李　新，馬　娟，李昊雨，范　磊，周家文

(1. 中國核電工程有限公司，北京　100840； 2. 中國電建成都勘測設計研究院有限公司，四川成都　610072； 3. 解放軍理工大學野戰(zhàn)工程學院，江蘇南京　210007； 4. 四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，水利水電學院，四川成都　610065)

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深厚淤泥爆破擠淤振動效應

李新1，2，馬娟1，李昊雨1，范磊3，周家文4

(1. 中國核電工程有限公司，北京100840； 2. 中國電建成都勘測設計研究院有限公司，四川成都610072； 3. 解放軍理工大學野戰(zhàn)工程學院，江蘇南京210007； 4. 四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，水利水電學院，四川成都610065)

摘要：依托某核電站取水明渠超過30 m厚淤泥爆破擠淤展開研究，探索深厚淤泥層爆破振動傳播規(guī)律、影響因素及其振動效應。首先對振動反射波和折射波的能量分配原理進行了論述，對深厚淤泥層條件下不同爆破工況振速衰減規(guī)律、頻率分布進行了分析，通過高低潮位的對比，說明厚覆蓋海水對能量的傳播起到了較好的耗散作用，炸藥能量在兩種工況下的利用率沒有明顯區(qū)別，主頻主要集中在低頻區(qū)間。最后將爆破擠淤與土石方爆破對比分析，說明爆破擠淤能量轉(zhuǎn)化為地震波的比例更高，主因是裝藥結(jié)構(gòu)的差異導致能量轉(zhuǎn)化率存在較大差別。

關(guān)鍵詞：深厚淤泥層； 爆破擠淤； 振動； 能量傳遞

自20世紀80年代爆破擠淤技術(shù)在連云港西大堤取得成功后，該技術(shù)在國內(nèi)許多工程得到應用，如廣東珠海LNG接卸站碼頭、漳州開發(fā)區(qū)南炮臺護岸工程等[1-4]。在《水運工程爆破技術(shù)規(guī)范》[5]中提到“爆破擠淤置換的厚度宜為4～25 m”，并將覆蓋水厚度作為爆破擠淤設計的重要參數(shù)。目前對超過規(guī)范中厚度的爆破擠淤研究相對較少，文獻[6]提到“圍堤外護岸所在區(qū)域軟土層起伏較大，淤泥厚度從5～22 m變化”，對爆破擠淤施工工藝、選擇的爆破器材、設計參數(shù)和藥包結(jié)構(gòu)等進行了論述；文獻[7]對淤泥深度18～21 m的爆破擠淤振動效應進行測試和分析，并從單段藥量、微差時間、震動波傳播方向3個方面對振動控制技術(shù)開展研究。相關(guān)文獻中提到覆蓋水對爆破效果的影響，但對不同潮位工況下的研究很少，文獻[8]提到“為了充分利用炸藥能量，在藥包上有一定深度的覆蓋水情況下起爆”，未對低潮位(隆起淤泥包基本無覆蓋水)工況爆破進行闡述；另一方面由于爆破擠淤技術(shù)在實踐中應用的時間較土石方爆破技術(shù)短得多，對二者的關(guān)系研究較少，文獻[9]提到“同等條件下，爆破擠淤引起監(jiān)測區(qū)的爆破振動效應明顯高于陸地正、負挖爆破，說明爆破擠淤炸藥能量轉(zhuǎn)化為爆破地震波的比例更高”，未對相關(guān)的機理進一步闡述。

本文依托某核電站擴建工程取水明渠開展研究，淤泥層最厚達到34.91 m，基于爆破擠淤填石筑堤過程中，在不同潮位工況下，對爆破振動衰減規(guī)律及能量傳遞原理進行分析研究，并與土石方爆破進行對比分析，探索深厚淤泥層爆破振動傳播規(guī)律、影響因素及其振動效應。另外，依托工程500 m范圍內(nèi)存在核電站取水口、民房等較為敏感的建(構(gòu))筑物，針對深厚淤泥層爆破進行研究具有較強現(xiàn)實意義。

1工程概況

圖1　導流堤典型斷面(單位：m)Fig.1　Typical section of training jetty (unit: m)

圖2　工程平面示意(含監(jiān)測點)Fig.2　Layout plan of works (including monitoring points)

