較大高程差迎波坡面爆破地震地形效應(yīng)分析

陽生權(quán)，張家輝，呂中玉，盧宏力

(1.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；2.廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，南寧 530200)

縱觀近些年的相關(guān)研究，爆破地震高程“放大”效應(yīng)一直是業(yè)界重點(diǎn)關(guān)注的問題之一，大量地震波傳播、爆破地震效應(yīng)及其控制以及相關(guān)研究表明[1-13]，不同地形地勢(shì)條件爆破地震效應(yīng)有所不同，因此也基于π定理、無量綱分析等理論與方法推導(dǎo)提出了相應(yīng)的反應(yīng)地形地勢(shì)、高程等因素與條件的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度的經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)公式，在預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)爆破地震動(dòng)、控制爆破地震效應(yīng)等方面發(fā)揮了應(yīng)有的作用，由于爆破規(guī)模、工程地質(zhì)環(huán)境、爆破方法等方面的差異，研究成果與結(jié)論的適用與局限性不可避免。因此，進(jìn)一步針對(duì)其適用性，開展與地形地勢(shì)相關(guān)的研究，既是對(duì)既有研究成果的驗(yàn)證與甄別，也是其中一些問題解決、理論分析與完善的必然趨勢(shì)，理論與方法總是在探討中完善，本文結(jié)合實(shí)際工程的特殊地形地貌，開展了爆破地震地形效應(yīng)研究。

本文依托渝懷鐵路增建二線某高邊坡開挖及邊坡防護(hù)工程，針對(duì)較大高程差起伏地形高邊坡爆破施工的迎波坡面爆破地震地形效應(yīng)及其預(yù)測(cè)分析進(jìn)行了探討。

1 爆破地震波傳播過程中的地形效應(yīng)

研究表明[2]，地形凹凸起伏變化對(duì)爆破地震波的傳播存在很大影響，其影響一定程度上又體現(xiàn)為測(cè)點(diǎn)與爆點(diǎn)之間的高程差值影響。文獻(xiàn)[3]理論詮釋地震波傳播過程中邊坡內(nèi)高程放大效應(yīng)問題。國內(nèi)學(xué)者圍繞地形高程放大效應(yīng)及其機(jī)理與控制開展了大量研究[2-13]，高程放大效應(yīng)并非隨著邊坡高度的增加一直增大，達(dá)到臨界值時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)放大系數(shù)減小的現(xiàn)象，其與爆源、比例藥量和高程等密切相關(guān)。綜合起來，高程放大效應(yīng)主要體現(xiàn)為如下3種觀點(diǎn)。

1)坡面效應(yīng)。坡面效應(yīng)主要體現(xiàn)為正負(fù)高程差作用。文獻(xiàn)[1,3]正文指出，高程對(duì)地震波傳播的影響主要體現(xiàn)為坡面效應(yīng)，根據(jù)波傳播方向與坡面的關(guān)系，應(yīng)對(duì)迎波坡面與背波坡面區(qū)別對(duì)待，由于高程或深度變化以及波的折、反射以及繞射，地震波在迎波坡面和背波坡面?zhèn)鞑ミ^程中產(chǎn)生坡面效應(yīng)，進(jìn)而發(fā)生強(qiáng)度和頻率上的變化；且影響坡面效應(yīng)的主要因素應(yīng)該是測(cè)點(diǎn)與其相對(duì)位置和邊坡工程地質(zhì)條件與幾何尺寸等。

2)鞭梢效應(yīng)?；诮?構(gòu))筑物結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，鞭梢效應(yīng)較好地分析、解釋了爆破地震波傳播過程中的放大效應(yīng)問題。建(構(gòu))筑物往往存在轉(zhuǎn)角與突出部位，結(jié)構(gòu)體頂部突出部分由于剛度和質(zhì)量不大，當(dāng)動(dòng)荷載主頻與突出結(jié)構(gòu)或邊坡主體結(jié)構(gòu)自振頻率相接近時(shí)，突出結(jié)構(gòu)將發(fā)生共振現(xiàn)象，造成一定程度的結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅值較大。文獻(xiàn)[5]認(rèn)為巖質(zhì)邊坡本身就是一個(gè)復(fù)雜的巖體結(jié)構(gòu)，邊坡臺(tái)階相對(duì)于邊坡巖體主體結(jié)構(gòu)屬于突出部位。邊坡的振動(dòng)放大效應(yīng)受到諸多因素的綜合作用影響，主要包括邊坡巖體性質(zhì)、相鄰臺(tái)階高度差、邊坡坡度以及入射波頻率等。

