張永鑫 于進(jìn) 范戎 陳劍濤

豐滿(mǎn)大壩始建于1937年，受當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)、施工以及建設(shè)管理水平的限制，并且超期服役，因此大壩存在許多先天缺陷[1]。經(jīng)過(guò)前期充分地科學(xué)論證，最終選定重建新壩作為豐滿(mǎn)水電站全面治理方案[2]。豐滿(mǎn)水電站大壩全面治理工程是按恢復(fù)電站原任務(wù)和功能，在原壩下游120 m處新建一座大壩，拆除老壩中間壩段684 m，并利用原豐滿(mǎn)三期工程[3]，重建工程平面布置如圖1所示。

圖1 豐滿(mǎn)重建工程平面布置圖

施工爆破主要有兩個(gè)階段，即前期新建大壩壩基等的爆破開(kāi)挖和后期原混凝土壩部分壩體的爆破拆除。新建大壩壩基開(kāi)挖期間，老壩兼作上游圍堰而仍正常運(yùn)行，原一二期機(jī)組仍在運(yùn)行；結(jié)合大壩導(dǎo)流方式和新建壩軸線處的地形、地質(zhì)條件，以及本工程的總體開(kāi)挖程序，建設(shè)期爆破對(duì)建筑物（或設(shè)施）的影響主要是振動(dòng)破壞，而噪聲和飛石等影響則處于次要方面。所以，著重分析爆破對(duì)建筑物（或設(shè)施）的振動(dòng)影響。受到振動(dòng)影響的主要有新老壩、一二期廠房及發(fā)電機(jī)組、三期廠房及發(fā)電機(jī)組、中控室、開(kāi)關(guān)站等建筑物（或設(shè)施）。如果振動(dòng)量偏大，可能直接導(dǎo)致這些建筑物（或設(shè)施）造成損壞或失穩(wěn)，造成重大的安全事故。因此，施工中必須控制爆破對(duì)建筑物（或設(shè)施）的振動(dòng)影響。

1 現(xiàn)有建筑物（或設(shè)施）安全控制標(biāo)準(zhǔn)分析

參考國(guó)內(nèi)沙溪口、巖灘、白山抽水蓄能和三峽等類(lèi)似工程的爆破拆除安全爆破控制標(biāo)準(zhǔn)，以及GB 6722—2003《爆破安全規(guī)程》中相關(guān)規(guī)定，按規(guī)程規(guī)范取新壩混凝土的安全允許振速標(biāo)準(zhǔn)為5.0～10.0 cm/s，基于結(jié)構(gòu)放大效應(yīng)，取壩頂為10.0 cm/s，而壩基為5.0 cm/s，均滿(mǎn)足規(guī)范關(guān)于大體積混凝土（28 d以上齡期）的抗震要求。對(duì)于老壩，考慮到混凝土年限時(shí)間較長(zhǎng)，其內(nèi)部存在老化、碳化等現(xiàn)象，以及壩體本身存在不利壩段，因此，老壩的安全抗震指標(biāo)取為新建大壩混凝土的60%，即老壩壩頂為6.0 cm/s，而壩基為3.0 cm/s。借鑒1979年豐滿(mǎn)巖塞爆破大壩實(shí)測(cè)資料，8#壩段壩頂?shù)恼駝?dòng)速度達(dá)到了6.93 cm/s（水平順河向），爆后調(diào)查壩體無(wú)損壞，并且多年來(lái)一直比較穩(wěn)定。因此，對(duì)老壩選取3.0～6.0 cm/s振動(dòng)速度控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)是安全的。至于老壩內(nèi)的縱縫，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和相關(guān)工程振動(dòng)資料較少，出于安全角度，對(duì)老壩縱縫的安全振動(dòng)速度控制標(biāo)準(zhǔn)按2.5（壩基）～5.0 cm/s（壩頂）控制。

