王小林，靳 龍，曾慶元，昝 彪

(西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

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混凝土圍堰拆除爆破對大壩的安全影響分析

王小林，靳 龍，曾慶元，昝 彪

(西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

以位于長江中游支流沅江干流的某水電站混凝土圍堰拆除爆破為工程背景，需要爆破拆除的混凝土圍堰與縣城的直線距離不超過2 km，與最近的一條壩頂公路橋的最小距離為3 m，所以控制爆破振動勢必對本工程有著重要的意義。通過對該工程現(xiàn)場爆破試驗(yàn)進(jìn)行質(zhì)點(diǎn)振動監(jiān)測，測取離爆源不同位置下的質(zhì)點(diǎn)振動速度的監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時采用回歸分析法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出爆破地震波在鋼筋混凝土大壩結(jié)構(gòu)中的衰減規(guī)律，結(jié)果表明，使用分段微差爆破技術(shù)可有效控制拆除爆破對大壩的振動影響；依據(jù)《爆破安全規(guī)程》對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)安全振動速度的要求(v≤5 cm/s)，證明試驗(yàn)爆破初步設(shè)計(jì)方案及爆破參數(shù)k,α較為合理，可為后期爆破方案確定和保證壩體安全穩(wěn)定性提供依據(jù)，也可為類似工程提供工程經(jīng)驗(yàn)。綜合以上試驗(yàn)爆破參數(shù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)得出以下建議：最大單響藥量控制在27 kg以下；需要采取一些外在減震措施；要注意地震波的主頻率變化范圍，防止共振現(xiàn)象的發(fā)生。

拆除爆破；混凝土圍堰；爆破振動；質(zhì)點(diǎn)振動速度；回歸分析

0 引 言

圍堰是在水利工程施工中，為修建永久性水利設(shè)施而做的臨時性圍護(hù)結(jié)構(gòu)，待主體結(jié)構(gòu)完成后，圍堰也多根據(jù)要求進(jìn)行拆除。土石圍堰和混凝土圍堰2種最為常見，當(dāng)圍堰所處位置水頭較高，土石圍堰已經(jīng)無法滿足圍護(hù)要求時，就必須使用抗沖擊、防滲更好的混凝土圍堰。在拆除圍堰時，土石圍堰一般采取機(jī)械挖掘的方法，而混凝土圍堰的拆除則較多使用爆破拆除法。炸藥爆炸所引起的地震效應(yīng)是公認(rèn)的爆破公害之首，炸藥爆炸時一部分能量以地震波的形式向外傳播，威脅到鄰近既有建(構(gòu))筑物的安全穩(wěn)定性，所以對建(構(gòu))筑物進(jìn)行爆破振動連續(xù)監(jiān)測，研究爆破地震波衰減規(guī)律，可指導(dǎo)爆破設(shè)計(jì)與施工。國內(nèi)外學(xué)者對爆破振動做了大量的研究，錢七虎，陳士海[1]認(rèn)為爆破地震震動達(dá)到足夠強(qiáng)度時，就會引起各種破壞現(xiàn)象，再通過分析單質(zhì)點(diǎn)系的爆破地震反應(yīng)，得出建筑結(jié)構(gòu)的震害是由爆破地震運(yùn)動的加速度或速度最大值決定，而巖土工程的震害主要由地面運(yùn)動最大速度決定的結(jié)論；張金泉，魏海霞[2]提出了爆破地震波的特征，及爆破地震強(qiáng)度的判定標(biāo)準(zhǔn)，并給出了相應(yīng)的計(jì)算公式；徐桂興，楊桂桐[3]等研究了露天礦邊坡體內(nèi)質(zhì)點(diǎn)震動的測試方法及與地表爆破震動的對比分析,并系統(tǒng)地介紹了處于動、靜載荷共同作用下的邊坡穩(wěn)定性分析方法；羅憶，盧文波[4]等對國內(nèi)外的爆破振動安全判據(jù)做了比較，并認(rèn)為現(xiàn)有爆破振動安全判據(jù)中未對振動頻率和持續(xù)時間的影響加以考慮；張小強(qiáng)[5]利用數(shù)值模擬軟件對巖質(zhì)高邊坡爆破動力荷載作用下的仿真分析，得出巖質(zhì)高邊坡的動力反應(yīng)規(guī)律。以上學(xué)者從不同方向研究了爆破振動的危害以及安全判據(jù)，這些研究成果還需要大量的工程實(shí)例作驗(yàn)證。

