豐滿大壩重建工程施工期爆破控制分析

張永鑫 于進(jìn) 范戎 陳劍濤

豐滿大壩始建于1937年，受當(dāng)時設(shè)計(jì)、施工以及建設(shè)管理水平的限制，并且超期服役，因此大壩存在許多先天缺陷[1]。經(jīng)過前期充分地科學(xué)論證，最終選定重建新壩作為豐滿水電站全面治理方案[2]。豐滿水電站大壩全面治理工程是按恢復(fù)電站原任務(wù)和功能，在原壩下游120 m處新建一座大壩，拆除老壩中間壩段684 m，并利用原豐滿三期工程[3]，重建工程平面布置如圖1所示。

圖1 豐滿重建工程平面布置圖

施工爆破主要有兩個階段，即前期新建大壩壩基等的爆破開挖和后期原混凝土壩部分壩體的爆破拆除。新建大壩壩基開挖期間，老壩兼作上游圍堰而仍正常運(yùn)行，原一二期機(jī)組仍在運(yùn)行；結(jié)合大壩導(dǎo)流方式和新建壩軸線處的地形、地質(zhì)條件，以及本工程的總體開挖程序，建設(shè)期爆破對建筑物（或設(shè)施）的影響主要是振動破壞，而噪聲和飛石等影響則處于次要方面。所以，著重分析爆破對建筑物（或設(shè)施）的振動影響。受到振動影響的主要有新老壩、一二期廠房及發(fā)電機(jī)組、三期廠房及發(fā)電機(jī)組、中控室、開關(guān)站等建筑物（或設(shè)施）。如果振動量偏大，可能直接導(dǎo)致這些建筑物（或設(shè)施）造成損壞或失穩(wěn)，造成重大的安全事故。因此，施工中必須控制爆破對建筑物（或設(shè)施）的振動影響。

1 現(xiàn)有建筑物（或設(shè)施）安全控制標(biāo)準(zhǔn)分析

參考國內(nèi)沙溪口、巖灘、白山抽水蓄能和三峽等類似工程的爆破拆除安全爆破控制標(biāo)準(zhǔn)，以及GB 6722—2003《爆破安全規(guī)程》中相關(guān)規(guī)定，按規(guī)程規(guī)范取新壩混凝土的安全允許振速標(biāo)準(zhǔn)為5.0～10.0 cm/s，基于結(jié)構(gòu)放大效應(yīng)，取壩頂為10.0 cm/s，而壩基為5.0 cm/s，均滿足規(guī)范關(guān)于大體積混凝土（28 d以上齡期）的抗震要求。對于老壩，考慮到混凝土年限時間較長，其內(nèi)部存在老化、碳化等現(xiàn)象，以及壩體本身存在不利壩段，因此，老壩的安全抗震指標(biāo)取為新建大壩混凝土的60%，即老壩壩頂為6.0 cm/s，而壩基為3.0 cm/s。借鑒1979年豐滿巖塞爆破大壩實(shí)測資料，8#壩段壩頂?shù)恼駝铀俣冗_(dá)到了6.93 cm/s（水平順河向），爆后調(diào)查壩體無損壞，并且多年來一直比較穩(wěn)定。因此，對老壩選取3.0～6.0 cm/s振動速度控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)是安全的。至于老壩內(nèi)的縱縫，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和相關(guān)工程振動資料較少，出于安全角度，對老壩縱縫的安全振動速度控制標(biāo)準(zhǔn)按2.5（壩基）～5.0 cm/s（壩頂）控制。

對于老壩挑流鼻坎，因其距離爆破區(qū)域較近，對爆破開挖強(qiáng)度影響較大；考慮到GB 6722—2003《爆破安全規(guī)程》中7.0～12.0 cm/s的安全標(biāo)準(zhǔn)取值，對10.0 cm/s取值已經(jīng)有一定的安全儲備。所以，未對老壩挑流鼻坎的安全控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行折減，仍按10.0 cm/s標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制。

此外，對于廠房基礎(chǔ)、引水管進(jìn)口、閘門墩、門槽、廊道、洞室等建筑物，均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其抗震性能遠(yuǎn)高于民房，可以按5.0 cm/s的安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制。

進(jìn)水口鋼閘門（未運(yùn)行）和止水材料的抗震性能均優(yōu)于大壩本身，只要爆破不對大壩產(chǎn)生破壞影響，就能保證其各自安全。因此，進(jìn)水口鋼閘門（未運(yùn)行）和止水材料的安全控制標(biāo)準(zhǔn)均按5.0 cm/s選?。粚φ谶\(yùn)行的閘門，參考沙溪口和白山抽水蓄能電站資料，按2.5 cm/s的安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制。

