张英才1 范晓晓2 徐鹏飞1 盖四海2 董保立2 王晓2
(1．河南理工大学，河南焦作，454000；2．河南迅达爆破有限公司，河南焦作，454000)
摘 要：本文主要介绍利用高卸荷槽技术成功爆破拆除华能渑池电厂130m冷却塔的工程实践，即：在倒塌中心线两侧对称布置了13条高卸荷槽复式切口，仅对冷却塔中的29对人字支柱进行爆破，使冷却塔在倾倒过程中发生扭转触地解体，达到了安全、快速、经济拆除高大建(构)筑物的设计要求。同时，利用ANSYS／LS-DYA软件建立了冷却塔爆破拆除三维有限元实体模型，对高卸荷槽在冷却塔定向爆破拆除中的应用进行了数值计算。模拟倾倒过程和倒塌效果和实际有较好的一致性，可以为类似工程提供参考。
关键词：高大薄壁钢筋混凝土冷却塔；控制爆破；高卸荷槽；数值模拟
1 工程概况
为了遏制全球气候变暖，促进经济可持续发展，渑池县委县政府响应国家关停和淘汰能耗高、污染重的大量小火电机组的号召，决定对华能渑池电厂机组关停淘汰。厂区内的一座130m高冷却塔和两座高度分别为180m、150m的烟囱(见图1)，需采用控制爆破拆除技术将其进行安全、经济、快速地爆破拆除。
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1．1周围环境
冷却塔东侧5m和北侧10m为厂区围墙，紧邻北围墙外侧为村民自建的砖房，东北侧75m为村民的石砌房，西侧145m为待拆180m高烟囱，西南侧为碎煤机房和2号转运站，烟囱西侧105m处为电厂主厂房，南面42m为彩钢瓦房，条件较为复杂，如图2所示。
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1．2冷却塔结构
待拆除冷却塔为6000m2双曲线冷却塔，整体现浇钢筋混凝土高耸薄壁结构，塔高为130m；底部最大半径44．586m；喉部半径26．591m；顶部半径28．471m，塔壁呈双曲面形。塔壁最大壁厚0．8m；最小壁厚0．18m。人字支柱为直径0．7m的圆朴．高度为7．8m，人字支柱共48对。圈梁高1．29m，厚度0．8m：冷却塔内部淋水平台为预制钢筋混凝土构件，其与塔筒之间没有结构性的连接，如图3所示。
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2本工程的难点与重点
(1)冷却塔高度为130m，为国内最高。控制爆破技术难度大，没有经验借鉴。
(2)冷却塔高细比小．为130／89=1．46，在爆破时应加倍重视，并要充分考虑到冷却塔底部直径大，重心偏低，结构比较稳定，圈梁钢筋布置较密，需防止坐而不倒，也应防止塌而不碎，造成爆堆过高难以处理。
(3)冷却塔为薄壁结构，钻孔数量多，起爆网路复杂，需采取可靠的网路连接技术。
(4)冷却塔钻孔数量多，装药填塞难，炮孔深度浅、抵抗线小，易产生飞石，因此必须严格控制单响药量，并加强飞石防护，同时严格控制爆破振动和塌落触地振动，保证对邻近建筑物不造成影响。
3爆破设计
3．1爆破拆除方案选择
根据冷却塔自身结构、周围环境情况、场地条件、各种需要保护设施的安全要求，并考虑到工期紧的要求，确定冷却塔和烟囱都采用单向定向倒塌的控制爆破拆除方案，冷却塔向南偏西39°倒塌，烟囱向南偏东8°倒塌。
3．2爆破切口设计
3．2．1 爆破切口设计原则
(1)切口大小应满足：爆破后在重力作用下能产生足够的倾倒力矩使冷却塔按照设计方向倒塌。
(2)切口设计必须保证爆破后，双曲线冷却塔产生扭曲、变形塔身全部触地解体。
3．2．2爆破切口设计
根据以往成功的施工经验，对于冷却塔仅对人字支柱钻孔爆破，塔壁提前机械处理适当高度的卸荷槽，即可使塔体按设计方向顺利倒塌、解体，可大大减少装药量，既有效地控制了爆破振动，又有利于缩短工期，提高安全系数。
(1)冷却塔切口宽度取塔壁周长的3／5，即168m。由于仅对人字支柱爆破，实际施工时取人字支柱的个数为29对。
(2)根据冷却塔的结构，切口下沿距地面的高度取人字支柱高度为7．8m。
3．2．3爆破预处理
(1)预开高卸荷槽。为确保倾倒方向准确无误，预开两个三角形的定向窗，定向窗高度为6m。为实现塔体连续倒塌和减小塔体触地振动，在塔体倾倒正面塔身上增设高卸荷槽。高卸荷槽对称开设在倒塌中心线中两侧。高卸荷槽处共有13个，两端的卸荷槽高度为13m，中间的高度均为18m，卸荷槽宽度均为1．2m。卸荷槽为隔跨开设。槽内混凝土除净，钢筋保留。圈梁部分为隔槽破碎，钢筋保留。如图4所示。
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(2)爆破前采用机械对塔体内部的淋水平台进行拆除，钢爬梯也要切除，以免影响冷却塔倒塌方向的精度。
3．3爆破参数设计
由于对人字支柱以上塔体部分采用了机械预破碎处理方案，在设计爆破缺口内仅需对人字支柱爆破即可。因此，仅设计人字支柱爆破参数。爆破参数详见表l。