文中依托某水電站混凝土圍堰拆除爆破現(xiàn)場試驗(yàn)，對爆破區(qū)內(nèi)距離最近的大壩壩頂公路橋橋面進(jìn)行質(zhì)點(diǎn)振動監(jiān)測，采用了3個方向的質(zhì)點(diǎn)振速評價爆破振動強(qiáng)度。

1 工程概況

水電站位于長江中游支流沅江干流上，圍堰堰基為基巖，混凝土圍堰由南段、中段和北段3部分分別澆筑組成，所用材料為C15混凝土，混凝土圍堰長79.18 m，頂部高程44 m，底部高程23 m.橫斷面上部為矩形，頂寬1.5 m，高2.5 m，下部為梯形，迎水面是直立墻，梯形上底寬1.5 m.

該混凝土圍堰北段堰頂距壩體最近，距離約為3.0 m.該混凝土圍堰拆除范圍為標(biāo)高25.5 m以上圍堰，爆破方量約為8 000 m3.大壩壩頂為新建的一座聯(lián)通縣城和對岸某國道的重要公路橋。

2 爆破條件及振動監(jiān)測方案

2.1 爆破條件

由于大壩離爆區(qū)距離較近，為了減小大壩壩頂公路橋的爆破振動，采用了分段微差爆破[6-10]，炮孔中裝同段高段位毫秒導(dǎo)爆管雷管，孔外用低段位毫秒雷管接力。本次爆破使用2號巖石乳化炸藥，最大單響藥量為26.65 kg.體現(xiàn)爆破振動強(qiáng)度的參數(shù)有質(zhì)點(diǎn)振動速度、加速度等，很多大型混凝土圍堰拆除如三峽工程等的振動監(jiān)測研究都是以質(zhì)點(diǎn)振動速度作為評價參量。因爆破安全規(guī)程中對切向、徑向與垂直3個方向質(zhì)點(diǎn)振動速度都有要求，故采用3個方向的質(zhì)點(diǎn)振動速度評價爆破振動的強(qiáng)度。

2.2 測試設(shè)備選取

本次測試設(shè)備采用成都中科動態(tài)儀器有限公司生產(chǎn)的TC-5850型便攜式數(shù)據(jù)采集儀。測試中TC-5850所選用的主要性能參數(shù)：①自動觸發(fā)；② 觸發(fā)水平：1 mm/s(1，2，3， 4，5號測點(diǎn))；③ 單次監(jiān)測；④ 標(biāo)準(zhǔn)采樣率；⑤ 通頻帶2～300 Hz；⑥ 速度誤差小于0.01 mm/s；⑦ 加速度誤差小于0.009 8 m/s2；⑧ 位移誤差小于0.001 mm.

2.3 測點(diǎn)布置

爆區(qū)測點(diǎn)的布置具有重要的意義，它直接關(guān)系著爆破振動測試的效果以及監(jiān)測數(shù)據(jù)的可用價值。由于爆源距離大壩較近，而且壩頂公路橋橋面上要保護(hù)對象較多，所以，布點(diǎn)原則就是將測點(diǎn)有規(guī)律的布置于要保護(hù)對象附近。在距爆源1 000 m半徑范圍內(nèi)，布置了6個測點(diǎn)(其中爆破進(jìn)行中距爆源600 m處儀器未被觸發(fā))，按離爆源的距離遠(yuǎn)近布置于橋面上[11]，對每個測點(diǎn)3個方向的振動速度進(jìn)行監(jiān)測[12]，布點(diǎn)情況如圖1所示。

