不同坡高條件下河道水下礁石爆破對庫岸構筑物的振動效應

丁安娜

（鉛山縣水利局，上饒 鉛山 334500）

0 引言

隨著我國水利水運事業(yè)的蓬勃發(fā)展，緊鄰城鎮(zhèn)的航道整治、碼頭等工程越來越多。水下鉆孔爆破是航道整治工程的主要手段之一，也是碼頭港口港池開挖、橋墩基坑開挖、過江管線管溝開挖、取水頭泵房開挖的重要施工方法[1，2]。這類爆破工程大都位于城鎮(zhèn)周邊，爆破區(qū)周邊環(huán)境復雜，涉及到居民區(qū)、廠房、橋梁、碼頭、電力塔架、古建筑、箱涵、道路等，隨之而來的爆破危害也將不容忽視，控制不當，水下爆破產(chǎn)生的爆破有害效應就將危及周圍建筑物和重要設施的安全。這就對水下控制爆破技術提出了更高的要求，如何有效地控制爆破有害效應，保障建（構）筑物和附屬設施的安全，已成為當前水下爆破工程界亟待解決的一項重要課題[3]。

在三峽庫區(qū)，許多河道存在的水下礁石已經(jīng)嚴重影響河道的正常航運要求，為了改善航道水深，滿足大型船舶的雙向通航要求，有必要對水下礁石進行清除處理。就目前而言，爆破是礁石清除最為有效的方式，在爆破過程中，炸藥在炮孔中爆炸后會釋放大量能量，在應力波和爆生氣體的共同作用下造成巖石破碎，達到破除礁石的目的[4]。然而，炸藥爆炸會在巖層中形成地震波，對臨近庫岸構筑物存在一定影響。在爆破工程中，通常僅考慮爆源對被保護對象的水平距離，水平距離越大，振動效應越小。實質上，由于庫岸高度、坡度的影響，同一水平距離的水下礁石爆破對庫岸構筑物的振動影響是不同的。

鑒于此，針對河道水下礁石爆破對臨近庫岸橋墩的振動效應，采用有限元三維動力分析手段，考慮岸坡地形條件等因素開展了一系列分析研究，擬查明不同岸坡高度情況下水下礁石爆破對庫岸構筑物的振動影響規(guī)律。

1 有限元模型計算

1.1 水下礁石爆破對庫岸構筑物影響分析簡圖

為研究水下礁石爆破對庫岸構筑物的振動影響，本文建立了礁石-岸坡-橋墩的概化模型，如圖1所示。其中，岸坡坡度為45°，礁石與橋墩中心水平距離L為50.0 m，橋墩高度為15.0 m，炸礁深度為4.5 m。由于庫岸構筑物位于坡頂?shù)乇砻?，因此，就需要考慮通過巖土體傳播至橋墩的地震波影響，水中沖擊波的影響可忽略。

圖1 炸礁區(qū)域地形概化示意圖

在以上參數(shù)的基礎上，建立了4種坡高的礁石-岸坡-橋墩-模型，坡高分別為0，10.0，20.0，30.0 m（控制邊坡坡頂點位置不變），開展了有限元動力分析。計算模型簡化圖見圖2。

圖2 計算模型簡化示意圖

1.2 礁石爆破計算參數(shù)及有限元計算模型

根據(jù)三峽庫區(qū)航道JTS 204-2008《水運工程爆破技術規(guī)范》及炸礁工程的工程經(jīng)驗，炮孔直徑D取80.0 mm，鉆孔超深△h取1.5 m，炮孔深度h1則由炸礁深度和鉆孔超深共同決定，為4.5+1.5=6.0 m，炮孔堵塞長度h0取1.5m。炮孔布置采用梅花形布置，結合以往經(jīng)驗選取孔距和排距，取炮孔排間距為1.7 m×1.6 m。考慮爆破的最不利影響，所設置的3排共27孔單次齊發(fā)，根據(jù)巖石硬度、孔排距等因素，炸藥單耗q取為1.72 kg/m3。

此次計算中，基巖和礁石為砂巖，橋墩為C50混凝土，取飽和力學參數(shù)如表1所示。

表1 巖體抗剪斷（抗剪）試驗成果

表1 材料物理力學參數(shù)（飽和）

巖體爆破作用過程非常復雜，很難通過實測的手段獲得爆炸荷載隨時間變化的時程曲線，因此，在數(shù)值計算中，對爆炸荷載的處理采用等效的三角形脈沖荷載時程曲線（圖3）。通常認為，爆炸荷載的持續(xù)時間為毫秒量級，t1為升壓時間，t2為總作用時間，取t1=3.0 ms，t2=12.0 ms。

圖3 抗剪正應力-剪應力曲線

圖3 三角形爆破荷載曲線

將CAD線框進行簡化，確定分析區(qū)域和邊界尺寸，導入有限元軟件Midas GTS NX，建立岸坡-礁石-橋墩模型，劃分實體網(wǎng)格單元，并賦予材料屬性，如圖4所示。