對(duì)于老壩挑流鼻坎，因其距離爆破區(qū)域較近，對(duì)爆破開(kāi)挖強(qiáng)度影響較大；考慮到GB 6722—2003《爆破安全規(guī)程》中7.0～12.0 cm/s的安全標(biāo)準(zhǔn)取值，對(duì)10.0 cm/s取值已經(jīng)有一定的安全儲(chǔ)備。所以，未對(duì)老壩挑流鼻坎的安全控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行折減，仍按10.0 cm/s標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制。

此外，對(duì)于廠房基礎(chǔ)、引水管進(jìn)口、閘門(mén)墩、門(mén)槽、廊道、洞室等建筑物，均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其抗震性能遠(yuǎn)高于民房，可以按5.0 cm/s的安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制。

進(jìn)水口鋼閘門(mén)（未運(yùn)行）和止水材料的抗震性能均優(yōu)于大壩本身，只要爆破不對(duì)大壩產(chǎn)生破壞影響，就能保證其各自安全。因此，進(jìn)水口鋼閘門(mén)（未運(yùn)行）和止水材料的安全控制標(biāo)準(zhǔn)均按5.0 cm/s選??；對(duì)正在運(yùn)行的閘門(mén)，參考沙溪口和白山抽水蓄能電站資料，按2.5 cm/s的安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，豐滿(mǎn)水電站的開(kāi)關(guān)站使用運(yùn)行設(shè)備都已陸續(xù)改造為當(dāng)前較新型產(chǎn)品。其中，開(kāi)關(guān)站內(nèi)主要防震對(duì)象為并網(wǎng)斷路器，產(chǎn)品型號(hào)為ABB系列，廠家提供的抗震指標(biāo)（0.3～0.5）g，其對(duì)應(yīng)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度指標(biāo)為3.0～6.0 cm/s。結(jié)合白山水電站和紅石水電站所獲得的實(shí)際測(cè)試資料，對(duì)開(kāi)關(guān)站的安全允許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)選擇為2.5 cm/s。

對(duì)于發(fā)電廠中心控制室設(shè)備，正常運(yùn)行期間按0.5 cm/s的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制，在未運(yùn)行階段，則可以按普通機(jī)電設(shè)備考慮，取其安全控制標(biāo)準(zhǔn)為2.5 cm/s。

2 爆破振動(dòng)影響場(chǎng)計(jì)算

爆破振動(dòng)效應(yīng)的影響因素比較復(fù)雜，現(xiàn)在還沒(méi)有成熟的理論求解，主要根據(jù)生產(chǎn)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)作經(jīng)驗(yàn)公式的回歸分析。目前應(yīng)用較為廣泛的是前蘇聯(lián)薩道夫斯基提出的經(jīng)驗(yàn)公式[4]：

式中v——質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值，cm/s；

Q——最大單響藥量，kg；

R——測(cè)點(diǎn)至爆源中心的距離，m；

K、α——反應(yīng)非主要因素影響的系數(shù)。

這樣，在確定K、α這兩個(gè)影響系數(shù)后，即可大體得到爆破區(qū)域內(nèi)的振動(dòng)影響場(chǎng)公式。按照現(xiàn)有資料和文件，本工程新壩基礎(chǔ)開(kāi)挖的爆破振動(dòng)影響計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式有以下幾個(gè)[5]。

2.1 豐滿(mǎn)泄洪洞1∶2巖塞爆破振速經(jīng)驗(yàn)公式

式中，v、Q、R意義同上。

2.2 豐滿(mǎn)電站（三期）深孔爆破實(shí)測(cè)振速經(jīng)驗(yàn)公式

式中，v、Q、R意義同上。

2.3 采用GB 6722—2003《爆破安全規(guī)程》推薦公式

新壩基礎(chǔ)為表層開(kāi)挖，現(xiàn)場(chǎng)巖性屬于中等堅(jiān)硬巖石（偏于風(fēng)化），相對(duì)應(yīng)的K、α值可分別取K=150，α=1.8，于是：

