劉占超

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110006)

在水利水電爆破施工過程中，爆破振動影響是安全監(jiān)測的重點(diǎn)，一般水利水電工程爆破安全監(jiān)測的主要對象是水工建(構(gòu))筑物及其基礎(chǔ)。對爆破區(qū)域重點(diǎn)部位進(jìn)行振動監(jiān)測可以有效反應(yīng)工程爆破的影響，還可以通過監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行資料對比分析優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)。本文以遼寧某重點(diǎn)引水工程進(jìn)水口巖坎爆破為研究對象，簡述該工程爆破振動監(jiān)測設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)分析情況。

1 工程概況

遼寧某重點(diǎn)引水工程進(jìn)水口由取水邊坡與取水控制豎井及有壓引水洞、輸水隧洞等組成。取水口后145m樁號處為檢修閘門控制室，控制室采用豎井式結(jié)構(gòu)，檢修豎井高50.0m，長7.82m，寬5.70m，豎井內(nèi)布置一道檢修閘門(2.5m寬×2.0m高)、一道攔污柵(2.5m寬×2.0m高)，輸水隧洞長4.39km，隧洞為有壓隧洞，襯砌斷面為圓形，襯砌洞徑為2.0m。

監(jiān)測工作主要包括監(jiān)測儀器和設(shè)備的采購、保管、率定、安裝；巖坎爆破時(shí)閘門、閘墩所受動水壓力、表面應(yīng)變、振動位移觀測等；整理、分析觀測資料。

2 監(jiān)測內(nèi)容和方法

2.1 動水壓力

動水壓力和時(shí)均壓力反映了相關(guān)部位的主要水力特性，是分析動水荷載的重要參量，利用壓力傳感器同時(shí)進(jìn)行動水壓力和時(shí)均壓力的測量，其信號經(jīng)放大后由專門的計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)記錄和分析。

2.2 涌浪

涌浪反映了對應(yīng)部位的水位變幅，通過壓力傳感器測量，其信號經(jīng)放大后由專門的計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)記錄和分析。

2.3 振動位移

通過布置在進(jìn)口閘墩和工作門墻上振動位移監(jiān)測儀，監(jiān)測爆破時(shí)閘室震動。利用振動位移傳感器進(jìn)行測量，其信號經(jīng)放大后由專門的計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)記錄和分析。

2.4 動應(yīng)力(變)

通過布置在豎井兩側(cè)邊墻及取水進(jìn)口胸墻處的應(yīng)變計(jì)，監(jiān)測其在爆破沖擊力作動應(yīng)(變)力。

3 儀器選取

3.1 壓力傳感器

用于動水壓力(含時(shí)均壓力及脈動壓力)觀測。

(1)壓力傳感變送器應(yīng)根據(jù)測量部位在各種運(yùn)行工況下可能發(fā)生的最大動水壓強(qiáng)合理選擇傳感器的量程，確保滿足在各種運(yùn)行工況下的監(jiān)測需要。

(2)壓力傳感變送器除應(yīng)考慮其量程和精度外，要確保其防水性，壓阻式傳感器的測頭宜選用不銹鋼雙隔離膜形式。

(3)傳感器的正常工作溫度范圍應(yīng)覆蓋過流測量的環(huán)境溫度。

(4)傳感器的外殼應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，正常安裝不改變傳感器的初始狀態(tài)。

(5)脈動壓力傳感器的頻響范圍應(yīng)滿足脈動壓力信號監(jiān)測的需要，一般情況下其響應(yīng)頻率應(yīng)大于60Hz，水流紊動劇烈或摻氣時(shí)應(yīng)適當(dāng)增大壓力傳感器的頻響范圍。

3.2 振動傳感器

用于建筑物的振動測量，采用位移傳感器，頻率范圍0.2～200Hz，靈敏度根據(jù)測點(diǎn)位置選定。

(1)傳感器質(zhì)量應(yīng)小于測試對象有效質(zhì)量的1/10，以避免增加質(zhì)量負(fù)荷，改變結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。

(2)測試前應(yīng)對測試對象的頻率、可能產(chǎn)生的最大振動位移進(jìn)行預(yù)估，選擇合適頻率范圍及靈敏度的傳感器。

(3)對傳感器的工作環(huán)境有充分了解，如溫度、磁場、濕度等，特別是是否有防水要求等，并檢查所采用的傳感器能否滿足要求。

4 測點(diǎn)布置

取水口巖坎拆除水下爆破監(jiān)測項(xiàng)目共布置3個(gè)動水壓力測點(diǎn)、一個(gè)涌浪測點(diǎn)、4套振動位移測點(diǎn)及3個(gè)動應(yīng)(變)力測點(diǎn)。詳見表1。