3)界面群效應(yīng)。界面群效應(yīng)則是立足于波動(dòng)理論，并視土巖邊坡為多層介質(zhì)體，當(dāng)入射爆破地震波穿越多層介質(zhì)體時(shí)，在不同介質(zhì)分界面上發(fā)生折、反射現(xiàn)象，地震波經(jīng)過多界面、多波的波型轉(zhuǎn)換與疊加干涉，隨著地形地貌的改變和較高邊坡高程差的改變產(chǎn)生高程放大效應(yīng)。

2 爆破地震觀測(cè)與分析

2.1 工程概述

依托項(xiàng)目為新建懷化西編組站工程，所在區(qū)域?yàn)閮蓚€(gè)山脈之間的丘陵、盆地地貌，丘陵區(qū)地面高程在210～400 m之間，局部地段地勢(shì)起伏、相對(duì)高程差大。編組站GDK0+100～GDK3+534段長度3 434 m，爆破方量約1 200萬m3，主要挖方段里程GDK1+325～GDK2+190，長865 m，開挖寬度670 m，路塹邊坡為14級(jí)，最大開挖垂直高度約為124 m。

爆破開挖區(qū)域位于懷化市鶴城區(qū)武陵山國際物流園西南側(cè)，兩條市政道路舞陽大道、龍泉湖路，與線路交叉里程GDK1+210、GDK2+000，距離爆區(qū)130～570 m。爆區(qū)附近居民房屋主要分布在GDK1+120～GDK1+210西北側(cè)。2條110 kV超高壓線路橫跨線路小里程。懷化西編組站高邊坡挖方區(qū)與受影響區(qū)域的位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 開挖區(qū)域與受影響區(qū)域位置Fig.1 Location of excavation area and affected area

根據(jù)施工地區(qū)地形及周邊環(huán)境等特點(diǎn)，邊坡爆破開挖對(duì)周邊環(huán)境的危害主要為爆破振動(dòng)、爆破飛石、空氣沖擊波等，為了控制爆破施工對(duì)110 kV電力線鐵塔(高24 m)和周邊民房的影響，保證永久邊坡巖體的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)采用14級(jí)臺(tái)階開挖，臺(tái)階高度為10 m，深孔松動(dòng)臺(tái)階爆破，靠近路基邊坡及平臺(tái)位置2 m范圍采用光面控制爆破，同時(shí)結(jié)合全程爆破地震安全監(jiān)測(cè)。

臺(tái)階爆破典型鉆爆參數(shù)：單位炸藥消耗量取值0.35～0.55 kg/m3，臨近物流園區(qū)和高壓輸電線塔區(qū)域采用φ90 mm鉆孔；臨近包茂高速公路路基區(qū)域采用φ105 mm鉆孔；距離物流園200 m以外區(qū)域采用φ115 mm鉆孔；永久邊坡光面爆破采用φ76 mm鉆孔。

2.2 測(cè)點(diǎn)位置

爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)主要針對(duì)包茂高速路面及邊坡、南山寨隧道路面及襯砌、在建高邊坡、周圍民用建筑以及110 kV電力線鐵塔等展開。測(cè)點(diǎn)布置在臨近爆源建(構(gòu))筑物結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角和中心位置的基礎(chǔ)部位(見圖2)，迎波坡面與背波坡面的測(cè)點(diǎn)位置如圖3所示。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置Fig.2 Layout of measuring points

圖3 測(cè)點(diǎn)位置Fig.3 Location of measuring points

2.3 迎波坡面爆破地震觀測(cè)分析

高邊坡爆破開挖迎波坡面的物流園和邊坡臺(tái)階爆破振動(dòng)部分監(jiān)測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 物流園和邊坡臺(tái)階爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