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3．4起爆网路设计
为减小单响起爆药量，控制爆炸振动对周边建(构)筑物和设施的影响，采用非电双向多点触发起爆网路，每个单向传爆网路为2根导爆管雷管，双向4根导爆管，最后形成一个闭合的网路，整个爆破缺口炮孔划分为10个段别。烟囱和冷却塔采用同一电起爆网路起爆。冷却塔先起爆，烟囱后起爆，间隔时间为900ms。
4爆破安全设计
4．1爆破振动控制
4．1．1 炸药爆炸振动效应
冷却塔定向倾倒炸药爆炸时产生的质点振动速度计算公式[1]见式(1)：
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式中R——爆破振动安全允许距离，m；
Q——炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大一段药量，kg；
v——保护对象所在地质点振动安全允许速度，cm／s；
K，α——与爆破点至计算保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数。
根据经验取K=33．6，α=1．62，由计算可知，对要保护的围墙处引起的质点振动速度计算得vmax=0．15cm／s，爆炸振动是安全的。计算结果见表2。
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4．1．2触地振动效应
对于塌落触地振动速度的计算，采用周家汉在《爆破拆除塌落振动速度计算公式的讨论》[2]提出的，建筑物爆破拆除时的塌落振动速度计算公式(见式(2))：
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式中vt——塌落引起的地面振动速度，cm／s；
M——下落构件的质量，t；
g——重力加速度，9．8m/s2；
H——构件的重心高度，m；
σ——地面介质的破坏强度，一般取10MPa；
R——离冲击触地点的距离，m；
kt，β——塌落振动速度衰减系数和指数，kt=3．37～4．09，β=-1．80～-1．66。
对冷却塔周围不同距离，将kt、β代入式(2)，计算结果见表3。
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实际爆破时，冷却塔在倒塌触地过程中，常常在中上部产生折断并依次连续塌落，计算时按点荷载计算，因此实际的冲击振动速度要比坪沧理论值小得多，冷却塔爆破不会对周围建筑产生破坏性影响。
4．1．3振动控制措施
(1)采取预先开出高卸荷槽以改变塔体倾倒的触地状态，延长触地时间，使能量转换向有利于减小振动速度的方向发展[3]。在冷却塔倾倒方向的正面塔体上共布置了13条高卸荷槽(倾倒中心线的两侧各6条)，如图5所示。
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(2)在冷却塔触地东北方向开挖减振沟，阻断触地振动的传播[4]，重点防护建筑物和机器设备，周围也增加减振沟，如图6所示。
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4．2爆破飞石控制
(1)个别爆破飞石的最大水平距离可按式(3)和式(4)[5]计算：
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式中v——飞石初速度，m／s；
Q——单孔最大药量，kg；
w——最小抵抗线，m；
k——防护系数，()．2～0．5；
g——重力加速度，m/s2；
S——个别飞石水平方向的距离，m；
α——飞石的抛射角。
当α=45°时，个别飞石的水平距离最远。将烟囱爆破的单孔最大药量、最小抵抗线及系数k=0．3代入式(3)和式(4)得：S=36m，飞石距离满足安全要求。
(2)防护措施。冷却塔人字柱上用不少于三层的湿草苫进行严密覆盖，并在外围用钢丝网捆绑住，如图7所示。
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(3)目前尚无冷却塔倒塌触地飞溅碎石距离的实用公式，只能根据不同触地介质强度等具体工程实践经验而定。
4．3空气冲击波的控制
(1)爆破空气冲击波的安全距离按式(5)计算：
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式中R——爆破空气冲击波的安全距离，m；
Q——装药量，kg，瞬发爆破为总药量，延期爆破为单段最大药量；
k——与装药途径和爆破程度有关的系数，对于建筑物k=1～2，对于人k=10。
6000m2冷却塔单段最大起爆药量20kg，计算得对人和建筑物的安全距离分别是44．7m、8．94m。安全警戒范围以待爆冷却塔为中心的周围300m，所以爆炸冲击波不会对周围建筑物及警戒距离以外的人员造成危害。
(2)对于空气冲击波的控制主要采取分段微差爆破的方法，减少单段起爆药量。
