水電站新澆混凝土爆破振動(dòng)安全控制技術(shù)

王賢光，劉義佳，柯昌佳，陳 明，馮俊領(lǐng)，盧文波，劉志鵬

(1.中國(guó)水利電力對(duì)外有限公司，北京 100000；2.武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，武漢 430072)

水電工程建設(shè)中，爆破施工與混凝土澆筑交叉并行施工將引起爆破振動(dòng)對(duì)臨近新澆混凝土的擾動(dòng)問(wèn)題[1-3]，如消力池爆破開(kāi)挖與閘室段混凝土澆筑。工程資料與試驗(yàn)數(shù)據(jù)均表明，爆破振動(dòng)對(duì)新澆混凝土產(chǎn)生不利影響。因此嚴(yán)格控制爆破振動(dòng)速度在安全標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)以降低爆破振動(dòng)對(duì)新澆混凝土的影響，成為水電工程建設(shè)過(guò)程中的重要技術(shù)問(wèn)題之一。

針對(duì)爆破振動(dòng)對(duì)新澆混凝土的影響研究始于20世紀(jì)70年代，早期國(guó)內(nèi)外的研究集中于新澆混凝土爆破振動(dòng)控制速度上，Hulshizer等[4-5]開(kāi)展了系列試驗(yàn)，在爆破振動(dòng)峰值不超過(guò)5 cm/s時(shí)新澆混凝土不會(huì)損傷。朱傳統(tǒng)等[1]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)及試驗(yàn)資料分析，提出了以質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度為判據(jù)的新澆大體積混凝土的爆破振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)。盧文波等[6]建立新澆混凝土在爆破Rayleigh波作用下的理論計(jì)算模型，由數(shù)值方法得到不同齡期混凝土的爆破安全振速。陳明等[7-9]討論了新澆基礎(chǔ)混凝土爆破安全標(biāo)準(zhǔn)的影響因素，并研究了溫度應(yīng)力對(duì)新澆混凝土爆破安全控制標(biāo)準(zhǔn)的影響。戴思南等[10]采用數(shù)值計(jì)算方法，分析了結(jié)構(gòu)尺寸與齡期對(duì)混凝土爆破振動(dòng)響應(yīng)的影響。吳帥峰[11]等在除振動(dòng)峰值外，還分析振動(dòng)持續(xù)時(shí)間和頻率對(duì)新澆混凝土的影響。褚懷保[12-13]等通過(guò)混凝土試塊試驗(yàn)分析振動(dòng)荷載對(duì)新澆混凝土強(qiáng)度和耐久性的影響。夏晨曦[14]，邵東輝[15]分析了爆破振動(dòng)對(duì)于隧道工程中新澆混凝土的影響及其安全控制。在多個(gè)水電工程[16-19]爆破施工過(guò)程中，均對(duì)臨近新澆混凝土進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，以保證新澆混凝土結(jié)構(gòu)的安全。

本文將針對(duì)老撾南公1水電站溢洪道中消力池爆破開(kāi)挖對(duì)閘室段新澆混凝土的影響問(wèn)題，進(jìn)行多次爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，研究爆破振動(dòng)傳播與衰減規(guī)律，并評(píng)價(jià)爆破振動(dòng)對(duì)閘室段新澆混凝土的影響。

1 工程概況

南公1水電站位于老撾南部的阿速坡省內(nèi)的南公河上，為老撾、越南、柬埔寨3個(gè)國(guó)家的交界區(qū)域。南公1水電站工程等別為二等大(2)型，總庫(kù)容6.3×108m3，裝機(jī)容量160 MW，主要任務(wù)是發(fā)電，兼顧防洪、灌溉、交通、航運(yùn)、旅游、促進(jìn)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。本工程主擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，布置于主河床，壩頂長(zhǎng)400 m，壩頂寬8.8 m，壩頂高程325.0 m，最大壩高為90 m。電站的溢洪道布置于大壩左岸，主要由引渠段、閘室段和泄槽段(共設(shè)三級(jí)消力池)等組成。溢洪道的總開(kāi)挖長(zhǎng)度為800 m，開(kāi)挖寬度為140 m，土石方開(kāi)挖量達(dá)260萬(wàn) m3，具有開(kāi)挖強(qiáng)度大，工期任務(wù)緊等特點(diǎn)。同時(shí)溢洪道的設(shè)計(jì)泄洪流量為8 000 m3/s，溢洪道共布置5孔露頂式弧門。