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，豐滿水電站的開關(guān)站使用運(yùn)行設(shè)備都已陸續(xù)改造為當(dāng)前較新型產(chǎn)品。其中，開關(guān)站內(nèi)主要防震對象為并網(wǎng)斷路器，產(chǎn)品型號為ABB系列，廠家提供的抗震指標(biāo)（0.3～0.5）g，其對應(yīng)的質(zhì)點(diǎn)振動速度指標(biāo)為3.0～6.0 cm/s。結(jié)合白山水電站和紅石水電站所獲得的實(shí)際測試資料，對開關(guān)站的安全允許振動標(biāo)準(zhǔn)選擇為2.5 cm/s。

對于發(fā)電廠中心控制室設(shè)備，正常運(yùn)行期間按0.5 cm/s的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制，在未運(yùn)行階段，則可以按普通機(jī)電設(shè)備考慮，取其安全控制標(biāo)準(zhǔn)為2.5 cm/s。

2 爆破振動影響場計(jì)算

爆破振動效應(yīng)的影響因素比較復(fù)雜，現(xiàn)在還沒有成熟的理論求解，主要根據(jù)生產(chǎn)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)作經(jīng)驗(yàn)公式的回歸分析。目前應(yīng)用較為廣泛的是前蘇聯(lián)薩道夫斯基提出的經(jīng)驗(yàn)公式[4]：

式中v——質(zhì)點(diǎn)振動速度峰值，cm/s；

Q——最大單響藥量，kg；

R——測點(diǎn)至爆源中心的距離，m；

K、α——反應(yīng)非主要因素影響的系數(shù)。

這樣，在確定K、α這兩個影響系數(shù)后，即可大體得到爆破區(qū)域內(nèi)的振動影響場公式。按照現(xiàn)有資料和文件，本工程新壩基礎(chǔ)開挖的爆破振動影響計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式有以下幾個[5]。

2.1 豐滿泄洪洞1∶2巖塞爆破振速經(jīng)驗(yàn)公式

式中，v、Q、R意義同上。

2.2 豐滿電站（三期）深孔爆破實(shí)測振速經(jīng)驗(yàn)公式

式中，v、Q、R意義同上。

2.3 采用GB 6722—2003《爆破安全規(guī)程》推薦公式

新壩基礎(chǔ)為表層開挖，現(xiàn)場巖性屬于中等堅(jiān)硬巖石（偏于風(fēng)化），相對應(yīng)的K、α值可分別取K=150，α=1.8，于是：

式中，v、Q、R意義同上。

2.4 國內(nèi)深孔梯段爆破大多采用的振動經(jīng)驗(yàn)公式

式中，V、Q、R意義同上。

以上4個經(jīng)驗(yàn)公式都可用于評估重建工程爆破對老壩的振動影響強(qiáng)度問題。其中，式（4）設(shè)計(jì)偏于安全考慮，式（5）比較適合于深孔梯段爆破使用。本文中采用由各式計(jì)算結(jié)果的較小值，以確保建筑物安全。

3 有限元計(jì)算分析

豐滿大壩重建工程施工期爆破新老壩相互影響問題，采用有限元計(jì)算分析進(jìn)行了專門研究。為模擬大壩輸入動力響應(yīng)振動波，計(jì)算工況選用了按爆破振動影響場經(jīng)驗(yàn)公式推算的藥量值，即最大單響藥量計(jì)算值（見表1）。

表1 最大單響藥量計(jì)算值 kg

按照表1中藥量標(biāo)準(zhǔn)，選擇3個不同型式典型壩段（即老壩14#溢流壩段、22#引水壩段、35#斷層壩段及下游對應(yīng)新壩）進(jìn)行了有限元計(jì)算分析。

計(jì)算結(jié)果顯示，新壩基坑開挖爆破和老壩缺口拆除爆破時，總體上以老壩（或新壩）壩頂?shù)姆磻?yīng)最大，而以壩基帷幕的控制標(biāo)準(zhǔn)最為嚴(yán)格（見表2、3）。

表2 新壩壩基開挖爆破老壩振動最大速度反應(yīng)峰值 cm/s

表3 老壩缺口拆除爆破新壩振動最大速度反應(yīng)峰值 cm/s

表2、3中，僅取水壩段處新壩基礎(chǔ)開挖時爆破影響略大于1.5 cm/s的帷幕振速控制標(biāo)準(zhǔn)。通過單響藥量敏感性分析，適當(dāng)調(diào)整取水壩段基坑開挖爆破時的單響藥量上限值即可滿足老壩壩基帷幕的安全。

4 設(shè)計(jì)爆破控制藥量

重建工程開挖環(huán)境復(fù)雜，實(shí)施爆破作業(yè)應(yīng)根據(jù)老壩及相鄰的建筑物、設(shè)備及民房等保護(hù)對象的安全允許振速標(biāo)準(zhǔn)來測算每一延期段限定的藥量，即最大單響藥量。然后依據(jù)該藥量及相應(yīng)的爆心距離進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)。爆破設(shè)計(jì)選取最大單響藥量的基本原則如下：

