輸水工程巖塞爆破安全監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用

寧曉娜，劉東君

(1.遼寧省河庫管理服務(wù)中心(遼寧省水文局)，沈陽 110003；2.中機(葫蘆島)青山水務(wù)環(huán)境投資有限公司，遼寧 葫蘆島 125000)

0 引 言

引調(diào)水工程取水口形式多種多樣，當(dāng)采用巖塞式時，由于周圍建筑物已經(jīng)建成，保證其附近的相關(guān)水工建(構(gòu))筑物和其他設(shè)施的安全極為重要，不能因為巖塞爆破使之發(fā)生損壞，讓整個工程不能夠正常運行，需對爆破產(chǎn)生的有害效應(yīng)進行嚴(yán)格控制。因此巖塞爆破安全監(jiān)測技術(shù)也在迅速發(fā)展。廣義巖塞爆破安全監(jiān)測技術(shù)采用巡視、巡查及儀器對水中沖擊波、動水壓力、涌浪及其他建筑物、設(shè)備設(shè)施振動等進行監(jiān)測。

文章所述的巖塞爆破安全監(jiān)測技術(shù)主要采用速度儀、加速度儀對巖塞周圍構(gòu)筑物、設(shè)備及設(shè)施進行質(zhì)點振動速度及加速度監(jiān)測，通過監(jiān)測結(jié)果分析周邊結(jié)構(gòu)物、設(shè)備設(shè)施等因振動產(chǎn)生的影響，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析其振動是否產(chǎn)生的有害效應(yīng)，為優(yōu)化巖塞爆破參數(shù)及保護周邊結(jié)構(gòu)物、設(shè)備設(shè)施等提供了技術(shù)支撐，達到保證工程正常運行目的，同時為類似工程提供了較好的借鑒參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 工程概況

某重點輸水工程，其水源工程隧洞長99.98km(含0.26km暗涵)工程等級為I等，工程規(guī)模為大(1)型。設(shè)計輸水流量77m3/s，成洞洞徑7.3-8.5m，多年平均輸水量16.24億m3，為全程有壓自流，最大壓力0.9Mpa。取水口巖塞爆破段長176.763m，范圍為樁號0-176.763-0+000.000m，包括巖塞口、鎖口段、集渣坑段及其后的隧洞連接段。取水口采用巖塞爆破設(shè)計方案，巖塞體厚度(中心線)為11.8m，巖塞開口斷面為爆破漏斗形(倒圓臺形)，由上口內(nèi)徑14m漸變至下口內(nèi)徑為7.55m，巖塞中心線傾角為55°。巖塞口位于水源地水庫庫內(nèi)右側(cè)山體，巖塞設(shè)計開口中心點高程為278.00m。

1.2 監(jiān)測儀器及測點布置

本次巖塞爆破主要對其周圍圍巖爆破質(zhì)點振動速度、加速度及周邊建筑物爆破振動速度實時監(jiān)測，采用的儀器主要有速度計及加速度計[1]。

圍巖爆破質(zhì)點振動監(jiān)測采用速度及加速度傳感器為泰測TT-3，采集儀為泰測Blast-UM，傳感器主要布置在隧洞襯砌內(nèi)；周邊建筑物爆破振動采用速度、加速度傳感器及采集儀均為美國Mini-Seis測振儀分，傳感器主要布置在襯砌及閘門橫梁。

2 監(jiān)測設(shè)備布置

引水隧洞圍巖及襯砌爆破振動通過速度計和加速度計進行動態(tài)監(jiān)測，可監(jiān)測爆破沖擊波同時在水中及巖石中傳播的疊加動力響應(yīng)，另在檢修閘門中心橫梁上布置1組(加速度和速度)測點，速度計及加速度計均選用三向型，三軸方向分別定為平行與洞軸線方向、水平垂直于洞軸線方向和鉛直方向。引水隧洞內(nèi)速度計及加速度計X方向平行洞軸線，檢修閘門中心橫梁上速度計及加速度計Y方向平行洞軸線，各測點具體位置見表1，部分測點速度及加速度計安裝情況見圖1、圖2。

表1 速度計與加速度計安裝位置統(tǒng)計表

圖1 引水隧洞襯砌混凝土三向速度計布設(shè)情況

圖2 閘門井橫梁上三向速度及加速度計布設(shè)情況

3 爆破質(zhì)點實時監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析

爆破振速峰值結(jié)果見表2，爆破振動加速度峰值結(jié)果見表3，典型振動速度時程曲線見圖4，典型振動加速度時程曲線見圖5。

表2 爆破質(zhì)點振動速度測試結(jié)果表

表3 爆破質(zhì)點振動加速度測試結(jié)果表

1)由圖4及圖5可知，爆破振動波形分段清晰，主振段持續(xù)時間在670-680ms之間，與設(shè)計的名義起爆延期時間(681ms)很近；對設(shè)計的36個起爆段別進行統(tǒng)計，其中34個段別峰振可較清晰辨別，表明網(wǎng)路延時精度及起爆可靠性均較高，達到了設(shè)計預(yù)期值。

