白蓮河抽水蓄能電站地下廠房爆破振動傳播規律研究

李繼躍 劉經軍 陳 彬

（中國葛洲壩集團 第一工程有限公司，湖北 宜昌 443002）

1 工程概況

白蓮河抽水蓄能電站位于湖北省黃岡市羅田縣白蓮河鄉境內，白蓮河水庫右壩頭上游側，主要承擔華中電網的調峰、填谷、調頻、調相等任務.工程規模為I等大（I）型工程，電站總裝機容量為1 200MW，裝有4臺單機容量為300MW的可逆式電動發電機組，機組額定水頭195m，采用二洞四機的聯合輸水方式.樞紐工程由上水庫、下水庫、輸水系統及發電系統等幾部分組成.發電系統地下廠房位于已建白蓮河水庫大壩右壩頭上游側山體內，廠房縱軸線方向為東西向，自上游向下游平行排列有球閥室－主廠房－主變洞－尾水閘門室4大洞室，三者之間的巖體厚度分別為30m、32m和15.6m；在地下主廠房與主變室之間布置4條母線洞和1條廠用配電洞，其軸線方向為南北向，與主廠房軸線方向垂直.白蓮河抽水蓄能電站地下廠房系統布置如圖1所示.

圖1 白蓮河抽水蓄能電站地下廠房系統三維效果圖

地下廠房系統洞室群布置在已建白蓮河水庫右壩頭上游側山體內，均位于雄厚的花崗巖體內，地下廠房處地面高程為250.00～307.00m，頂拱鉛直埋深155.00～212.00m，地表基巖裸露，弱風化巖石下限埋深10～15m.廠房圍巖主要為新鮮灰白色花崗巖，少量為肉紅色花崗巖，大部分地段圍巖完整性較好，巖體主要為塊狀、次塊狀結構，少量裂隙較發育地段為鑲嵌碎裂結構.影響廠房地質條件的主要斷層有F8（包括 F8－1、F8－2及其影響帶）.F8斷層破碎及影響帶聲波波速為2 800～4 800m／s，其余洞段RQD值一般在75%以上，巖體聲波波速一般為5 500～6 200 m／s.F8斷層帶及附近受影響部位基巖劃為Ⅳ類（局部Ⅴ類），Ⅳ類為主，約占70%，少量為Ⅲ類.

主廠房最大開挖尺寸為146.40m×23.25m×54.38m（長×寬×高，下同）；主變洞位于主廠房洞室下游，開挖尺寸為134.40m×19.70m×19.925m；球閥室位于主廠房上游，開挖尺寸為106.40m×10.70 m×27.88m；尾水閘門室位于主變洞下游，經運輸廊道與進廠交通洞相連，開挖尺寸為94.00m×10.80m×20.905m；主廠房洞與主變洞之間的4條母線洞均為城門洞形，長度32.00m，開挖斷面尺寸為B×H＝8.00m×9.80m；廠用配電洞與母線洞平行，位于廠房東端，城門洞形，B×H＝10.2m×8.50m，底板開挖高程50.60m.

2 爆破作用原理及爆破振動傳播規律

2.1 爆破作用原理和振動波

炸藥在巖石中爆炸時瞬間釋放出大量的高溫高壓氣體，產生強大的沖擊波，沖擊和壓縮周圍的巖石，在巖石中激發形成強烈的壓縮應力波.當這種壓縮應力波傳播到自由面時，從自由面反射，形成拉伸應力波.當拉伸應力波的強度超過巖石的極限抗拉強度時，引起巖石破碎.同時高溫高壓氣體膨脹的推動作用和楔入巖體裂隙內的尖劈作用，促使巖石進一步破碎.這就是炸藥在巖石中的爆破作用原理.

炸藥在巖體中爆炸時產生巨大的壓力，以極高的速度沖擊藥包四周的巖體，在巖體中激發產生傳播速度比聲速還大的沖擊波（爆炸應力波），使鄰近的巖石產生熔融、壓碎和破裂.在離藥包稍遠的地方，由于波的衰減，非彈性過程終止，開始出現了彈性效應，衰減后的沖擊波，變成引起巖石質點振動的彈性擾動，這種彈性擾動以彈性應力波（振動波）的形式向外傳播.

振動波按傳播途徑分為兩類：一類是體積波，在巖體內部傳播；另一類是表面波，沿巖體內外表面傳播.體積波按波的傳播方向和傳播途中介質擾動方向的關系，分為縱波和橫波.縱波又叫壓縮波，它的特點是傳播方向與介質質點運動方向一致，在傳播過程中會引起巖體的壓縮和拉伸變形.橫波又叫剪切波，它的特點是傳播方向與介質質點運動方向垂直，在傳播過程中會引起巖體的剪切變形.炸藥爆破時，在巖體中產生的體積波，特別是縱波，能使巖體產生壓縮和拉伸變形，是爆破造成巖石破裂的重要原因［1－2］.因此，在研究應力波的傳播過程時，必須要研究應力波傳播所引起的巖石介質質點的振動速度.

