专利名称：基于分形理论的爆破堆石料颗粒级配的优化方法
技术领域：
本发明属于水利水电行业的土石坝筑坝技术领域，涉及到筑坝堆石料的爆破开采及现场压实质量控制，特别涉及到大坝填筑堆石料颗粒级配的合理确定。
背景技术：
土石坝是世界上最古老的坝型，世界各个文明古国的历史中都有人们利用当地土石料修建提坝，存贮水源、抵御洪涝灾害的记载。随着土力学、土工学的迅速发展，20世纪40年代以后，土石坝以其低廉的造价和对地质条件的良好适应性等优点成为迄今为止应用最为广泛的坝型。现代工业的发展要求建造更高的土石坝，1958年建成的库契坝 (Quoich)、1959年及1964年分别建成的勃朗利(Brownlee)和库加尔(Cougar)坝均使用了较小尺寸的石料，并用振动碾压实，并于1964年于爱丁堡召开的国际大坝会议上发表了一系列论文，认为经过碾压密实的堆石具有较高的模量和较小的变形，自此土石坝便进入了将筑坝堆石料进行摊铺碾压施工的时代。我国从70年代建设碧口 IOOm级心墙堆石坝开始， 已建成了小浪底、瀑布沟以及水布垭等一批200m级的高土石坝工程，形成了较为完整的坝工设计与施工技术规范。但是，尽管土石坝建设取得了巨大的成功，筑坝技术也取得了长足的进步，有许多技术问题诸如堆石料颗粒级配的合理确定，仍停留在经验阶段，尚需进一步深入研究。众所周知，堆石是由大小颗粒彼此充填而呈粒状结构的散粒体，由于其工程特性取决于级配粒度分布、颗粒形状、孔隙特性以及粒间的相互作用等要素，堆石体的结构形态异常复杂，各要素的不同组合形成不同结构，而这些结构对堆石的物理力学特性产生较大的影响。因此，对筑坝堆石料有比较严格的要求，既要减少超粒径料，又要控制细粒料，还要使其具有良好的级配。目前，关于筑坝堆石材料的级配要求，仅在《碾压式土石坝设计规范 (DL/T 5395-2007)》第4. 1条款、《混凝土面板堆石坝设计规范(DL/T 5016-1999)》第6. 3 条款规定小于5mm的颗粒含量不宜超过20%，小于0. 075mm的颗粒含量不宜超过5%，不能反映颗粒级配的差异对堆石压实特性的影响。相同压实功能的前提下，颗粒级配优良的堆石料具有更高的密实度，从而具有更高的抗剪强度和变形模量，对高堆石坝具有更好的安全性与经济性。Mandelbort (1967)发表了关于英国海岸线长度问题的著名论文，说明海岸线在形貌上是自相似的，也就是局部形态和整体形态的相似，他把这种局部与整体以某种方式相似的形体称为分形，并于1975年创立了分形几何学。在此基础上，形成了研究分形性质及其应用的科学，称为分形理论。Ochiai (199 通过能量守恒原理和质量守恒原理证明了自然界运动过程中固体碎屑的粒度分布是分形的。对于爆破形成的筑坝堆石料，谢和平 (1992)、谢贤平(1995)证实了岩石的爆破块度具有良好的分形结构，选取适当的分形参数作为岩石爆破块度参量具有跨超时空尺度、统一破碎块度与岩体宏观节理裂隙与细观损伤及块度界面统计自相似性的统一优势。发明人于2011年结合筑坝堆石料室内干密度极值试验结果，进行级配统计分析认为采用不均勻系数Cu和曲率系数Cv两个指标，仅能描述颗粒材料级配分布宽度及连续性，不能反映颗粒组分之间的细观搭配，不同的级配曲线即使拥有相近的指标，但压实密度却可以完全不同，进而导致堆石力学性质产生巨大差异；筑坝堆石料基本符合Talbot级配曲线，具备分形特性；堆石料的粒度分形维数等指标客观反映了颗粒之间的接触关系，可以用于定量评价颗粒级配对于堆石料压实等工程力学特性的影响。
发明内容
为了避免目前在进行爆破堆石料的颗粒级配设计时采用不均勻系数Cu和曲率系数Cv两个指标不能对堆石料的压实特性进行定量评价的缺点，本发明的目的在于提供一种具有更易于压实特征的爆破堆石料级配的确定方法，是基于分形理论，以筑坝堆石的粒度分形维数D为指标，建立料场岩体爆破方案和现场堆石料碾压质量之间的关系式，通过调整岩体爆破参数改善堆石压实质量，从而达到优化爆破堆石料颗粒级配。本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案基于分形理论的爆破堆石料颗粒级配的优化方法，其特征在于包括以下的步骤(1)、确定爆破堆石料粒度分形维数D与振动碾压实干密度P d之间的关系，具体包括以下步骤(1-1)、利用堆石料的分形特征，在选用相同型号振动碾、碾压遍数相同的条件下，测得堆石干密度值与碾压前后堆石颗粒级配的粒径分布，利用堆石料各粒组粒径大于《的累积重量分布W/X与对应平均粒径之间的分形关系式(I)
权利要求
1.基于分形理论的爆破堆石料颗粒级配的优化方法，其特征在于首先基于分形理论，建立相同压实条件下不同级配堆石料粒度分形维数D与压实干密度P d的关系；建立爆破堆石料平均粒径d5(l与其粒度分形维数D的函数关系，将粒度分形维数D转化为平均粒径 d50 ；利用修正Kuz-Ram模型关于料场岩体爆破方案与爆破堆石料平均粒径d5(l的关系，将爆破方案的参数变化产生的结果反映到平均粒径d5(l上，通过粒度分形维数D反映堆石料的压实干密度Pd，实现对爆破堆石料颗粒级配的优化确定。
2.根据权利要求1所述的基于分形理论的爆破堆石料颗粒级配的优化方法，其特征在于确定爆破堆石料粒度分形维数D与振动碾压实干密度P d之间的关系，具体包括以下步骤(1)、利用堆石料的分形特征，在选用相同型号振动碾、碾压遍数相同的条件下，测得堆石干密度值与碾压前后堆石颗粒级配的粒径分布，利用堆石料各粒组粒径大于《的累积重量分布W/X与对应平均粒径之间的分形关系式(I)
全文摘要
本发明提供了一种基于分形理论的爆破堆石料颗粒级配的优化方法，其特征在于包括以下步骤首先建立堆石料粒度分形维数与压实干密度以及平均粒径的函数关系，进而根据预测岩体爆破块度分布的修正Kuz-Ram模型，建立爆破方案或参数与现场堆石料压实干密度的关系；实现通过调整爆破方案或参数，得到较优的更易于压实的筑坝堆石料的颗粒级配，可应用于爆破堆石料的颗粒级配优化设计。
文档编号E02B7/06GK102277859SQ20111012531
公开日2011年12月14日 申请日期2011年5月16日 优先权日2011年5月16日
发明者余廷, 冯树荣, 冯燕明, 宁永升, 张志伟, 朱晟 申请人:河海大学