某核電二期工程取水明渠堤防工程包括南堤、北堤，均采用爆破擠淤填石法成堤；南堤長4.1 km，填石571萬m3，北堤長2.6 km，填石333萬m3，原泥面標高為-5 m左右。南堤堤頂、北堤堤頂、外坡、內(nèi)坡采用改型方塊、扭王字塊、四角空心方塊等進行護面，爆破后隆起淤泥包平均頂標高為-1 m，試驗階段未進行清淤。導流堤典型斷面見圖1，工程平面布置示意見圖2。

海域自上而下為第四系全新統(tǒng)海相淤泥層、砂土、第四系全新統(tǒng)沖海積黏土，下伏基巖為云臺組第三巖性段二長淺粒巖。其中淤泥呈灰黃色，流塑、土質(zhì)較純，局部夾少量貝殼碎屑及薄層粉砂，切面光滑，干強度中等，韌性高，力學參數(shù)等指標見表1。南堤淤泥厚11.56～34.91 m；北堤淤泥厚10.63～27.75 m。鑒于工程所處的地質(zhì)條件，地基土上層存在較厚的軟弱土層(淤泥和淤泥質(zhì)黏土)，且局部同時存在可液化的粉細砂層，持力層為黏土層，采取控制加載爆破擠淤對淤泥置換，置換后的泥石混合層厚度小于1.0 m，泥石混合層以石料為主。民房與一期取水口的振動控制速度分別為2和10 cm/s。

海域潮汐屬正規(guī)半日潮，每個潮汐日(約24.8 h)有兩次高潮和兩次低潮，潮汐特征為平均高潮1.92 m;平均低潮-1.77 m; 平均漲潮歷時5.60 h;平均落潮歷時6.83 h; 平均潮差3.69 m。

表1　力學參數(shù)等指標

2振動波能量傳遞原理

2.1反射和折射法則

當波遇到某種界面時，它的傳播將發(fā)生變化，一部分能量在分界面上反射回原介質(zhì)，余下的一部分能量則折射進入另一介質(zhì)。這種現(xiàn)象就是彈性波的反射和透射[10-11]。波的折射情況，用Snell定理表示為：

sini1/sini2=v1/v2

其中：i1與i2分別為波的入射角和折射角；v1和v2則為波在兩種介質(zhì)中的傳播速度。

2.2能量分配原理

入射波在介質(zhì)分界面處分界為反射波和折射波的現(xiàn)象意味著入射波在反射點進行了能量分配。一般將波阻抗定義為：Z=ρv，其中：ρ為介質(zhì)密度；v為介質(zhì)的波傳播速度。

事實上，任何介質(zhì)對通過它的波都呈現(xiàn)出波阻抗。當遇到兩種不同介質(zhì)的交界面時，阻抗突然改變。在這個位置上，一部分入射波將反射，而剩下的另一部分將折射到阻抗發(fā)生變化的區(qū)域中去。在波阻抗突然發(fā)生改變的邊界上，彈性波的傳播必須滿足如下兩個條件[9]：

(1)幾何邊界條件：在波阻抗突然變化的邊界兩側(cè)，介質(zhì)的位移在任何時刻都應保持相等，因而位移是連續(xù)的。

(2)動力學邊界條件：在邊界點上，橫向力具有連續(xù)性，所以應保持連續(xù)的梯度變化。

本文假定淤泥與陸上巖石的分界面符合上述彈性波傳遞的條件。設入射部分介質(zhì)的波阻抗為Z1=ρ1v1，而透射部分介質(zhì)的波阻抗為Z2=ρ2v2，根據(jù)幾何邊界條件及動力學邊界條件，可以推導得出振幅的反射和折射系數(shù)完全取決于波阻抗之比(限于篇幅，略去推導過程)。根據(jù)能量守恒，入射波總能量ei與反射波能量er及折射波能量el的系數(shù)關(guān)系分別為：

能量反射系數(shù)為： er/ei=(Z1-Z2)2/(Z1+Z2)2

(1)

能量折射系數(shù)為： el/ei=4Z1Z2/(Z1+Z2)2

(2)

3振動衰減規(guī)律及分析

3.1振動監(jiān)測及振速衰減回歸

振動監(jiān)測點布置及爆源與監(jiān)測點相對位置平面示意、斷面示意見圖2和3。

采用薩道夫斯基經(jīng)驗關(guān)系式作為峰值質(zhì)點振動速度衰減規(guī)律的回歸方程：

V=K(Q1/3/R)α

(3)

