近壩區(qū)爆破對(duì)土石壩安全的影響分析

俞毅, 胡亮

(1.嵊泗縣水利技術(shù)推廣服務(wù)站,浙江 嵊泗 316200; 2.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

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近壩區(qū)爆破對(duì)土石壩安全的影響分析

俞毅, 胡亮

(1.嵊泗縣水利技術(shù)推廣服務(wù)站,浙江 嵊泗 316200; 2.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

近壩區(qū)爆破施工產(chǎn)生的爆破振動(dòng)將會(huì)對(duì)土石壩產(chǎn)生一定的影響。結(jié)合爆破理論與工程實(shí)際,通過Geo-Studio建立大壩有限元分析模型,分別從壩坡穩(wěn)定、壩基液化等方面分析了爆破振動(dòng)對(duì)大壩的影響效應(yīng),對(duì)爆破方案及施工期大壩安全監(jiān)測、設(shè)施防護(hù)提出了合理的建議。

爆破振動(dòng);土石壩;影響分析;質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度

土石壩是我國應(yīng)用最廣泛的壩型之一,其填筑技術(shù)自20世紀(jì)50年代得到了快速發(fā)展。隨著時(shí)間的推移,很多工程面臨諸如庫區(qū)山體擴(kuò)容爆破,水庫附近修建公路、橋梁或隧洞,老壩拆除重建等問題。爆破開挖是一種有效、經(jīng)濟(jì)、快捷的施工手段，已得到了廣泛應(yīng)用。爆破產(chǎn)生的諸多危害效應(yīng)尤其是振動(dòng)對(duì)土石壩壩體的影響越來越受到各方的重視[1-4];然而，由于爆破振動(dòng)的復(fù)雜性和傳播介質(zhì)的多樣性,爆破的安全控制標(biāo)準(zhǔn)、振動(dòng)在不同介質(zhì)中的傳播規(guī)律、對(duì)大壩周邊建筑物的影響及安全判據(jù)等問題的研究仍然不夠成熟[5-8]。本文結(jié)合浙江省某小型水庫庫區(qū)的山體爆破工程對(duì)土石壩壩體的影響展開分析,并提出了相應(yīng)的建議及控制措施。

1 工程概況

1.1 水庫概況

某水庫工程位于低山丘陵位置,竹木茂盛,植被良好，是一座以灌溉、供水為主的小(2)型水庫。該工程始建于1995 年10月,1998年12月完成一期工程,一期工程大壩壩頂高程為71.0 m(1985國家高程基準(zhǔn),下同)。1999年實(shí)施二期工程,大壩加固加高2 m至壩頂高程73.0 m,總庫容達(dá)到21 萬m3,壩址以上集雨面積為0.74 km2,主河流長度為1.4 km,主流平均坡降為0.083,樞紐建筑物有大壩、溢洪道及輸水涵管等。校核洪水位為72.18 m,相應(yīng)庫容為21.0萬m3；正常蓄水位為70.50 m,相應(yīng)庫容為18.0萬m3。

大壩為黏土心墻壩,壩頂高程73.0 m,最大壩高17.0 m,壩頂長115.0 m、寬5.0 m。大壩迎水坡一級(jí)壩坡為1∶2.0,二級(jí)壩坡為1∶2.86,馬道寬2.50 m,頂高程68.0 m;背水坡一級(jí)壩坡為1∶2.0,二級(jí)壩坡為1∶2.29,壩腳設(shè)排水棱體,一級(jí)馬道寬2.0 m,頂高程68.0 m,二級(jí)馬道寬8.0 m,頂高程61.0 m,基礎(chǔ)為弱風(fēng)化花崗巖。壩殼土主要為黏性土及砂土,壩基為層厚1.2～5.6 m的含砂粉質(zhì)黏土層,基巖為強(qiáng)—弱風(fēng)化花崗巖。

溢洪道位于大壩左岸,為開敞式溢洪道,控制段長度達(dá)7.0 m,為實(shí)用堰。堰頂高程70.5 m，凈寬7.0 m,最大泄洪流量為26.01 m3/s,下游無消能防沖設(shè)施。

輸水涵管為壩埋式混凝土圓管,位于大壩右岸,洞長84 m,進(jìn)口底高程61.0 m,洞徑0.20 m，最大輸水能力為0.28 m3/s,閘門為插板斜拉式鑄鐵門,啟閉機(jī)為手搖螺桿。

