根據經驗取K=33.6,α=1.62,由計算可知,對要保護的圍墻處引起的質點振動速度計算得vmax=0.15cm/s,爆炸振動是安全的。計算結果見表2。

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4.1.2觸地振動效應

對于塌落觸地振動速度的計算,采用周家漢在《爆破拆除塌落振動速度計算公式的討論》[2]提出的,建筑物爆破拆除時的塌落振動速度計算公式(見式(2)):

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式中vt——塌落引起的地面振動速度,cm/s;

M——下落構件的質量,t;

g——重力加速度,9.8m/s2

H——構件的重心高度,m;

σ——地面介質的破壞強度,一般取10MPa;

R——離沖擊觸地點的距離,m;

kt,β——塌落振動速度衰減系數和指數,kt=3.37~4.09,β=-1.80~-1.66。

對冷卻塔周圍不同距離,將kt、β代入式(2),計算結果見表3。

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實際爆破時,冷卻塔在倒塌觸地過程中,常常在中上部產生折斷并依次連續塌落,計算時按點荷載計算,因此實際的沖擊振動速度要比坪滄理論值小得多,冷卻塔爆破不會對周圍建筑產生破壞性影響。

4.1.3振動控制措施

(1)采取預先開出高卸荷槽以改變塔體傾倒的觸地狀態,延長觸地時間,使能量轉換向有利于減小振動速度的方向發展[3]。在冷卻塔傾倒方向的正面塔體上共布置了13條高卸荷槽(傾倒中心線的兩側各6條),如圖5所示。

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(2)在冷卻塔觸地東北方向開挖減振溝,阻斷觸地振動的傳播[4],重點防護建筑物和機器設備,周圍也增加減振溝,如圖6所示。

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4.2爆破飛石控制

(1)個別爆破飛石的最大水平距離可按式(3)和式(4)[5]計算:

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式中v——飛石初速度,m/s;

Q——單孔最大藥量,kg;

w——最小抵抗線,m;

k——防護系數,().2~0.5;

g——重力加速度,m/s2

S——個別飛石水平方向的距離,m;

α——飛石的拋射角。

當α=45°時,個別飛石的水平距離最遠。將煙囪爆破的單孔最大藥量、最小抵抗線及系數k=0.3代入式(3)和式(4)得:S=36m,飛石距離滿足安全要求。

(2)防護措施。冷卻塔人字柱上用不少于三層的濕草苫進行嚴密覆蓋,并在外圍用鋼絲網捆綁住,如圖7所示。

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(3)目前尚無冷卻塔倒塌觸地飛濺碎石距離的實用公式,只能根據不同觸地介質強度等具體工程實踐經驗而定。

4.3空氣沖擊波的控制

(1)爆破空氣沖擊波的安全距離按式(5)計算:

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式中R——爆破空氣沖擊波的安全距離,m;

Q——裝藥量,kg,瞬發爆破為總藥量,延期爆破為單段最大藥量;

k——與裝藥途徑和爆破程度有關的系數,對于建筑物k=1~2,對于人k=10。

6000m2冷卻塔單段最大起爆藥量20kg,計算得對人和建筑物的安全距離分別是44.7m、8.94m。安全警戒范圍以待爆冷卻塔為中心的周圍300m,所以爆炸沖擊波不會對周圍建筑物及警戒距離以外的人員造成危害。

(2)對于空氣沖擊波的控制主要采取分段微差爆破的方法,減少單段起爆藥量。

5冷卻塔高卸荷槽復式切口爆破拆除倒塌數值模擬

利用LS-DYNA軟件對高卸荷槽冷卻塔爆破拆除倒塌過程進行數值計算,考慮鋼筋混凝土冷卻塔結構與材料特征,本構模型選用彈塑性損傷模型,選用實體單元建立鋼筋混凝土和地面的三維實體模型。對人字柱底座和地面施加約束,定義單面侵蝕接觸,動靜摩擦系數為0.5[6]。在K文件中添加*Mat_Add_Erosion定義時間失效準則控制高卸荷槽和人字柱組成的復式爆破切口的形成,數值計算時,爆破缺口范圍內塔體人字支柱隔跨開設一個高卸荷槽,冷卻塔高卸荷槽復式切口爆破塔體模型和應力云圖如圖8所示。

