張如海 張斌 梁俊生
(山西省水利建筑工程局 太原 030006)
東焦河水電站工程水源樞紐泵站位于晉城市澤州縣金村鎮(zhèn)丹河干流東焦河水電站工程樞紐大壩下游4 km,是解決晉城工礦企業(yè)用水,同時(shí)兼顧沿途農(nóng)業(yè)灌溉的供水工程。站址區(qū)屬侵蝕性河流,河床及兩岸基巖裸露,基巖陡立。受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響,節(jié)理裂隙發(fā)育有兩組:一組走向23°,垂直河床,傾角近直立,張開(kāi)度 l~l0 cm;一組走向 113°~l20°,大致平行于河床,傾角近于直立、閉合狀。地層巖性由老到新依次主要為下奧陶統(tǒng)白云巖、白云灰質(zhì)巖,層理明顯,巖性致密堅(jiān)硬,巖層產(chǎn)狀 221°~228°、3°~7°,該層總厚 140~160 m,出露厚度65~80 m。本區(qū)抗震防烈度為六級(jí),設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05 g;地層的等效剪切波速Vse>500,建筑場(chǎng)地類別為Ⅰ類,屬建筑抗震有利地段,本場(chǎng)地不考慮軟弱土的震限影響。
該工程水源位于郭壁抽水站上游600 m處的攔河壩內(nèi),經(jīng)攔河壩下游泵站加壓后沿北偏西方向布設(shè)一直徑630 mm輸水總管,經(jīng)掌老山至東小莊村西調(diào)蓄池,線路長(zhǎng)3.474 km,設(shè)計(jì)提水量 0.47 m3/s。輸水管管溝斷面底寬 l.5~3 m,邊坡為 l∶0.25~1∶0.5。其中,需進(jìn)行爆破開(kāi)挖的管溝段大致在樁號(hào)0+819.8~0+400之間,開(kāi)挖高差大致31~214 m。爆破開(kāi)挖段西北或正北山腳處為古青蓮寺,青蓮寺地面平均高程約△587 m,寺門距離爆破區(qū)水平距離在400~500 m之間,距佛像水平距離約在340~440 m之間。
根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2003)第4.15條、《水電水利工程爆破安全監(jiān)測(cè)規(guī)程》(DL5333—2005)第5.7.4條及《水工建筑物巖石基礎(chǔ)開(kāi)挖工程施工技術(shù)規(guī)范》(DL/T5389-2007)第10.0.6條的規(guī)定,對(duì)建筑物或防護(hù)目標(biāo)的安全有要求時(shí),應(yīng)進(jìn)行爆破安全監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)宜選擇質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度、加速度等項(xiàng)目。晉城東焦河水電站供水工程管溝基礎(chǔ)開(kāi)挖爆破距山腳處古青蓮寺最近水平距離雖有400 m左右,寺內(nèi)國(guó)家一級(jí)文物唐宋時(shí)期佛像為泥塑,內(nèi)由藤條及木梁支撐,外砌白灰并有彩繪。目前,佛像彩繪脫落嚴(yán)重,佛壁及與觀音佛像連接處己多處開(kāi)裂,觀音佛像靠搭建支架支撐,穩(wěn)定性極差,已基本無(wú)法承受外力破壞。故須對(duì)其進(jìn)行爆破振動(dòng)試驗(yàn)及監(jiān)測(cè),以制定合理的鉆爆參數(shù),確保爆破不對(duì)文物安全造成損害。
2008年3月 22日11∶34、11∶37分別進(jìn)行了兩次爆破開(kāi)挖試驗(yàn),應(yīng)業(yè)主晉城市東焦河水電站及施工方山西省水工局委托方要求,由長(zhǎng)江科學(xué)院工程質(zhì)量檢測(cè)中心對(duì)其進(jìn)行了爆破振動(dòng)安全監(jiān)測(cè)。
(1)測(cè)試爆區(qū)周圍需防護(hù)物爆破振動(dòng)速度,依據(jù)相關(guān)文件以及國(guó)家有關(guān)安全規(guī)范中規(guī)定的爆破安全控制標(biāo)準(zhǔn)評(píng)判防護(hù)物在爆破中的安全性,并應(yīng)便于及時(shí)調(diào)整爆破方案。
(2)根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果,統(tǒng)計(jì)分析爆區(qū)與需保護(hù)文物區(qū)域的爆破振動(dòng)傳播規(guī)律,為供水工程制定爆破方案以及控制爆破規(guī)模提供依據(jù)。
