丁安娜

（鉛山縣水利局，上饒 鉛山 334500）

0 引言

隨著我國(guó)水利水運(yùn)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，緊鄰城鎮(zhèn)的航道整治、碼頭等工程越來(lái)越多。水下鉆孔爆破是航道整治工程的主要手段之一，也是碼頭港口港池開挖、橋墩基坑開挖、過江管線管溝開挖、取水頭泵房開挖的重要施工方法[1，2]。這類爆破工程大都位于城鎮(zhèn)周邊，爆破區(qū)周邊環(huán)境復(fù)雜，涉及到居民區(qū)、廠房、橋梁、碼頭、電力塔架、古建筑、箱涵、道路等，隨之而來(lái)的爆破危害也將不容忽視，控制不當(dāng)，水下爆破產(chǎn)生的爆破有害效應(yīng)就將危及周圍建筑物和重要設(shè)施的安全。這就對(duì)水下控制爆破技術(shù)提出了更高的要求，如何有效地控制爆破有害效應(yīng)，保障建（構(gòu)）筑物和附屬設(shè)施的安全，已成為當(dāng)前水下爆破工程界亟待解決的一項(xiàng)重要課題[3]。

在三峽庫(kù)區(qū)，許多河道存在的水下礁石已經(jīng)嚴(yán)重影響河道的正常航運(yùn)要求，為了改善航道水深，滿足大型船舶的雙向通航要求，有必要對(duì)水下礁石進(jìn)行清除處理。就目前而言，爆破是礁石清除最為有效的方式，在爆破過程中，炸藥在炮孔中爆炸后會(huì)釋放大量能量，在應(yīng)力波和爆生氣體的共同作用下造成巖石破碎，達(dá)到破除礁石的目的[4]。然而，炸藥爆炸會(huì)在巖層中形成地震波，對(duì)臨近庫(kù)岸構(gòu)筑物存在一定影響。在爆破工程中，通常僅考慮爆源對(duì)被保護(hù)對(duì)象的水平距離，水平距離越大，振動(dòng)效應(yīng)越小。實(shí)質(zhì)上，由于庫(kù)岸高度、坡度的影響，同一水平距離的水下礁石爆破對(duì)庫(kù)岸構(gòu)筑物的振動(dòng)影響是不同的。

鑒于此，針對(duì)河道水下礁石爆破對(duì)臨近庫(kù)岸橋墩的振動(dòng)效應(yīng)，采用有限元三維動(dòng)力分析手段，考慮岸坡地形條件等因素開展了一系列分析研究，擬查明不同岸坡高度情況下水下礁石爆破對(duì)庫(kù)岸構(gòu)筑物的振動(dòng)影響規(guī)律。

1 有限元模型計(jì)算

1.1 水下礁石爆破對(duì)庫(kù)岸構(gòu)筑物影響分析簡(jiǎn)圖

為研究水下礁石爆破對(duì)庫(kù)岸構(gòu)筑物的振動(dòng)影響，本文建立了礁石-岸坡-橋墩的概化模型，如圖1所示。其中，岸坡坡度為45°，礁石與橋墩中心水平距離L為50.0 m，橋墩高度為15.0 m，炸礁深度為4.5 m。由于庫(kù)岸構(gòu)筑物位于坡頂?shù)乇砻妫虼耍托枰紤]通過巖土體傳播至橋墩的地震波影響，水中沖擊波的影響可忽略。

圖1 炸礁區(qū)域地形概化示意圖

在以上參數(shù)的基礎(chǔ)上，建立了4種坡高的礁石-岸坡-橋墩-模型，坡高分別為0，10.0，20.0，30.0 m（控制邊坡坡頂點(diǎn)位置不變），開展了有限元?jiǎng)恿Ψ治?。?jì)算模型簡(jiǎn)化圖見圖2。