式中：V為峰值質(zhì)點振動速度(cm/s)；Q為最大單段藥量(kg)；R為爆心距(m)；K為回歸系數(shù)，與地形地質(zhì)條件及爆源類型有關(guān)；α為衰減指數(shù)；Q1/3/R為比例藥量。

選取北堤垂直向、南堤水平東西向爆破對應的潮位在0 m(海平面平均值)以上及0 m以下的振速峰值數(shù)據(jù)分別進行整理。將實測振速值及相應的爆心距和單段藥量統(tǒng)計，按照式(3)進行回歸計算，得到峰值質(zhì)點振動速度衰減規(guī)律，回歸結(jié)果見表2。本文將0 m以上及以下的潮位分別稱為高潮位、低潮位，即爆破時在(-2.5 m，0)，(0，2.5 m)兩個區(qū)間對應的實際潮位值。北堤、南堤高潮位平均值分別為1.36和1.17 m，低潮位平均值分別為-1.25和-1.01 m，平均潮差分別為2.61和2.18 m。

圖3　爆源與監(jiān)測點相對位置斷面示意Fig.3　Section of relative position of explosion 　source and monitoring point

方向潮位范圍/mKα潮位均值/m北堤垂直向(-2.5,0)25622.061.36(0,2.5)4831.7-1.25南堤水平東西向(-2.5,0)17481.831.17(0,2.5)5161.64-1.01

3.2振速衰減及能量分析

選取單段藥量相同的連續(xù)16炮次實測振速進行對比，爆破振速峰值與對應的潮位關(guān)系曲線見圖4，由圖可見潮位與振速曲線的峰谷存在較好的對應關(guān)系，即是高潮位對應低振速、低潮位對應高振速。為將潮位對振速的影響進行量化，選取北堤垂直向振速在不同單段藥量情況下爆心距的變化進行對比，振速峰值相差比例對比見圖5。從圖5可以看出，高潮位與低潮位的振速預測數(shù)值比例差較大，在藥量一定的情況下，北堤垂直向高潮位的振速較低潮位少2.1%～26.5%，平均值為8.87%～18.16%，且藥量越大，減少比例越多，其他方向都存在類似規(guī)律，說明低潮位爆破工況會使振速峰值有一定的增加。

圖4　不同潮位下振速峰值Fig.4　PPV under different tidal levels

圖5　高潮與低潮振速峰值對比Fig.5　PPV ratio contrast of high and low tidal levels

爆心距/m允許單響藥量/kg爆心距/m允許單響藥量/kg低潮位高潮位低潮位高潮位3004071047450137235333506461662500188348464009642481

就南堤水平東西向振速衰減規(guī)律進行允許單段藥量計算，區(qū)分2 cm/s允許振速情況，計算結(jié)果見表3。由表3核算的最大單段藥量可以看出，高潮位的允許最大藥量可以達到低潮位的2倍以上，說明高潮位對減小爆破振動的負面影響較為有利。低潮位、高潮位的典型波形曲線見圖6，由圖可以看出由于覆蓋水的抑制，高潮位對振速存在一定的削峰作用。

圖6　高低潮位典型波形曲線Fig.6　Typical waveform curves of high and low tidal levels

通過高低潮位的對比，說明高潮位對爆破振動傳遞起到了一定的抑制作用，主要原因是振動波傳播介質(zhì)為固態(tài)介質(zhì)、液態(tài)海水，固態(tài)介質(zhì)為爆源與陸地之間海域內(nèi)的深厚淤泥、粉砂、粗砂、黏土等軟弱地質(zhì)層，且液態(tài)介質(zhì)與固態(tài)介質(zhì)特性相差較大，波阻抗發(fā)生較強突變，厚覆蓋海水對能量傳播起到了較好的耗散作用。

另一方面，相同最大單段藥量及總裝藥量的情況下，對不同爆破工況的南堤堤身初始下沉影響進行分析，對比數(shù)據(jù)見表4。可以發(fā)現(xiàn)堤頭爆破后，低潮與高潮工況初始下沉量沒有明顯規(guī)律，兩者平均下沉的差值存在一定隨機性，說明不同工況爆破與堤身初始下沉不存在必然聯(lián)系，炸藥能量在兩種工況下用于置換淤泥的利用率沒有明顯區(qū)別，能量利用對振動差異不構(gòu)成直接影響。