根據(jù)溢洪道開(kāi)挖設(shè)計(jì)規(guī)劃，當(dāng)開(kāi)挖二、三級(jí)消力池時(shí)，溢洪道閘室段混凝土在同步澆筑，閘室段與二、三級(jí)消力池水平距離140.0～400.0 m(見(jiàn)圖1)。溢洪道開(kāi)挖采取自上而下分層開(kāi)挖方式，土方分層梯段高度為3～5 m，石方為8～10 m。閘室段高程303.0 m以下大體積混凝土約束區(qū)按1.5～2.0 m分層澆筑，約束區(qū)以上按1.5～3.0 m分層澆筑，共計(jì)分為11層。

圖1 閘室段與消力池的相對(duì)位置Fig.1 Relative position of gate chamber section and stilling pool

2 爆破振動(dòng)傳播與衰減規(guī)律

2.1 試驗(yàn)概況

結(jié)合施工進(jìn)度和試驗(yàn)需要，共進(jìn)行5次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)場(chǎng)地如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)場(chǎng)地Fig.2 Test site

試驗(yàn)爆區(qū)均采用孔內(nèi)MS15、孔間MS3、排間MS5延時(shí)導(dǎo)爆管的延時(shí)起爆網(wǎng)路，炮孔直徑均為120 mm，主爆孔孔深為6.0～9.0 m、孔排距為3.0 m×3.0 m，單孔藥量40.0～70.0 kg，兩孔一響，單響藥量為80～140 kg，主爆孔鉆爆參數(shù)如表1所示。

表1 主爆孔典型參數(shù)

共布置爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)18點(diǎn)次，其中直接布置在閘室段新澆混凝土上6點(diǎn)次，爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。振動(dòng)傳感器為三軸傳感器，可同時(shí)監(jiān)測(cè)水平徑向、水平切向和垂直向的振動(dòng)速度，采用TC-4580來(lái)記錄振動(dòng)時(shí)程。爆破振動(dòng)速度時(shí)程如圖4所示。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置Fig.3 Layout of monitoring point

圖4 典型爆破振動(dòng)時(shí)程Fig.4 Typical blasting vibration time-history

2.2 振動(dòng)衰減

在二、三級(jí)消力池開(kāi)挖時(shí)，爆區(qū)與閘室段新澆混凝土之間除水平距離外，還存在一定的高程差(見(jiàn)圖1)。5次試驗(yàn)中各振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)峰值振速如表2所示，其中，二級(jí)消力池開(kāi)挖時(shí)，高差大約為10.0～20.0 m；三級(jí)消力池開(kāi)挖時(shí)，高差大約為20.0～30.0 m。這相比于水平距離而言，高差并不大，爆破振動(dòng)在高邊坡等高差巨大的傳播路徑上存在顯著高程效應(yīng)[20]。在研究溢洪道內(nèi)部爆破振動(dòng)傳播衰減規(guī)律時(shí)，可認(rèn)為水平距離為距離上主要因素，即爆心距取水平距離。

表2 各試驗(yàn)峰值振速

由表2可知，在最大單響藥量相同的情況下，隨著爆心距的增加，峰值振速減小。閘室段新澆混凝土上峰值振速分布在0.2～1.3 cm/s，其余處測(cè)點(diǎn)峰值振速分布在0.2～12.3 cm/s。

根據(jù)薩達(dá)夫斯基公式，測(cè)點(diǎn)峰值振速受爆心距、最大單響藥量、爆區(qū)地質(zhì)、爆破方法等因素影響。利用該公式對(duì)消力池爆破振動(dòng)衰減規(guī)律進(jìn)行擬合，得到峰值振速衰減規(guī)律(見(jiàn)圖5)。

