水庫輸水隧洞施工爆破振動對大壩安全影響監測及分析①

劉超英， 葛雙成

(浙江省水利河口研究院 ，浙江 杭州 310020)

水庫輸水隧洞施工爆破振動對大壩安全影響監測及分析①

劉超英， 葛雙成

(浙江省水利河口研究院 ，浙江 杭州 310020)

闡述柏峰水庫除險加固工程主壩輸水隧洞施工爆破振動對大壩安全影響。選擇有代表性的幾個部位,采用原位質點振動速度測試的方法對整個施工期間爆破振動對大壩安全影響進行全過程監測與分析。對實測結果分析表明，爆破振動對大壩安全未產生明顯的危害。監測成果可為工程爆破振動安全評價提供科學依據。

水庫輸水隧洞； 爆破振動； 質點振動速度； 頻譜分析； 大壩安全監測

0 引言

柏峰水庫位于浙江省義烏市赤岸鎮柏峰村，是一座以灌溉、供水為主，結合防洪等綜合利用的中型水庫。柏峰水庫除險加固工程主壩輸水隧洞進水口布置在距離原右岸隧洞上游30 m處，隧洞出口位于大壩下游壩腳60 m處，隧洞全長208 m。隧洞采用塔式進水口，分別取水的方式，隧洞進水口底高程93.00 m，分別取水閘門孔口尺寸均為2.0 m×2.0 m，檢修平臺高程為122.80 m，啟閉平臺高程為128.00 m。隧洞閘門井后設5.5 m漸變段。隧洞開挖洞徑2.6 m，襯后洞徑2.0 m，隧洞全段采用C25混凝土襯砌，隧洞出口布置供水設施。

柏峰水庫主壩為黏土心墻砂殼壩，該水庫除險加固工程主壩輸水隧洞施工爆破時，爆破源距離水庫大壩較近，因此存在施工爆破振動對大壩的安全影響問題。由于爆區距離大壩需保護物較近，不可避免會產生較大爆破振動效應影響，對大壩來說還存在爆破地震作用下的動力響應問題。因此,為了保證水庫主壩輸水隧洞工程施工爆破時大壩的安全，必須對大壩進行爆破振動監測以進行安全評價[1-2]。

1 爆破參數及監測總布置

1.1 爆破參數

(1) 第一次爆破振動監測

爆源位置為主壩輸水隧洞出口，出口點高程86.07 m。爆破方式為淺孔爆破，炸藥類型為2號巖石乳化炸藥。最大單響藥量為0.9 kg，總藥量為4.95 kg，全段裝藥。

(2) 第二次爆破振動監測

爆源位置為主壩輸水隧洞樁號0+195.04處，高程為86.92 m。爆破方式為淺孔爆破，炸藥類型為Φ32 mm、150 g乳化炸藥?？偪讛禐?5孔，平均單孔藥量為1.038 kg，最大單響藥量為1.8 kg ,總藥量為25.95 kg。雷管段數為7段，延遲時間為7 ms。

(3) 第三次爆破振動監測

爆源位置為主壩輸水隧洞樁號0+098.8處，高程為86.92 m。爆破方式為淺孔爆破，炸藥類型為Φ32 mm、200 g乳化炸藥。總孔數為26孔，平均單孔藥量為1 kg，最大單響藥量為2 kg ，總藥量為26 kg。雷管段數為7段，延遲時間為7 ms。

(4) 第四次爆破振動監測

爆源位置為主壩輸水隧洞樁號0-001.085處，高程為93.80 m。爆破方式為淺孔爆破，炸藥類型為Φ32 mm、200 g乳化炸藥；Φ32 mm、150 g膨化炸藥。平均單孔藥量為0.8 kg，最大單響藥量為1.5 kg，總藥量為20 kg。雷管段數為1、3、5、7、9、11段，延時為2 ms，總孔數為25孔。

1.2 監測系統及設備

采用TC-4850爆破測振儀和TYTEST型3分量高靈敏度速度傳感器，監測人工爆破過程瞬態爆破振動。該系統傳感器工作頻帶范圍2～500 Hz，系統記錄器內置數碼芯片自動對測試過程進行控制,可靈活方便設置測試參數,包括測試量程、采樣頻率、信號觸發方式及電平大小,記錄時間及次數等[3]。