2.2 爆破振動波的傳播規律

衡量爆破振動強度的物理量有爆破振動引起的質點速度、加速度和位移等.現行國家標準及水利部行業標準中的安全振動控制標準均采用質點最大振速和主頻進行控制.爆破振動波引起的巖石質點振動的傳播規律通常采用薩道夫斯基經驗公式［2］確定：

式中，K、α為與地質、爆破方法、地質條件等因素有關的系數；K為場地系數，α為衰減指數；Q為與V值相對應的最大一段起爆藥量（kg）；R為測點與爆源中心的距離（m）；ρ為比例藥量.

對K、α值的影響因素很多，除了地形，地質條件外，還與爆破類型、裝藥結構、起爆方式，炸藥性能、爆破作用方向及防護對象的特點等有關，一般應通過爆破振動測試，回歸計算K、α值.當沒有試驗數據時，K、α值可按表1取值.

表1 爆區不同巖性的K、α值

2.3 爆破振動安全允許標準

爆破振動安全允許標準，對于評估爆破地震作用下建（構）筑物的安全影響，具有實際意義.由于爆破地震不同于天然地震，它的震源在地表淺層發生，能量衰減快，地震持續時間短，振動頻率較高，在離爆源近的范圍內地面質點豎向振動較顯著等.因此，爆破地震的破壞判據與天然地震不同.

我國爆破安全規程規定：地面建筑物的爆破振動判據，采用保護對象所在地質點峰值振動速度和主振頻率控制；水工隧洞、交通隧道、礦山巷道、電站（廠）中心控制設備、新澆大體積混凝土的爆破振動判據，采用保護對象所在地質點峰值振動速度控制.根據國家《爆破安全規程》（GB6722－2003）及水利水電安全規程規定，對水工建筑物，質點允許爆破振動速度見表2，白蓮河地下廠房各部位規定的質點允許安全振動速度見表3.

表2 爆破振動安全允許標準

表3 白蓮河抽水蓄能電站地下廠房質點允許振動速度

3 白蓮河地下廠房振動波傳播規律研究及振動控制

在評價爆破振動對建（構）筑物的危害時，一般采用介質質點振動位移、速度和加速度作為破壞判據，工程實踐資料表明，當邊界條件相似，藥量、爆心距和最小抵抗線一定時，質點振動速度變化較其他物理量相對顯著和穩定.

根據爆破振動速度傳播與衰減的薩道夫斯基經驗公式，通過一定數量的現場爆破振動速度檢測數據，進行回歸分析，求得地下洞室爆破開挖的巖體質點振動速度傳播與衰減的K、α值.然后再通過建筑物和保護對象允許的安全質點振動速度，反算出今后每次爆破時的允許最大裝藥量，確定合理的開挖方法和鉆爆參數，從而在爆破時，將其質點振動速度控制在安全標準范圍內.

3.1 爆破振動監測

根據地下廠房爆破開挖施工進度，在地下廠房中導洞及排水灌漿廊道開挖過程中采用四川拓普數字設備有限公司生產的TOPBOX振動信號自記儀進行了基巖爆破振動衰減規律試驗.這種儀器是一種自帶電池的盒式微型記錄儀，適用于爆破現場和野外測試.現場只需將它放在預定的測點上，與傳感器連在一起即可，待自動儀觸發記錄后即可取回，且斷電后數據不丟失，在現場或事后可通過RS232標準串口與筆記本電腦或計算機相連，對波形進行顯示、讀數、存貯、打印、繪制以及所需的數據處理與分析.

爆破振動測試采用速度傳感器及爆破自記儀測試系統進行爆破振動安全監測.測試系統方框如圖2所示.

圖2 測試系統方框圖

爆破振動測試測點布置圖和實測典型爆破振動波形如圖3～4所示.

爆破開挖振動檢測試驗數據見表4.

表4 爆破振動試驗檢測數據

續表4 爆破振動試驗檢測數據

3.2 爆破振動回歸分析

1）回歸依據

爆破振動速度經驗公式為：

兩邊取對數后為：

令y＝lgV、a＝lgK、b＝α和x＝lgρ，則y＝a＋bx通過解析法或一元線性回歸求得a和b，最終求得K、α.

2）回歸理論

設有兩個變量x、y的一組觀測數據（xi，yi），i＝1，2，…，n.假定x與y之間有線性關系：

分別對a，b求偏導數，并令其等于0，再經整理，就得到a，b所滿足的正規方程組：

由此得

則有：b＝Lxy／Lxx，a＝，于是得到回歸方程：＝a＋bx.

相關顯著性檢驗：如何判斷x與y之間線性相關程度，這里使用相關系數檢驗法進行統計推斷.兩個變量x和y的相關系數r定義為：

對給定的顯著水平α，查相關系數臨界值表，得rα（n－2），若｜r｜＞rα（n－2），則y與x 之間的線性關系是顯著的，若｜r｜≤rα（n－2），則y與x 之間的線性關系是不顯著的.

