大壩爆破振動(dòng)響應(yīng)評(píng)估分析

鄧成發(fā)，許 昌，葛國(guó)昌

(1.浙江廣川工程咨詢有限公司，杭州 310020;2.浙江省水利河口研究院，杭州 310020;3.浙江水利水電?？茖W(xué)校市政工程系，杭州 310018)

1 研究背景

爆破振動(dòng)研究一直是工程和科學(xué)界研究的一個(gè)熱點(diǎn)。由于爆破本身的復(fù)雜性和爆破條件的多樣性，目前還難以采用統(tǒng)一的判據(jù)進(jìn)行爆破振動(dòng)的安全判別，因此對(duì)爆破振動(dòng)安全判別的研究具有重要的工程意義。由于結(jié)構(gòu)經(jīng)受爆破振動(dòng)破壞與質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度存在很大的相關(guān)性，人們常常采用單一質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度作為安全判據(jù)的基礎(chǔ)，然而大量的工程實(shí)踐已證實(shí)了單一強(qiáng)度因子作為安全判據(jù)的局限性和不合理性［1－3］。目前國(guó)內(nèi)外的爆破振動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)已引入了頻率指標(biāo)，不少學(xué)者還從爆破振動(dòng)能量和結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的角度探討爆破振動(dòng)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)，使安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)更加科學(xué)化和合理化。婁建武［4］等研究了爆破震動(dòng)信號(hào)的振動(dòng)速度和頻率特征，并提出了基于反應(yīng)譜值分析的爆破地震動(dòng)破壞評(píng)估方法。林大超等［5］利用小波變換針對(duì)爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析，研究了不同頻帶上能量的分布規(guī)律。中國(guó)生［6］等從理論上提出了考慮結(jié)構(gòu)固有頻率及阻尼等因素影響的響應(yīng)能量判據(jù)。

針對(duì)現(xiàn)有爆破振動(dòng)安全判據(jù)的某些局限和不足，本文以振動(dòng)能量分布、質(zhì)點(diǎn)峰值振速和有限元模態(tài)分析等綜合因素作為爆破振動(dòng)的安全判據(jù)，并以魚石嶺水庫(kù)大壩受近區(qū)隧道爆破的振動(dòng)監(jiān)測(cè)為例，得出了一些參考性結(jié)論，希望能對(duì)類似工程有所借鑒。

2 小波多分辨率

根據(jù)小波多分辨率分析原理［7］，采用二進(jìn)制小波時(shí)，函數(shù)f滿足

式中:f表示函數(shù)分解出的低頻部分;g表示函數(shù)分解出的高頻部分。當(dāng)分析對(duì)象為爆破振動(dòng)的時(shí)間歷史x(t)時(shí)，有f0(t)=x(t)，于是上式可以簡(jiǎn)寫為

如果用x0(t)表示實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)信號(hào)，xr(t)表示小波分解后的爆破振動(dòng)完全重構(gòu)信號(hào)，可以得到它們之間的百分比相對(duì)誤差為

同時(shí)根據(jù)式(1)，爆破地震信號(hào)的總能量E0可表示為

考慮到小波函數(shù)的正交性，并將g0(t)代替fn(t)，式(4)可簡(jiǎn)化為

因此，不同頻率段內(nèi)爆破振動(dòng)的相對(duì)能量分布百分比為

3 工程概況

杭(州)長(zhǎng)(興)高速公路第十合同段位于杭州市余杭區(qū)境內(nèi)，其中魚石嶺隧道1 005 m，為左右分離上下隧道，其中左線為ZK40+135至ZK41+140，長(zhǎng)1 005 m，其中明洞21 m，暗洞984 m;右線為YK40+110至 YK41+115，長(zhǎng)1 005 m，其中明洞18 m，暗洞987 m。按照設(shè)計(jì)，明洞采用明挖法施工，暗洞按新奧法(NATM)施工。隧道開挖尺寸為:寬13.5 m，最大高度10.1 m。