現(xiàn)行《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2003)中第6.2.2規(guī)定:“地面建筑物的爆破振動(dòng)判據(jù),采用保護(hù)對(duì)象所在地質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度和主振頻率”,各類建筑物的爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。
表1 爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)(GB6722—2003)
振動(dòng)主頻是指峰值振動(dòng)速度所對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率。振動(dòng)主頻大小由爆破條件、傳播介質(zhì)特性、控制點(diǎn)距爆心距離決定。
根據(jù)上述規(guī)定,鑒于青蓮寺唐宋時(shí)期佛像承受外力能力很差,故對(duì)其安全標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)從嚴(yán)控制。依據(jù)2008年3月21日由業(yè)主、監(jiān)理、施工及監(jiān)測(cè)方參加的爆破及安全監(jiān)測(cè)實(shí)施方案會(huì)議的要求,可按表1中對(duì)古跡規(guī)定的最下限取值,即對(duì)于青蓮寺內(nèi)唐宋時(shí)期佛像安全允許振速為:
青蓮寺內(nèi)包括佛塔等其他建筑保存相對(duì)完好,多為石砌建筑,有些已經(jīng)過(guò)修繕,但對(duì)其安全標(biāo)準(zhǔn)仍應(yīng)相對(duì)從嚴(yán),對(duì)于青蓮寺內(nèi)其他建筑,其安全標(biāo)準(zhǔn)可按表1中土坯房安全標(biāo)準(zhǔn)的下限取值,即對(duì)于青蓮寺內(nèi)佛像以外建筑的爆破安全允許振動(dòng)速度為:
2008年3月22曰,采用不同的單段藥量各進(jìn)行了1次爆破試驗(yàn)監(jiān)測(cè)。其中,11∶34進(jìn)行的爆破采用MSl、MS3電雷管分兩段起爆,單段藥量分別為 l6.65 kg、15.16 kg;11:37 進(jìn)行的爆破采用MSl、MS3、MS5電雷管分三段起爆,單段藥量分別為22.04 kg、21.83 kg及28.85 kg。爆破樁號(hào)大致在0+650~0+669之間,表面高程約763~766 m,底部高程約760~764 m。采用淺孔爆破,φ42 mm手風(fēng)鉆造孔,孔深多在1.2~3.8 m之間,孔、排距大致l m×l m。設(shè)計(jì)爆破單耗0.5 kg/m3。
在11:34第 1次爆破中共布置4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。其中,在山頂上布置2個(gè)測(cè)點(diǎn),記作1#、2#測(cè)點(diǎn),距離爆區(qū)邊緣水平分別為62 m、120 m;在青蓮寺慧峰塔基布置3#測(cè)點(diǎn),在青蓮寺觀音像基座根部布置4#測(cè)點(diǎn)。
在11:37第 2次爆破中共布置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。其中,在山頂上布置2個(gè)測(cè)點(diǎn),記作1#、2#測(cè)點(diǎn),距離爆區(qū)邊緣水平分別為62 m、120 m;在青蓮寺慧峰塔基布置3#測(cè)點(diǎn)。
各測(cè)點(diǎn)均監(jiān)測(cè)水平徑(水平指向爆區(qū))、豎直及水平切(與水平徑正交)三向質(zhì)點(diǎn)振速。
主要采用加拿大MiniMate Plus以及美國(guó)Mini—Seis兩套測(cè)振系統(tǒng)進(jìn)行爆破質(zhì)點(diǎn)振速測(cè)試,二者均具有預(yù)置自觸發(fā)記錄功能。
