賈澄澄，卓 莉，肖明礫，謝紅強(qiáng)，何江達(dá)

(四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，水利水電學(xué)院，四川 成都 610065)

某水電站位于甘孜州丹巴縣境內(nèi)，正常蓄水位2 020.00 m，死水位2 018.50 m，正常蓄水位以下庫容9.58 萬m3，調(diào)節(jié)庫容4.5 萬m3，水電站裝機(jī)容量90 MW，額定水頭157 m，設(shè)計(jì)引用流量66 m3/s。水電站右岸有壓隧洞引水，隧洞長11.173 km，廠址位于丹巴大橋下游約2.7 km的大渡河右岸漫灘上。丹巴滑坡位于大金川右岸丹巴縣城白呷山高陡斜坡下部，是在古滑坡的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)育形成并向古滑坡后部左側(cè)擴(kuò)張。其高程為1 887～2 199 m，前后緣高程差約為223 m，滑坡體寬約為250～280 m，縱向長度約為290 m，滑坡體平均厚約30 m，為一特大型堆積體滑坡。

鑒于水電站引水隧洞距離上覆丹巴滑坡體距離較近，爆破施工過程中不可避免對周圍建筑的安全造成不利的影響，會產(chǎn)生較大爆破振動效應(yīng)，對上覆滑坡體造成動力擾動[1,2]，危及上覆滑坡體的穩(wěn)定性，誘發(fā)滑坡失穩(wěn)。因此，本文結(jié)合水電站區(qū)域地形地質(zhì)條件、隧洞設(shè)計(jì)參數(shù)及施工爆破參數(shù)等，建立有限元模型，計(jì)算施工爆破振動對滑坡體的動力擾動效應(yīng)，分析爆破作用下振動位移、速度、加速度特性以及振動衰減規(guī)律，基于GeoStudio有限元軟件，采用剛體極限平衡法和有限元法兩種方法計(jì)算滑坡穩(wěn)定安全系數(shù)，對上覆滑坡體穩(wěn)定性進(jìn)行評價。

1 引水隧洞-滑坡體有限元計(jì)算

1.1 有限元計(jì)算模型

滑坡與隧洞整體有限元模型見圖1，隧洞局部模型見圖2。有限元計(jì)算選取引水隧洞距丹巴滑坡垂直距離最近剖面為研究對象。計(jì)算模型洞中心坐標(biāo)為(2 205.7，1 938)，底面取至高程1 499 m，向上取至坡頂，鉛直向高度1 344.6 m，模型左側(cè)邊界至大渡河河床中心，右側(cè)邊界距離隧洞中心線331.3 m，水平長度共計(jì)2 085.3 m。有限元網(wǎng)格采用4節(jié)點(diǎn)等參單元對滑坡進(jìn)行離散，單元總數(shù)共1 935 個，節(jié)點(diǎn)總數(shù)1 930 個。二維有限元的計(jì)算坐標(biāo)系選定為：X軸為水平方向，由滑坡指向洞；Y軸為垂直于X軸且鉛直向上。

圖1 水電站丹巴滑坡和隧洞整體有限元網(wǎng)格Fig.1 Finite element mesh of Danba landslide and tunnel

圖2 水電站引水隧洞局部有限元網(wǎng)格Fig.2 Local finite element mesh of diversion tunnel of hydropower station

1.2 有限元計(jì)算參數(shù)及邊界條件

有限元模型左右及底邊界面采取黏彈性人工邊界，以便計(jì)算區(qū)域內(nèi)的外行波在截?cái)噙吔缣幉粫瓷浠貋怼ｐ椥赃吔鏪3,4]推導(dǎo)采用坐標(biāo)系見圖3。

平面柱面波的運(yùn)動方程為：

(1)

cs=(G/ρ)1/2

(2)

式中：v為介質(zhì)的切向位移；cs為剪切波在連續(xù)介質(zhì)中的傳播速度；G為連續(xù)介質(zhì)的剪切模量；ρ為介質(zhì)的質(zhì)量密度。

圖3 黏彈性邊界坐標(biāo)系示意圖Fig.3 Diagram of viscoelastic boundary coordinate system

根據(jù)類似工程的原理，在邊界上簡單地施加黏性邊界，將其中的正應(yīng)力σ和正應(yīng)變ε相應(yīng)地?fù)Q為剪應(yīng)力τ和剪應(yīng)變γ，位于邊界rb上的剪應(yīng)力為：

(3)

任一半徑rb處的應(yīng)力與該處的速度和位移的關(guān)系可以表示如下：

(4)