表4　低潮較高潮平均下沉相差比例

4頻率分析結(jié)果

圖7　高低潮位頻率累積比例Fig.7　Accumulation ratio of low and high tidal frequency

爆破振動主頻是指爆破地振波峰值質(zhì)點振動所對應的質(zhì)點振動頻率，它反映了爆破振動對建(構(gòu))筑物最大作用力的時程特征，是表征爆破振動危害的重要參量。北堤爆破垂直向在低、高潮位情況下頻率分布特征見圖7。

由圖7可以看出，低潮位、高潮位情況下，主頻均較為集中在20 Hz以內(nèi)的頻率段，最大頻率分別為70和87 Hz，如北堤在低潮位、高潮位情況下，20 Hz以內(nèi)的頻率的比例分別為72%和78%。水平東西向、水平南北向與垂直向頻譜分布較為一致，頻度分布具有一定規(guī)律性。說明在深厚淤泥層條件下，爆破擠淤主頻主要集中在低頻區(qū)域。

5與土石方爆破對比分析

圖8　爆擠與土石方爆破振速峰值比例對比Fig.8　Comparison between PPV ratio of blasting compaction 　and soil-rock blasting

影響爆破地震波產(chǎn)生和傳播的因素是多方面的，可以歸結(jié)到爆源、傳遞介質(zhì)和傳遞路徑等3個方面，從爆破擠淤與土石方爆破的對比角度，選取二者關(guān)聯(lián)性較強的地質(zhì)條件及裝藥結(jié)構(gòu)進行論述。

該核電站完建一期取水構(gòu)筑物采用土石方爆破，其與取水明渠緊接，除振動傳遞介質(zhì)、裝藥結(jié)構(gòu)與爆破擠淤的主要差別外，其他條件相似。選取北堤垂直向高潮位的振速核算值與取水構(gòu)筑物的相應振速核算值進行對比。爆擠與土石方爆破振速峰值比例對比見圖8。

基于淤泥面與陸上巖石的分界面滿足彈性波波阻抗邊界條件假定，同時考慮淤泥較為深厚，分界面海域側(cè)的介質(zhì)均看成是淤泥介質(zhì)，運用能量分配原理，結(jié)合陸上介質(zhì)巖體的總體狀況，可得表5中相關(guān)參數(shù)。

表5　分界面介質(zhì)參數(shù)及能量分配

通過振動波在介質(zhì)中的傳播規(guī)律分析，爆破地震波傳播受到介質(zhì)的阻尼作用產(chǎn)生能量耗散，其強度將逐漸減弱，且爆破擠淤振動波能量在從淤泥傳到陸地的分界面位置，能量將進一步折減，由表5可見，71.44%的能量發(fā)生了折射，28.56%的能量發(fā)生了反射。

隨著傳播介質(zhì)的密度和均勻性增加，地震波的傳播速度將增大[12]，理論上會出現(xiàn)土石方爆破振動速度較淤泥中衰減更慢的現(xiàn)象。本工程中，由圖8可以發(fā)現(xiàn)相同裝藥量的情況下，在距離爆源300～500 m處，爆破擠淤引起的質(zhì)點振動大于土石方爆破的20.05%～25.61%，出現(xiàn)此種現(xiàn)象有兩種可能：一是爆破擠淤炸藥能量轉(zhuǎn)化為地震波的比例更高，二是爆破震動在巖石中衰減速度更快。根據(jù)前述可排除第二種可能。

理論分析[13]表明，不管不耦合裝藥的耦合介質(zhì)是空氣還是水，爆生氣體均要在炮孔中膨脹并壓縮介質(zhì)和降低壓力。爆轟產(chǎn)物膨脹后的波阻抗和水壓縮后的波阻抗均小于炸藥的波阻抗，這在一定程度上降低了炸藥的能量折射率。對爆破擠淤較土石方爆破炸藥能量轉(zhuǎn)化率更高的原因進行分析，可以發(fā)現(xiàn)前者炸藥包在淤泥層下埋深達到10 m以上，且在淤泥層以上覆蓋有一定深度海水，可以認為炸藥與淤泥絕對耦合，而土石方爆破為鉆孔裝藥，炸藥耦合程度不及淤泥，加之存在一定堵塞段，二者裝藥結(jié)構(gòu)的差異導致能量轉(zhuǎn)化率存在較大差別。因此爆破擠淤能量轉(zhuǎn)化為地震波的比例較土石方爆破更高，主因是二者裝藥結(jié)構(gòu)的差異導致能量轉(zhuǎn)化率存在較大差別。

