臺山核電站取水明渠爆破振動監測與分析

曾永慶+王長柏+趙海龍

摘要：針對臺山核電廠一期工程取水明渠工程段陸上爆破挖巖對取水閘門的影響，根據實際開挖中的爆破振動監測數據，分析了取水閘門爆破振動特性，指出就所測數據而言，在垂直方向爆破振動速度峰值一般具有大于水平徑向、水平切向的特點?；貧w分析了取水閘門地面質點振動速度在水平徑向、水平切向和垂直方向的傳播衰減規律，提出了為保證建筑物安全而控制不同爆心距下的單段最大段藥量，對取水閘門上的實測爆破振動信號進行頻譜分析，可知爆破地震波的主振頻率主要集中在10～50 Hz，高于取水閘門自振頻率5.26 Hz，一般不會產生較大的共振效應。研究對于以后爆破設計、施工有一定的參考意義。

關鍵詞：爆破工程；取水明渠；爆破控制；衰減規律；振動監測

中圖分類號：TD2351 文獻標志碼：A文章編號：1672-1098（2016）01-0000-00

Abstract：The blasting for rock excavation on land to open channel project has a great influence on lock gate in Taishan Nuclear Power Station， therefore， based on blasting vibration monitoring data， the Characteristic of Blasting Vibration has been studied， as for those monitoring data， the results of blast vibration velocity to vertical direction are generally larger than horizontal radial and horizontal tangential direction. At the same time， the attenuation laws of different directional vibration velocity induced by rock blasting are obtained through regression analysis of practical test data. To ensure the safety of buildings， it is of great significance to control maximum charging weight in advance for different distance from monitoring point to center of blasting. Through vibration frequency spectrum analysis of blasting seismic wave， their main vibration frequency is obtained， which mostly vary from 10 Hz to 50 Hz and are much higher than natural frequency of lock gate； so resonance effect will not happen generally， The results from the analysis can be for reference to blasting design and blasting construction.

Key words：blasting engineering； open channel； blasting control； attenuation law； vibration monitoring

前隨著我國經濟的迅猛發展，能源保障問題顯得日益重要，核能和水能作為一種清潔、高效能源具有巨大的開發利用價值。核電站及水壩建設過程中，就當前技術條件而言，爆破方法作為一種可采用而又相對經濟的方法，在各種巖體開挖方法中仍占有重要作用，這必然牽涉到爆破振動監測與災害主動控制問題。

近年來，國內外學者針對工程建設過程中爆破地震波的傳播規律及爆破地震危害控制的問題，進行了現場監測、室內試驗以及數值計算等多種方面的研究。文獻[1]通過現場爆破振動監測，分析了爆破開挖時邊坡的振動速度衰減規律，發現爆區上方馬道內側質點振動速度隨高程增加存在放大效應，通過結合三維離散元數值軟件（3DEC）進行數值模擬與現場監測結果進行比較，確定了邊坡整體穩定性。文獻[2]通過測試爆區后方測爆連線與層理走向不同夾角方向的一系列測點的振動速度值，求出了與層理走向不同夾角方向的爆破振動衰減規律。文獻[3-5]對核電廠場地的爆破振動衰減規律及巖石損傷區域進行了試驗測試和數值模擬，針對不同巖質、地質情況，提出了不同的爆破控制標準，然后按照這一標準對同一場地的開挖爆破進行控制。文獻[6]針對臺山核電海底泥水盾構隧洞存在大量基巖及風化孤石地層，提出了采用深孔爆破技術預處理高強度巖土，結合盾構施工法成功實現了國內最長的海底泥水盾構隧道。但針對取水明渠爆破振動監測的研究涉及較少，本文以臺山核電站取水明渠陸上爆破挖巖對取水隧洞1～2號豎井新澆混凝土壩體閘門影響的實際監測為例，通過對爆破振動速度、爆破振動頻率和爆破振動安全判據綜合分析，回歸分析振動速度和爆破藥量及地震波傳播距離的關系，并運用FFT快速傅氏變換法對爆破振動信號的頻譜特性進行分析。

1工程概況及地層巖性

11工程概況

廣東臺山核電站位于江門市管轄的臺山市赤溪鎮腰古村，距臺山約445 km。地理位置為東經112°59′，北緯21°54′。廠址東面為黃茅海，其余三面環山，東南約5 km處為大襟島。工程建設規模初步確定為6×1750 MW（EPR），分三期建設，一期規劃兩臺EPR堆型核電機組。

根據設計要求，臺山核電站一期工程取水明渠工程0+000～0+200 m 里程段渠內挖泥分項需進行陸上爆破挖巖及水下炸礁施工（見圖1）。爆炸挖巖共約257 36135 m3，其中陸上爆破挖巖約53 95425 m3，水下炸礁約203 4071 m3。由于爆破開挖過程中產生的爆炸應力波可能造成取水隧洞1～2號豎井新澆混凝土壩體閘門不同程度的損傷，影響工程安全，因此必須對巖體爆破開挖進行必要的控制。監測的主要目的是，驗證爆破方案的可行性及爆破設計參數的合理性，和爆破對周圍建筑物振動影響范圍和程度，并利用監測結果正確指導施工。

