吳新霞，饒 宇,2，胡英國，柴朝政

(1.長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010；2.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，武漢 430070；3.中國三峽建設(shè)管理有限公司，成都 610000)

爆破振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)爆破振動(dòng)荷載特征和保護(hù)物自身特點(diǎn)進(jìn)行確定。由于保護(hù)物類型眾多、同類保護(hù)物特征往往存在很大差別，現(xiàn)有的規(guī)范規(guī)程往往難以做到面面俱到，如何從保護(hù)物自身的特點(diǎn)確定爆破振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)對工程安全至關(guān)重要。盧文波等[1]、羅憶等[2]認(rèn)為確定爆破振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)要考慮結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性、破壞機(jī)理、動(dòng)力穩(wěn)定以及作用時(shí)間等因素；在具體實(shí)施過程中，孫金山等[3]從邊坡不發(fā)生剪切和張拉破壞的角度確定了不同級別巖體的爆破振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)；吳新霞等[4]根據(jù)受力分析，結(jié)合抗震烈度和工程類比確定了圍堰拆除各類保護(hù)物的爆破振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)；劉美山等[5]結(jié)合爆破振動(dòng)衰減規(guī)律、聲波測試驗(yàn)證以及工程類比等方法確定了高邊坡的爆破安全控制標(biāo)準(zhǔn)。胡英國等[6]從應(yīng)力波衰減的角度提出了高邊坡爆破安全控制標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

邊坡爆破振動(dòng)安全控制應(yīng)該包含兩方面的內(nèi)容，其一是近區(qū)保護(hù)物的損傷控制，例如控制爆破對保留巖體(建基面)的損傷深度，這是局部的損傷控制，這種損傷的爆破振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)前研究較為深入。其二是爆破振動(dòng)對邊坡整體穩(wěn)定性的影響，這是整體的穩(wěn)定控制。陳明等[7-8]提出了等效加速度的概念，并以此來計(jì)算邊坡爆破動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性；馬沖等[9]基于數(shù)值模擬的結(jié)果，采用強(qiáng)度折減方法確定了含軟弱夾層邊坡穩(wěn)定的爆破安全判據(jù)；余海兵等[10]結(jié)合擬靜力法、應(yīng)力判別法和數(shù)值模擬等方法確定了含軟弱層邊坡振速安全閥值。

從邊坡的穩(wěn)定性的角度確定爆破振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)對工程安全具有重要的意義，但現(xiàn)有的研究和規(guī)范規(guī)程在確定爆破振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)時(shí)對邊坡穩(wěn)定性的考慮偏少，邊坡穩(wěn)定性與爆破振動(dòng)速度之間的關(guān)系難以定量分析。筆者從理論分析上提出了基于邊坡穩(wěn)定性的爆破振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)確定方法，探討了爆破振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)與邊坡強(qiáng)度參數(shù)的關(guān)系，并將相關(guān)方法運(yùn)用到工程實(shí)踐中，為邊坡爆破安全控制提供了新的思路。

1 控制標(biāo)準(zhǔn)確定方法

1.1 滑塊穩(wěn)定性分析

巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性主要由其結(jié)構(gòu)面控制，以單斜貫穿型結(jié)構(gòu)面沿坡底切腳出露這一代表性邊坡進(jìn)行分析，取代表性斷面將三維邊坡作為平面應(yīng)變問題考慮?；瑝K力學(xué)分析模型如圖1所示。

圖1 滑塊力學(xué)分析模型

滑動(dòng)面上抗滑力FR和下滑力FT分別為

FR=[Gcosα+Tsin (α+β)-Fbsin (α-γ)]tanφ+cL+Tcos (α+β)

(1)

FT=Gsinα+Fbcos (α-γ)

(2)

式中：G、T、Fb分別為重力、錨固力和爆破作用力，N；φ、α、β、γ分別為結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角和結(jié)構(gòu)面、錨固力、爆破作用力與水平面的夾角，°；c為結(jié)構(gòu)面黏聚力，Pa；L為滑面長度，m。

1.2 振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)的確定方法

對于爆破荷載作用下的邊坡穩(wěn)定性，爆破作用力作用于滑塊重心位置，爆破作用力Fb表示為[11]

(3)

式中：b0為動(dòng)力折減系數(shù)，一般取0.1～0.3，部分學(xué)者認(rèn)為b0為0.008～0.152[12]；m為滑塊質(zhì)量，kg；a、g分別為爆破加速度和重力加速度，m/s2。

爆破振動(dòng)符合正弦函數(shù)特征，其加速度值a=2πfv，f為振動(dòng)頻率，v為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。則爆破荷載可以表示為

