土木工程

基于爆破振動監測的巖石邊坡開挖損傷區預測

嚴鵬，鄒玉君，盧文波，等

摘要：目的：我國正在興建或待建的一大批大型或特大型水電工程，如金沙江上的溪洛渡、白鶴灘、烏東德和向家壩及雅礱江上的錦屏一級等工程，地勢險峻，坡體結構復雜，地質條件差，開挖技術要求高，開挖規模大且歷時長，邊坡施工期安全穩定問題嚴峻。巖質邊坡爆破開挖時，爆炸荷載在完成巖石爆破破碎的同時，不可避免地對保留巖體產生動力損傷，形成所謂的開挖損傷區。該損傷區在施工期間受到后續開挖擾動、降雨等不利因素的作用而不斷演化擴展，對坡體的局部及整體穩定性和施工安全十分不利。尤其是隨著開挖臺階的不斷下降，邊坡越來越高陡，需要更加嚴格控制開挖爆破對高邊坡穩定的影響。快速而準確地確定邊坡爆破開挖損傷區，合理有效地控制巖體爆破影響范圍，對確保施工安全、防止邊坡滑坡造成人員傷害和財產損失具有重要意義。巖石邊坡爆破開挖損傷范圍的判定主要依靠開挖完成后的現場測試來完成，巖體鉆孔聲波測試法測試較為方便、效率高，采用水耦合，成果易判讀，精度也較高，已經寫入相關規范中，在巖體工程中得到了普遍的應用。另一方面，邊坡開挖爆破振動控制已經成為減小爆破損傷、保證高陡邊坡工程順利進行的關鍵之一。大量研究和工程實踐表明，邊坡爆破開挖誘發的振動與巖體爆破損傷深度之間具有較好的相關性。因此，通過爆破振動監測，利用質點峰值速度與損傷范圍之間的關系便可以確定預裂爆破的損傷范圍，而且爆破振動監測方便快捷，利用振動數據來預測邊坡損傷，是一個快速經濟的方法。本文以白鶴灘水電站左岸壩肩槽建基面開挖為背景，邊坡爆破開挖時在固定距離處進行了爆破振動監測，開挖后利用聲波檢測方法得到了邊坡中部區域的開挖損傷，通過回歸分析建立邊坡中部的實測爆破損傷與固定爆心距處爆破振動峰值之間的關系，并利用后續梯段對該關系進行了驗證和修正。方法：對白鶴灘水電站左岸834.0～770.0 m高程壩肩槽邊坡7個梯段的爆破開挖方案進行優選，確定爆破參數，每個梯段爆破開挖后都對保留巖體進行爆破損傷測定，爆破損傷深度探測采用聲波測試進行。根據爆孔下爆后聲波波速與爆前波速的差距隨孔深逐漸減小的變化特點，以爆后波速下降率10%作為判定基巖松動的依據，得到各梯段的損傷深度。通過爆破振動監測，采用薩道夫斯基公式回歸分析得到 1～6梯段的振動衰減規律。研究質點峰值振動速度衰減規律與對應爆破影響下保留巖體損傷深度的函數關系，通過回歸分析建立不同爆心距處質點峰值振動速度與損傷深度的關系，利用此關系和爆破振動監測結果便可對以后梯段的爆破損傷深度進行預測。結果：在后續拱肩槽開挖施工中，選取了第7梯段爆破對上述預測理論進行驗證。與前6個梯段一樣，得到了爆破地震波水平徑向的衰減規律，計算出不同爆心距處的振動速度，代入得到的質點峰值速度與損傷深度之間的擬合公式中，得到了預測損傷深度：最大損傷深度為1.15 m，平均損傷深度為0.86 m。第7梯段實測損傷深度結果如下：最大損傷深度為1.10 m，平均損傷深度為0.88 m。可見，預測損傷深度與實測損傷深度符合得很好，證明了本文所建議的方法的合理性。結論：通過對白鶴灘水電站左岸834.0～770.0 m高程壩肩槽邊坡爆破開挖的振動監測和對保留巖體的損傷檢測，分析了1～6梯段的振動衰減規律，建立了不同爆心距處質點峰值振動速度與損傷深度的關系，實測數據統計回歸的結果表明，爆破振動與保留巖體的損傷深度之間的相關性良好。通過對下一梯段的振動監測得到其預裂爆破的振動衰減規律，就可以利用前幾個梯段中預裂爆破與保留巖體損傷深度之間的關系預測下一梯段的損傷范圍，此方法簡便可行，可以大大減少聲波測試的工作量，提高工作效率，同時預測精度可滿足工程需要，可以及時迅速地獲得邊坡開挖損傷范圍，指導邊坡支護施工。對白鶴灘水電站左岸壩肩槽邊坡爆破開挖，采用本文提出的方法預測的損傷深度與實際監測結果基本相符，證明了所建議的方法的可行性。考慮到地質條件、開挖造成的地貌改變等因素，需要增加其他因素作為回歸要素，如梯段高度、炮孔直徑、最大單響藥量、坡體的地質強度分類等，或者增加部分關鍵部位的聲波檢測，對預測結果進行修正補充，以進一步提高預測的精度、擴大本方法的應用范圍。

來源出版物：巖石力學與工程學報, 2016, 35(3): 538-548

入選年份：2016