1.3 監測點布置

根據爆破振動監測目的和要求，每次爆破振動監測中布置3個監測點。其中，測點1位于右岸岸墻頂面(樁號大壩0+221.24，高程126.21 m，混凝土面)，測點2位于右岸混凝土防滲墻頂面(樁號大壩0+210.72，高程126.20 m，混凝土面)，測點1與測點2在同一直線上即防滲墻中心線上，并且布置在壩頂上。測點3位于右岸山坡巖體(樁號大壩0+233.99，高程126.20 m，巖石面)，該測點主要了解帷幕灌漿區基巖振動情況。

2 監測成果

爆破質點振動速度監測成果見表1。爆破質點振動傅氏譜分析結果見表2，實測主壩輸水隧洞樁號0+098.8處爆破3號測點振動速度時程曲線及傅氏譜頻率分析見圖1、圖2。

從表1的監測結果可看出，主壩右岸岸墻、右岸混凝土防滲墻、右岸山坡巖體各測點實測最大振動速度值均在0.40 cm/s以內, 各測點最大振動速度值均滿足大壩結構體爆破振動速度控制值小于1 cm/s的設計要求。

表2中分析的岸墻、防滲墻、山坡巖體各測點振動傅氏譜第一峰頻率垂直向在15.69～33.90 Hz之間，而水平向在14.71～34.00 Hz之間, 遠離大壩壩體自振響應頻率。此外,由于結構體頂部振速通常較其基礎部位有所放大，因此可以認為大壩結構體基礎等部位質點振動速度至少應與實測大壩結構體頂部振動速度處于同一數量級,即一般不會超過0.40 cm/s，這明顯低于大壩基礎部位的安全控制振速,故水庫主壩輸水隧洞工程施工爆破不會對大壩的安全與穩定產生危害影響。

表1 柏峰水庫主壩輸水隧洞施工爆破振動速度監測結果

表2 柏峰水庫主壩輸水隧洞施工爆破質點振動傅氏譜分析結果

圖1 主壩輸水隧洞樁號0+098.8處爆破3號測點振動速度時程曲線Fig.1 Vibration velocity time-history curve of the 3rd measuring point from blasting in pile 0+98.8 of main dam water conveyance tunnel

3 爆破振動效應影響分析

3.1 振動歷程及峰值分析[4]

從實測振動波形來看,各測點振動持續時間垂直向在870～1 260 ms左右，基本沒有出現結構的低頻動力響應，水平向在1 050～1 960 ms之間, 振動歷程未有明顯爆破振動疊加激增現象，未出現明顯峰振疊加增強現象。主壩右岸岸墻、右岸混凝土防滲墻、右岸山坡巖體各測點實測最大振動速度值均在0.40 cm/s以內, 各測點最大振動速度值均滿足大壩結構體爆破振動速度控制值小于1.0 cm/s的設計要求。

通過爆破振動監測分析軟件對實測振速波形作積分及微分變換分析,從而得到表1中主壩右岸岸墻、右岸混凝土防滲墻、右岸山坡巖體各測點的位移及加速度測值結果(表3)。從表3可以看出，各測點產生的最大垂直向位移在0.013 mm以內,最大峰值加速度僅2.559 m/s2；各測點最大水平向位移均在0.012 mm以內,最大峰值加速度低于2.510 m/s2。這表明爆破自身對大壩的振動影響較小，不會對大壩安全與穩定造成危害性影響。

表3 換算的各測點位移及加速度測值結果

圖2 主壩輸水隧洞樁號0+098.8處爆破3號測點振動頻率譜分析圖Fig.2 Vibration frequency spectrum of the 3rd measuring point from diagram of blasting in pile 0+098.8 of main dam water conveyance tunnel

3.2 振動頻率分析

從表2可見, 主壩右岸岸墻、右岸混凝土防滲墻、右岸山坡巖體各測點分析的垂直向傅氏譜第一峰頻率在15.69～33.90 Hz之間，第二峰頻率在29.20～92.92 Hz之間，遠離大壩壩體自振響應頻率，這表明在垂直向大壩對爆破作用的反應很小。而各測點分析的水平向傅氏譜第一峰頻率在14.71～34.00 Hz之間，第二峰頻率33.45～95.66 Hz之間,同樣遠離大壩壩體自振響應頻率，表明在水平方向大壩對爆破作用的反應同樣較小。由于爆破振動持續時間短、頻率較高,具有起爆過程結束即自行消散的特征，因而在同等振幅情況下爆破直接產生的振動影響較小。