(4)

當(dāng)Fb=0，滑塊處于靜力狀態(tài)：

Kj=

(5)

式中：下標(biāo)j表示靜力狀態(tài)，其他參數(shù)含義同前。則：

(Kj-cotαtanφ)Gsinα=Pj

(6)

令Pj=Tsin (α+β)tanφ+cL+Tcos (α+β)。

當(dāng)Fb≠0時(shí)，滑塊處于動(dòng)力狀態(tài)，其動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性安全系數(shù)[Kd]表示為

[Kd]={[Gcosα+Tdsin (α+β)-Fbsin (α-γ)]tanφ+cdL+Tdcos (α+β)}/[Gsinα+Fbcos (α-γ)]

(7)

式中：下標(biāo)d表示動(dòng)力狀態(tài)，其他參數(shù)與前文相同。同理也可以設(shè)定動(dòng)態(tài)參數(shù)，則：

[Kd]=

(8)

其中Pd=Tdsin (α+β)tanφ+cdL+Tdcos (α+β)。

相關(guān)研究[13-14]和規(guī)范[15]認(rèn)為動(dòng)態(tài)強(qiáng)度參數(shù)一般比靜態(tài)強(qiáng)度參數(shù)提高20%，對于高頻的爆破荷載更是如此，則Pd=1.2Pj，根據(jù)式(6)和式(8)得：

(9)

[Kd]=

(10)

以質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度作為爆破安全控制指標(biāo)，也可以轉(zhuǎn)換為如下表達(dá)方式：

[PPV]=

{1.2Kj-([Kd]+0.2cotαtanφ)}×

(11)

式中:Kj為邊坡靜態(tài)穩(wěn)定性安全系數(shù)；[PPV]為爆破振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)，即質(zhì)點(diǎn)允許峰值振動(dòng)速度，cm/s；f為主振頻率；[Kd]為邊坡動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性安全系數(shù)設(shè)計(jì)值，反映了邊坡抗爆破振動(dòng)能力大小和對動(dòng)力荷載控制的嚴(yán)格程度,[Kd]越大表明邊坡動(dòng)力設(shè)防要求越嚴(yán)，不良地質(zhì)條件巖體和強(qiáng)度參數(shù)受動(dòng)力荷載影響較大的巖體，[Kd]越大，爆破振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值越小。

對于某一邊坡，控制性滑動(dòng)面傾角和內(nèi)摩擦角一定，爆破孔網(wǎng)參數(shù)相對固定，則邊坡的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定主要與邊坡靜力狀態(tài)下的安全系數(shù)和質(zhì)點(diǎn)爆破振動(dòng)速度有關(guān)。但并不是邊坡靜態(tài)穩(wěn)定性安全系數(shù)越大就一定能承受越大的爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，還與動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性安全系數(shù)設(shè)計(jì)值有關(guān)，現(xiàn)實(shí)中存在靜態(tài)穩(wěn)定性安全系數(shù)較大的邊坡在較小振動(dòng)下破壞的情況。

2 工程案例

以我國某百萬千瓦級水電站為例，其拱肩槽邊坡斷層、擠壓帶和裂隙發(fā)育，特別是大型斷層貫穿拱肩邊坡(見圖2)，對邊坡穩(wěn)定極為不利。貫穿斷層參數(shù)為：tanφ=0.45，斷層傾角55°～60°，黏聚力c=0.08 MPa。在開挖過程中，斷層出現(xiàn)顯著的卸荷變形，擬通過對現(xiàn)有邊坡進(jìn)行加固后實(shí)施爆破開挖，而如何確定加固初期的爆破振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)是需要解決的難題。

圖2 拱肩槽邊坡

拱肩槽邊坡為A類(樞紐工程區(qū))Ⅰ級邊坡，邊坡設(shè)計(jì)安全系數(shù)如表1所示[16]。

表1 拱肩槽邊坡設(shè)計(jì)安全系數(shù)

2.1 方法的應(yīng)用

短暫工況指的是施工期遭遇短期外部環(huán)境變化時(shí)的設(shè)計(jì)安全系數(shù)，符合爆破開挖的情況。因此，靜態(tài)穩(wěn)定性安全系數(shù)達(dá)到1.2的邊坡能夠承受爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為10 cm/s(一般邊坡爆破振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn))?？紤]邊坡處于靜力穩(wěn)定臨界狀態(tài)，邊坡靜態(tài)穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.00，此時(shí)邊坡剛好是不能承受振動(dòng)，即爆破振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)為0 cm/s。