魚石嶺隧道右線出口與魚石嶺水庫(kù)左壩肩相鄰，距離約50 m，水庫(kù)攔河壩為漿砌塊石單曲拱壩，壩高17.9 m，壩頂長(zhǎng)77 m，壩頂寬1.5 m。大壩中部設(shè)溢流壩段，溢流壩段寬度為22 m，高度為1.85 m，大壩下游照片見圖1。由于隧道距離魚石嶺水庫(kù)大壩較近，且隧道出口位于左壩肩拱端承載巖體上，隧道爆破施工將對(duì)魚石嶺水庫(kù)大壩的安全產(chǎn)生一定的影響，故需對(duì)爆破期間大壩的振動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖1 大壩下游圖Fig.1 View of the downstream of the dam

根據(jù)隧道圍巖級(jí)別不同，爆破施工分別采用不同的施工方案，Ⅲ級(jí)圍巖采用鉆爆法全斷面掘進(jìn)施工，Ⅳ級(jí)圍巖區(qū)段采用上下臺(tái)階法開挖，Ⅴ級(jí)圍巖區(qū)段采用環(huán)向留核心土開挖法開挖，爆破方式均采用毫秒非電雷管起爆，段藥量分別為244.68，159.57，140.03 kg。

4 振速控制標(biāo)準(zhǔn)

《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2003)［8］給出了地面建筑物的爆破振動(dòng)判據(jù)，采用保護(hù)對(duì)象所在地表質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度和主振頻率來確定允許振速。該標(biāo)準(zhǔn)制定的允許振速見表1。

表1 爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Allowable values of blasting vibration safety standard

魚石嶺水庫(kù)大壩為漿砌塊石拱壩，屬于大型砌塊建筑物，根據(jù)表1，最小安全允許振速為2.0cm/s。同時(shí)根據(jù)文獻(xiàn)資料記載，4度以下地震沒有對(duì)大壩造成危害［9］。當(dāng)?shù)卣鹆叶葹?度時(shí)，相當(dāng)于爆破振動(dòng)速度范圍為0.8～1.5cm/s［10］。通過以上分析，當(dāng)隧道爆破引起的大壩振動(dòng)速度小于1.5cm/s時(shí)，大壩安全不會(huì)受到影響，同時(shí)鑒于魚石嶺水庫(kù)大壩建成時(shí)間較早(建于1975年)，本著從嚴(yán)要求的原則，經(jīng)研究決定魚石嶺水庫(kù)大壩最大允許安全振速為1.0cm/s［9］。

5 振動(dòng)效應(yīng)分析

5.1 振動(dòng)信號(hào)測(cè)試分析

由于該工程爆破施工時(shí)間較長(zhǎng)，總爆破次數(shù)約有250次，很難針對(duì)每次爆破進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)隧道由遠(yuǎn)到近的開挖方式，采用抽樣監(jiān)測(cè)、監(jiān)測(cè)次數(shù)逐漸遞增的方法，共采集數(shù)據(jù)8組。監(jiān)測(cè)儀器采用成都中科測(cè)控有限公司生產(chǎn)的TC4850型測(cè)振儀及TYTEST型3分量高靈敏度速度傳感器，采樣頻率設(shè)置為2 000Hz。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2003)，峰值振動(dòng)速度和主振頻率應(yīng)指地表質(zhì)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，故主要針對(duì)壩后基巖測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，見表2。

此外，考慮爆破地震信號(hào)持時(shí)短、突變快的非平穩(wěn)特性，筆者采用小波多分辨率技術(shù)研究爆破振動(dòng)信號(hào)的能量。利用db8小波基函數(shù)將實(shí)測(cè)振動(dòng)信號(hào)分解為8個(gè)頻帶［11－12］:0～7.812 5 Hz;7.812 5～15.625 Hz;15.625～31.25 Hz;31.25～62.5 Hz;62.5～125 Hz;125～250 Hz;250～500 Hz;500～1 000 Hz。原始信號(hào)與重構(gòu)信號(hào)對(duì)比結(jié)果見圖2，各頻帶能量表征見表3。

