爆破振動對水庫大壩及建筑物安全影響分析

葉 楠

(吉林省水利科學研究院，吉林長春130022)

1 工程概況

吉林省某水庫壩址以上控制流域面積90 km2，是1座以防洪除澇為主，結合灌溉養(yǎng)魚等綜合利用的中型水利樞紐。工程始建于1956年，2008年除險加固工程，總庫容1 289×104m3；工程等別為Ⅲ等，主要由土壩、輸水洞和溢洪道、渠首樞紐等建筑物組成。

某石油鉆探工程公司擬實施該水庫樞紐工程附近地區(qū)三維勘探采集項目，需在水庫水域范圍內(nèi)布設施工激發(fā)點26個。施工方法是將埋置在井中的炸藥激發(fā)，人為制造地震波，將地震反射波在地面進行收集，經(jīng)過處理和分析后將地下地質(zhì)結構還原，以探明石油情況(見圖1)。為探究地震波對水庫主體建筑物(包括大壩、輸水洞及溢洪道)的影響，反映地震勘探施工過程中人工地震的真實強度，本文針對該施工方案產(chǎn)生的地震波動對大壩主體建筑物的整體穩(wěn)定進行了影響分析。

2 現(xiàn)場試驗過程及結論

依據(jù)《水工建筑物抗震設計規(guī)范》(SL 203—97)的規(guī)定，抗震計算過程中較為重要的基礎數(shù)據(jù)為庫區(qū)爆破引起的大壩及建筑物水平向振動設計加速度代表值。為此，中國地震工程力學研究所對大壩進行現(xiàn)場振動測試，共5個測點，每個測點進行了3次測量，每次測量記錄得到一組現(xiàn)場振動的速度時程，根據(jù)地震物探引起的周邊環(huán)境振動速度時程，得到對應的加速度反應譜。再利用現(xiàn)場分析得到的大壩基本自振周期，可得各工況下水庫大壩的加速度反應譜譜值(見表1)。

圖1 水庫炮點施工位置示意

表1 水庫大壩各方向對應的加速度反應譜譜值

3 主體建筑物振動影響

3.1 振動對土壩穩(wěn)定性影響

依據(jù)《水工建筑物抗震設計規(guī)范》(SL 203—97)4.4.1條：“一般情況下，抗震計算時的上游水位可采用正常蓄水位；多年調(diào)節(jié)水庫經(jīng)論證后可采用低于正常蓄水位的上游水位?！惫时疚耐潦瘔慰拐鸱€(wěn)定計算采用上游為正常蓄水位情況下荷載組合。按照對附加孔隙水壓力的不同考慮，穩(wěn)定計算分為總應力法和有效應力法，總應力法不考慮孔隙水壓力，采用總應力強度指標(快剪指標)；有效應力法計入附加孔隙水壓力，采用有效應力強度指標。有效應力法是通用計算方法，適用于各種工況，故本次計算依據(jù)規(guī)范采用有效應力法進行計算(見圖2、表2)。

圖2 土壩上游壩坡計入震動波工況穩(wěn)定分析 (Autobank計算)

表2 土壩各斷面穩(wěn)定分析結果

經(jīng)過計算分析可以看出，爆破振動加速度較小，對土壩安全穩(wěn)定性稍有影響，上、下游坡安全系數(shù)分別減小1.20%、1.10%，不會威脅到安全運行。

3.2 振動對建筑物穩(wěn)定性影響

該水庫大壩的主要建筑物是泄洪閘，閘室運行期主要荷載包括：閘體自重、上部橋載、水的重力、水平水壓力、閘門及啟閉設備自重等。石油勘探爆破施工將在附近周邊引起地震波，由此將對水工建筑物產(chǎn)生附加荷載，包括：水平向慣性力、動水壓力、地震動土壓力。

依據(jù)《水工建筑物抗震設計規(guī)范》(SL 203—97)，水平向慣性力代表值應按照下式計算：

Fi=αhξGEiαi/g

式中，F(xiàn)i為水平向慣性力代表值；αh為水平向地震加速度；ξ為效應折減系數(shù)；GEi為重力作用標準值；αi為動態(tài)分布系數(shù)(見圖3)；g為重力加速度。

根據(jù)計算結果，無爆破振動影響時：水閘抗滑穩(wěn)定性系數(shù)為2.73，最大壓應力為74.26 kPa，最小壓應力為52.91 kPa，最大最小壓應力比為1.4；抗浮穩(wěn)定性系數(shù)為4.8。爆破施工振動作用下：抗滑穩(wěn)定性系數(shù)為2.71，減小0.73%；最大壓應力為74.90 kPa，最小壓應力為52.27 kPa，最大最小壓應力比為1.43，增大2.15%；抗浮穩(wěn)定性系數(shù)為4.8，沒有變化。因此，閘室段在爆破振動波作用下，主要安全參數(shù)受到輕微的不利影響，但是各項安全系數(shù)變化不大，仍然能滿足整體穩(wěn)定要求。

圖3 水閘建筑物動態(tài)分布系數(shù)取值示意

4 主要結論

本次安全影響評估通過現(xiàn)場試驗得到振動的速度時程，經(jīng)過譜分析得到結構振動的基本自振頻率；并依據(jù)試驗所測得的振動速度時程，得到對應的加速度反應譜。綜合以上分析計算得到水庫大壩的加速度反應譜譜值。

本文分析過程依據(jù)大壩的加速度反應譜譜值及現(xiàn)場實際情況，對土壩、溢洪道閘室段在地震波作用下的穩(wěn)定性進行了復核計算。計算結果表明，此次石油勘探施工引起的地震波動對水庫樞紐工程的主體建筑物穩(wěn)定性有一定影響，但是其變化后的數(shù)值仍在規(guī)范允許范圍內(nèi)，不影響土壩、溢洪道的安全運行，爆破空位布置合理；施工方案是安全、可行的，但爆破施工時應注意盡量減少同時爆破孔數(shù)，確保將影響降到最低。