臨界狀態(tài)：Kj=1，不能受振，[PPV]=0 cm/s，則：

0.2cotαtanφ=1.2-[Kd]

(12)

需滿足[Kd]≥1.2-0.2cotαtanφ=1.14，否則，出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)卻能受振的情況，[Kd]越大對振動(dòng)控制越嚴(yán)。

當(dāng)Kj=1.2時(shí)，[PPV]=10 cm/s，則：

[Kd]=

(13)

在邊坡地質(zhì)條件和爆破參數(shù)無顯著變化下，邊坡[Kd]可看做一個(gè)定量，則通過式(11)和(13)可得：

[PPV]=0.1×

(14)

為使式(14)有意義，[Kd]≤1.44-0.2cotαtanφ=1.38，Kj為加固后的邊坡靜態(tài)穩(wěn)定性安全系數(shù)，爆破振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)與邊坡靜態(tài)穩(wěn)定性安全系數(shù)、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性安全系數(shù)設(shè)計(jì)值、斷層傾角、黏聚力和內(nèi)摩擦角相關(guān)。

靜態(tài)穩(wěn)定性安全系數(shù)Kj與斷層傾角和內(nèi)摩擦角、錨固力及錨桿/索傾角以及滑塊質(zhì)量等有關(guān)，與[PPV]并非簡單的線性關(guān)系。其中，α與[PPV]呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，φ與[PPV]呈正相關(guān)關(guān)系，Kj總體上與[PPV]呈正相關(guān)關(guān)系。

不考慮爆破對巖體的損傷，在不計(jì)錨固力的情況下，根據(jù)工程案例參數(shù)，僅從穩(wěn)定性角度表明[PPV]與相關(guān)參數(shù)的變化關(guān)系如圖3～圖5所示。

圖3 [PPV]與內(nèi)摩擦角的關(guān)系

圖4 [PPV]與滑動(dòng)面傾角的關(guān)系

圖5 [PPV]與[Kd]的關(guān)系

由圖3～圖5可知，爆破振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)[PPV]與滑動(dòng)面內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，隨內(nèi)摩擦角增大，[PPV]迅速增大，且增大速率越來越快；而[PPV]與滑動(dòng)面傾角和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性安全系數(shù)設(shè)計(jì)值[Kd]呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，一定范圍內(nèi)，隨傾角增大，[PPV]值降低速率逐漸變慢；而隨[Kd]增大，[PPV]降低速率卻越快； [Kd]越大，表明邊坡對振動(dòng)控制要求越嚴(yán)，[PPV]越小。

圖3～圖5僅為了表明相關(guān)的變化規(guī)律，具體數(shù)值與多個(gè)參數(shù)相關(guān)，準(zhǔn)確數(shù)值需要根據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算。

特別需要說明的，當(dāng)Kj=1～1.3時(shí)，既要考慮爆破對巖體的損傷，也要考慮爆破對邊坡穩(wěn)定性的影響。當(dāng)Kj<1時(shí)，即完全不能受振，靜力狀態(tài)下邊坡即已經(jīng)失穩(wěn)；當(dāng)Kj>1.3時(shí)，從邊坡穩(wěn)定的角度質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度v可以大于10 cm/s，但需要考慮爆破對巖體的損傷，仍按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行控制。

2.2 爆破振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)的確定

根據(jù)前期的地質(zhì)調(diào)查，確定了二維不利塊體4個(gè)(KT1～ KT4)，三維不利塊體8個(gè)(ZKT1～ ZKT8)，并獲得了現(xiàn)狀、加固后和參數(shù)反演等3種工況下的邊坡靜態(tài)穩(wěn)定性安全系數(shù)，其中，參數(shù)反演工況指的是以現(xiàn)狀為臨界狀態(tài)(Kj=1)反演出結(jié)構(gòu)面參數(shù)并計(jì)算加固后的安全系數(shù)。采用式(14)計(jì)算關(guān)鍵塊體的爆破振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)如表2～表4所示，為了說明情況，Kj>1.3時(shí)的控制標(biāo)準(zhǔn)也通過式(14)計(jì)算列出，但實(shí)際上，從控制損傷的角度控制標(biāo)準(zhǔn)不宜大于10 cm/s。

表2 基于三維塊體穩(wěn)定性分析的爆破振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)

表3 基于二維塊體穩(wěn)定性分析的爆破振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)