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為了便于分析冷卻塔倒塌觸地沖擊過程和沖擊狀態,根據數值計算結果,取數值計算1.6s、2.2s、2.8s和4.9s時的倒塌觸地沖擊圖片,如圖9所示。

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為了對比分析數值計算效果和精確程度,取冷卻塔爆破拆除攝影圖片,如圖10所示,時間分別為1s、3·8s、5s和5·8s。這里主要對比冷卻塔的倒塌過程,沒有嚴格對照數值計算時間進行取圖。

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為了驗證數值計算的正確性與合理性,對比分析了高卸荷槽在冷卻塔爆破拆除中的數值倒塌觸地振動波形與實測振動波形,如圖11所示。

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通過振動速度波形圖的對比可以得出:

(1)冷卻塔爆破拆除倒塌觸地實際振動波有明顯的四個階段,且四個階段與數值模擬計算結果一致。

(2)實測最大振動速度幅值為數值模擬計算結果的1/3,這與實際施工中開挖減振溝等安全防護措施有關。

華能澠池電廠130m高冷卻塔起爆后按設計方向倒塌,倒塌過程中未發現后坐、剪斷和前沖的現象,塔體在倒塌過程中下坐、扭曲、變形,塔體解體充分,實現了塔體在傾倒過程中邊傾倒、邊破碎。塔體爆堆局部高度約2m,村民的石砌房和其他需保護建(構)筑物未受到任何影響,達到了預期的爆破效果和目的。爆破效果如圖12所示。

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冷卻塔起爆900ms后180m煙囪開始起爆,煙囪設計倒向為南偏東8°,實際倒向南偏西5°,偏離原設計方向13°。因為煙囪倒塌場地寬闊,未對周圍建(構)筑物和設備造成損失。

7結語

(1)在冷卻塔爆破拆除中,預開設高卸荷槽,僅對人字支柱進行爆破,可以大量減少塔體炮孔數量,提高施工效率,降低爆破成本,達到了安全、順利、經濟地拆除冷卻塔的設計目的。

(2)冷卻塔預開高卸荷槽后,降低炸藥的單段起爆藥量及爆破振動。

(3)冷卻塔預開高卸荷槽可增大塔體倒塌過程中的解體程度,延長塔體觸地沖擊時間,弱化整體剛度,減小塔體觸地沖擊強度,實現了軟著陸,有效控制觸地振動強度。

(4)冷卻塔塔壁較薄,塔體尺寸較大,在倒塌過程中發生扭曲、變形,而扭曲、變形是冷卻塔爆破成功的標志,且破碎效果良好。

(5)煙囪偏離設計方向的原因是冷卻塔扭曲、變形解體后瞬間釋放筒體內的壓縮空氣流的,經分析,雖然煙囪與冷卻塔相距145m,但強大的空氣流對傾倒過程中無根的煙囪產生了強大推力,使煙囪偏離原設計倒塌方向。因此同時起爆兩座及以上冷卻塔或煙囪時,需考慮先爆構筑物的壓縮空氣對后爆的構筑物的倒塌方向精確度的影響。

(6)采用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件進行模擬,可以較為真實地反映冷卻塔的倒塌過程,可以為類似工程提供參考和借鑒。

參考文獻

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[3]付天杰,趙超群,等.豎向切縫在高大冷卻塔拆除爆破中的作用[J].工程爆破,201l,17(4):l~4.

[4]方向,高振儒,等.減震溝對爆破震動減震效果的實驗研究[J].工程爆破,2002,8(4):20~23.

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摘自《中國爆破新進展》


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