表1 爆破振動監(jiān)測測點(diǎn)布置表

5 監(jiān)測成果

本次監(jiān)測共對取水口巖坎拆除爆破進(jìn)行了2次爆破監(jiān)測，監(jiān)測統(tǒng)計(jì)概況如下。

5.1 振動位移

通過監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，觀測到振動位移幅值因沖擊波快速增加，達(dá)到峰值，受建筑物約束而衰減，經(jīng)過近5s時(shí)間，建筑物振動結(jié)束。第一次爆破觀測到閘門控制室振動最大位移約1.99mm，位于胸墻頂順?biāo)鞣较駾S02(1)測點(diǎn)。第二次水下部分爆破監(jiān)測，爆破時(shí)的水位為293.0m。觀測到閘室處振動最大位移約2mm。

5.2 振動頻率

通過監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，成果表明：第一爆破各測點(diǎn)的主頻均未超過5Hz，優(yōu)勢頻率未超過10Hz，其中測點(diǎn)DS02(1)的主頻約為5Hz，其它測點(diǎn)的主頻率約為1Hz；第二次各測點(diǎn)主頻基本均為0.5Hz。

5.3 振動速度

觀測采用振動位移傳感器，再通過分析計(jì)算各測點(diǎn)的振動速度。結(jié)果表明：第一次爆破閘門控制室閘墩墻頂DS03(1)測點(diǎn)順?biāo)鞣较虻恼駝铀俣茸畲?，最大達(dá)到3.06cm/s；第二次爆破DS04(1)最大達(dá)到8.58cm/s從各測點(diǎn)振動速度看，振動速度超過DL/T 5135—2013《水電水利工程爆破施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的上限。各測點(diǎn)爆破振動速度過程線見表2。

表2 振動位移、主頻率、振動速度監(jiān)測匯總表

5.4 涌浪

涌浪測點(diǎn)SW布置在攔污柵上，測點(diǎn)高程290.6m，2次爆破觀測時(shí)水位為292.5和293.0m。從波形圖看，爆破開始后，儀器受沖擊波的影響，傳感器出現(xiàn)了較大壓力值，根據(jù)波浪傳播原理，波浪在沖擊波之后出現(xiàn)。從涌浪圖中可看出，波浪最大幅值為1.04及0.54m。

5.5 動水壓力

本次觀測由于受現(xiàn)場條件限制，測點(diǎn)位置未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的高程，且B03號測點(diǎn)在水面上，因而觀測到爆破水流沖擊波的影響。從測點(diǎn)B01和B02的觀測數(shù)據(jù)來看，第二次爆破的動水壓力明顯大于第一次爆破，最大為B01測點(diǎn)，達(dá)到383.9kPa。動水壓力監(jiān)測匯總見表3。

表3 動水壓力監(jiān)測匯總表 單位：kPa

5.6 動應(yīng)(變)力

閘門動應(yīng)變片在第一次爆破時(shí)沒有安裝，此處僅對第二次爆破進(jìn)行分析：

爆破沖擊波作用下混凝土岸墻測點(diǎn)布置在連接岸墻的檢修豎井內(nèi)側(cè)▽265.00m高程處，根據(jù)取水口左右岸墻結(jié)構(gòu)力學(xué)特征，該部位動應(yīng)力可以作為結(jié)構(gòu)安全控制點(diǎn)。應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)共選擇3點(diǎn)，分別位于豎井兩側(cè)邊墻及取水進(jìn)口胸墻處，標(biāo)號測點(diǎn)C、測點(diǎn)A、測點(diǎn)B。測點(diǎn)布置示意圖如圖1所示。

圖1 取水口爆破振動監(jiān)測布置圖(單位：m)

取水口左右岸連接岸墻為混凝土重力式結(jié)構(gòu)，主材采用C35標(biāo)號混凝土。根據(jù)混凝土材料特性表，混凝土軸心抗壓設(shè)計(jì)值(fc)為16.7N/mm2，混凝土軸心抗拉設(shè)計(jì)值(ft)為1.43N/mm2，混凝土彈性模量(Ec)為3.15×104N/mm2，泊松比(νc)為0.2。