圖2 計(jì)算模型簡(jiǎn)化示意圖

1.2 礁石爆破計(jì)算參數(shù)及有限元計(jì)算模型

根據(jù)三峽庫(kù)區(qū)航道JTS 204-2008《水運(yùn)工程爆破技術(shù)規(guī)范》及炸礁工程的工程經(jīng)驗(yàn)，炮孔直徑D取80.0 mm，鉆孔超深△h取1.5 m，炮孔深度h1則由炸礁深度和鉆孔超深共同決定，為4.5+1.5=6.0 m，炮孔堵塞長(zhǎng)度h0取1.5m。炮孔布置采用梅花形布置，結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)選取孔距和排距，取炮孔排間距為1.7 m×1.6 m?？紤]爆破的最不利影響，所設(shè)置的3排共27孔單次齊發(fā)，根據(jù)巖石硬度、孔排距等因素，炸藥單耗q取為1.72 kg/m3。

此次計(jì)算中，基巖和礁石為砂巖，橋墩為C50混凝土，取飽和力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖體抗剪斷（抗剪）試驗(yàn)成果

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)（飽和）

巖體爆破作用過程非常復(fù)雜，很難通過實(shí)測(cè)的手段獲得爆炸荷載隨時(shí)間變化的時(shí)程曲線，因此，在數(shù)值計(jì)算中，對(duì)爆炸荷載的處理采用等效的三角形脈沖荷載時(shí)程曲線（圖3）。通常認(rèn)為，爆炸荷載的持續(xù)時(shí)間為毫秒量級(jí)，t1為升壓時(shí)間，t2為總作用時(shí)間，取t1=3.0 ms，t2=12.0 ms。

圖3 抗剪正應(yīng)力-剪應(yīng)力曲線

圖3 三角形爆破荷載曲線

將CAD線框進(jìn)行簡(jiǎn)化，確定分析區(qū)域和邊界尺寸，導(dǎo)入有限元軟件Midas GTS NX，建立岸坡-礁石-橋墩模型，劃分實(shí)體網(wǎng)格單元，并賦予材料屬性，如圖4所示。

圖4 模型網(wǎng)格劃分示意圖

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 橋墩應(yīng)力結(jié)果

沿橋墩高程方向每隔1.0 m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，獲取不同坡高條件下橋墩迎爆面應(yīng)力響應(yīng)特征，如圖5（a）所示。在不同坡高情況下，橋墩拉應(yīng)力峰值從下至上均呈先增大后減小的趨勢(shì)，最大拉應(yīng)力峰值出現(xiàn)在橋墩-基巖交界面附近（橋墩高程6.0 m處）。從圖5（b）可看出，隨著岸坡高度增大，橋墩最大拉應(yīng)力峰值逐漸減小，但減小幅度逐漸降低。

圖5 不同坡高條件下橋墩迎爆面拉應(yīng)力峰值結(jié)果

2.2 橋墩振速結(jié)果

由不同橋墩高程處合速度峰值分布情況圖6（a）可知，當(dāng)坡高為0 m時(shí)即水平場(chǎng)地情況下，橋墩迎爆面合速度峰值從下至上呈先增大后減小再增大的趨勢(shì)，呈S型曲線分布，最大合速度峰值出現(xiàn)于頂部。隨著岸坡坡高增大至一定程度，S型曲線逐漸變?yōu)閱握{(diào)遞增型曲線，同時(shí)，最大合速度峰值隨坡高增加呈逐漸減小趨勢(shì)，但減小幅度逐漸降低，如圖6（b）所示。

圖6 不同坡高條件下橋墩迎爆面合速度峰值結(jié)果

2.3 地表、坡面振速衰減規(guī)律

為探究坡高對(duì)場(chǎng)地振速衰減規(guī)律的影響，于地表、坡面設(shè)置若干監(jiān)測(cè)點(diǎn)（圖7），獲取了爆破整個(gè)時(shí)程中各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度峰值。由于Y向振速相對(duì)于X向、Z向振速而言小得多，故后文對(duì)Y向振速不進(jìn)行考慮。