圖1 壩頂公路橋橋面爆破測點(diǎn)平面布置圖

3 監(jiān)測結(jié)果與分析

3.1 監(jiān)測結(jié)果

針對某水電站圍堰的38～44 m高程進(jìn)行拆除爆破試驗(yàn)，共布置6個測點(diǎn)，其中1個測點(diǎn)儀器未觸發(fā)。表1列出了拆除爆破試驗(yàn)所引起的壩頂公路橋的橋面質(zhì)點(diǎn)振動速度的數(shù)據(jù)結(jié)果。

3.2 回歸分析數(shù)學(xué)模型和計(jì)算結(jié)果

爆破質(zhì)點(diǎn)振動速度V，由薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式確定[13]，即

(1)

式中V為質(zhì)點(diǎn)振動速度,cm/s；R為測點(diǎn)到爆源中心的距離,m；Q為最大段裝藥量,kg；k,α是與爆破方法、孔網(wǎng)參數(shù)、場地條件等有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)。

對式(1)兩邊取對數(shù)，即

lnV=lnk+αln,

(2)

得經(jīng)驗(yàn)回歸直線[14-15]y=Ax+B.

(3)

表1 爆破的監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.1 Monitoring data of blasting results

令y0為回歸直線方程所得的因變量;yi為因變量，取值為實(shí)際觀測值，那么回歸值與觀測值的誤差平方和為

(4)

根據(jù)最小二乘法原理[16]，使M(A,B)的值最小，求極值可得

(5)

解方程求得

(6)

(7)

如按最小二乘法計(jì)算，計(jì)算量較大且由于四舍五入會產(chǎn)生一定誤差[17]，所以在計(jì)算中采用線性回歸的矩陣法[18]，原理如下

y=Ax+B可以寫成

(8)

利用線性回歸的矩陣法，對圍堰拆除爆破的5組監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求出k,α值即可確定監(jiān)測點(diǎn)3個方向的地震波的衰減經(jīng)驗(yàn)[19-24]方程分別為

切向質(zhì)點(diǎn)振動速度

徑向質(zhì)點(diǎn)振動速度

垂向質(zhì)點(diǎn)振動速度

圖2 切向質(zhì)點(diǎn)振動回歸直線圖

圖3 徑向質(zhì)點(diǎn)振動回歸直線圖

圖4 垂向質(zhì)點(diǎn)振動回歸直線圖

圖5 測點(diǎn)振動速度衰減規(guī)律曲線圖

3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)和回歸結(jié)果的分析

對監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可得，質(zhì)點(diǎn)振動的峰值速度符合《爆破安全規(guī)程》中建(構(gòu))筑物質(zhì)點(diǎn)的安全振動速度規(guī)定：鋼筋混凝土建(構(gòu))筑物質(zhì)點(diǎn)安全振動速度為5 cm/s[25].

對混凝土圍堰拆除爆破試驗(yàn)所得的監(jiān)測數(shù)據(jù)回歸分析顯示，回歸直線的斜率與截距分別為假設(shè)條件α=A，lnk=B，表明k,α的值也可以由回歸直線圖計(jì)算得出(圖2，3，4)。

測點(diǎn)振動速度衰減規(guī)律曲線圖(圖5)顯示，靠近爆源處，質(zhì)點(diǎn)振動速度峰值垂向大于另外2個方向，說明垂向質(zhì)點(diǎn)振動對大壩安全穩(wěn)定性的威脅更大。從振動主頻量值分析，質(zhì)點(diǎn)垂向振動頻率隨爆心距的增加而減小，說明地震波的能量隨爆心距的增加而減小，這些規(guī)律符合地震波在混凝土結(jié)構(gòu)中的衰減規(guī)律。注意到質(zhì)點(diǎn)振動速度已接近安全振動速度，故在后續(xù)圍堰拆除爆破時，應(yīng)該嚴(yán)格控制最大單響藥量，從而最大限度的確保大壩的安全穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

