劉超英， 葛雙成

(浙江省水利河口研究院 ，浙江 杭州 310020)

水庫(kù)輸水隧洞施工爆破振動(dòng)對(duì)大壩安全影響監(jiān)測(cè)及分析①

劉超英， 葛雙成

(浙江省水利河口研究院 ，浙江 杭州 310020)

闡述柏峰水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程主壩輸水隧洞施工爆破振動(dòng)對(duì)大壩安全影響。選擇有代表性的幾個(gè)部位,采用原位質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度測(cè)試的方法對(duì)整個(gè)施工期間爆破振動(dòng)對(duì)大壩安全影響進(jìn)行全過程監(jiān)測(cè)與分析。對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果分析表明，爆破振動(dòng)對(duì)大壩安全未產(chǎn)生明顯的危害。監(jiān)測(cè)成果可為工程爆破振動(dòng)安全評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

水庫(kù)輸水隧洞； 爆破振動(dòng)； 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度； 頻譜分析； 大壩安全監(jiān)測(cè)

0 引言

柏峰水庫(kù)位于浙江省義烏市赤岸鎮(zhèn)柏峰村，是一座以灌溉、供水為主，結(jié)合防洪等綜合利用的中型水庫(kù)。柏峰水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程主壩輸水隧洞進(jìn)水口布置在距離原右岸隧洞上游30 m處，隧洞出口位于大壩下游壩腳60 m處，隧洞全長(zhǎng)208 m。隧洞采用塔式進(jìn)水口，分別取水的方式，隧洞進(jìn)水口底高程93.00 m，分別取水閘門孔口尺寸均為2.0 m×2.0 m，檢修平臺(tái)高程為122.80 m，啟閉平臺(tái)高程為128.00 m。隧洞閘門井后設(shè)5.5 m漸變段。隧洞開挖洞徑2.6 m，襯后洞徑2.0 m，隧洞全段采用C25混凝土襯砌，隧洞出口布置供水設(shè)施。

柏峰水庫(kù)主壩為黏土心墻砂殼壩，該水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程主壩輸水隧洞施工爆破時(shí)，爆破源距離水庫(kù)大壩較近，因此存在施工爆破振動(dòng)對(duì)大壩的安全影響問題。由于爆區(qū)距離大壩需保護(hù)物較近，不可避免會(huì)產(chǎn)生較大爆破振動(dòng)效應(yīng)影響，對(duì)大壩來說還存在爆破地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)問題。因此,為了保證水庫(kù)主壩輸水隧洞工程施工爆破時(shí)大壩的安全，必須對(duì)大壩進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)以進(jìn)行安全評(píng)價(jià)[1-2]。

1 爆破參數(shù)及監(jiān)測(cè)總布置

1.1 爆破參數(shù)

(1) 第一次爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)

爆源位置為主壩輸水隧洞出口，出口點(diǎn)高程86.07 m。爆破方式為淺孔爆破，炸藥類型為2號(hào)巖石乳化炸藥。最大單響藥量為0.9 kg，總藥量為4.95 kg，全段裝藥。

(2) 第二次爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)

爆源位置為主壩輸水隧洞樁號(hào)0+195.04處，高程為86.92 m。爆破方式為淺孔爆破，炸藥類型為Φ32 mm、150 g乳化炸藥。總孔數(shù)為25孔，平均單孔藥量為1.038 kg，最大單響藥量為1.8 kg ,總藥量為25.95 kg。雷管段數(shù)為7段，延遲時(shí)間為7 ms。

(3) 第三次爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)

爆源位置為主壩輸水隧洞樁號(hào)0+098.8處，高程為86.92 m。爆破方式為淺孔爆破，炸藥類型為Φ32 mm、200 g乳化炸藥?？偪讛?shù)為26孔，平均單孔藥量為1 kg，最大單響藥量為2 kg ，總藥量為26 kg。雷管段數(shù)為7段，延遲時(shí)間為7 ms。

(4) 第四次爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)

