砂泥巖互層巖質(zhì)邊坡爆破振動(dòng)衰減規(guī)律現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

何麗平，汪曉俊，郭劍雄，潘 劍，張繼奎，蔣 楠

（1.中交四航局第三工程有限公司, 廣東 湛江 524000；2.中交四航工程研究院有限公司, 廣東 廣州 510000；3.廣西平陸運(yùn)河建設(shè)有限公司, 廣西 南寧 530000；4.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院, 湖北 武漢 430074）

在交通、礦山、水利水電等爆破工程領(lǐng)域中，巖質(zhì)邊坡在爆破振動(dòng)作用下時(shí)常出現(xiàn)崩塌、滑動(dòng)等失穩(wěn)現(xiàn)象[1–2]?？刂茙r質(zhì)邊坡在爆破振動(dòng)作用下的安全穩(wěn)定，已成為此類工程安全高效進(jìn)行的關(guān)鍵。為保證巖質(zhì)邊坡在爆破振動(dòng)作用下安全穩(wěn)定，需要明確爆破振動(dòng)在巖質(zhì)邊坡中的衰減規(guī)律。

目前，學(xué)者們針對(duì)巖質(zhì)邊坡中的爆破振動(dòng)衰減規(guī)律開(kāi)展了較多的工作。在數(shù)值模擬方面：陳明等[3]通過(guò)有限元數(shù)值模型，分析了爆破振動(dòng)作用下巖質(zhì)邊坡的振動(dòng)響應(yīng)機(jī)制，揭示了爆破振動(dòng)在邊坡中的高程放大效應(yīng)；蔣楠等[4]利用LS-DYNA 數(shù)值模擬軟件，分析了不同坡度下巖質(zhì)邊坡的爆破振動(dòng)衰減規(guī)律，提出了考慮邊坡坡度的爆破振速預(yù)測(cè)公式；Azizabadi 等[5]采用離散元數(shù)值模擬方法，結(jié)合波形疊加理論，較系統(tǒng)地分析了爆破振動(dòng)對(duì)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響；Hu 等[6]基于LS-DYNA 數(shù)值模擬軟件分析了不同爆破方式對(duì)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響，優(yōu)化了巖質(zhì)邊坡爆破開(kāi)挖的方法和參數(shù)；唐旭等[7]利用FLAC3D軟件建立數(shù)值模型，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了巖質(zhì)邊坡在爆破振動(dòng)作用下的振速和位移衰減規(guī)律，得到了振動(dòng)加強(qiáng)場(chǎng)出現(xiàn)在坡面和坡腳處的結(jié)論；孫鵬昌等[8]通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，分析了爆破振動(dòng)作用下單薄山體巖質(zhì)高邊坡的衰減規(guī)律，提出了控制邊坡安全穩(wěn)定的措施。在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方面：李維光[9]在室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)一步分析了爆破振動(dòng)對(duì)邊坡潛在滑坡體穩(wěn)定性的影響；王智德等[10]通過(guò)分析4 次現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)的振速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了巖質(zhì)邊坡不同位置處的振動(dòng)衰減規(guī)律，提出了預(yù)測(cè)最大安全藥量的公式；厲美杰等[11]采用回歸分析法，分析了現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)，得到了巖質(zhì)邊坡中的爆破振動(dòng)衰減規(guī)律，據(jù)此提出了提高邊坡穩(wěn)定性的具體措施。

上述研究多針對(duì)巖性單一的巖質(zhì)邊坡，關(guān)于巖性多變的層狀巖質(zhì)邊坡研究相對(duì)較少，尤其是諸如砂泥巖互層等軟硬巖互層巖質(zhì)邊坡，相關(guān)研究更鮮有涉及。事實(shí)上，軟硬巖互層巖質(zhì)邊坡中軟巖層屬于軟弱夾層，在爆破擾動(dòng)下更易發(fā)生失穩(wěn)破壞[12–13]。另外，目前大多采用數(shù)值模擬開(kāi)展相關(guān)研究，少有全尺寸模型試驗(yàn)。基于此，本研究依托平陸運(yùn)河青年樞紐一期工程，通過(guò)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)，深入研究爆破振動(dòng)在砂泥巖互層巖質(zhì)邊坡中的衰減規(guī)律，以期為控制軟硬巖互層巖質(zhì)邊坡的安全穩(wěn)定以及平陸運(yùn)河青年樞紐一期工程的安全高效推進(jìn)提供參考和指導(dǎo)。