圖4 模型網(wǎng)格劃分示意圖

2 計算結果分析

2.1 橋墩應力結果

沿橋墩高程方向每隔1.0 m設置一個監(jiān)測點，獲取不同坡高條件下橋墩迎爆面應力響應特征，如圖5（a）所示。在不同坡高情況下，橋墩拉應力峰值從下至上均呈先增大后減小的趨勢，最大拉應力峰值出現(xiàn)在橋墩-基巖交界面附近（橋墩高程6.0 m處）。從圖5（b）可看出，隨著岸坡高度增大，橋墩最大拉應力峰值逐漸減小，但減小幅度逐漸降低。

圖5 不同坡高條件下橋墩迎爆面拉應力峰值結果

2.2 橋墩振速結果

由不同橋墩高程處合速度峰值分布情況圖6（a）可知，當坡高為0 m時即水平場地情況下，橋墩迎爆面合速度峰值從下至上呈先增大后減小再增大的趨勢，呈S型曲線分布，最大合速度峰值出現(xiàn)于頂部。隨著岸坡坡高增大至一定程度，S型曲線逐漸變?yōu)閱握{遞增型曲線，同時，最大合速度峰值隨坡高增加呈逐漸減小趨勢，但減小幅度逐漸降低，如圖6（b）所示。

圖6 不同坡高條件下橋墩迎爆面合速度峰值結果

2.3 地表、坡面振速衰減規(guī)律

為探究坡高對場地振速衰減規(guī)律的影響，于地表、坡面設置若干監(jiān)測點（圖7），獲取了爆破整個時程中各測點的振動速度峰值。由于Y向振速相對于X向、Z向振速而言小得多，故后文對Y向振速不進行考慮。

圖7 地表坡面監(jiān)測點布置示意圖

從圖8（a）可看出，隨著水平距離L的增加，不同坡高情況下的X向速度峰值均呈指數(shù)型函數(shù)衰減趨勢，岸坡越高，X向振速衰減越快，圖8（d）中合速度峰值衰減規(guī)律與其基本一致，振速大小也接近。圖8（b）中Y向振速峰值在L＜5.0 m范圍衰減較為劇烈，隨著水平距離L繼續(xù)增加，Y向振速峰值存在一定振蕩現(xiàn)象。如圖8（c）所示，Z向振速峰值隨水平距離L增加整體上呈指數(shù)型函數(shù)衰減趨勢，但曲線并不平衡且存在明顯拐點?？傮w而言，岸坡的存在加快了地表、坡面振速的衰減，且坡高越高，衰減幅度越大。

圖8 不同坡高情況下地表坡面振速衰減規(guī)律

現(xiàn)行爆破安全規(guī)程中常采用薩道夫斯基公式對爆破振速衰減規(guī)律進行預測，如下式所示：

式中：V為保護對象所在地安全允許質點振動速度，cm/s；K為與巖石性質、爆破參數(shù)、爆破方式等因素相關的場地影響系數(shù)；Q為爆破最大段藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時爆破為最大一段藥量，kg；R為爆心距，通常指的是水平距離，m；α為爆破振動衰減系數(shù)。

對式（1）進行轉換即得到二元一次函數(shù)：

根據(jù)前文分析可知，爆源產(chǎn)生的地震波對橋墩影響主要為X方向上的影響，因此，表2僅給出X向振速和合振速的衰減規(guī)律公式。

表2 不同坡高情況下的振速衰減規(guī)律公式擬合結果

從表2可知，X向振速衰減規(guī)律公式的擬合系數(shù)R2較合振速的大些，說明薩道夫斯基公式對于單向振速的擬合程度更高。隨著坡高增加，振速衰減系數(shù)α數(shù)值逐漸增大，場地影響因素K則逐漸減小。由于各計算方案中巖土體參數(shù)和爆破荷載均不變，說明坡高直接影響了場地影響系數(shù)和爆破振動衰減系數(shù)。

3 結論

采用三維動力有限元計算分析，研究了4種坡高條件下水下礁石爆破對臨近岸坡橋墩的影響，查明了爆破地震波傳播規(guī)律，分析了橋墩動力響應規(guī)律，討論了地表、坡面振速峰值的衰減規(guī)律，主要結論如下。

1）在爆破作用下，橋墩拉應力峰值從下至上均呈先增大后減小的趨勢，最大拉應力峰值出現(xiàn)在橋墩-基巖交界面附近；橋墩最大拉應力峰值隨著岸坡高度增大而逐漸減小，但減小幅度逐漸降低。

2）橋墩迎爆面合速度峰值呈S型曲線分布，且最大合速度峰值出現(xiàn)于頂部，同時隨著岸坡坡高的增加，S型曲線逐漸變?yōu)閱握{遞增型曲線；橋墩最大合速度峰值隨著岸坡高度增大而逐漸減小，但減小幅度逐漸降低。

3）隨著距爆心水平距離L的增加，不同坡高情況下的合振速峰值均呈指數(shù)型函數(shù)衰減趨勢，其中岸坡越高，振速衰減越快。

4）隨著岸坡坡高的增大，場地影響系數(shù)逐漸減小，爆破振動衰減系數(shù)逐漸增大，岸坡的存在會加快爆破所產(chǎn)生的地震波在地表和坡面的衰減，且坡高越高，衰減幅度越大。