4 結論

(1) 監測的主壩右岸岸墻、右岸混凝土防滲墻、右岸山坡巖體各測點爆破振動速度最大值均明顯低于設計的爆破振動安全控制標準,爆破振動對大壩無結構性破壞作用。

(2) 采用毫秒微差導爆管聯接，分段微差起爆，爆破分段清晰,未有明顯爆破振動疊加激增現象，未出現明顯峰振疊加增強現象。柏峰水庫除險加固工程主壩輸水隧洞施工爆破中采用毫秒微差淺孔爆破，優化微差起爆時間及順序來控制爆破振動效應是合理的[5]。

(3) 各測點爆破振動速度時程曲線及振動頻譜分析表明, 爆破振動頻率遠離爆破大壩壩體自振響應頻率，壩體不會產生共振效應，爆破振動速度、加速度及位移幅值較小，振動速度最大值在0.40 cm/s以內,不會對大壩結構產生破壞作用。

References)

[1] 中國工程爆破協會.爆破安全規程(GB6722-2003)[S].北京：中國標準出版社，2004.China Society of Engineering Blasting.Safety Regulations Blasting(GB6722-2003)[S].Beijing：China Standards Press，2004.(in Chinese)

[2] 中國電力企業聯合會.水電水利工程爆破安全監測規程(DL/T5333-2005)[S].北京：中國電力版社，2006.China Power Business Association.Code for Blasting Safety Monitoring of Hydropower and Water Resources Engineering(DL/T5333-2005)[S].Beijing：China Power Press，2006.(in Chinese).

[3] 李彬峰.爆破振動的分析方法及測試儀器系統探討[J].爆破，2003，20(1)：81-84.LI Bin-feng.Discussion of Explosion Vibration Analysis Methodsand Measuring and Testing Instrument System[J].Journal of Blasting，2003，20(1)：81-84.(in Chinese)

[4] 霍永基.水工結構爆破震動效應研究及安全分析[J].工程爆破，2003，9(4)；72-77.HUO Yong-ji.Effect of Blasting Vibration on Hydraulic Structuresand Safety Analysis[J].Journal of Blasting，2003，9(4)：72-77.(in Chinese)

[5] 楊文東，范高軍.龍灘水電站左岸導流洞爆破振動測試與控制研究[J].地震工程與工程振動，2008，28(4)：168-172.YANG Wen-dong ，FAN Gaoju.Study on Test and Control of Blasting Vibration of Left Spillway Tunnel at Longtan Hydropower Station[J].Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration，2008，28(4)：168-172.(in Chinese)

Impacts of Vibration From Blasting on Dam Safety in the Baifeng Reservoir Water Conveyance Tunnel

LIU Chao-ying， GE Shuang-cheng

(ZhejiangInstituteofHydraulicsandEstuary，Hangzhou，Zhejiang310020，China)

Vibration from blasting for construction of a water conveyance tunnel at the Baifeng Reservoir main dam has potential effects on dam safety.In order to ensure the safety of the dam during blasting for the main dam water conveyance tunnel，blasting vibration must be monitored.By analyzing particle vibrating velocity，the effects of blasting vibration on the dam were monitored.Vibrations during four blasting events were monitored.Correlative data was collected using a TC-4850 vibrometer and a 3-component TYTEST velocity sensor.The response and characteristics of vibration from construction blasting were analyzed based on the data from three directions at each measuring point.Measurements included vibration history，peak，and frequency spectrum analysis.Results of the peak analysis showed that the maximum vibration velocity at each measuring point was less than 1.0 cm/s.This satisfied the design requirements for the control of blasting vibration velocity.The maximum vertical and horizontal displacements at each measuring point were within 0.013 mm.The maximum vertical and horizontal accelerations at each measuring point were within 2.559 m/s2.Results of the frequency spectrum analysis showed that the vertical and horizontal vibration frequency corresponding to maximum peaks on the Fourier spectrum were in the range of 14.71～34.0 Hz.This range of frequency response was outside the natural response frequency of dam structure，which did not experience the effects of resonance.Compared with the particle vibration velocity of the dam’s foundation，the particle vibration velocity at the top of the dam structure was amplified.Therefore，the particle vibration velocity at the dam foundation was less than that at the top of the dam，and consequently，under the threshold at which security controls at the dam’s foundation would be triggered.All of the analyses demonstrated that blasting vibration associated with construction of the conveyance tunnel had no significant effects on dam safety and stability.

reservoir water conveyance tunnel； blasting vibration； particle vibration velocity； frequency spectrum analysis； dam safety monitoring

2014-08-20 作者簡介：劉超英(1958-)，男，教授級高級工程師，主要從事水工結構及巖土工程研究.E-mail:lcy5899@sina.com

TV651.1

B

1000-0844(2015)02-0367-05

10.3969/j.issn.1000-0844.2015.02.0367