爆源位置為主壩輸水隧洞樁號(hào)0-001.085處，高程為93.80 m。爆破方式為淺孔爆破，炸藥類型為Φ32 mm、200 g乳化炸藥；Φ32 mm、150 g膨化炸藥。平均單孔藥量為0.8 kg，最大單響藥量為1.5 kg，總藥量為20 kg。雷管段數(shù)為1、3、5、7、9、11段，延時(shí)為2 ms，總孔數(shù)為25孔。

1.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及設(shè)備

采用TC-4850爆破測(cè)振儀和TYTEST型3分量高靈敏度速度傳感器，監(jiān)測(cè)人工爆破過程瞬態(tài)爆破振動(dòng)。該系統(tǒng)傳感器工作頻帶范圍2～500 Hz，系統(tǒng)記錄器內(nèi)置數(shù)碼芯片自動(dòng)對(duì)測(cè)試過程進(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[3]。

1.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)目的和要求，每次爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)中布置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。其中，測(cè)點(diǎn)1位于右岸岸墻頂面(樁號(hào)大壩0+221.24，高程126.21 m，混凝土面)，測(cè)點(diǎn)2位于右岸混凝土防滲墻頂面(樁號(hào)大壩0+210.72，高程126.20 m，混凝土面)，測(cè)點(diǎn)1與測(cè)點(diǎn)2在同一直線上即防滲墻中心線上，并且布置在壩頂上。測(cè)點(diǎn)3位于右岸山坡巖體(樁號(hào)大壩0+233.99，高程126.20 m，巖石面)，該測(cè)點(diǎn)主要了解帷幕灌漿區(qū)基巖振動(dòng)情況。

2 監(jiān)測(cè)成果

爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)成果見表1。爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)傅氏譜分析結(jié)果見表2，實(shí)測(cè)主壩輸水隧洞樁號(hào)0+098.8處爆破3號(hào)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度時(shí)程曲線及傅氏譜頻率分析見圖1、圖2。

從表1的監(jiān)測(cè)結(jié)果可看出，主壩右岸岸墻、右岸混凝土防滲墻、右岸山坡巖體各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)最大振動(dòng)速度值均在0.40 cm/s以內(nèi), 各測(cè)點(diǎn)最大振動(dòng)速度值均滿足大壩結(jié)構(gòu)體爆破振動(dòng)速度控制值小于1 cm/s的設(shè)計(jì)要求。

表2中分析的岸墻、防滲墻、山坡巖體各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)傅氏譜第一峰頻率垂直向在15.69～33.90 Hz之間，而水平向在14.71～34.00 Hz之間, 遠(yuǎn)離大壩壩體自振響應(yīng)頻率。此外,由于結(jié)構(gòu)體頂部振速通常較其基礎(chǔ)部位有所放大，因此可以認(rèn)為大壩結(jié)構(gòu)體基礎(chǔ)等部位質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度至少應(yīng)與實(shí)測(cè)大壩結(jié)構(gòu)體頂部振動(dòng)速度處于同一數(shù)量級(jí),即一般不會(huì)超過0.40 cm/s，這明顯低于大壩基礎(chǔ)部位的安全控制振速,故水庫(kù)主壩輸水隧洞工程施工爆破不會(huì)對(duì)大壩的安全與穩(wěn)定產(chǎn)生危害影響。

表1 柏峰水庫(kù)主壩輸水隧洞施工爆破振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)結(jié)果

表2 柏峰水庫(kù)主壩輸水隧洞施工爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)傅氏譜分析結(jié)果

圖1 主壩輸水隧洞樁號(hào)0+098.8處爆破3號(hào)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度時(shí)程曲線Fig.1 Vibration velocity time-history curve of the 3rd measuring point from blasting in pile 0+98.8 of main dam water conveyance tunnel

3 爆破振動(dòng)效應(yīng)影響分析

3.1 振動(dòng)歷程及峰值分析[4]