3）回歸分析結果

通過回歸分析求得完整基巖內爆破振動衰減規律.垂直質點振動速度：K＝136.0，α＝1.56，相關系數r＝0.945；水平質點振動速度：K＝100.7，α＝1.44，相關系數r＝0.93.得出白蓮河抽水蓄能電站地下廠房爆破振動衰減規律的經驗公式為：

3.3 降低爆破地震效應的措施

為防止爆破區域鄰近建筑物受爆破振動破壞，爆破設計時，應采用有效的控制措施，確保被護對象質點振動速度在安全允許值之內.

1）采用微差爆破.實踐表明，段間隔時間大于100ms，降振效果比較明顯；間隔小于100ms時，各段爆破產生的地震波不能顯著分開.

2）選擇合理的爆破方向.根據地形地質條件，選擇爆破方向，避開振動效應最大的后沖方向.

3）采用防振孔和預裂爆破.在爆破體與被保護體之間，鉆鑿不裝藥的單排防振孔或雙排防振孔，可以起到降振效果，降振率可達到30%～50%.采用預裂爆破，比打防振孔要減少鉆孔工作量，降振效果更好，但應注意預裂爆破時產生的振動效應.預裂孔和防振孔都應有一定的超深△h，一般取20～50cm.

4）控制最大單響起爆藥量.通過爆破測試，回歸計算出薩道夫斯基經驗公式中的K、α值，根據爆區與保護對象之間的距離、保護對象質點允許振動速度，求得最大單響藥量作為控制依據，限制一次爆破的最大起爆藥量.

5）在重要的和敏感的保護對象附近或爆破條件復雜地區進行爆破時，應進行爆破地震監測，以確保被保護物的安全.

3.4 白蓮河抽水蓄能電站地下廠房開挖爆破監測

在白蓮河抽水蓄能電站地下廠房開挖爆破的過程中，通過現場爆破振動速度測試試驗，求得地下洞室爆破開挖的巖體質點振動速度傳播與衰減規律.然后再通過允許的建（構）筑物和保護對象的安全質點振動速度，反算出每次爆破時的允許最大裝藥量，確定合理的開挖方法和鉆爆參數，從而在每次構筑物和保護對象附近爆破時，將其質點振動速度控制在安全標準范圍內.

在地下廠房開挖過程中，對圍巖巖壁、巖壁吊車梁等重要部位，進行了爆破質點振動速度監測，主要監測儀器布點如圖5所示.

圖5 監測儀器布點示意圖

實測地下廠房爆破開挖振動監測數據見表5.

表5 垂直質點振動速度監測結果

4 結 語

1）通過在地下廠房中導洞、排水灌漿廊道開挖過程中進行爆破振動檢測，回歸出了本地區地質條件下基巖爆破質點振動速度衰減規律：垂直質點振動速度：K＝136.0，α＝1.56，相關系數r＝0.945；水平質點振動速度：K＝100.7，α＝1.44，相關系數r＝0.93.爆破振動衰減規律的經驗公式為：

2）根據廠房開挖過程中關鍵部位爆破振動速度監測實測數據可以看出，地下廠房Ⅲ層以下開挖爆破和相鄰洞室爆破對澆灌后的巖壁吊車梁的爆破振動影響均小于設計控制標準，施工方法和爆破參數滿足廠房爆破開挖要求；爆破試驗給出的爆炸地震波在該地區花崗巖中傳播規律的經驗公式適合地下廠房巖石條件下的爆破開挖施工，能夠指導地下廠房爆破設計與施工，爆破振動得到了有效的控制.

3）將一次爆破的所有炮孔分成多段起爆，選擇合理的分段方式和起爆順序，減弱爆破作用對鄰近洞室的影響，為避免微差爆破延時時間不夠或延時誤差造成應力波疊加，使爆破振動加強，在選擇雷管段數時，應適當加大相鄰段別的段位差.

4）降低單段藥量是控制爆破振動最直接最有效的方法.根據薩道夫斯基公式可以看出在測點與爆心直線距離R相同、巖性和爆破條件相似的情況下，當段藥量Q2＝0.5Q1時，V2＝（0.74～0.64）V1，減振達20%左右.因此降低單段藥量可以明顯減小爆破振動.

5）完整的單段爆破地震波形應包括初震相、主震相和余震相.主震相周期一般為20～50ms.為了不使后一段震波與本段震波相疊加，下段爆破的時間間隔△t應保證本段余震相結束后再起爆，應使△t≥50～100ms，故應適當增加使用非電導爆管的段數.根據現場實測資料分析，合理的微差時間應大于50ms.

6）根據力學作用原理，在地形地質條件相似、巖性一致、爆破參數相同的條件下，振動作用最強的方向是最小抵抗線的方向，而側面較小.因此改變抵抗線的方向可以減小振動.

［1］ 祝文化，李元章，程 康，等.地下廠房吊車梁巖臺爆破開挖試驗研究［J］.工程爆破，2004（1）：53－55.

［2］ 許海亮，張繼春，楊 紅，等.鉆孔爆破振動速度計算公式及其簡化的探討［J］.同濟大學學報：自然科學版，2007，35（7）：899－903.