某水電站洞室爆破對邊坡安全影響分析

贠永峰,張小強,張 方,王 明

(西安科技大學建筑與土木工程學院,陜西 西安 710054)

0 引 言

近年來,在采礦、水利和水電、公路及鐵路等巖土工程中洞室爆破越來越多[1-2].隨著爆破施工的進行,山地周圍會產生邊坡.洞室爆破時,炸藥在巖土介質中除了對介質做功消耗能量外,一部分能量以波的形式向外傳播,形成的爆破地震波產生的振動威脅既有邊坡的穩定性,影響施工的正常進行.因此,必須對邊坡爆破振動進行連續監測,以便研究爆破地震波在邊坡中的傳播規律,采取合適的評價參量和控制方法,以期達到對邊坡爆破振動危害的有效減緩.本文依托某水電站壩基取料洞室爆破,對山體周圍不穩定巖層地段的邊坡進行質點振動監測,采用了質點3向振速評價爆破振動強度.

1 工程概況

本工程壩體為面板堆石壩.為了方便施工、節省成本,在大壩一定距離處爆破取料.按照水電站面板堆石壩壩料開采總體計劃,在壩料上壩之前必須準備40X104m3的備料.根據主料場與輔助料場的實際情況,進行第2次洞室爆破開采,第2次爆破擬在大壩蓄水之前,將淹沒區450 m高程以下巖石盡可能地開采利用,爆區主要布置在主料場坡腳500 m高程以下.由于前期壩料的施工開采,施工現場形成了約100 m的邊坡.隨著取料和施工進行,邊坡的穩定性將受到關注.

固定邊坡料場第2次爆區與其他區域基本被溝谷切割,界限較清晰.山脊部分為有用料,基巖裸露,山脊頂部巖層呈豎條形切割.表土覆蓋層均處在山脊間溝壑,厚3~5 m.巖層走向S50°E,傾向NE∠75°.

爆區地層為寒武紀下統天河板組,巖性主要為灰色薄層狀泥質條帶灰巖、豆狀灰巖及頁巖,弱風化灰巖主要集中于山脊軸部,局部含有少量硅質結核.區內軟弱頁巖層相對集中,主要集中在爆破區北端東西向山脊南側、南部緩坡地段,層厚15~20 m.

2 爆破條件及監測

在爆破開采時,采用洞室爆破施工,洞室中的震源段微差間隔一般大于100~300 ms,采用2號巖石乳化炸藥、膨化硝銨炸藥,毫秒微差電雷管或導爆管起爆.在上述的背景下,進行了壩體堆石料的第2次洞室爆破開采,此次洞室爆破總裝藥量370 t.

為預測一定距離的爆破振動質點振速值,在離爆心一定距離、一定坡度的山體上布設測點,測點一般位于坡腳、坡中、坡頂不同高度的坡面上.如果條件允許,盡量將測點布設于爆源與坡面正交的同一剖面上.

反映爆破振動強度的參量有質點位移、加速度、速度和能量比等.國內比較一致的意見認為,構筑物的破壞與質點振速關系密切,南芬、大冶、水廠等大型鐵礦以及三峽工程等均采用質點振速作為監測與評價參量[3-5].因爆破引起邊坡巖層內或表面的質點振動有垂直、徑向與切向3個方向,故采用3個方向的質點振速作為監測參量來評判爆破振動的強度.

采用成都中科動態儀器有限公司EXP3850爆破振動儀及配套的速度傳感器.該測振儀主機由自帶固化程序的微型電腦、熱敏打印機、充電蓄電池組成,輔體由三維測振傳感器 (拾震器)組成.主要性能參數:①自動觸發;②觸發水平:1 mm/s(1、2號測點),0.51 mm/s(3號測點);③單次監測;④標準采樣率;⑤通頻帶2~300 Hz;⑥速度誤差小于0.01 mm/s;⑦加速度誤差小于0.009 8 m/s2;⑧位移誤差小于0.001 mm.傳感器安放需注意以下3點:

(1)在土壤上安放時,需將測點處表層一定厚度的浮土去掉,然后用石塊或其他硬物將土層砸實,用石膏粉加水調制成漿糊狀,將傳感器粘結在砸實的土層上.

(2)在巖石層上安放時,先將所要安放的部位用清水洗刷干凈,再用生石膏粉加水調制成漿糊狀,將傳感器粘結在石膏上.

(3)由于EXP3850型測振儀附帶的傳感器為3個方向的,故而在此次測試中,Y方向指向爆源方向 (即軸向),X方向為與爆源方向垂直 (即橫向).