1.2 爆破工程概況

爆破工程位于大壩上游左側(cè)200 m的山坳處。將爆破區(qū)域劃分為兩個(gè)區(qū)域：A區(qū)，距壩體邊界大于150 m;B區(qū)，距壩體邊界100～150 m。爆破方案采用深孔臺(tái)階爆破,施工遵循自上而下的順序,分區(qū)域臺(tái)階式爆破開采,輔以破碎錘破碎、挖機(jī)裝車、汽車短駁的總體方案。A區(qū)擬定臺(tái)階高度為15 m,B區(qū)臺(tái)階高度為8 m。為了盡量減少對(duì)保留山體的擾動(dòng),確保坡面巖體的整體性,擬對(duì)邊坡部分采用光面預(yù)裂爆破。炸藥量控制方案為A區(qū)單響藥量不超過96.0 kg,B區(qū)單響藥量不超過37.8 kg。待爆破山體布置情況如圖1所示。

圖1 水庫大壩及爆破山體平面布置圖

1.3 存在的問題

為實(shí)現(xiàn)工程所需的破巖目的而進(jìn)行的爆破施工,對(duì)巖體引起的強(qiáng)烈擾動(dòng)會(huì)由近及遠(yuǎn)地傳播,將伴生一系列有害的爆破振動(dòng)效應(yīng)。爆破地震波經(jīng)巖土介質(zhì)在巖體內(nèi)傳播,并到達(dá)地表形成地面震動(dòng),由近及遠(yuǎn)逐步衰減。由于爆破地點(diǎn)離大壩僅200 m以內(nèi),勢(shì)必會(huì)對(duì)大壩造成一定的影響,甚至當(dāng)爆破強(qiáng)度超過一定程度時(shí),將對(duì)大壩造成嚴(yán)重的影響或破壞。

爆破振動(dòng)是否對(duì)周圍環(huán)境構(gòu)成安全影響,與爆源、傳播路徑及特定保護(hù)物的抗震性能3個(gè)要素密切相關(guān)。相關(guān)規(guī)范[9]一般采用建筑物的質(zhì)點(diǎn)允許振動(dòng)速度對(duì)爆破的影響進(jìn)行控制,但對(duì)土石壩未做明確規(guī)定。且壩體填土力學(xué)機(jī)理較為復(fù)雜,采用單一的控制參數(shù)不能準(zhǔn)確地反映爆破振動(dòng)對(duì)壩體結(jié)構(gòu)的影響。因此，需要結(jié)合工程大壩的實(shí)際情況,從多方面對(duì)爆破施工的影響進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

2 爆破影響分析

爆破產(chǎn)生的沖擊荷載與自然地震相似,都是一種能量波,但爆破沖擊荷載具有震源淺、荷載強(qiáng)度大、振動(dòng)頻率較高、持續(xù)時(shí)間較短等特點(diǎn)。爆破對(duì)地面建筑物影響的安全允許距離是以爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)來確定的,即以在某一段主振頻率下的安全允許振速來控制。下面將結(jié)合Geo-Studio軟件中的SEEP、SLOPE及QUAKE等模塊,從爆破荷載、壩坡穩(wěn)定及壩基液化等幾個(gè)方面進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

2.1 爆破荷載分析

根據(jù)有關(guān)規(guī)范規(guī)程[9-10]及施工方案，爆破時(shí)大壩部位的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度按下列公式計(jì)算:

式中:V0為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度,cm/s;R0為爆破點(diǎn)至大壩的距離,m;Q為炸藥量,kg;K0、α為與地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減系數(shù),且?guī)r石越硬,取值越小,中硬巖體的K0為150～250,α為1.5～1.8。本工程按最不利情況考慮,K0取150,α取1.5。

根據(jù)上式計(jì)算可知,A區(qū)最大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為0.80 cm/s,B區(qū)最大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為0.92 cm/s。當(dāng)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的峰值為1.0 cm/s時(shí),對(duì)應(yīng)的地震加速度應(yīng)取為0.01g[2],但鑒于爆破量大、次數(shù)多等特點(diǎn),本次模型適當(dāng)放大其荷載效應(yīng),取為0.02g,持續(xù)時(shí)間取0.8 s。爆破沖擊荷載隨時(shí)間變化的過程如圖2所示。