MiniMate Plus測(cè)試系統(tǒng)可以同時(shí)在同一觀測(cè)點(diǎn)測(cè)試3個(gè)方向的爆破震動(dòng)速度(含時(shí)程曲線)及爆破噪聲,此外,還可提供峰值加速度、峰值位移以及頻率—峰值震動(dòng)速度曲線,可以記錄300次不同時(shí)刻的爆破震動(dòng),最長(zhǎng)記錄時(shí)間為500 s(采樣頻率為1 KHz時(shí))。系統(tǒng)內(nèi)置數(shù)碼芯片自動(dòng)對(duì)測(cè)試過(guò)程進(jìn)行控制,可靈活方便設(shè)置測(cè)試參數(shù),包括測(cè)試量程、采樣頻率、信號(hào)觸發(fā)方式及電平大小記錄時(shí)間及次數(shù)等,并可適應(yīng)全天候的野外作業(yè)條件,待機(jī)記錄時(shí)間48h以上,是目前國(guó)際最先進(jìn)的振動(dòng)記錄設(shè)備之一。
Mini—Seis測(cè)試系統(tǒng)用于記錄爆破振動(dòng)過(guò)程,可以進(jìn)行位移、加速度分析、反應(yīng)譜分析,具有單事件和多事件處理能力。
技術(shù)指標(biāo)與MiniMate Plus相同。
兩種測(cè)試系統(tǒng)均已通過(guò)省級(jí)計(jì)量部門認(rèn)證。
2008年3月22日1l:34爆破振動(dòng)速度安全監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2,2008年3月22日11:37爆破振動(dòng)速度安全監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。
實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)及宏觀調(diào)查結(jié)果表明:(1)在單段爆破藥量15.16~16.65 kg爆破中,青蓮寺觀音像基座部位單向最大振速在0.071 cm/s以內(nèi),最大合振速僅為0.082 cm/s,低于其允許安全振速;青蓮寺距爆區(qū)最近的慧峰塔塔基部位兩次爆破振動(dòng)相近,最大合振速在0.172 cm/s以內(nèi),仍明顯低于其安全允許振速。
表2 單段l5.16~16.65 kg爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)成果表
表3 單段21.83~28.85 kg爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)成果表
(2)青蓮寺內(nèi)第二次爆破振動(dòng)量與第一次相近,可能主要與前次爆破為其創(chuàng)造了較好的臨空面條件以及后排采用單排起爆(第一次爆破兩排同時(shí)起爆)等有關(guān)。
(3)采用拍照手段對(duì)佛像進(jìn)行爆破前后對(duì)比檢查未發(fā)現(xiàn)原破損部位有損壞加劇跡象,亦未發(fā)現(xiàn)明顯脫落、掉灰等現(xiàn)象;爆破時(shí),佛堂外人員均稱無(wú)明顯振感。結(jié)合振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析,兩次試驗(yàn)爆破應(yīng)不會(huì)對(duì)青蓮寺佛像及佛塔等保護(hù)物產(chǎn)生破壞影響。
(4)從爆破振動(dòng)頻率分析,山頂爆破近區(qū)l#、2#測(cè)點(diǎn)振動(dòng)主頻在20~51 Hz之間,而遠(yuǎn)區(qū)青蓮寺測(cè)點(diǎn)振頻明顯降低,但也在10 Hz以上,其中佛像基座部位振頻在11~16 Hz之間,而建筑物的自振頻率一般在10 Hz以內(nèi),因而爆破振動(dòng)引起青蓮寺建筑自振的可能性不大;此外,第2節(jié)中佛像的安全控制標(biāo)準(zhǔn)是按振頻小于10 Hz制定的,也是偏于保守的。
(5)根據(jù)實(shí)測(cè)振動(dòng)歷程分析,青蓮寺測(cè)點(diǎn)主振段振動(dòng)時(shí)間可達(dá)500~600 ms,明顯超過(guò)設(shè)計(jì)爆破延時(shí),主要原因:一是爆破地震波傳播路徑復(fù)雜,某些成分的波會(huì)延遲抵達(dá),在爆破遠(yuǎn)區(qū)也有可能產(chǎn)生疊加;二是有佛堂地面石板結(jié)構(gòu)不夠密實(shí),有輕微應(yīng)響??梢?jiàn),對(duì)于爆破不僅應(yīng)嚴(yán)格控制單段起爆藥量,還應(yīng)嚴(yán)格控制單次起爆規(guī)模及段數(shù),應(yīng)嚴(yán)格按照本次試驗(yàn)的起爆網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行爆破施工以確保文物安全。