從實(shí)測(cè)振動(dòng)波形來看,各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)持續(xù)時(shí)間垂直向在870～1 260 ms左右，基本沒有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的低頻動(dòng)力響應(yīng)，水平向在1 050～1 960 ms之間, 振動(dòng)歷程未有明顯爆破振動(dòng)疊加激增現(xiàn)象，未出現(xiàn)明顯峰振疊加增強(qiáng)現(xiàn)象。主壩右岸岸墻、右岸混凝土防滲墻、右岸山坡巖體各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)最大振動(dòng)速度值均在0.40 cm/s以內(nèi), 各測(cè)點(diǎn)最大振動(dòng)速度值均滿足大壩結(jié)構(gòu)體爆破振動(dòng)速度控制值小于1.0 cm/s的設(shè)計(jì)要求。

通過爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析軟件對(duì)實(shí)測(cè)振速波形作積分及微分變換分析,從而得到表1中主壩右岸岸墻、右岸混凝土防滲墻、右岸山坡巖體各測(cè)點(diǎn)的位移及加速度測(cè)值結(jié)果(表3)。從表3可以看出，各測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的最大垂直向位移在0.013 mm以內(nèi),最大峰值加速度僅2.559 m/s2；各測(cè)點(diǎn)最大水平向位移均在0.012 mm以內(nèi),最大峰值加速度低于2.510 m/s2。這表明爆破自身對(duì)大壩的振動(dòng)影響較小，不會(huì)對(duì)大壩安全與穩(wěn)定造成危害性影響。

表3 換算的各測(cè)點(diǎn)位移及加速度測(cè)值結(jié)果

圖2 主壩輸水隧洞樁號(hào)0+098.8處爆破3號(hào)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻率譜分析圖Fig.2 Vibration frequency spectrum of the 3rd measuring point from diagram of blasting in pile 0+098.8 of main dam water conveyance tunnel

3.2 振動(dòng)頻率分析

從表2可見, 主壩右岸岸墻、右岸混凝土防滲墻、右岸山坡巖體各測(cè)點(diǎn)分析的垂直向傅氏譜第一峰頻率在15.69～33.90 Hz之間，第二峰頻率在29.20～92.92 Hz之間，遠(yuǎn)離大壩壩體自振響應(yīng)頻率，這表明在垂直向大壩對(duì)爆破作用的反應(yīng)很小。而各測(cè)點(diǎn)分析的水平向傅氏譜第一峰頻率在14.71～34.00 Hz之間，第二峰頻率33.45～95.66 Hz之間,同樣遠(yuǎn)離大壩壩體自振響應(yīng)頻率，表明在水平方向大壩對(duì)爆破作用的反應(yīng)同樣較小。由于爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間短、頻率較高,具有起爆過程結(jié)束即自行消散的特征，因而在同等振幅情況下爆破直接產(chǎn)生的振動(dòng)影響較小。

4 結(jié)論

(1) 監(jiān)測(cè)的主壩右岸岸墻、右岸混凝土防滲墻、右岸山坡巖體各測(cè)點(diǎn)爆破振動(dòng)速度最大值均明顯低于設(shè)計(jì)的爆破振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn),爆破振動(dòng)對(duì)大壩無結(jié)構(gòu)性破壞作用。

(2) 采用毫秒微差導(dǎo)爆管聯(lián)接，分段微差起爆，爆破分段清晰,未有明顯爆破振動(dòng)疊加激增現(xiàn)象，未出現(xiàn)明顯峰振疊加增強(qiáng)現(xiàn)象。柏峰水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程主壩輸水隧洞施工爆破中采用毫秒微差淺孔爆破，優(yōu)化微差起爆時(shí)間及順序來控制爆破振動(dòng)效應(yīng)是合理的[5]。

(3) 各測(cè)點(diǎn)爆破振動(dòng)速度時(shí)程曲線及振動(dòng)頻譜分析表明, 爆破振動(dòng)頻率遠(yuǎn)離爆破大壩壩體自振響應(yīng)頻率，壩體不會(huì)產(chǎn)生共振效應(yīng)，爆破振動(dòng)速度、加速度及位移幅值較小，振動(dòng)速度最大值在0.40 cm/s以內(nèi),不會(huì)對(duì)大壩結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞作用。

References)