圖4 典型爆破振動速度時程圖

圖5 典型爆破振動加速度時程圖

2)各測點的爆破振動峰值對應(yīng)的時間為K圈或L圈起爆時段內(nèi)，近區(qū)(鎖口段)垂直方向的爆破振動峰值為第一段起爆時間；從波形圖上可以看出，G圈和H圈引起的振動較??；閘門上的振動速度和加速度頻率均較低，為爆破沖擊波引起閘門的振動。

3)由表2可知，閘門上最大峰值振速僅為0.76cm/s，且持續(xù)時間短，不會對閘門造成影響。

4)由表2及表3可知，除檢修閘門上的速度及加速度測值(由閘門激振引起)，整體符合由近及遠測值逐漸衰減的規(guī)律，且爆破近區(qū)衰減迅速，爆破遠區(qū)衰減緩慢；爆破遠區(qū)最大峰值振動速度為6.78cm/s(主振頻率33.4Hz)，小于《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2014)中規(guī)定的水工隧洞質(zhì)點振動速度安全允許值(8-10cm/s)；爆破近區(qū)最大峰值振動速度為27.47cm/s(主振頻率83.7Hz)，超過了《爆破安全規(guī)程》中測上限值(15cm/s)，但《爆破安全規(guī)程》規(guī)定的安全允許質(zhì)點振動速度是大量的現(xiàn)場爆破試驗量測和實際震害的宏觀調(diào)查對比找不出不發(fā)生震害的概率為95%的振動速度值，針對的是中遠區(qū)的保護對象，對于爆破近區(qū)及具體到某一特定環(huán)境(構(gòu)筑物的質(zhì)量、新舊程度、支護狀況、爆源方向)下，《爆破安全規(guī)程》的規(guī)定就不適用[3]。根據(jù)應(yīng)力波理論、極限拉應(yīng)力準(zhǔn)則及極限剪應(yīng)力準(zhǔn)則分析爆破近區(qū)襯砌混凝土損壞狀況，分析如下：

爆破應(yīng)力波直接傳入被保護物，而產(chǎn)生較大的應(yīng)力與應(yīng)變。其應(yīng)力值可以通過實測某一點的質(zhì)點震動速度V，按下式估算其拉應(yīng)力σ和剪應(yīng)力τ值：

σ=KορVPCP

(1)

τ=KτρVsCs

(2)

式中：Kο、Kτ為與場地特征有關(guān)的系數(shù)；ρ為被保護物的密度，kg/m3；CP、Cs為保護物的彈性波速度，分別為縱波與橫波波速，m/s；VP、Vs分別為與波傳播方向一致及與波傳播方向垂亙的質(zhì)點振速，m/s。

(3)

(4)

式中：E為動彈性模量；ρ為被保護物的密度，kg/m3；μ為泊松比。

巖塞口鎖口段采用C35鋼筋混凝土進行襯砌，其抗壓強度較高，動力破壞主要是結(jié)構(gòu)物被拉壞或剪壞，即當(dāng)鎖口段混凝土內(nèi)某一點的主控應(yīng)力或最大剪應(yīng)力大于其抗拉強度或抗剪強度時，就遭破壞，C35混凝土材料參數(shù)見表4。

表4 混凝土材料參數(shù)

由《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》(NBT35047-2015)5.6.2條規(guī)定：混凝土動態(tài)強度的標(biāo)準(zhǔn)值可較其靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)值提高20%，動態(tài)抗拉強度的標(biāo)準(zhǔn)值可取為其動態(tài)抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值的10%，可知C35混凝土的動態(tài)抗拉強度為2.808MPa。

由式(5.6-3)、(5.6-4)計算得襯砌混凝土的縱波速度為4075m/s，橫波速度為2576m/s，對鎖口段襯砌而言，其力學(xué)指標(biāo)ρ、cp、cs均已知，其結(jié)構(gòu)尺寸及形狀一定，Kο、Kτ變化不大，一般可取l。

從強度理論可知，當(dāng)某一點的應(yīng)力σmax≥[σd]，則材料被拉壞，而當(dāng)剪應(yīng)力τmax≥[τd]時，則材料被剪壞。從(1)、(2)式可以看出，爆破振動對引水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的破壞效應(yīng)主要以拉破壞為主，以最大振動速度27.47cm/s代入式(1)得σd=2.74MPa，

4 結(jié) 論

1)對巖塞周邊需要保護對象的質(zhì)點振動速度測試結(jié)果分析可知，爆破僅引起了巖塞口邊坡的輕微振動，其他地方的爆破振動極小，對需要保護對象影響較小。

2)混凝土襯砌內(nèi)預(yù)埋爆破質(zhì)點振動速度測試結(jié)果分析可知，爆破引起中遠區(qū)的質(zhì)點振動速度遠小于《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2014)規(guī)定的安全允許值，爆破引起近區(qū)的質(zhì)點振動也不會造成襯砌混凝土有害影響。

3)通過巖塞爆破監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)分析，巖塞爆破參數(shù)合理，未對下游結(jié)構(gòu)物及設(shè)備設(shè)施產(chǎn)生不良影響，保證了工程后期的正常安全運行。