式中，v、Q、R意義同上。

2.4 國(guó)內(nèi)深孔梯段爆破大多采用的振動(dòng)經(jīng)驗(yàn)公式

式中，V、Q、R意義同上。

以上4個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式都可用于評(píng)估重建工程爆破對(duì)老壩的振動(dòng)影響強(qiáng)度問(wèn)題。其中，式（4）設(shè)計(jì)偏于安全考慮，式（5）比較適合于深孔梯段爆破使用。本文中采用由各式計(jì)算結(jié)果的較小值，以確保建筑物安全。

3 有限元計(jì)算分析

豐滿(mǎn)大壩重建工程施工期爆破新老壩相互影響問(wèn)題，采用有限元計(jì)算分析進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)研究。為模擬大壩輸入動(dòng)力響應(yīng)振動(dòng)波，計(jì)算工況選用了按爆破振動(dòng)影響場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)公式推算的藥量值，即最大單響藥量計(jì)算值（見(jiàn)表1）。

表1 最大單響藥量計(jì)算值 kg

按照表1中藥量標(biāo)準(zhǔn)，選擇3個(gè)不同型式典型壩段（即老壩14#溢流壩段、22#引水壩段、35#斷層壩段及下游對(duì)應(yīng)新壩）進(jìn)行了有限元計(jì)算分析。

計(jì)算結(jié)果顯示，新壩基坑開(kāi)挖爆破和老壩缺口拆除爆破時(shí)，總體上以老壩（或新壩）壩頂?shù)姆磻?yīng)最大，而以壩基帷幕的控制標(biāo)準(zhǔn)最為嚴(yán)格（見(jiàn)表2、3）。

表2 新壩壩基開(kāi)挖爆破老壩振動(dòng)最大速度反應(yīng)峰值 cm/s

表3 老壩缺口拆除爆破新壩振動(dòng)最大速度反應(yīng)峰值 cm/s

表2、3中，僅取水壩段處新壩基礎(chǔ)開(kāi)挖時(shí)爆破影響略大于1.5 cm/s的帷幕振速控制標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)單響藥量敏感性分析，適當(dāng)調(diào)整取水壩段基坑開(kāi)挖爆破時(shí)的單響藥量上限值即可滿(mǎn)足老壩壩基帷幕的安全。

4 設(shè)計(jì)爆破控制藥量

重建工程開(kāi)挖環(huán)境復(fù)雜，實(shí)施爆破作業(yè)應(yīng)根據(jù)老壩及相鄰的建筑物、設(shè)備及民房等保護(hù)對(duì)象的安全允許振速標(biāo)準(zhǔn)來(lái)測(cè)算每一延期段限定的藥量，即最大單響藥量。然后依據(jù)該藥量及相應(yīng)的爆心距離進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)。爆破設(shè)計(jì)選取最大單響藥量的基本原則如下：

（1）從保證安全角度出發(fā)，結(jié)合本工程具體特點(diǎn)和老壩的現(xiàn)狀，并考慮留有一定安全裕度，確定設(shè)計(jì)控制最大單響藥量。

（2）設(shè)計(jì)控制最大單響藥量根據(jù)各個(gè)開(kāi)挖部位及其周?chē)T多建筑物的要求，按照每一個(gè)控制對(duì)象及安全允許振動(dòng)速度標(biāo)準(zhǔn)分別對(duì)該開(kāi)挖部位進(jìn)行最大單響藥量計(jì)算，并從中選擇最小的藥量來(lái)作為該部位的最大單響藥量控制標(biāo)準(zhǔn)。

基于以上原則，設(shè)計(jì)結(jié)合有限元計(jì)算分析結(jié)果、工程開(kāi)挖特點(diǎn)，在考慮一定安全裕度的前提下，進(jìn)行了爆破方案典型設(shè)計(jì)，并分別提出了新壩基開(kāi)挖爆破設(shè)計(jì)振動(dòng)安全允許最大單響藥量（見(jiàn)表4）和老壩拆除爆破設(shè)計(jì)振動(dòng)安全允許最大單響藥量（見(jiàn)表5）。