圖2 爆破沖擊荷載時(shí)間過程線

2.2 壩坡穩(wěn)定分析

根據(jù)規(guī)范要求[11],小型土石壩壩坡穩(wěn)定計(jì)算一般采用推薦的計(jì)及條塊間作用力的簡化畢肖普法進(jìn)行分析計(jì)算,具體計(jì)算公式如下:

KC=[1/(1+tanβtanφ′/K)]。

式中:K為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；W為土條重量;V為垂直地震慣性力;u為作用于土條底面的孔隙壓力;β為條塊重力線與通過此條塊底面中點(diǎn)的半徑間的夾角;b、R分別為土條寬度及滑動(dòng)圓弧半徑;c′、φ′為有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo);MC為水平地震慣性力對(duì)圓心的力矩。

爆破振動(dòng)效應(yīng)采用相當(dāng)?shù)卣鸸r模擬,即用相應(yīng)的水平向地震加速度來反映振動(dòng)大小,從而得出對(duì)壩坡穩(wěn)定的影響。其對(duì)壩坡穩(wěn)定的影響主要表現(xiàn)為：在爆破振動(dòng)荷載作用下,土體中孔隙水壓力升高,導(dǎo)致有效應(yīng)力降低,土的強(qiáng)度被削弱,可能造成壩體開裂和壩坡失穩(wěn)。

根據(jù)水庫可能的運(yùn)行工況,并考慮到分析對(duì)比的需要,本次建模分析主要考慮正常蓄水位、1/3庫水位和空庫3種情況,見表1。計(jì)算結(jié)果分別如圖3—6所示及見表2。

表1 分析計(jì)算工況表

圖3 正常蓄水位下游坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

圖4 1/3庫水位上游坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

圖5 空庫上游坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

圖6 空庫下游坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

水位計(jì)算位置非爆破工況滑弧半徑R/m安全系數(shù)K爆破工況滑弧半徑R/m安全系數(shù)K正常蓄水位背水坡52.081.54648.691.4171/3庫水位迎水坡32.211.73432.971.513空庫迎水坡40.841.78741.471.542空庫背水坡56.401.65954.081.496

上述結(jié)果表明：在爆破荷載作用下,振動(dòng)產(chǎn)生的橫向滑動(dòng)荷載增加,在抗滑力不變的情況下，壩坡抗滑穩(wěn)定性將會(huì)降低。具體表現(xiàn)為不同工況對(duì)應(yīng)的上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均有所降低:①正常蓄水位下游坡安全系數(shù)由1.546降低至1.417;②1/3庫水位上游坡安全系數(shù)由1.734降低至1.513;③空庫時(shí)上游坡安全系數(shù)由1.787降低至1.542,下游坡安全系數(shù)由1.659降低至1.496。降低后的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范要求的壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)(正常運(yùn)用條件下,取1.25;非常運(yùn)用條件下,取1.10),表明爆破荷載下大壩壩坡抗滑穩(wěn)定,且?guī)焖辉降?壩坡安全系數(shù)越高。

由于受爆破產(chǎn)生的振動(dòng)效應(yīng)的影響,上、下游壩坡表面及淺層局部可能存在松動(dòng)、掏空等缺陷,爆破振動(dòng)時(shí),局部小范圍內(nèi)可能產(chǎn)生塌陷、滑動(dòng)等現(xiàn)象,進(jìn)而影響大壩的安全。

2.3 壩基液化分析

爆破荷載作用下，庫區(qū)內(nèi)超孔隙水壓力分布如圖7所示。由圖7可知,在爆破荷載作用下,壩體上游庫區(qū)內(nèi)將會(huì)產(chǎn)生一定區(qū)域的超孔隙水壓力現(xiàn)象,且?guī)焖辉礁?超孔隙水壓力范圍越大,最大值也越高。

圖7 爆破荷載下庫區(qū)內(nèi)超孔隙水壓力分布示意圖

壩基填土為含砂粉質(zhì)黏土。其顆分平均含量:粒徑20～40 mm為3.3%，粒徑10～20 mm為2.2%，粒徑2～10 mm為11.0%，粒徑0.5～2 mm為15.9%，粒徑0.25～0.50 mm為14.3%，粒徑0.075～0.250 mm為3.2%，粒徑0.005～0.075 mm為40.1%，粒徑小于0.005 mm為9.9%,分選性差,中等壓縮性。根據(jù)地震液化判斷方法[12],本工程地基土料粒徑d≤5 mm顆粒含量超過30%,粒徑d≤0.005 mm顆粒含量為9.9%,小于16%,因此壩基填土存在液化的可能性。