（1）從保證安全角度出發(fā)，結(jié)合本工程具體特點(diǎn)和老壩的現(xiàn)狀，并考慮留有一定安全裕度，確定設(shè)計(jì)控制最大單響藥量。

（2）設(shè)計(jì)控制最大單響藥量根據(jù)各個開挖部位及其周圍諸多建筑物的要求，按照每一個控制對象及安全允許振動速度標(biāo)準(zhǔn)分別對該開挖部位進(jìn)行最大單響藥量計(jì)算，并從中選擇最小的藥量來作為該部位的最大單響藥量控制標(biāo)準(zhǔn)。

基于以上原則，設(shè)計(jì)結(jié)合有限元計(jì)算分析結(jié)果、工程開挖特點(diǎn)，在考慮一定安全裕度的前提下，進(jìn)行了爆破方案典型設(shè)計(jì)，并分別提出了新壩基開挖爆破設(shè)計(jì)振動安全允許最大單響藥量（見表4）和老壩拆除爆破設(shè)計(jì)振動安全允許最大單響藥量（見表5）。

表4 新壩基開挖爆破設(shè)計(jì)振動安全允許最大單響藥量

表5 老壩缺口拆除爆破設(shè)計(jì)振動安全允許最大單響藥量

從表4所列數(shù)據(jù)可以看出，由于新壩基礎(chǔ)開挖范圍較大，周圍涉及到的建筑物較多，壩基不同部位受到開挖限制的建筑物也不相同，如1#～2#壩段開挖，其爆破主要受三期發(fā)電輸水洞限制，其最大單響藥量為36.87 kg。

從表5所列數(shù)據(jù)可以看出，由于老壩缺口拆除爆破影響涉及到的建筑物主要為新建大壩、廠房等，老壩缺口拆除不同部位受到爆破拆除限制的建筑物也不相同，如29#～56#壩段開挖，其爆破主要受新壩帷幕限制，其最大單響藥量為312.45 kg。

結(jié)合有限元計(jì)算、單響藥量的敏感性分析和典型的爆破設(shè)計(jì)綜合分析，考慮工程具體特點(diǎn)和安全性，經(jīng)綜合分析，最大單響藥量控制值采用爆破設(shè)計(jì)振動安全允許最大單響藥量，詳見表4、5。通過藥量敏感分析，設(shè)計(jì)選擇的振動安全允許最大單響藥量，可以滿足新壩基礎(chǔ)開挖和老壩缺口拆除爆破的施工安全要求。在工程實(shí)際中，結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)性爆破科研試驗(yàn)來調(diào)整最大單響藥量控制指標(biāo)，力求做到對新壩、老壩建筑物的振動、飛石等影響控制在允許范圍內(nèi)。

5 施工期爆破對老壩影響分析

通過對新壩基礎(chǔ)開挖爆破安全性影響及新老壩動力相互作用進(jìn)行計(jì)算論證，主要結(jié)論如下：

（1）新壩基坑爆破施工時，老壩在正常使用狀態(tài)下，溢流壩段、擋水壩段壩踵均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，取水壩段壩踵出現(xiàn)微弱拉應(yīng)力，拉應(yīng)力區(qū)域極為有限，滿足規(guī)范要求。

（2）新壩基坑開挖爆破的最不利情形下，老壩典型壩段的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)降低均不超過1%，爆破振動對老壩穩(wěn)定的影響非常微弱。老壩的抗滑穩(wěn)定能夠滿足安全要求。

（3）新壩基坑開挖爆破時，通過對老壩典型壩段的壩體振速、應(yīng)力以及建基面抗滑穩(wěn)定性等幾個方面的對比分析可知，通過藥量敏感分析計(jì)算，擬定的最大單響爆破藥量在施工時能滿足爆破安全控制要求。

綜上，分析復(fù)核結(jié)果表明，新壩基坑開挖爆破的動力反應(yīng)是可以控制的，壩體運(yùn)行安全性是可以得到保證的；并且通過生產(chǎn)性爆破試驗(yàn)，還可對爆破藥量進(jìn)行科學(xué)調(diào)整，能夠做到對新壩、老壩建筑物的振動、飛石等影響控制在允許范圍內(nèi)。

6 結(jié) 語

新壩基礎(chǔ)開挖爆破和老壩缺口拆除爆破振動會對老壩及新壩造成動態(tài)反應(yīng)，通過爆破振動影響場計(jì)算分析得到的爆破參數(shù)能夠滿足新老壩的安全運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)?？刂票茖蠅畏€(wěn)定影響程度很小，近似可以忽略。