1 砂泥巖互層巖質(zhì)邊坡工程概況

1.1 邊坡工程背景及概況

平陸運(yùn)河是我國(guó)自京杭大運(yùn)河后一千多年來(lái)的第一條運(yùn)河，以發(fā)展航運(yùn)為主，兼顧供水、灌溉、防洪、改善水生態(tài)環(huán)境等，建成后對(duì)廣西及西南內(nèi)陸省份的航運(yùn)具有重要的戰(zhàn)略意義。運(yùn)河從上游至下游建設(shè)馬道、企石、青年3 個(gè)梯級(jí)樞紐，如圖1 所示，其中青年樞紐處于最下游梯級(jí)，位于青年水閘上游約1.8 km。在青年樞紐一期工程建設(shè)過(guò)程中，需要對(duì)船閘高程0.5 m 以上的巖層進(jìn)行土石方爆破開(kāi)挖，最大邊坡開(kāi)挖高度約70 m，爆破藥量大、次數(shù)多，爆破振動(dòng)效應(yīng)明顯。此外，現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果表明，青年樞紐區(qū)域的工程地質(zhì)條件復(fù)雜，巖體類型包括泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂巖等，邊坡多是由泥質(zhì)軟巖及砂巖組成的順層、逆層巖質(zhì)高邊坡，最大高度為75.5 m。順層軟硬巖互層高邊坡在爆破擾動(dòng)下易沿層理面、節(jié)理面等軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移，逆層巖質(zhì)邊坡在動(dòng)力作用下也可能發(fā)生傾倒破壞或局部崩塌[14–15]。因此，如何控制砂泥巖互層巖質(zhì)邊坡在爆破振動(dòng)作用下的安全穩(wěn)定是青年樞紐一期工程亟待解決的問(wèn)題。

圖1 平陸運(yùn)河走向和青年樞紐布置Fig.1 Course of the Pinglu canal and Qingnian hub layout

1.2 砂泥巖互層地質(zhì)概況

為研究爆破振動(dòng)在砂泥巖互層巖質(zhì)邊坡中的傳播規(guī)律，保證砂泥巖互層巖質(zhì)邊坡在爆破振動(dòng)作用下安全穩(wěn)定，應(yīng)首先明確砂泥巖互層巖質(zhì)邊坡的地質(zhì)概況。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察資料，青年樞紐區(qū)域地層多變，主要包括第四系全新統(tǒng)人工堆積層（ Qm4l）、第四系全新統(tǒng)沖洪積層（）、殘坡積層（Qel+dl）、白堊系上統(tǒng)上組上段（ K22b）、志留系下統(tǒng)連灘群第四組（S1lnd）等。其中，志留系下統(tǒng)連灘群第四組地層分布廣，巖體組成復(fù)雜，多為泥巖和砂巖互層，其巖石的物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示，其中：ρn為自然密度，ρs為飽和密度，w為吸水率，ku為飽和系數(shù)。

表1 志留系下統(tǒng)連灘群第四組巖石的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass in the fourth group of Liantan Group of Lower Silurian System

根據(jù)表1 中志留系下統(tǒng)連灘群第四組（S1lnd）巖石力學(xué)參數(shù)，結(jié)合巖性組合、巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度等巖體構(gòu)造特征，參照《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50487—2008）[16]，對(duì)巖體的工程地質(zhì)進(jìn)行分類，結(jié)果如表2 所示。

表2 志留系下統(tǒng)連灘群第四組巖體工程地質(zhì)分類Table 2 Engineering geological classification of rock mass in the fourth group of Liantan Group of Lower Silurian System

2 現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)

根據(jù)青年樞紐工程區(qū)域的地質(zhì)特征，綜合考慮工程建設(shè)、周圍環(huán)境、試驗(yàn)條件等因素初步篩選試驗(yàn)邊坡，對(duì)篩選的試驗(yàn)邊坡進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)巖石取樣，選取現(xiàn)場(chǎng)與工程區(qū)域地質(zhì)條件高度相近的砂泥巖互層巖質(zhì)邊坡作為試驗(yàn)邊坡。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)，探究爆破振動(dòng)在砂泥巖互層巖質(zhì)邊坡中的傳播規(guī)律。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)爆破方案