[1] 中國(guó)工程爆破協(xié)會(huì).爆破安全規(guī)程(GB6722-2003)[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.China Society of Engineering Blasting.Safety Regulations Blasting(GB6722-2003)[S].Beijing：China Standards Press，2004.(in Chinese)

[2] 中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì).水電水利工程爆破安全監(jiān)測(cè)規(guī)程(DL/T5333-2005)[S].北京：中國(guó)電力版社，2006.China Power Business Association.Code for Blasting Safety Monitoring of Hydropower and Water Resources Engineering(DL/T5333-2005)[S].Beijing：China Power Press，2006.(in Chinese).

[3] 李彬峰.爆破振動(dòng)的分析方法及測(cè)試儀器系統(tǒng)探討[J].爆破，2003，20(1)：81-84.LI Bin-feng.Discussion of Explosion Vibration Analysis Methodsand Measuring and Testing Instrument System[J].Journal of Blasting，2003，20(1)：81-84.(in Chinese)

[4] 霍永基.水工結(jié)構(gòu)爆破震動(dòng)效應(yīng)研究及安全分析[J].工程爆破，2003，9(4)；72-77.HUO Yong-ji.Effect of Blasting Vibration on Hydraulic Structuresand Safety Analysis[J].Journal of Blasting，2003，9(4)：72-77.(in Chinese)

[5] 楊文東，范高軍.龍灘水電站左岸導(dǎo)流洞爆破振動(dòng)測(cè)試與控制研究[J].地震工程與工程振動(dòng)，2008，28(4)：168-172.YANG Wen-dong ，F(xiàn)AN Gaoju.Study on Test and Control of Blasting Vibration of Left Spillway Tunnel at Longtan Hydropower Station[J].Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration，2008，28(4)：168-172.(in Chinese)

Impacts of Vibration From Blasting on Dam Safety in the Baifeng Reservoir Water Conveyance Tunnel

LIU Chao-ying， GE Shuang-cheng

(ZhejiangInstituteofHydraulicsandEstuary，Hangzhou，Zhejiang310020，China)

Vibration from blasting for construction of a water conveyance tunnel at the Baifeng Reservoir main dam has potential effects on dam safety.In order to ensure the safety of the dam during blasting for the main dam water conveyance tunnel，blasting vibration must be monitored.By analyzing particle vibrating velocity，the effects of blasting vibration on the dam were monitored.Vibrations during four blasting events were monitored.Correlative data was collected using a TC-4850 vibrometer and a 3-component TYTEST velocity sensor.The response and characteristics of vibration from construction blasting were analyzed based on the data from three directions at each measuring point.Measurements included vibration history，peak，and frequency spectrum analysis.Results of the peak analysis showed that the maximum vibration velocity at each measuring point was less than 1.0 cm/s.This satisfied the design requirements for the control of blasting vibration velocity.The maximum vertical and horizontal displacements at each measuring point were within 0.013 mm.The maximum vertical and horizontal accelerations at each measuring point were within 2.559 m/s2.Results of the frequency spectrum analysis showed that the vertical and horizontal vibration frequency corresponding to maximum peaks on the Fourier spectrum were in the range of 14.71～34.0 Hz.This range of frequency response was outside the natural response frequency of dam structure，which did not experience the effects of resonance.Compared with the particle vibration velocity of the dam’s foundation，the particle vibration velocity at the top of the dam structure was amplified.Therefore，the particle vibration velocity at the dam foundation was less than that at the top of the dam，and consequently，under the threshold at which security controls at the dam’s foundation would be triggered.All of the analyses demonstrated that blasting vibration associated with construction of the conveyance tunnel had no significant effects on dam safety and stability.

reservoir water conveyance tunnel； blasting vibration； particle vibration velocity； frequency spectrum analysis； dam safety monitoring

2014-08-20 作者簡(jiǎn)介：劉超英(1958-)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)及巖土工程研究.E-mail:lcy5899@sina.com

TV651.1

B

1000-0844(2015)02-0367-05

10.3969/j.issn.1000-0844.2015.02.0367