1) 試驗(yàn)中爆源離大壩較近，對質(zhì)點(diǎn)振動速度的控制較為嚴(yán)格，采用分段微差爆破技術(shù)可以很好的達(dá)到減震目的，滿足了工程要求，表明設(shè)計(jì)采用的爆破方案、爆破參數(shù)、起爆網(wǎng)絡(luò)等都是合理可行的；

2) 經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)測，得出3個方向質(zhì)點(diǎn)振動峰值速度為4.310 9，4.401 5，4.898 6 cm/s，滿足《爆破安全規(guī)程》中鋼筋混凝土建(構(gòu))筑物質(zhì)點(diǎn)振動安全允許速度小于5 cm/s的要求，說明本次爆破試驗(yàn)不會對大壩產(chǎn)生破壞性影響，可以保證大壩的安全運(yùn)營；

3) 通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的回歸分析，得出了3個方向的振動速度衰減規(guī)律經(jīng)驗(yàn)公式，從而優(yōu)化了爆破方案與設(shè)計(jì)，可較好的指導(dǎo)后期爆破方案的確定。

根據(jù)上述監(jiān)測數(shù)據(jù)的特征，希望考慮以下幾點(diǎn)建議

1) 以大壩壩頂公路橋作為保護(hù)對象，依據(jù)現(xiàn)有分析數(shù)據(jù)，建議最大單響藥量控制在27 kg以下；

2) 分段微差爆破是減小爆破振動十分有效的方法之一，所以繼續(xù)采用分段微差爆破技術(shù)，同時輔以一些外在減震措施，如增設(shè)減震溝、減震孔和預(yù)裂縫等，這樣也可減小爆破振動；

3) 由于大壩的體積龐大，無法計(jì)算大壩壩體固有頻率，所以根據(jù)現(xiàn)有的資料可知，鋼筋混凝土壩體的固有頻率一般低于5 Hz，而實(shí)測爆破振動主頻率在7.8～16.3 Hz之間，個別監(jiān)測數(shù)據(jù)接近壩體固有頻率，所以在后續(xù)的拆除爆破時，要注意地震波的頻率變化范圍，防止共振現(xiàn)象的發(fā)生，確保大壩壩體的安全穩(wěn)定。

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Influence of the concrete coffer demolition blasting on the dam safety

WANG Xiao-lin，JIN Long，ZENG Qing-yuan，ZAN Biao

(CollegeofCivilandArchitecturalEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China)

Taking a demolition blasting of hydropower concrete coffer as engineering background，which is located in the Yangtze tributary Ruanjing river,concrete coffer needed to be demolition blasted is not over 2 km in linear distance from the town and the minimum distance is 3 m from the nearest dam bridge.So,controlling the blasting vibration is bound to have important significance to the project.Though monitoring the blasting particle vibration in field，acquiring the monitoring data of vibration speed from different locations and using regression analysis to analyze the data，we obtained the blasting seismic wave attenuation rule in reinforced concrete dam.The result shows that millisecond blasting technique could control the affect of the demolition blasting on the dam through effectively; According to Safety Regulations for Blasting，the demand of structure safety vibration velocity(v≤5 cm/s)on reinforced concrete prove that the preliminary design of blasting and blasting parameters are reasonable,which offer evidence for the confirmation of later blasting，security and stability of the dam.At the same time，offer some experience on the similar project.Based on the above blasting parameters and monitoring data on the test，we have the following suggestions：the explosive quantity should be under 27 kg, some exterior seismic resistance measures should be taken, to pay attention to the main frequency of seismic wave range，and prevent the occurrence of resonance phenomena.

demolition blasting; concrete coffer；blasting vibration；particle vibration dynamic speed; regression analysis

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0103

1672-9315(2015)01-0015-06

2014-11-20責(zé)任編輯:劉 潔

王小林(1963-),男，陜西西安人，副教授，E-mail:Allenjinlong20@126.com

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