表4 新壩基開(kāi)挖爆破設(shè)計(jì)振動(dòng)安全允許最大單響藥量

表5 老壩缺口拆除爆破設(shè)計(jì)振動(dòng)安全允許最大單響藥量

從表4所列數(shù)據(jù)可以看出，由于新壩基礎(chǔ)開(kāi)挖范圍較大，周?chē)婕暗降慕ㄖ镙^多，壩基不同部位受到開(kāi)挖限制的建筑物也不相同，如1#～2#壩段開(kāi)挖，其爆破主要受三期發(fā)電輸水洞限制，其最大單響藥量為36.87 kg。

從表5所列數(shù)據(jù)可以看出，由于老壩缺口拆除爆破影響涉及到的建筑物主要為新建大壩、廠房等，老壩缺口拆除不同部位受到爆破拆除限制的建筑物也不相同，如29#～56#壩段開(kāi)挖，其爆破主要受新壩帷幕限制，其最大單響藥量為312.45 kg。

結(jié)合有限元計(jì)算、單響藥量的敏感性分析和典型的爆破設(shè)計(jì)綜合分析，考慮工程具體特點(diǎn)和安全性，經(jīng)綜合分析，最大單響藥量控制值采用爆破設(shè)計(jì)振動(dòng)安全允許最大單響藥量，詳見(jiàn)表4、5。通過(guò)藥量敏感分析，設(shè)計(jì)選擇的振動(dòng)安全允許最大單響藥量，可以滿(mǎn)足新壩基礎(chǔ)開(kāi)挖和老壩缺口拆除爆破的施工安全要求。在工程實(shí)際中，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性爆破科研試驗(yàn)來(lái)調(diào)整最大單響藥量控制指標(biāo)，力求做到對(duì)新壩、老壩建筑物的振動(dòng)、飛石等影響控制在允許范圍內(nèi)。

5 施工期爆破對(duì)老壩影響分析

通過(guò)對(duì)新壩基礎(chǔ)開(kāi)挖爆破安全性影響及新老壩動(dòng)力相互作用進(jìn)行計(jì)算論證，主要結(jié)論如下：

（1）新壩基坑爆破施工時(shí)，老壩在正常使用狀態(tài)下，溢流壩段、擋水壩段壩踵均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，取水壩段壩踵出現(xiàn)微弱拉應(yīng)力，拉應(yīng)力區(qū)域極為有限，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

（2）新壩基坑開(kāi)挖爆破的最不利情形下，老壩典型壩段的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)降低均不超過(guò)1%，爆破振動(dòng)對(duì)老壩穩(wěn)定的影響非常微弱。老壩的抗滑穩(wěn)定能夠滿(mǎn)足安全要求。

（3）新壩基坑開(kāi)挖爆破時(shí)，通過(guò)對(duì)老壩典型壩段的壩體振速、應(yīng)力以及建基面抗滑穩(wěn)定性等幾個(gè)方面的對(duì)比分析可知，通過(guò)藥量敏感分析計(jì)算，擬定的最大單響爆破藥量在施工時(shí)能滿(mǎn)足爆破安全控制要求。

綜上，分析復(fù)核結(jié)果表明，新壩基坑開(kāi)挖爆破的動(dòng)力反應(yīng)是可以控制的，壩體運(yùn)行安全性是可以得到保證的；并且通過(guò)生產(chǎn)性爆破試驗(yàn)，還可對(duì)爆破藥量進(jìn)行科學(xué)調(diào)整，能夠做到對(duì)新壩、老壩建筑物的振動(dòng)、飛石等影響控制在允許范圍內(nèi)。

6 結(jié) 語(yǔ)

新壩基礎(chǔ)開(kāi)挖爆破和老壩缺口拆除爆破振動(dòng)會(huì)對(duì)老壩及新壩造成動(dòng)態(tài)反應(yīng)，通過(guò)爆破振動(dòng)影響場(chǎng)計(jì)算分析得到的爆破參數(shù)能夠滿(mǎn)足新老壩的安全運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)?？刂票茖?duì)老壩穩(wěn)定影響程度很小，近似可以忽略。