3 爆破振動分析

3.1 監測數據

為得到爆破地震波在邊坡中傳播的衰減規律,按照預定的監測方案進行爆破振動測試,共取得了3個點次的9組數據.通過對波形圖進行時域分析和頻譜分析,得出各測點的實測振動數據.測試數據的結果見表1.

3.2 質點振速分析

爆破振動傳播的衰減規律采用薩道夫斯基的經驗公式[6-7]

式中,K為與地質條件、爆破方法等因素有關的系數;α為與地質條件有關的地震波衰減系數;Q為與振速V值相對應的最大段起爆藥量;R為測點與爆心的直線距離;ρ=Q3■/R為比例藥量.K、α可通過振動監測數據回歸計算求得.

在已知爆破藥量、傳播介質特性及衰減系數、測點至爆心距離的條件下可預測、評價邊坡上爆破振動峰值質點振速, 并以此作為減緩爆破振動對邊坡危害的數據基礎.

對邊坡的眾多爆破振動監測表明,當測點位于爆心上方時, 高差對測點的振速具有放大作用,且該作用程度和高差成正比.而式(1)并未考慮高差的影響,將高差影響因素納入式(1)中得到[8]

式中,β為高差影響指數,可由監測數據回歸求得;R為爆心至測點的斜距;S為爆心至測點的水平距.

表1 測試數據結果

根據現場對邊坡振動的監測數據, 利用多元回歸分析方法,求出K、α、β值即可確定邊坡上爆破地震波的衰減經驗方程.

為便于線性回歸, 式(2)等號兩邊各取常用對數得到

對坡頂、坡中、坡腳而言, 其n值都為3.利用式(3)和其變化的式子,運用Excel進行多元線性回歸得到K、α、β值.回歸結果見表2.

表2 回歸分析結果

再由lgKi=4.532(4.096,4.786),i=1,2,3得,以上3處邊坡上質點振速衰減式分別為邊坡切向速度

邊坡徑向速度

邊坡垂向速度

3.3 振動衰減規律分析

在此次洞室爆破過程中,各向速度的監測數據中,垂直向速度大于其他2個方向,說明爆破振動中垂向速度影響邊坡的穩定性程度最大,切向次之,最后是徑向.從頻率的大小上得出,爆破振動垂向的主頻最大,沿其方向上的能量輸送最大,對邊坡的穩定性影響程度也較大.在爆破地震波傳播主要方向上,邊坡切向速度振動衰減速率最快,垂向次之,徑向最小;而質點垂直振速受高差影響的程度上恰好不同,徑向受到高差影響程度較大,切向次之,垂向最小.這些衰減和影響程度與巖層地質狀況相對應,符合實際情況.故在以上地段實施爆破時,應充分注意各地段邊坡上質點垂直振速的衰減特征,從而采取合理的爆破設計方案,最大限度地保護邊坡的安全.

4 結 語

(1)本次洞室爆破藥量較大,錄像資料和爆后現場檢查表明,所有藥室都安全起爆.爆堆堆積在設計的塌散范圍內,爆破飛石最大距離均在安全警戒線之內.巖石破碎充分,塊度均勻,基本無大塊,大大降低了2次破碎成本.顆粒級配良好,符合面板堆石壩壩基石料要求.

(2)為了最大程度地減小爆破振動,采用了分段微差爆破措施,爆破振動得到了有效控制,樓房結構、周邊民房、高壓電線等均未受損害,爆破振動危害小于預期,周圍邊坡處于安全狀態.分段微差爆破技術的運用可以有效地減小爆破振動的產生.

(3)本次爆破取得了較好的效果,說明設計采用的爆破方案、爆破參數、爆破起爆網絡等是正確合理的,可為其他爆破工程提供參考.

[1] 顧定軍.洞室爆破在小型采石場中的應用[J].煤礦爆破,2006,72(1):37-38.

[2] 焦永斌,程新鋒,鄧飛,等.采石場條形藥包洞室爆破[J].工程爆破,2005,11(3):43-45.

[3] 黃興禮.工程爆破地震問題的探討[J].爆破,1992(3):1-6.

[4] 黃濤.幾個水電站地下工程的爆破振動[J].爆破,1985(3):28-35.

[5] 高曉初.我國露天鐵礦大區多排微差爆破技術[J].爆破,1995(3):33-38.

[6] 杜漢清.爆破振動衰減規律的現場試驗研究[J].爆破,2007,24(3):107-109.

[7] 胡建敏,劉華.柘林水電站擴建工程施工期爆破振動衰減規律[J].巖石力學與工程學報,2001,20(z1):1861-1864.

[8] 廖大學,史秀志,劉金明,等.井下爆破振動的衰減規律研究[J].采礦技術,2007,7(2):92-93.