表4 基于參數(shù)反演的三維塊體穩(wěn)定性分析的爆破振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)上述計(jì)算可知，考慮到拱肩槽邊坡地質(zhì)條件復(fù)雜，在加固初期，通過設(shè)置較大的[Kd]對邊坡爆破開挖作業(yè)進(jìn)行嚴(yán)格控制，對于巖體質(zhì)量差的部位，[Kd]宜比臨界值1.14大5%～10%，則確定5.27 cm/s的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度控制標(biāo)準(zhǔn)能夠滿足邊坡動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性要求，實(shí)際實(shí)施過程中控制點(diǎn)為上一級馬道坡腳，因此還具有一定的安全富裕。后期待支護(hù)完成、邊坡變形穩(wěn)定，可以根據(jù)工程實(shí)際適當(dāng)放寬控制要求。

從后期實(shí)施效果來看，通過采取加固和控制爆破等措施，斷層多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測結(jié)果顯示日位移增量從之前的最大值1.15 mm/d、平均日增量0.71 mm/d，減小到實(shí)施初期最大1 mm以內(nèi)、80.95%測次增量在0.5 mm以內(nèi)、平均日增量0.25 mm/d，平均位移日增量減小了65%，后期邊坡變形穩(wěn)定，開挖質(zhì)量優(yōu)良(見圖6)，爆破取得了成功。

圖6 拱肩槽邊坡爆破效果

3 討論

3.1 爆破振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)極小值

根據(jù)式(11)，當(dāng)邊坡靜態(tài)穩(wěn)定性安全系數(shù)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性安全系數(shù)設(shè)計(jì)值取為一定值時(shí)，函數(shù)f(γ)=sin (α-γ)tanφ+[Kd]cos (α-γ)存在極大值，[PPV]取極小值，即當(dāng)爆破作用力與斷層夾角γ=α-arctan(tanφ/[Kd])時(shí)，[PPV]取得極小值。此時(shí)爆破荷載作用角度可稱之為最不利角。

例如，當(dāng)[Kd]=1.3、tanφ=0.45時(shí)，[PPV]極小值[PPV]min為

[PPV]min=

(15)

γ=40.9°為最不利角，邊坡穩(wěn)定性最差。

3.2 爆破作用角度

爆破作用力與滑動(dòng)面夾角變化較大，當(dāng)將爆破作用當(dāng)作平面問題不考慮切向爆破振動(dòng)速度(與邊坡走向一致)時(shí)，根據(jù)同一時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度比值(垂直向/水平徑向)可大體推算爆破作用角度。因?yàn)樗俣却嬖谡?fù)方向，爆破作用方向在4個(gè)象限均可能出現(xiàn)，最不利情況還是如圖1所示的斜向右下，既增大了下滑力又降低了抗滑力。僅考慮最不利情況，通過對監(jiān)測質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)時(shí)刻的速度比值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可大體獲得最大爆破力作用角度。開挖施工期爆破作用力與滑動(dòng)面夾角(α-γ)統(tǒng)計(jì)(共125點(diǎn)·次)如表5所示。

表5 爆破作用力與滑動(dòng)面夾角(α-γ)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，大多數(shù)情況下(>80%)最大爆破力作用方向并非位于最不利方位，更多的是偏向巖體內(nèi)部，而(α-γ)絕對值在20°以內(nèi)的情況占比為77%～84%。

4 結(jié)論

1)提出了基于滑塊穩(wěn)定性分析的邊坡爆破振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)的確定方法，爆破振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)[PPV]與邊坡靜態(tài)穩(wěn)定性安全系數(shù)Kj、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性安全系數(shù)設(shè)計(jì)值[Kd]和滑動(dòng)面傾角、黏聚力和內(nèi)摩擦角有關(guān)。

2)[PPV]與Kj和滑動(dòng)面內(nèi)摩擦角呈非線性正相關(guān)關(guān)系，并隨內(nèi)摩擦角增大，[PPV]增大速率越快。

3)[PPV]與[Kd]和滑動(dòng)面傾角呈非線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，一定范圍內(nèi)，隨[Kd]增大[PPV]降低越迅速，而隨傾角增大[PPV]降低越緩慢。

4)[Kd]反映了邊坡抗爆破振動(dòng)能力大小和對動(dòng)力荷載控制的嚴(yán)格程度，不良地質(zhì)條件巖體和強(qiáng)度參數(shù)受動(dòng)力荷載影響較大的巖體，[Kd]越大，[PPV]越低。

5)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，超過80%的情況下最大爆破力并非位于最不利方位，最大爆破力作用方向與滑動(dòng)面夾角小于20°的情況占比為77%～84%。

需要注意的是，具體的爆破振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)需要根據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算得到，本文提出的確定方法是從邊坡穩(wěn)定角度出發(fā)的，實(shí)際應(yīng)用中還需要考慮爆破對保留巖體的損傷進(jìn)行綜合確定。