圖5 峰值振速衰減規(guī)律Fig.5 Attenuation law of the PPV

(1)

式中：K為場(chǎng)地系權(quán)；α為衰減系數(shù)；Q為最大單響藥量；R為爆心距。

由圖5可知，水平徑向、水平切向和垂直向上的振動(dòng)速度擬合效果均較好。由振動(dòng)衰減擬合公式(見(jiàn)表3)可知，爆破振動(dòng)峰值隨爆心距和最大單響藥量的衰減擬合系數(shù)均在0.9以上，且水平徑向上振動(dòng)速度較另外兩方向上較大。

表3 振動(dòng)衰減擬合公式

3 新澆混凝土結(jié)構(gòu)的爆破安全控制

水電工程領(lǐng)域，對(duì)新澆混凝土爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)歷了從質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度單指標(biāo)發(fā)展到振動(dòng)頻率和峰值雙指標(biāo)，現(xiàn)行《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)[21]中關(guān)于新澆大體積混凝土爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

表4 新澆混凝土爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)

由閘室段新澆混凝土上爆破振動(dòng)主頻(見(jiàn)表5)可以看出，振動(dòng)主頻分布在20.1～56.2 Hz，根據(jù)新澆混凝土的性能指標(biāo)、齡期和結(jié)構(gòu)特征等信息，參照其他類似工程經(jīng)驗(yàn)，確定其振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)為齡期為初凝～3 d，振動(dòng)速度不得高于2.0 cm/s；3～7 d，振動(dòng)速度不得超過(guò)4.0 cm/s；7～28 d，振動(dòng)速度不得超過(guò)8.0 cm/s。在試驗(yàn)監(jiān)測(cè)中，對(duì)于二、三級(jí)消力池爆破開(kāi)挖時(shí)，新澆混凝土上測(cè)點(diǎn)爆破振動(dòng)峰值速度均小于2.0 cm/s，滿足安全要求。

表5 實(shí)測(cè)新澆混凝土爆破振動(dòng)主頻

根據(jù)表3中振動(dòng)衰減公式，選擇3個(gè)方向中最大的水平徑向振動(dòng)速度作為標(biāo)準(zhǔn)，給出不同藥量、不同爆心距下的振動(dòng)速度的預(yù)測(cè)值(見(jiàn)圖6)?？梢钥吹?，對(duì)于一級(jí)消力池開(kāi)挖時(shí)，爆區(qū)離閘室段新澆混凝土爆心距小于100 m時(shí)，峰值振動(dòng)速度大于2 cm/s，而齡期為初凝～3 d的新澆混凝土安全允許振速為2 cm/s，也即表明一級(jí)消力池開(kāi)挖時(shí)，不進(jìn)行閘室段混凝土的澆筑是有必要的；二、三級(jí)消力池爆破開(kāi)挖離閘室段新澆混凝土在140 m以外，現(xiàn)有爆破設(shè)計(jì)最大單響藥量在150 kg以內(nèi)，振動(dòng)速度在安全允許振速范圍內(nèi)，兩施工工序可交叉進(jìn)行，影響較小。

圖6 爆破振動(dòng)速度預(yù)測(cè)Fig.6 Prediction of blasting vibration velocities

4 結(jié)語(yǔ)

1) 溢洪道內(nèi)消力池爆破開(kāi)挖誘發(fā)的爆破振動(dòng)傳播3個(gè)方向均滿足指數(shù)衰減規(guī)律，利用薩達(dá)夫斯基公式擬合具有較好的擬合效果，擬合衰減公式可作為爆破振動(dòng)安全控制的依據(jù)。

2) 閘室段新澆混凝土爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)顯示，振動(dòng)主頻在20 Hz以上，峰值振動(dòng)速度在2 cm/s以下，滿足新澆混凝土爆破振動(dòng)安全允許振速。且利用擬合衰減公式，在一級(jí)消力池開(kāi)挖時(shí)，閘室段新澆混凝土不應(yīng)施工；在二、三級(jí)消力池爆破開(kāi)挖中，現(xiàn)有最大單響藥量150 kg滿足要求，對(duì)新澆混凝土影響較小。