表2 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果Table 2 Monitoring results of blasting vibration

圖2 原始信號(hào)、重構(gòu)信號(hào)及誤差信號(hào)Fig.2 Original signal，reconstructed signal，and error signal

表3 振動(dòng)信號(hào)各頻帶能量表征Table 3 Energy distribution in different frequency bands

5.2 模態(tài)分析

由于拱壩是一種復(fù)雜的空間殼體結(jié)構(gòu)，其自振特性受多種因素的綜合影響，除壩高、壩體厚度、壩體弦長(zhǎng)以及壩體材料的彈模等壩體本身因素影響外，還與基巖彈性模量(求解拱壩自振特性時(shí)一般視地基為無質(zhì)量基礎(chǔ))、壩前水深等涉及壩體－壩基和壩體－庫(kù)水的動(dòng)力相互作用因素的影響有關(guān)［13］。筆者將計(jì)算模型網(wǎng)格劃分為49 283個(gè)單元，壩體和壩基采用空間八節(jié)點(diǎn)六面體線性縮減積分單元C3D8R，模型四周采用法向約束，底部采用固定約束，x軸正向指向大壩右岸，y軸正向指向大壩下游，z向以豎直向上為正。整個(gè)模型長(zhǎng)112.0 m，寬70.0 m，高38.0 m，大壩迎水面坡度1∶0.1，背水面坡度1∶0.25，見圖3 所示。

圖3 大壩模型網(wǎng)格劃分Fig.3 Finite element meshes of the dam

為了計(jì)算水庫(kù)蓄水情況下的大壩模態(tài)，將計(jì)算模型分為空庫(kù)和滿庫(kù)(水位至溢洪堰頂)2種情況，大壩下游無水。本文提取了空庫(kù)和滿庫(kù)情況下的前10階振型和自振頻率(見表4)。由于相同階次的空庫(kù)和滿庫(kù)情況下的振型基本無變化，本文只列出滿庫(kù)情況下的前2階振型，見圖4。

表4 空庫(kù)與滿庫(kù)情況下的大壩自振頻率Table 4 Natural frequencies of the dam with empty or full reservoir

圖4 前2階振型位移云圖Fig.4 Cloud picture of displacement in the 1 st and 2 nd mode

6 結(jié)論

以魚石嶺水庫(kù)拱壩實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為研究基礎(chǔ)，利用質(zhì)點(diǎn)峰值速度、振動(dòng)能量分布以及模態(tài)分析等因素的綜合安全判據(jù)來對(duì)大壩的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出了以下結(jié)論:

(1)在空庫(kù)和滿庫(kù)情況下，大壩振型幾乎無變化，1階振型為對(duì)稱振型，2階振型為反對(duì)稱振型，在上下游方向(y向)上具有顯著質(zhì)量的最低階振型為第1階。由于壩高較低，庫(kù)水位對(duì)大壩自振頻率影響較小，庫(kù)水位升高帶來附加質(zhì)量的增大使得拱壩的自振頻率略有減小?？諑?kù)和滿庫(kù)情況下的1階基頻分別為9.284 Hz和9.283 Hz，相差較小，同時(shí)滿足砌體結(jié)構(gòu)的基頻在3～10 Hz之間的規(guī)律，基頻較大的原因是壩高較低以及拱壩兩岸的約束作用。

(2)壩基最大振速為0.76cm/s，小于允許安全振速1.0cm/s;實(shí)測(cè)主振頻率均大于20 Hz，不會(huì)引起大壩共振，可見隧道爆破振動(dòng)對(duì)大壩安全影響較小。

(3)處于7.812 5～15.625 Hz相對(duì)頻帶之間的相對(duì)能量最大為4.56%，能量分布主要集中于15.625～250 Hz頻帶之間，而大壩基頻所在的第2頻帶能量相對(duì)較小，可見爆破振動(dòng)不會(huì)對(duì)大壩造成破壞。

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