水平縱向(相關(guān)系數(shù)R2=0.81)

(1)

垂直方向(相關(guān)系數(shù)R2=0.64)

(2)

式中：vx、vz分別為水平縱向與垂直方向上的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度，cm/s；Q為總藥量，kg；R為爆心距，m。

圖4 質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度與比例藥量的關(guān)系(總藥量)Fig.4 Relation between peak particle velocity and ratio charge(total charge)

水平縱向(相關(guān)系數(shù)R2=0.93)

(3)

垂直方向(相關(guān)系數(shù)R2=0.66)

(4)

式中：Qmax為最大段藥量，kg；其他參數(shù)同上。

比較發(fā)現(xiàn)，水平縱向峰值速度與垂直方向峰值速度、最大段藥量條件與總藥量條件，前者回歸分析擬合結(jié)果相關(guān)性均要優(yōu)于后者，且隨著藥量和距離的變化，垂直方向的峰值振速衰減也比水平縱向快，說明基于傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式的分析結(jié)果，針對(duì)延時(shí)控制爆破或其他級(jí)別的延時(shí)爆破的非遠(yuǎn)區(qū)，考慮最大段藥量條件相對(duì)要精準(zhǔn)一些，衰減指數(shù)大也說明垂直方向分量的質(zhì)點(diǎn)峰值振速對(duì)比例藥量更為敏感，這應(yīng)該也是通常選取垂直方向峰值振速作為振速控制標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)所在。

隨著迎波坡面測(cè)點(diǎn)與爆源之間距離的增大和觀測(cè)數(shù)據(jù)的增加，以及迎波坡面測(cè)點(diǎn)高程的變化，在建邊坡與物流園實(shí)測(cè)振速擬合結(jié)果和擬合相關(guān)性并不十分理想，究其原因，這與迎波坡面的爆破測(cè)點(diǎn)與爆源之間存在著高程差和不同地質(zhì)地形的影響不無關(guān)系。高程差變化大，且相對(duì)爆源邊坡臺(tái)階的測(cè)點(diǎn)均為正高程差位置，物流園區(qū)測(cè)點(diǎn)則是負(fù)高程差位置，對(duì)爆破地震效應(yīng)的影響突顯出來，觀測(cè)結(jié)果表明，邊坡臺(tái)階測(cè)點(diǎn)振速高程放大效應(yīng)趨勢(shì)明顯，高程差、起伏地形等對(duì)爆破地震波傳播的影響不容忽視。

3 迎波坡面爆破地震地形效應(yīng)分析

3.1 考慮地形因素的爆破地震預(yù)測(cè)模型

針對(duì)具體場(chǎng)地、考慮地形高程差對(duì)質(zhì)點(diǎn)峰值振速的影響時(shí)，文獻(xiàn)[6～8]建議可以用如下公式預(yù)測(cè)分析爆破地震。

(5)

式中：v為質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度，cm/s；k1、k2分別為場(chǎng)地條件影響系數(shù)和地形高程差影響系數(shù)；β1、β2分別為距離衰減因子和高程差影響因子；ΔH為高程差。也可將式(5)簡化為僅含場(chǎng)地系數(shù)k的關(guān)系式：

(6)

3.2 基于地形效應(yīng)迎波坡面爆破地震預(yù)測(cè)模型

根據(jù)依托工程迎波坡面爆破振動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，基于薩氏經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)式(5)進(jìn)行回歸分析，即可得到相應(yīng)的考慮高程差等地形效應(yīng)因素的質(zhì)點(diǎn)峰值振速預(yù)測(cè)模型。

首先將式(5)移項(xiàng)整理可得：

(7)

式中：v0為迎波坡面薩氏經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值，cm/s。

考慮總藥量條件，基于公式(7)的迎波坡面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果，還原質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度經(jīng)驗(yàn)公式如下：

水平縱向(相關(guān)系數(shù)R2=0.60)

(8)

垂直方向(相關(guān)系數(shù)R2=0.57)

(9)

考慮最大段藥量條件，基于公式(7)的迎波坡面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果，還原質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度經(jīng)驗(yàn)公式如下：

水平縱向(相關(guān)系數(shù)R2=0.61)

