爆破振動對邊坡穩定性的影響分析

郭文章

（南京市測繪勘察研究院股份有限公司，南京 210005）

1 引言

邊坡穩定性評價是巖土工程經常遇到的問題,特別是近年來,隨著我國大量基礎設施的建設,出現了許多由于不合理的工程爆破而導致邊坡失穩的例子。目前的地震波衰減公式是經驗型、半經驗型的，由于地質條件的復雜性，難以從理論上完全推導合適的衰減公式，爆破振動動力響應機制研究極不成熟，目前只局限于數值分析[1]。本文先是通過理論計算預測在隧洞掘進過程中的爆破振動對邊坡結構穩定的影響，然后利用ABAQUS有限元分析軟件對邊坡結構進行顯式分析計算，分析短暫的脈沖荷載作用下某邊坡的穩定性，旨在為類似工程的設計和施工提供指導。

2 爆破施工對邊坡結構穩定性影響的理論計算分析

本文結合實際工程，采用標準推薦的薩道夫斯基公式（見式（1））預測爆破掘進過程中某水庫壩體邊坡的質點振動峰值速度（PPV），并參照《爆破安全規程》（GB6722-2003）的規定評價爆破施工對周邊環境的影響。

式中，V為地震動質點的最大速度,cm/s；Q為炸藥量，kg；K與α為與介質特性有關的參數，根據工程所在地區的地質條件，K取200，α取1.5；為爆心距，m。

根據《爆破安全規程》（GB6722-2003）的規定，爆破振動控制標準見表1。

2.1 隧洞的幾何與爆破參數

以其中一個隧洞的爆破施工為例，隧洞的洞長為2572m，截面形狀為城門洞形，截面尺寸為3m×3m，巖石堅固性系數為12，開挖方式為全斷面一次開挖，孔徑為42mm，單次掘進循環進尺為1.8m，炸藥單耗為1.9kg/m3，同段起爆最大藥量9kg，水庫壩體邊坡離爆源的距離為1050m。

2.2 計算結果分析

通過理論計算得出水庫壩體的峰值質點振動速度（PPV）為0.03cm/s，小于《爆破安全規程》（GB6722-2003）規范中的允許值，故隧洞在掘進過程中的爆破振動對水庫壩體邊坡的影響較小。

表1 爆破振動安全允許范圍標準（GB6722-2014）

3 爆破施工對邊坡結構穩定性影響的數值模擬分析

爆破施工產生的爆破振動，經過遠距離的地震波傳播，導致邊坡產生短暫的脈沖荷載，根據脈沖荷載的時程曲線，對于正常工作的邊坡施加短暫的脈沖加速度，模擬遠距離的爆破振動對邊坡的影響。

3.1 建立有限元計算模型

3.1.1 幾何模型

對于某水庫壩體邊坡進行脈沖荷載下的結構穩定分析。首先建立有限元分析的幾何模型，根據邊坡結構的工程剖面圖，建立1：1比例的平面應變模型。

3.1.2 選取有限元模型的材料和截面屬性

在進行平面應變問題的分析時選取平面單元類型CPE4R。由于壩體材料為碾壓堆石材料，故依舊采用ABAQUS材料庫中適合巖石土體材料的Drucker-Prager本構模型對壩體進行模擬，如表2所示。

表2 壩體堆石料Drucker-Prager材料模型參數

3.1.3 劃分有限元網格

對有限元模型進行網格劃分，以四邊形單元為主，以防止出現網格畸變，計算不收斂等問題，減少分析過程中的異常報錯幾率。

3.1.4 荷載及邊界條件

水庫壩體邊坡的受力分為自重和水庫蓄水的靜水壓力。邊界條件有邊坡結構固定在地面的固定約束。自重采用體力的形式施加在整個結構物上，在ABAQUS中施加BODY FROCE，重力加速度為9.8m/s2；水庫的靜水壓力隨著水位高度成線性變化，分析中對邊坡進行滿負荷工作條件下的模擬，即此時水位位于設計最高水位處。此外，由于遠距離的爆破振動，傳導而來的加速度荷載，等效于結構上施加一個脈沖荷載形式的慣性力。慣性力以體力的形式均勻的施加在結構上，施加的加速度荷載脈沖曲線如圖2所示。結構的受力示意圖如圖3所示。

3.1.5 施加分析步

通常，動力問題的分析須建立在靜力分析的基礎上，在靜力分析的基礎上，再施加動力時程。整個分析過程分為兩步，第一步首先施加結構的自重，讓整體結構處于穩定的承受自重的受力狀態。待整體的應力平衡之后，施加第二個分析步，在結構上施加脈沖荷載，分析爆破振動對結構的影響。

3.1.6 接觸方式和連接方式的定義

壩體是在原始巖層的上方采用堆石的方式筑壩，因而需要根據實際情況定義壩體和下部巖層之間的接觸關系。采用通用接觸的方式，定義邊界面與面之間的接觸。由于壩體和基底之間有黏聚力，通過鏈接的方式，施加TIE約束，模擬兩種材料之間的聚合關系。

3.2 計算結果及分析

對于水庫壩體邊坡，由于巖層地基剛度遠大于堆石壩體，所以可以認為慣性力施加在壩體邊坡上，忽略其在地基巖層上的影響。

脈沖荷載在1s時有加速度作用在壩體上，短時間內產生壩體邊坡結構的橫向速度，速度云圖如圖4所示。

圖4 爆破振動荷載施加開始階段速度云圖

脈沖荷載過后，速度分布趨于均勻，整體速度分布平均。如圖5所示，為振動過后的一段時間內的速度云圖。

圖5 爆破振動荷載作用階段速度云圖

由此可見，由于振源距離較遠，通過巖層的阻隔對應力波產生衰減影響，從而爆破產生的實際振動很小，因此邊坡結構產生的質點振動速度可見一斑。根據爆破振動安全允許標準，模擬情況下的爆破振動荷載在安全范圍內，產生的邊坡結構質點振速遠小于安全標準，符合國家安全規定，施工過程不會對邊坡產生安全隱患。

4 結語

針對具體工程，建立爆破振動荷載作用下的邊坡模型，分析邊坡受爆破振動的影響及其穩定性，得到以下幾點結論：①爆破振動速度是隨著爆心距的增加而衰減，由于振源距離較遠，通過巖層的阻隔對應力波產生衰減影響，因此邊坡結構產生的質點振動速度很小。②直面形邊坡在其坡面上不會出現振速的放大現象，但在邊坡頂部邊緣會出現高程放大現象。