根據(jù)地質(zhì)勘查資料和現(xiàn)場(chǎng)踏勘，綜合考慮地質(zhì)特征與周圍環(huán)境等因素，選取現(xiàn)場(chǎng)K1+500～600 m處邊坡為試驗(yàn)對(duì)象。試驗(yàn)邊坡坡高約60 m，坡底標(biāo)高9～12 m，考慮到最終運(yùn)河航道開(kāi)挖完成標(biāo)高為0.5 m，因此對(duì)坡腳鉆孔10 m 進(jìn)行爆破試驗(yàn)。根據(jù)邊坡大小與邊坡巖層產(chǎn)狀，結(jié)合試驗(yàn)設(shè)備等條件，綜合考慮坡面位置和距離、試驗(yàn)工作量及成本、測(cè)點(diǎn)布置及監(jiān)測(cè)等因素，在試驗(yàn)邊坡選取3 個(gè)坡面進(jìn)行3 次爆破試驗(yàn)，選取的邊坡及其坡面見(jiàn)圖2，圖2 中3 個(gè)層理面的傾向和傾角統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)邊坡巖層產(chǎn)狀Table 3 Rock occurrence of the test slope

在選定邊坡和坡面后，在相應(yīng)的位置進(jìn)行鉆孔、裝藥、起爆等工作。如圖2 所示，具體鉆孔及爆破方案如下：垂直于試驗(yàn)邊坡的3 個(gè)坡面的坡腳線鉆3 個(gè)爆破試驗(yàn)孔，鉆孔深度為10 m，鉆孔直徑為100 mm，鉆孔排距為4 m，離坡腳線鉆孔距離邊坡坡腳6 m，各孔裝藥量分別為48、42、36 kg。炸藥采用乳化炸藥，藥卷直徑為90 mm，線裝藥密度為0.30 kg/m。堵塞時(shí)，先用水泥袋或牛皮紙放入堵塞段底部，再用黏土和鉆屑拌和的混合物進(jìn)行充填，最后用木炮棍或塑料炮棍壓緊搗實(shí)。爆破試驗(yàn)過(guò)程中，以距離邊坡最遠(yuǎn)的炮孔向距離邊坡最近的炮孔依次延時(shí)引爆，延時(shí)間隔為1.0 s。

2.2 一維動(dòng)位移雷達(dá)與振動(dòng)測(cè)試方案

邊坡的變形和位移是控制和預(yù)警邊坡失穩(wěn)的重要參數(shù)[17]，試驗(yàn)過(guò)程中有必要對(duì)邊坡位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。采用一維動(dòng)位移雷達(dá)GHDMR-1 對(duì)爆破過(guò)程中坡體的位移和變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)雷達(dá)布置如圖3 所示。質(zhì)點(diǎn)峰值振速（peak particle velocity，PPV）作為爆破振動(dòng)的主要參數(shù)，可用于衡量人體、結(jié)構(gòu)、巖體等在爆破振動(dòng)作用下的影響程度[18–20]。本試驗(yàn)采用TC-4850 爆破測(cè)振儀測(cè)量質(zhì)點(diǎn)峰值振速。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)雷達(dá)布置Fig.3 Site radar layout

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，為得到砂泥巖互層巖質(zhì)邊坡在爆破擾動(dòng)下的質(zhì)點(diǎn)位移和峰值振速，沿3 個(gè)坡面分別布置多個(gè)位移和PPV 測(cè)點(diǎn)，如圖4 所示。其中，測(cè)點(diǎn)編號(hào)順序與爆破試驗(yàn)順序?qū)?yīng)，編號(hào)1～6 對(duì)應(yīng)第1 次爆破試驗(yàn)，編號(hào)7～11 對(duì)應(yīng)第2 次爆破試驗(yàn)，編號(hào)12～17 對(duì)應(yīng)第3 次爆破試驗(yàn)。測(cè)點(diǎn)編號(hào)首字母V 表示測(cè)振儀布置點(diǎn)，D 表示角反（位移測(cè)試）布置點(diǎn)。在測(cè)點(diǎn)3、5、8、13、17 均布置測(cè)振儀和角反。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置Fig.4 Layout of measuring points