式(4)可以寫成如下式：

(5)

式(5)等價于一阻尼系數(shù)為ρcs的阻尼器并聯(lián)上一個剛度系數(shù)為G/2rb的線性彈簧，可以精確地模擬滿足式(3)的剪切波由有限域向無限域的傳播。

各滲透分區(qū)巖體的各向同性滲透系數(shù)見表1。

表1 巖土體及襯砌物理力學(xué)參數(shù)表Tab.1 Physical and mechanical parameters of rock and soil

2 爆破方案

有限元計(jì)算中施工爆破參數(shù)見表2，布孔及網(wǎng)路圖見圖4。

根據(jù)水電站引水隧洞沿線的地質(zhì)條件，引水隧洞距丹巴滑坡垂直距離最近洞段圍巖為Ⅲ～Ⅳ類，設(shè)計(jì)開挖斷面為馬蹄形，面積約41.58 m2，開挖爆破每次循環(huán)進(jìn)尺最大允許值為3 m。

表2 引水隧洞圍巖爆破設(shè)計(jì)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistics of blasting design parameters ofsurrounding rock of diversion tunnel

圖4 引水隧洞圍巖爆破網(wǎng)絡(luò)圖Fig.4 Blasting network diagram of surrounding rock of diversion tunnel

表3 引水隧洞圍巖爆破荷載參數(shù)Tab.3 Blasting parameters of surrounding rock of diversion tunnel

引水隧洞圍巖爆破荷載參數(shù)見表3，等效動荷載時程三角形分布見圖5。炸藥采用2號巖石乳化炸藥，爆速為3 500 m/s，炸藥密度為1 000 kg/m3，根據(jù)爆破參數(shù)和爆破網(wǎng)絡(luò)圖，采用施加等效荷載[5]的方法，得到不同雷管段別的爆破峰值壓力 、等效動荷載 及其時程三角形分布。巖體的阻尼比取0.03，覆蓋層巖石的阻尼比取0.05，爆破荷載壓力上升時間為100 μs，正壓作用時間為100 μs，主掏槽孔起爆不考慮。

圖5 微差爆破等效動荷載時程三角形分布圖Fig.5 Triangular distribution of equivalent dynamic load time history of millisecond blasting

3 引水隧洞施工爆破振動效應(yīng)

選擇邊坡距爆源同高程不同水平距離的7個特征點(diǎn)(P1～P7)、爆源正上方不同高程的5個特征點(diǎn)(S1～S5)研究爆破振動特性，特征點(diǎn)分布位置示意圖見圖6。

圖6 特征點(diǎn)分布位置示意圖Fig.6 Map of feature points distribution

表4給出了各特征點(diǎn)的振動位移、速度、加速度峰值結(jié)果。限于篇幅僅給出了部分特征點(diǎn)的振動位移、速度、加速度時程曲線圖7-10以及同高程特征點(diǎn)振速峰值與爆心距的衰減曲線圖11。

在隧洞爆破荷載作用下，特征點(diǎn)都出現(xiàn)了不同頻率、振幅的振動現(xiàn)象。離爆源的距離越近，質(zhì)點(diǎn)的波動特性越強(qiáng)，質(zhì)點(diǎn)的振動頻率和振幅越大。當(dāng)爆心距增大到一定程度后，質(zhì)點(diǎn)的位移、速度及加速度的變化小到可以忽略。從表4中可以看出，P1測點(diǎn)處出現(xiàn)水平向振動最大位移為0.009 cm，水平向最大振動速度為10.8 cm/s，水平向最大振動加速度為44 000 cm/s2；S1測點(diǎn)處出現(xiàn)鉛直向振動最大位移為0.012 cm，鉛直向最大振動速度為15 cm/s；鉛直向最大振動加速度為58 000 cm/s2。

表4 各特征點(diǎn)的振動位移、速度、加速度峰值統(tǒng)計(jì)表Tab.4 Statistics of vibration displacement, velocity and acceleration

從圖7、8可以看出，隧洞圍巖巖體對施工爆破振動應(yīng)力波具有明顯的衰減作用，質(zhì)點(diǎn)振動隨著爆源距的增大，起振時間越晚，振幅衰減率越慢。P1特征點(diǎn)幾乎在爆破同時開始振動，而且位移振幅在很短的時間內(nèi)衰減至0附近，P5特征點(diǎn)振動時間較起爆時間延遲約0.15 s，振動位移在1 s內(nèi)衰減了極值的90%；從圖9、10來看，S5特征點(diǎn)振動時間較起爆時間延遲約0.12 s，在振動2 s后，其豎直向速度和加速度均衰減至極值的50%。