圖8為不同工況下得到的庫區(qū)及上游壩坡可能液化區(qū)范圍示意圖,可知庫水位越高,可能液化區(qū)范圍越大,空庫情況下壩基位置基本不存在液化區(qū)。

圖8 不同工況下壩基液化區(qū)范圍示意圖(黃色為液化區(qū))

3 工程建議

3.1 水庫運(yùn)行

施工前,該水庫被認(rèn)定為病險(xiǎn)水庫,依據(jù)《水庫大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》,水庫加固前需進(jìn)行放空處理。根據(jù)前文的計(jì)算結(jié)果可知,庫水位越低,上、下游壩坡安全系數(shù)越高,壩基及上游壩坡可能液化區(qū)域的范圍越小。因此,近壩區(qū)山體爆破施工時(shí),水庫宜做放空處理。

3.2 監(jiān)測及保護(hù)設(shè)施

根據(jù)相關(guān)資料,壩體心墻土土質(zhì)不均勻;兩壩頭和壩基清基不徹底,存在滲漏隱患;壩體、溢洪道和壩基接觸部位等存在滲漏通道;大壩表面局部可能發(fā)生異常變形、塌落等現(xiàn)象,因此,在爆破施工時(shí),應(yīng)進(jìn)行質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度、大壩表面變形、壩體滲流等項(xiàng)目的監(jiān)測,并在每次爆破前后對(duì)大壩進(jìn)行巡視檢查。

爆破施工時(shí),水庫管理設(shè)施應(yīng)做好覆蓋、隔離等防護(hù)措施,以避免飛石破壞,并應(yīng)通知爆破安全范圍以內(nèi)的人及時(shí)撤離。另外，水庫管理單位應(yīng)做好相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。

4 結(jié) 語

1)爆破振動(dòng)波類似于地震荷載,將會(huì)給臨近的建筑物帶來有害影響。根據(jù)單次爆破炸藥量及基巖特征,爆破產(chǎn)生的振動(dòng)效應(yīng)需按加速度為0.02g的地震考慮。因此，需要進(jìn)行近壩區(qū)爆破對(duì)水庫大壩安全影響的評(píng)價(jià)工作。

2)爆破振動(dòng)對(duì)土石壩安全的影響主要反映在壩坡穩(wěn)定和壩基液化兩個(gè)方面。通過建立計(jì)算模型,施加水平向地震加速度模擬爆破振動(dòng)荷載。結(jié)果表明,在爆破荷載作用下,壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均有所降低,但仍滿足規(guī)范要求,壩基將產(chǎn)生超孔隙水壓力和可能液化區(qū)。庫水位越高,抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)越低,超孔隙水壓力值及范圍越大,可能液化區(qū)范圍也越大。

3)因爆破振動(dòng)效應(yīng)成因復(fù)雜,建議爆破施工在空庫情況下進(jìn)行,同時(shí)應(yīng)結(jié)合壩體質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度及加速度、壩體變形及滲流監(jiān)測資料來綜合評(píng)估大壩的安全性。

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(責(zé)任編輯:陳海濤)

Effect Analysis of Blast at Near Dam Region on the Safety of Earth-rock Dam

YU Yi1, HU Liang2

(1.Shengsi Hydraulic Technology Promotion Service Station, Shengsi 316200, China;2.Zhejiang Institute of Hydraulics & Estuary, Hangzhou 310020, China)

Vibration caused by blast construction at near dam region will affect the safety of earth-rock dam. Combined with blast theory and practical projects, the finite element model of dam was formulated by Geo-Studio, The effect of blast vibration on earth-rock dam was analyzed from the aspects of slope stability, soil liquefaction in the foundation of earth-rock dam and so on, and some advices were proposed about monitoring the safety and the safety protection facilities during constructing earth-rock dam and blasting schemes.

blast vibration; earth-rock dam; effect analysis; particle vibration velocity

2016-03-16

俞毅(1976—),男,浙江衢州人,工程師,從事水利工程安全與管理方面的研究。E-mail:38600946@qq.com。

胡亮(1989—),男,河南信陽人,工程師,碩士,從事水利工程安全與管理方面的研究。E-mail:Huliangzzu@163.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.03.009

TV641;TV698

A

1002-5634(2016)03-0045-05