12地層巖性

取水明渠爆破挖巖的處理對象主要是基巖，包括全風化、強風化砂巖，全風化、強風化泥巖及中等風化粉砂巖等。巖層節理裂隙較發育、巖芯較破碎，主要礦物成份為石英、長石。巖面覆蓋物有碎石、鵝卵石及淤泥等。基巖以砂巖和泥巖為主。

2爆破振動監測及分析

21監測量的選擇

由于介質質點振動時可以作為一種簡諧運動，則質點的諧振速度可表示如下[7]：

v=2πAf （1）

當結構物受到擾動開始振動時， 彈性力學理論有：

σ=Eε （2）

又根據波動理論有：

ε=vc （3）

可知：σm=Evmc （4）

式（1～4，）：σm為建筑物在爆破振動作用下產生的最大應力；vm為質點峰值振速；E為建筑物的彈性模量；c為爆破振動波在建筑物中的傳播速度；f為質點振動頻率。

由此可知，建筑物體上產生的最大應力σm與爆破振動質點峰值速度vm成正比。

爆破振動測試的內容包括：質點振動速度測試、振動位移測試、振動加速度測試、振動反應譜測試。在評估結構物承受振動破壞等級的標準中，許多爆破專家認為采用爆破峰值振動速度描述具有較好的代表性和便易性，工程上應用最普遍的也仍然是振動速度監測。由于爆破振動危害不僅與振動強度有關，還與振動持續時間、振動頻率有關，隨著對爆破振動危害機理的深入研究，人們人發現采用振動速度單一強度標準作為爆破振動安全判據在理論和工程實際中都存在一定程度上的不足。依據文獻[8]56，為了更好地運用監測結果指導工程實際的實施，在本次工程監測中選用爆破振動速度和振動頻率作為監測的物理量，每次均測試質點豎向、切向、徑向3個分量振速并進行頻譜特征分析，以峰值振動速度和主振頻率作為監測判據。22監側儀器和測點布置

由于TC-4850爆破測振儀系統具有體積小、質量輕、靈敏度高、自動化程度高、應用范圍廣等眾多優點，可較好地適應臺山取水閘門附近陸上爆破挖巖現場的工程量大、地質復雜、監測時周期長等現實特性，故采用TC-4850爆破測振儀系統，配合三矢量傳感器、vib-sys動與動數值振動信號采集與分析系統，實現振動信號采集、分析等多種功能的目的（見圖2）。

圖2爆炸振動監測系統現場爆破振動監測測點布置在爆區上方壩體閘門近側（見圖3）。在每個測點布置可監測水平徑向、水平切向和垂直方向的三矢量傳感器監測

23爆破振動衰減規律的回歸分析

爆破監測代表性振動速度波形及相應頻譜分析如圖4～圖5所示，爆破振動安全允許標準如表1所示，表2為爆破振動部分監測數據。t/s

圖4代表性監測速度曲線

t/s

對于取水隧洞1～2號豎井新澆混凝土壩體閘門（齡期超過28d），基于表1中新澆大體積混凝土控制標準并結合國內外已有的研究成果和實際應用情況，并通過對實際監控各部位爆破振動特性的分析，取壩體閘門混凝土結構質點振速控制標準[9]為[v]=50 cm/s。

由于建筑物的爆破振動速度是爆破本身、場地條件、場地特性等的綜合反映，不僅與振動強度、頻率、持續時間有關，也與傳播介質、場地特性、建筑物的動態響應特性、爆破累計損傷程度有關，影響爆破振動速度的因素極為復雜，要完全考慮這些變量來確定函數形式非常困難。爆破振動監測資料表明，影響爆破振動強度的主要因素為最大段藥量Q、爆心距R。

在工程應用中，前蘇聯的M.A薩道夫斯基經驗公式[8]58為

v=K（Q1/3R）α=Kρα（5）

式中：v為保護對象所在點的振動最大速度；Q為裝藥量，瞬時爆破時為總裝藥量，延期爆破時為最大一段裝藥量；R為爆心距；ρ=3QR為比例藥量；K、α為與爆破點至計算保護對象間的地質條件有關的系數和衰減指數。

現選取共1組爆區內取水明渠閘門的臺階爆破和控制爆破數據，運用origin 80工程繪圖軟件對實測數據采用公式冪函數形式按式（5） 進行數據擬合分析，得到參數K、α。