3 現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 一維動(dòng)位移及爆破振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

通過(guò)開(kāi)展上述現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)，得到各測(cè)點(diǎn)在爆破過(guò)程中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果如表4 和表5 所示，其中x方向表示水平面上指向爆源的方向，y方向表示水平面上垂直x方向的方向，z方向表示垂直于水平面的方向。需要說(shuō)明的是，表4 中“—”表示未觸發(fā)儀器，發(fā)生的原因可能是該情況下儀器的靈敏度不夠，在振速較小的情況下，儀器未觸發(fā)。表5 中的位移均指測(cè)點(diǎn)與雷達(dá)連線方向上的位移。

表4 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)振速統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 4 Statistical results of vibration velocity at measuring points

表5 測(cè)點(diǎn)位移統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 5 Statistical results of displacement of measuring points

由表4 可知，除測(cè)點(diǎn) V1 的主振方向?yàn)閤方向外，其余測(cè)點(diǎn)的主振方向均為z方向。各測(cè)點(diǎn)均基本滿足峰值振速隨爆心距（測(cè)點(diǎn)至藥包中心的距離）的增加而減小的規(guī)律。對(duì)于距爆源較近的測(cè)點(diǎn)，其z向峰值振速可達(dá)30 cm/s 以上；隨著爆心距的增加，測(cè)點(diǎn)峰值振速逐漸減?。划?dāng)爆心距超過(guò)60 m 時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的峰值振速基本小于1.0 cm/s。 測(cè)點(diǎn)V8 的z方向振速見(jiàn)圖5?？梢钥闯?，3 個(gè)炮孔依次起爆產(chǎn)生爆破振動(dòng)速度峰，間隔約1 s，相互之間無(wú)影響，延時(shí)合理。此外，從圖5 中還可以看出，3 個(gè)炮孔全部起爆后約1.5 s 再次出現(xiàn)微小的波峰，其原因可能是爆破地震波經(jīng)過(guò)透射和反射后在該測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生疊加。

圖5 測(cè)點(diǎn) V8 的z 方向振速Fig.5 Vibration velocity in z-direction at measuring point V8

從表5 中可以看出，隨著爆心距的增加，第1 次爆破試驗(yàn)中各測(cè)點(diǎn)的最大位移整體呈減小趨勢(shì)。第2 次和第3 次爆破試驗(yàn)中，測(cè)點(diǎn)D9 和D15 出現(xiàn)反常，最大位移整體上呈先減小后增大再減小的變化趨勢(shì)，其原因可能是兩點(diǎn)處出現(xiàn)了高程放大效應(yīng)，隨著爆心距的繼續(xù)增加，其衰減效應(yīng)大于放大效應(yīng)，導(dǎo)致最終呈現(xiàn)上述規(guī)律。此外，試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)點(diǎn)的最終位移有不為零的現(xiàn)象，對(duì)比試驗(yàn)前后測(cè)點(diǎn)區(qū)域巖體的損傷特征發(fā)現(xiàn)，距爆源較近的測(cè)點(diǎn)的最終位移均不為零，其原因是邊坡巖體在爆破振動(dòng)下出現(xiàn)較大損傷，產(chǎn)生了塑性變形。測(cè)點(diǎn) D11 和第3 次爆破試驗(yàn)各測(cè)點(diǎn)的最終位移均不為零的原因是測(cè)點(diǎn)周圍巖體節(jié)理發(fā)育程度較深，在爆破擾動(dòng)下節(jié)理得到進(jìn)一步發(fā)育，導(dǎo)致其最終位移無(wú)法收斂為零。測(cè)點(diǎn)D2 的位移時(shí)程曲線如圖6 所示。

圖6 測(cè)點(diǎn)D2 的位移時(shí)程曲線Fig.6 Displacement time history curve at measuring point D2

3.2 爆破振動(dòng)衰減規(guī)律分析

為進(jìn)一步得到爆破振動(dòng)在砂泥巖互層巖質(zhì)邊坡的衰減規(guī)律，利用薩道夫斯基公式分別對(duì)3 次爆破試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合。薩道夫斯基公式為

式中：v為峰值振速；Q為炸藥藥量；r為爆心距；k和α 為系數(shù)，與爆破場(chǎng)地條件和地質(zhì)條件有關(guān)。擬合結(jié)果如表6 所示，其中R2為相關(guān)系數(shù)。