現(xiàn)行《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2003)中規(guī)定,爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度采用式(1)進(jìn)行預(yù)報(bào),即與Qa/3成正比,與Ra成反比,可以用下式來(lái)表示:
式中:R—爆源中心至測(cè)點(diǎn)距離,此處考慮爆區(qū)與青蓮寺之間地形情況,偏保守取為爆源至測(cè)點(diǎn)水平距離R*與高程差H之和,且R=R*+H,m;
Q一炸藥量,齊發(fā)爆破為總藥量,延時(shí)爆破為最大段藥量,kg;
V—保護(hù)對(duì)象所在地質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)安全允許振速,cm/s;
K、a—與爆破點(diǎn)至計(jì)算保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù),可按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB6722中推薦值選取,或通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。
根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果,對(duì)最大爆破振動(dòng)合速度采用統(tǒng)計(jì)分析方法進(jìn)行回歸計(jì)算,獲得爆破振動(dòng)衰減經(jīng)驗(yàn)公式如下:
式中:p—單響藥量參考系數(shù),kg,p=0.0048~0.0412。
相關(guān)性檢驗(yàn)表明,相關(guān)系數(shù)r=0.93,即上式中變量V與自變量p之間的線性關(guān)系是顯著的。
采用式(3)進(jìn)行爆破振動(dòng)控制與預(yù)報(bào)時(shí),應(yīng)注意采用前述自變量的取值方法,p值范圍只宜內(nèi)插,不宜外推。
取爆破允許振速V允=0.1cm/s,爆破單段藥量分別為15 kg、20 kg時(shí),采用式(2)計(jì)算得到的安全爆破允許距離見(jiàn)表4。
表4 爆破安全允許距離分析表
表4中安全允許距離R取值方法與式(5-2)相同,即為爆源至測(cè)點(diǎn)水平距離R*與高程差H之和,即R=R*+H。
例如,對(duì)于本次試驗(yàn)爆破,佛像至爆源水平距離R*約為360 m,高差H=175 m,則R=R*+H=535 m>521 m,即采用單段起爆藥量Q=20 kg是可行的。
對(duì)于管溝某些區(qū)段高程較低,與青蓮寺高差在lOO m以內(nèi)時(shí),如距離R值小于521 m,則單段起爆藥量應(yīng)按Q=15 kg控制(根據(jù)現(xiàn)有管溝平面布置圖及開(kāi)挖高程分析,R均應(yīng)大于 473 m)。
注意,采用以上單段起爆藥量進(jìn)行開(kāi)挖時(shí),還應(yīng)嚴(yán)格采用本次試驗(yàn)起爆網(wǎng)路爆破方能確保安全。
(1)青蓮寺一級(jí)文物唐宋佛像年久失修,己基本無(wú)法承受外力,故按現(xiàn)行《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2003)中規(guī)定的古跡安全允許振速下限值控制爆破規(guī)模,以確保文物安全。
(2)根據(jù)振動(dòng)實(shí)測(cè)以及宏觀調(diào)查結(jié)果,試驗(yàn)爆破振動(dòng)未對(duì)唐宋佛像安全造成損害。
(3)根據(jù)振動(dòng)測(cè)試結(jié)論,并依據(jù)爆破振動(dòng)傳播規(guī)律經(jīng)驗(yàn)公式推算結(jié)果,管溝開(kāi)挖爆破采用15~20 kg單段起爆藥量應(yīng)能確保文物安全,前提是須嚴(yán)格按照試驗(yàn)的單次起爆規(guī)模及網(wǎng)路進(jìn)行爆破。
經(jīng)過(guò)試驗(yàn),已對(duì)爆破單段起爆藥量及網(wǎng)絡(luò)分段爆破進(jìn)行了嚴(yán)格控制,取得成功,有效地保證了唐宋佛像及施工安全。