圖7 特征點(diǎn)P1的振動位移時程曲線圖Fig.7 Time history curve of vibration displacement of point P1

圖8 特征點(diǎn)P5的振動位移時程曲線圖Fig.8 Time history curve of vibration displacement of point P5

圖9 特征點(diǎn)S5的振速時程曲線圖Fig.9 Time history curve of vibration velocity of point S5

圖10 特征點(diǎn)S5的振動加速度時程曲線圖Fig.10 Time history curve of vibration acceleration of point S5

從特征點(diǎn)振速峰值衰減曲線可以看出，振速峰值在距爆心距15 m以內(nèi)衰減速率最快，振速峰值與爆心距之間近似呈線性關(guān)系，在爆心距15 m以后，振速峰值與爆心距之間呈非線性關(guān)系，衰減速率逐漸變緩。在爆心距100 m范圍外，振速峰值小于0.2 cm/s，表明在距爆源100 m范圍外基本不受爆破影響。

圖11 同高程特征點(diǎn)振速峰值與爆心距的衰減曲線圖Fig.11 Attenuation curve of the peak velocity of the same point and the distance of the center of detonation

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)[6]規(guī)定的爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)，選擇最不利安全允許質(zhì)點(diǎn)振速0.15 cm/s作為丹巴滑坡體的爆破振動控制標(biāo)準(zhǔn)。從圖11可以看出：當(dāng)爆心距為120 m時，質(zhì)點(diǎn)的振速峰值為0.15 cm/s，離引水隧洞最近的滑坡體質(zhì)點(diǎn)(距離1 420 m)振速極值僅為0.024 cm/s，遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)下限值0.15 cm/s，表明引水隧洞的施工爆破不會對丹巴滑坡體安全造成影響。

4 滑坡穩(wěn)定性分析

基于有限元軟件GeoStudio，分別采用剛體極限平衡法和有限元法，計(jì)算施工爆破前后丹巴滑坡的穩(wěn)定安全系數(shù)，滑坡的施工爆破擾動作用效應(yīng)采用擬靜力法計(jì)算，且考慮最不利情況，以附加水平最大加速度1.35 cm/s2作為振動計(jì)算加速度，同時根據(jù)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[7]考慮振動效應(yīng)的折減系數(shù)和質(zhì)點(diǎn)的動態(tài)分布系數(shù)計(jì)算滑坡體質(zhì)點(diǎn)的動荷載慣性力。兩種計(jì)算方法所得爆破前后的滑坡體穩(wěn)定性計(jì)算成果見表5。

表5 爆破前后滑坡體穩(wěn)定性計(jì)算成果表Tab.5 Calculation results of landslide stability beforeand after blasting

可以看出：采用剛體極限平衡法時，在無爆破振動作用下，滑坡體的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.358；在爆破作用下，滑坡受到微弱的振動作用，其安全系數(shù)為1.336，較無爆破作用時略有降低，但均滿足規(guī)范要求，滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。有限元法計(jì)算結(jié)果與剛體極限平衡法相似，在無爆破振動作用下，滑坡體的穩(wěn)定系數(shù)為1.381；在爆破作用下，其安全系數(shù)為1.353，均滿足規(guī)范要求。有限元法結(jié)果均大于剛體極限平衡法結(jié)果，這主要是由于兩種計(jì)算方法的差異，以及滑弧上條分位置與應(yīng)力積分點(diǎn)位置不同造成滑弧位置上的差異所致。在引水隧洞爆破作用下，丹巴滑坡雖然受到微弱的振動作用，但不會造成丹巴滑坡體的失穩(wěn)。

5 結(jié) 論

(1)離爆源的距離越近，質(zhì)點(diǎn)的振動頻率和振幅越大，且振動衰減也較快，當(dāng)距離爆心距足夠大時，水平向的振動幅值和鉛直向值差不多，振動位移、速度、加速度的時程曲線圖相似，此時爆破產(chǎn)生的振動影響很小。

(2)振速峰值在距爆心距15 m以內(nèi)衰減速率最快，在爆心距15 m以后衰減速率逐漸變緩，在距爆源100 m范圍外基本不受爆破影響。

(3)剛體極限平衡法和有限元法計(jì)算得到的滑坡穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，表明引水隧洞爆破不會影響丹巴滑坡體的穩(wěn)定和安全。

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[6] GB6722-2003，爆破安全規(guī)程[S].

[7] SL 203-1997，水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].