6結(jié)語

(1)高潮位對減小爆破振動負面影響較為有利，低潮位工況爆破會使振速峰值有一定增加，說明厚覆蓋海水對能量傳播起到了較好的耗散作用，炸藥能量在兩種工況下的利用率沒有明顯區(qū)別，實際工程中選擇高潮位爆破對振動控制較為有利。

(2)在深厚淤泥層條件下爆破擠淤，主頻主要集中在低頻區(qū)域。

(3)能量傳遞原理表明，地震波傳播受到介質(zhì)的阻尼作用產(chǎn)生能量耗散，其強度將逐漸減弱；工程試驗表明，能量在從淤泥傳到陸地的分界面，將進一步折減，絕大部分能量發(fā)生了折射，小部分發(fā)生了反射。

(4)工程對比分析表明，爆破擠淤能量轉(zhuǎn)化為地震波的比例較土石方爆破更高，主因是二者裝藥結(jié)構(gòu)的差異導致能量轉(zhuǎn)化率存在較大差別。

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Analysis of vibration effects to deep and thick silt by blasting compaction

LI Xin1,2， MA Juan1， LI Hao-yu1， FAN Lei3， ZHOU Jia-wen4

(1.ChinaNuclearPowerEngineeringCo.,Ltd.，Beijing100840，China； 2.PowerChinaChengduEngineeringCorporationLimited,Chengdu610072,China; 3.CollegeofFieldEngineering,PLAUniversityofScienceandTechnology，Nanjing210007，China; 4.StateKeyLaboratoryofHydraulicsandMountainRiverEngineering,CollegeofHydraulicandHydroelectricEngineering,SichuanUniversity，Chengdu610065，China)

Abstract：Since the blasting compaction technology has been successfully applied to the civil engineering in the 80s of the last century in China, there are very few in studies of the deep and thick silt blasting compaction, such as the energy transfer theory and the tide level under the blasting working conditions in comparison with soil-rock blasting. When there are sensitive buildings or structures in the blasting area, making studies of the vibration effects of blasting has a practical significance. This paper, depending upon a nuclear power station, carries out researches of thick silt over 30 m in the intake channel by blasting compaction, including studies of propagation rule of vibration, influence factors and vibration effects by blasting. Firstly, the analysis of energy distribution of the vibration induced reflected wave and refracted wave has been done in this paper; secondly, analysis of the damping laws of vibration rates and frequency of the north and south banks has made under the different blasting conditions. Compared with the high and lower tidal levels, the analysis results show that the thick seawater covering the silt has a positive effect on the energy dissipation, and there are no great differences between the explosive energy utilization under two working conditions. The main frequency mainly concentrates at the low frequency area. Finally comparing the blasting compaction with the soil-rock blasting, and it is found that the energy ratio of the blasting compaction which transfers to a seismic wave is higher, the main reason is the discrepancy of the explosive structure which leads the energy transfer ratio having remarkable differences.

Key words：deep and thick silt； blasting compaction； vibration； energy transfer

中圖分類號：TV542.6

文獻標志碼：A

文章編號：1009-640X(2016)01-0071-07

作者簡介：李新(1983—)， 男， 四川南充人，工程師，博士, 主要從事水工結(jié)構(gòu)、地基及基礎工程、水工爆破方面的研究。E-mail: xinli_2009@qq.com

基金項目：中國電力建設集團公司重大資助項目(JIZX-3)

收稿日期：2015-04-16

DOI:10.16198/j.cnki.1009-640X.2016.01.011

李新，馬娟，李昊雨，等.深厚淤泥爆破擠淤振動效應[J]. 水利水運工程學報, 2016(1): 71-77. (LI Xin，MA Juan，LI Hao-yu，et al. Analysis of vibration effects to deep and thick silt by blasting compaction[J]. Hydro-Science and Engineering, 2016(1): 71-77.)