(10)

垂直方向(相關(guān)系數(shù)R2=0.56)

(11)

3.3 基于地形效應(yīng)預(yù)測(cè)模型的迎波坡面爆破地震預(yù)測(cè)分析

選取迎波坡面典型測(cè)試結(jié)果中的相應(yīng)藥量、距離(爆心距)以及高程差等實(shí)測(cè)參數(shù)，分別根據(jù)上述分析得到的薩氏經(jīng)驗(yàn)公式(式(1)～式(4))和基于地形效應(yīng)的爆破地震預(yù)測(cè)模型，計(jì)算出預(yù)測(cè)值，在此分別稱之為預(yù)測(cè)值1與預(yù)測(cè)值2，并根據(jù)相對(duì)誤差來判斷優(yōu)劣，使用下式(12)進(jìn)行相對(duì)誤差分析。

(12)

總藥量條件下預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差對(duì)比分析如表2、表3所示。最大段藥量條件下預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差對(duì)比分析如表4、表5所示。

表3 總藥量條件預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差對(duì)比分析(垂直方向)

表4 最大段藥量條件預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差對(duì)比分析(水平縱向)

表5 最大段藥量條件預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差對(duì)比分析(垂直方向)

對(duì)比分析薩氏經(jīng)驗(yàn)公式和地形效應(yīng)預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差，不難看出總藥量條件下的規(guī)律一致，且基于地形效應(yīng)預(yù)測(cè)模型的相對(duì)誤差均小于薩氏經(jīng)驗(yàn)公式，值得提出的是，水平橫向分量的誤差分析結(jié)果也是如此。3個(gè)方向上的分量總體平均相對(duì)誤差為23.4%，其中最大誤差為32.3%，而薩氏公式預(yù)測(cè)值總體平均誤差為41.9%，最大達(dá)50.2%；最大段藥量條件下的地形效應(yīng)公式還不如薩氏經(jīng)驗(yàn)公式精準(zhǔn)，其總體平均相對(duì)誤差為66.3%，比薩氏公式3個(gè)方向的分量總體平均誤差37.4%大很多，說明在依托工程迎波坡面與起伏地形情況下要考慮總藥量并結(jié)合高程差推導(dǎo)振速預(yù)測(cè)公式更加能達(dá)到一個(gè)較好的預(yù)測(cè)控制效果，且能較好地反映出地形效應(yīng)對(duì)爆破振速的影響規(guī)律。這與爆破地震波傳播過程中的路徑、傳播介質(zhì)的復(fù)雜性以及傳播過程波的疊加干涉等綜合作用關(guān)系密切，傳播路徑愈長、介質(zhì)體愈復(fù)雜、爆破地震能愈大，上述影響因素的影響就愈明顯。

4 結(jié)論與建議

1)開展了較大高差起伏地形高邊坡開挖爆破振動(dòng)測(cè)試與分析，通過回歸分析，得到了相應(yīng)的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度薩氏經(jīng)驗(yàn)公式以及幅頻特性，針對(duì)性的爆破地震安全監(jiān)測(cè)，確保了依托工程爆破施工與周邊環(huán)境安全。

2)結(jié)合基于高程放大效應(yīng)質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度經(jīng)驗(yàn)公式，推導(dǎo)提出了基于地形效應(yīng)迎波坡面爆破地震預(yù)測(cè)模型，并開展了質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度預(yù)測(cè)分析，能較好地反映出地形效應(yīng)對(duì)爆破地震的影響，可供類似工程參考與借鑒。

3)通過相對(duì)誤差分析，對(duì)于傳播路徑長、地形起伏、高程差較大以及爆破地震能較大的情形，以總藥量參與計(jì)算、考慮地形地勢(shì)條件下的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度公式，相對(duì)最大段藥量參與計(jì)算的結(jié)果更為精準(zhǔn)，相對(duì)而言，應(yīng)該更加能達(dá)到較好的預(yù)測(cè)分析與爆破地震控制效果，究其原因，與爆破地震波傳播路徑、傳播介質(zhì)的復(fù)雜性以及傳播過程波的疊加干涉等綜合作用密切相關(guān)。