5冷却塔高卸荷槽复式切口爆破拆除倒塌数值模拟
利用LS-DYNA软件对高卸荷槽冷却塔爆破拆除倒塌过程进行数值计算，考虑钢筋混凝土冷却塔结构与材料特征，本构模型选用弹塑性损伤模型，选用实体单元建立钢筋混凝土和地面的三维实体模型。对人字柱底座和地面施加约束，定义单面侵蚀接触，动静摩擦系数为0．5[6]。在K文件中添加*Mat_Add_Erosion定义时间失效准则控制高卸荷槽和人字柱组成的复式爆破切口的形成，数值计算时，爆破缺口范围内塔体人字支柱隔跨开设一个高卸荷槽，冷却塔高卸荷槽复式切口爆破塔体模型和应力云图如图8所示。
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为了便于分析冷却塔倒塌触地冲击过程和冲击状态，根据数值计算结果，取数值计算1．6s、2．2s、2．8s和4．9s时的倒塌触地冲击图片，如图9所示。
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为了对比分析数值计算效果和精确程度，取冷却塔爆破拆除摄影图片，如图10所示，时间分别为1s、3·8s、5s和5·8s。这里主要对比冷却塔的倒塌过程，没有严格对照数值计算时间进行取图。
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为了验证数值计算的正确性与合理性，对比分析了高卸荷槽在冷却塔爆破拆除中的数值倒塌触地振动波形与实测振动波形，如图11所示。
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通过振动速度波形图的对比可以得出：
(1)冷却塔爆破拆除倒塌触地实际振动波有明显的四个阶段，且四个阶段与数值模拟计算结果一致。
(2)实测最大振动速度幅值为数值模拟计算结果的1／3，这与实际施工中开挖减振沟等安全防护措施有关。
华能渑池电厂130m高冷却塔起爆后按设计方向倒塌，倒塌过程中未发现后坐、剪断和前冲的现象，塔体在倒塌过程中下坐、扭曲、变形，塔体解体充分，实现了塔体在倾倒过程中边倾倒、边破碎。塔体爆堆局部高度约2m，村民的石砌房和其他需保护建(构)筑物未受到任何影响，达到了预期的爆破效果和目的。爆破效果如图12所示。
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冷却塔起爆900ms后180m烟囱开始起爆，烟囱设计倒向为南偏东8°，实际倒向南偏西5°，偏离原设计方向13°。因为烟囱倒塌场地宽阔，未对周围建(构)筑物和设备造成损失。
7结语
（1）在冷却塔爆破拆除中，预开设高卸荷槽，仅对人字支柱进行爆破，可以大量减少塔体炮孔数量，提高施工效率，降低爆破成本，达到了安全、顺利、经济地拆除冷却塔的设计目的。
（2）冷却塔预开高卸荷槽后，降低炸药的单段起爆药量及爆破振动。
（3）冷却塔预开高卸荷槽可增大塔体倒塌过程中的解体程度，延长塔体触地冲击时间，弱化整体刚度，减小塔体触地冲击强度，实现了软着陆，有效控制触地振动强度。
（4）冷却塔塔壁较薄，塔体尺寸较大，在倒塌过程中发生扭曲、变形，而扭曲、变形是冷却塔爆破成功的标志，且破碎效果良好。
(5)烟囱偏离设计方向的原因是冷却塔扭曲、变形解体后瞬间释放筒体内的压缩空气流的，经分析，虽然烟囱与冷却塔相距145m，但强大的空气流对倾倒过程中无根的烟囱产生了强大推力，使烟囱偏离原设计倒塌方向。因此同时起爆两座及以上冷却塔或烟囱时，需考虑先爆构筑物的压缩空气对后爆的构筑物的倒塌方向精确度的影响。
(6)采用ANSYS／LS-DYNA有限元软件进行模拟，可以较为真实地反映冷却塔的倒塌过程，可以为类似工程提供参考和借鉴。
参考文献
[1]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局．GB 6722—2003爆破安全规程[S]．北京：中国标准出版社，2004．
[2]周家汉．爆破拆除塌落振动速度计算公式的讨论[J]．工程爆破，2009，15(1)：58~62．
[3]付天杰，赵超群，等．竖向切缝在高大冷却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．减震沟对爆破震动减震效果的实验研究[J]．工程爆破，2002，8(4)：20~23．
[5]熊炎飞，董正才，等．爆破飞石飞散距离计算公式浅析[J]．工程爆破，2009，15(3)：33．
[6]褚怀保，侯爱军，等．冷却塔高卸荷槽复式切口爆破控制振动机理研究[J]．振动与冲击，2014，33(9)：196~198．
摘自《中国爆破新进展》
原文网址：- http://www.cbsw.cn/news.do?newsId=94571
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发表于 2016-10-19 15:53:27