圖7 地表坡面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

從圖8（a）可看出，隨著水平距離L的增加，不同坡高情況下的X向速度峰值均呈指數(shù)型函數(shù)衰減趨勢(shì)，岸坡越高，X向振速衰減越快，圖8（d）中合速度峰值衰減規(guī)律與其基本一致，振速大小也接近。圖8（b）中Y向振速峰值在L＜5.0 m范圍衰減較為劇烈，隨著水平距離L繼續(xù)增加，Y向振速峰值存在一定振蕩現(xiàn)象。如圖8（c）所示，Z向振速峰值隨水平距離L增加整體上呈指數(shù)型函數(shù)衰減趨勢(shì)，但曲線并不平衡且存在明顯拐點(diǎn)。總體而言，岸坡的存在加快了地表、坡面振速的衰減，且坡高越高，衰減幅度越大。

圖8 不同坡高情況下地表坡面振速衰減規(guī)律

現(xiàn)行爆破安全規(guī)程中常采用薩道夫斯基公式對(duì)爆破振速衰減規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè)，如下式所示：

式中：V為保護(hù)對(duì)象所在地安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，cm/s；K為與巖石性質(zhì)、爆破參數(shù)、爆破方式等因素相關(guān)的場(chǎng)地影響系數(shù)；Q為爆破最大段藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時(shí)爆破為最大一段藥量，kg；R為爆心距，通常指的是水平距離，m；α為爆破振動(dòng)衰減系數(shù)。

對(duì)式（1）進(jìn)行轉(zhuǎn)換即得到二元一次函數(shù)：

根據(jù)前文分析可知，爆源產(chǎn)生的地震波對(duì)橋墩影響主要為X方向上的影響，因此，表2僅給出X向振速和合振速的衰減規(guī)律公式。

表2 不同坡高情況下的振速衰減規(guī)律公式擬合結(jié)果

從表2可知，X向振速衰減規(guī)律公式的擬合系數(shù)R2較合振速的大些，說明薩道夫斯基公式對(duì)于單向振速的擬合程度更高。隨著坡高增加，振速衰減系數(shù)α數(shù)值逐漸增大，場(chǎng)地影響因素K則逐漸減小。由于各計(jì)算方案中巖土體參數(shù)和爆破荷載均不變，說明坡高直接影響了場(chǎng)地影響系數(shù)和爆破振動(dòng)衰減系數(shù)。

3 結(jié)論

采用三維動(dòng)力有限元計(jì)算分析，研究了4種坡高條件下水下礁石爆破對(duì)臨近岸坡橋墩的影響，查明了爆破地震波傳播規(guī)律，分析了橋墩動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，討論了地表、坡面振速峰值的衰減規(guī)律，主要結(jié)論如下。

1）在爆破作用下，橋墩拉應(yīng)力峰值從下至上均呈先增大后減小的趨勢(shì)，最大拉應(yīng)力峰值出現(xiàn)在橋墩-基巖交界面附近；橋墩最大拉應(yīng)力峰值隨著岸坡高度增大而逐漸減小，但減小幅度逐漸降低。

2）橋墩迎爆面合速度峰值呈S型曲線分布，且最大合速度峰值出現(xiàn)于頂部，同時(shí)隨著岸坡坡高的增加，S型曲線逐漸變?yōu)閱握{(diào)遞增型曲線；橋墩最大合速度峰值隨著岸坡高度增大而逐漸減小，但減小幅度逐漸降低。

3）隨著距爆心水平距離L的增加，不同坡高情況下的合振速峰值均呈指數(shù)型函數(shù)衰減趨勢(shì)，其中岸坡越高，振速衰減越快。

4）隨著岸坡坡高的增大，場(chǎng)地影響系數(shù)逐漸減小，爆破振動(dòng)衰減系數(shù)逐漸增大，岸坡的存在會(huì)加快爆破所產(chǎn)生的地震波在地表和坡面的衰減，且坡高越高，衰減幅度越大。