根據(jù)爆破時(shí)程監(jiān)測曲線，可以獲得爆破沖擊力作用下閘墩混凝土各測點(diǎn)應(yīng)力值，表4為應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，測點(diǎn)A、測點(diǎn)B、測點(diǎn)C 3點(diǎn)的最大動應(yīng)力單峰值分別為1.29、1.04、1.14MPa，兩側(cè)墻最大沖擊動應(yīng)力較接近。

混凝土監(jiān)測點(diǎn)的控制應(yīng)力為拉應(yīng)力。根據(jù)C35混凝土材料特性，混凝土軸心抗拉設(shè)計(jì)值(ft)為1.43N/mm2，根據(jù)SL 677—2014《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)規(guī)定可知：

KS≤R

(1)

式中，K—承載力安全系數(shù)；S—荷載效應(yīng)組合值；R—結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面承載力設(shè)計(jì)值。

輸水工程安全系數(shù)可取1.1，則KS=1.1×1.29=1.42N/mm2，可見爆破沖擊波產(chǎn)生的振動應(yīng)力接近混凝土軸心抗拉設(shè)計(jì)值。

表4 閘墩混凝土測點(diǎn)實(shí)測值與換算應(yīng)力值

6 數(shù)據(jù)分析

6.1 爆破參數(shù)

本工程質(zhì)點(diǎn)振動速度與單孔裝藥量的關(guān)系通過薩諾夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式確定：

Q=R3([V]/K)3/a

(2)

式中，V—允許質(zhì)點(diǎn)振動速度，cm/s；R—爆源中心至建筑物的距離，m；K，a—場地系數(shù)。

由于本工程沒有爆破振動傳播規(guī)律實(shí)測資料，K，a值通過類似圍堰拆除工程類比然后應(yīng)用最小二乘法回歸計(jì)算來確定。

6.2 距離分析

從表2可以看出，質(zhì)點(diǎn)振動速度及位移分別在近爆破點(diǎn)的DS03、DS04測點(diǎn)最高，向外迅速衰減，在40m距離附近的DS01，DS02點(diǎn)降至近起爆點(diǎn)的1/3以下，在120m以外的建筑物旁基本沒有明顯的震感，爆破振動不會對該范圍以外的建筑物結(jié)構(gòu)造成損害。

6.3 頻譜分析

質(zhì)點(diǎn)振動速度最大值對應(yīng)的頻率即為爆破振動主頻。建筑物自振頻率與爆破引起的振動頻率越是接近，越會因?yàn)楣舱裥?yīng)對建筑物造成破壞。第一次爆破中測點(diǎn)頻率均約為20～25Hz；第二次爆破中各測點(diǎn)頻率均約為10～15Hz。通過表2—3可以看出，各測點(diǎn)振動位移、振動速度及動水壓力第二次爆破均大于第一次爆破，在第二次爆破中部分測點(diǎn)振動頻率與建筑物自振頻率比值f/f0接近或小于5，有可能發(fā)生共振現(xiàn)象。DS04(1)點(diǎn)最大振動速度達(dá)到了8.58cm/s，超過了規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值，但建筑物沒有遭到破壞。由此可知，爆破頻率越低，越接近建筑物自振頻率，對建筑物破壞性越大。

7 結(jié)論

從監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)論來看，當(dāng)首先按照經(jīng)驗(yàn)公式及工程類比確定單孔最大裝藥量進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)時(shí)，附近建筑物的質(zhì)點(diǎn)振動速度和對水工建筑物的混凝土抗拉強(qiáng)度指標(biāo)已經(jīng)接近或小幅超過了相關(guān)規(guī)范的技術(shù)要求。原因綜上分析主要是爆破主頻低所致，后續(xù)爆破工作中應(yīng)該簡化起爆網(wǎng)絡(luò)，采用分段微差爆破等方法，減小共振對建筑物帶來的影響。同時(shí)繼續(xù)加強(qiáng)監(jiān)測，確保工程安全。

爆破振動監(jiān)測在水利工程施工領(lǐng)域具有十分重要的作用，本文通過這一工程實(shí)例，希望對爆破振動控制這一復(fù)雜課題帶來一個(gè)工程實(shí)例的分析與討論，對該問題的解決方案及標(biāo)準(zhǔn)制定還仍需提高。