水平徑向、水平切向、垂直方向爆破振動速度vx、vy、vz回歸分析結果如圖6～8所示。

此次爆破的地面質點的水平徑向、水平切向、垂直方向的爆破振動速度傳播衰減規律回歸分析結果分別如下：

vx=773（Q1/3R）131 （6）

vy=632（Q1/3R）140 （7）

vz=2418（Q1/3R）156 （8）

由式（6）～式（8）可知K值范圍為632～2418，α值范圍為131～156，屬于中、堅硬巖石范圍，這與先前勘測地層巖性相一致。

在薩道夫斯基經驗公式中，α表示質點振動速度的衰減速度，α值越大，表示質點振動速度隨爆心距的增大而衰減的越快。

通過對三向回歸公式的K、α值的對比分析，垂直方向的K、α值最大，分別為 2418、156；而水平徑向K、α值為773、131；水平切向K、α值為632、140，由于水平徑向的K大于水平切向的K，水平徑向的α小于水平切向的α，導致無論爆破近區還是遠區，水平徑向振動速度一般大于水平切向爆破振動速度。

對比分析后發現水平徑向和切向的α均有一定程度的小于垂直方向的α，這說明雖然垂直方向在近區數值較大，但其爆破振動速度的衰減較快；水平徑向的衰減速度最慢，水平切向爆破振動速度的衰減居中，說明雖然質點近區垂直方向的爆破振動速度最大，但隨著距離的增加，其垂直爆破振動速度的值將小于水平徑向爆破振動的數值，因此在評價爆破振動產生的破壞時，不應單一選取爆破振動速度的垂直分量作為評判標準。

式（6）～式（8）的相關系數R2分別為076、092、084，表明用于回歸分析的實際監測數據的爆破振動速度具有一定的相關性，以將據此建立的預測公式用于爆破振動速度的預測，但其仍具有較大的離散型，實際過程中應以預測值為參考，適當增加安全系數，以確保周圍環境的絕對安全。

24爆破振動頻譜分析

當爆破地震波的頻率等于或接近建（構）筑物結構的自振頻率時，將發生共振，容易導致建（構）筑物結構的破壞；因此爆破振動頻率偏離爆區周圍建（構）筑物的自振頻率越遠，周圍建（構）筑物結構的振動動力響應就越小；而爆破振動的持續時間與建（構）筑物結構是否安全也有較大的關系，但由于爆破地震波的持續時間一般都很短，因此其影響一般較小。不同類型結構的自振周期不同，其動力響應特性不同[10]。

巖石爆破開挖產生的地震波是由不同頻率，不同能量的波形疊加形成的，通過vib-sys數值振動信號采集分析系統中的頻譜分析模塊，對監測信號波形進行頻譜特性分析，可得主振頻率主要集中在10～50 Hz之間，而監測壩體閘門的自振頻率約為526 Hz[11]，可見此次巖土爆破開挖引起的主振頻率遠大于壩體閘門的自振頻率，有利于降低共振效應，減少質點振動速度，保證了取水閘門的安全。

25安全最大段藥量預測

從表2中可以看到，14組監測數據中，對于質點振動速度而言，垂直方向的一般大于水平徑向和水平切向，而水平徑向和切向數據較為接近，未出現明顯規律。由此看來，垂直方向的振動速度是引起破壞的主要因素，在工程實踐中需要重點進行考慮和控制。

質點振動速度存在超過質點振速控制標準 [v]=50 cm/s的情況， 故應根據回歸式（6）～式（8），取質點振速控制標準值v=50 cm/s對不同爆心距處單段最大段藥量進行預測控制（見表3）。

從表3中可以看出，所需控制的最大段藥量一般由垂直方向的最大段藥量控制。設爆破中心點與閘門監測測點的距離為100 m， 則控制最大段藥量Q可取4433 kg，即當單段最大藥量不大于4433 kg時，方能同時滿足閘室混凝土結構質點振速控制標準的安全允許振速要求。為了確保安全，應嚴格控制最大段藥量和一次起爆總藥量，根據以上計算結果，隨后的爆破過程中，嚴格滿足表 3中安全數值，起到了較好的控制效果。

3結論

對臺山核電站取水明渠陸上挖巖爆破振動的41組監測數據進行M.A薩道夫斯基經驗公式回歸分析，分別計算出其水平徑向、水平切向和垂直方向的場地系數K和衰減指數α，得到了三維方向爆破振動速度傳播衰減規律。

對于所測同一次爆破監測數據，就質點振動速度而言，垂直方向的一般大于水平徑向和水平切向，但由于垂直方向衰減系數α值最大，故垂直方向爆破振動速度的衰減較快，隨著距離的增加，其垂直爆破振動速度的值將小于水平徑向和水平切向爆破振動的數值，因此在評價爆破振動產生的破壞時，不應單一選取爆破振動速度的垂直分量作為評判標準，而應選擇所處測點位置振動速度分量中的最大值。

運用vib-sys數值振動信號采集與分析系統，基于FFT快速傅立葉變換原理，對爆破振動監測數據進行頻譜特性分析，得到了爆破地震波的主振頻率值集中在10～50 Hz，并與閘門結構自振頻率526 Hz進行對比分析可知，在一定程度上減少了共振效應，降低了質點振動速度。

針對閘室混凝土結構質點振速控制標準取[v]=50 cm/s的要求，通過回歸分析給出了對于不同爆心距的安全最大段藥量，保證了爆破時結構物的安全。

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