表6 薩道夫斯基公式的擬合結(jié)果Table 6 Fitting results of Sadoevsky formula

從表6 可以看出，3 次爆破試驗(yàn)中各方向上薩道夫斯基公式擬合的R2不同：主振方向的R2在0.7～0.8 之間，擬合效果一般；非主振方向的R2大多在0.9 以上，擬合效果較好。導(dǎo)致R2差異較大的原因可能是非主振方向的振速較小，擬合結(jié)果的誤差也較小，而主振方向的振速較大，擬合誤差也較大?？紤]到薩道夫斯基公式的適用條件，結(jié)合文獻(xiàn)[3–4]中的研究結(jié)果可知，巖質(zhì)邊坡的振速受高程的影響較大。為獲得更準(zhǔn)確的砂泥巖互層巖質(zhì)邊坡的爆破振動(dòng)衰減規(guī)律，提高預(yù)測(cè)精度，利用考慮高程效應(yīng)的修正公式對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，即

式中：β 為高程影響因子，H為測(cè)點(diǎn)與爆源之間的相對(duì)高差。擬合結(jié)果如表7 所示。

表7 考慮高程效應(yīng)的擬合結(jié)果Table 7 Fitting results considering elevation effect

根據(jù)表7 所示的擬合結(jié)果：考慮高程效應(yīng)后的R2均在0.9 以上，擬合效果良好；與未考慮高程效應(yīng)的擬合結(jié)果相比，各方向上的R2均有所提高，說(shuō)明考慮高程效應(yīng)的修正結(jié)果更接近實(shí)際，擬合精度更高，尤其是主振方向的R2提升得最大。在實(shí)際工程中，為了更精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)和控制爆破振動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，分析巖質(zhì)邊坡爆破振動(dòng)的衰減規(guī)律時(shí)應(yīng)考慮高程效應(yīng)。此外，由表6 和表7 可知，砂泥巖互層的層理面傾向和傾角對(duì)爆破振動(dòng)衰減規(guī)律有一定的影響，k和α 的差異性較大，因此在爆破振動(dòng)衰減模型中應(yīng)考慮層理面的傾角或傾向因素，更精確的描述砂泥巖互層巖質(zhì)邊坡的爆破振動(dòng)衰減規(guī)律有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

以平陸運(yùn)河青年樞紐一期工程為依托，通過(guò)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)，深入研究了試驗(yàn)過(guò)程中爆破振速和位移的變化規(guī)律，得到了砂泥巖互層巖質(zhì)邊坡的爆破振動(dòng)衰減規(guī)律，并對(duì)高程效應(yīng)修正前后爆破振動(dòng)衰減模型的擬合結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得到以下結(jié)論。

(1) 邊坡巖體在爆破振動(dòng)作用下的最大位移會(huì)產(chǎn)生高程放大效應(yīng)。邊坡巖體在爆破振動(dòng)作用下的最終位移可能不為零，其原因可能是巖體出現(xiàn)較大損傷，產(chǎn)生塑性變形，也可能是巖體節(jié)理發(fā)育程度較深，在爆破擾動(dòng)下節(jié)理得到進(jìn)一步發(fā)育，導(dǎo)致其最終位移無(wú)法收斂為零。

(2) 隨著爆心距的增加，振速峰值逐漸減小，考慮高程效應(yīng)的爆破振動(dòng)衰減模型較未修正的薩道夫斯基公式的擬合精度更高，擬合結(jié)果更接近實(shí)際，因此，巖質(zhì)邊坡的爆破振動(dòng)衰減規(guī)律應(yīng)考慮高程效應(yīng)。

(3) 不同傾向和傾角條件下，受層理的影響，砂泥巖互層巖質(zhì)邊坡中的爆破振動(dòng)衰減規(guī)律存在差異，若需更精確地預(yù)測(cè)和控制砂泥巖互層巖質(zhì)邊坡中的爆破振動(dòng)，還應(yīng)在衰減模型中考慮層理的傾向和傾角的影響。

(4) 不同層理下爆破振動(dòng)衰減預(yù)測(cè)模型是后續(xù)細(xì)化砂泥巖互層巖質(zhì)邊坡爆破振動(dòng)衰減規(guī)律研究的重要研究方向。