輸水工程巖塞爆破安全監測數據分析與應用

寧曉娜，劉東君

(1.遼寧省河庫管理服務中心(遼寧省水文局)，沈陽 110003；2.中機(葫蘆島)青山水務環境投資有限公司，遼寧 葫蘆島 125000)

0 引 言

引調水工程取水口形式多種多樣，當采用巖塞式時，由于周圍建筑物已經建成，保證其附近的相關水工建(構)筑物和其他設施的安全極為重要，不能因為巖塞爆破使之發生損壞，讓整個工程不能夠正常運行，需對爆破產生的有害效應進行嚴格控制。因此巖塞爆破安全監測技術也在迅速發展。廣義巖塞爆破安全監測技術采用巡視、巡查及儀器對水中沖擊波、動水壓力、涌浪及其他建筑物、設備設施振動等進行監測。

文章所述的巖塞爆破安全監測技術主要采用速度儀、加速度儀對巖塞周圍構筑物、設備及設施進行質點振動速度及加速度監測，通過監測結果分析周邊結構物、設備設施等因振動產生的影響，通過監測數據分析其振動是否產生的有害效應，為優化巖塞爆破參數及保護周邊結構物、設備設施等提供了技術支撐，達到保證工程正常運行目的，同時為類似工程提供了較好的借鑒參考。

1 研究區概況

1.1 工程概況

某重點輸水工程，其水源工程隧洞長99.98km(含0.26km暗涵)工程等級為I等，工程規模為大(1)型。設計輸水流量77m3/s，成洞洞徑7.3-8.5m，多年平均輸水量16.24億m3，為全程有壓自流，最大壓力0.9Mpa。取水口巖塞爆破段長176.763m，范圍為樁號0-176.763-0+000.000m，包括巖塞口、鎖口段、集渣坑段及其后的隧洞連接段。取水口采用巖塞爆破設計方案，巖塞體厚度(中心線)為11.8m，巖塞開口斷面為爆破漏斗形(倒圓臺形)，由上口內徑14m漸變至下口內徑為7.55m，巖塞中心線傾角為55°。巖塞口位于水源地水庫庫內右側山體，巖塞設計開口中心點高程為278.00m。

1.2 監測儀器及測點布置

本次巖塞爆破主要對其周圍圍巖爆破質點振動速度、加速度及周邊建筑物爆破振動速度實時監測，采用的儀器主要有速度計及加速度計[1]。

圍巖爆破質點振動監測采用速度及加速度傳感器為泰測TT-3，采集儀為泰測Blast-UM，傳感器主要布置在隧洞襯砌內；周邊建筑物爆破振動采用速度、加速度傳感器及采集儀均為美國Mini-Seis測振儀分，傳感器主要布置在襯砌及閘門橫梁。

2 監測設備布置

引水隧洞圍巖及襯砌爆破振動通過速度計和加速度計進行動態監測，可監測爆破沖擊波同時在水中及巖石中傳播的疊加動力響應，另在檢修閘門中心橫梁上布置1組(加速度和速度)測點，速度計及加速度計均選用三向型，三軸方向分別定為平行與洞軸線方向、水平垂直于洞軸線方向和鉛直方向。引水隧洞內速度計及加速度計X方向平行洞軸線，檢修閘門中心橫梁上速度計及加速度計Y方向平行洞軸線，各測點具體位置見表1，部分測點速度及加速度計安裝情況見圖1、圖2。

表1 速度計與加速度計安裝位置統計表

圖1 引水隧洞襯砌混凝土三向速度計布設情況

圖2 閘門井橫梁上三向速度及加速度計布設情況

3 爆破質點實時監測及數據分析

爆破振速峰值結果見表2，爆破振動加速度峰值結果見表3，典型振動速度時程曲線見圖4，典型振動加速度時程曲線見圖5。

表2 爆破質點振動速度測試結果表

表3 爆破質點振動加速度測試結果表

1)由圖4及圖5可知，爆破振動波形分段清晰，主振段持續時間在670-680ms之間，與設計的名義起爆延期時間(681ms)很近；對設計的36個起爆段別進行統計，其中34個段別峰振可較清晰辨別，表明網路延時精度及起爆可靠性均較高，達到了設計預期值。

圖4 典型爆破振動速度時程圖

圖5 典型爆破振動加速度時程圖

2)各測點的爆破振動峰值對應的時間為K圈或L圈起爆時段內，近區(鎖口段)垂直方向的爆破振動峰值為第一段起爆時間；從波形圖上可以看出，G圈和H圈引起的振動較小；閘門上的振動速度和加速度頻率均較低，為爆破沖擊波引起閘門的振動。

3)由表2可知，閘門上最大峰值振速僅為0.76cm/s，且持續時間短，不會對閘門造成影響。

4)由表2及表3可知，除檢修閘門上的速度及加速度測值(由閘門激振引起)，整體符合由近及遠測值逐漸衰減的規律，且爆破近區衰減迅速，爆破遠區衰減緩慢；爆破遠區最大峰值振動速度為6.78cm/s(主振頻率33.4Hz)，小于《爆破安全規程》(GB6722-2014)中規定的水工隧洞質點振動速度安全允許值(8-10cm/s)；爆破近區最大峰值振動速度為27.47cm/s(主振頻率83.7Hz)，超過了《爆破安全規程》中測上限值(15cm/s)，但《爆破安全規程》規定的安全允許質點振動速度是大量的現場爆破試驗量測和實際震害的宏觀調查對比找不出不發生震害的概率為95%的振動速度值，針對的是中遠區的保護對象，對于爆破近區及具體到某一特定環境(構筑物的質量、新舊程度、支護狀況、爆源方向)下，《爆破安全規程》的規定就不適用[3]。根據應力波理論、極限拉應力準則及極限剪應力準則分析爆破近區襯砌混凝土損壞狀況，分析如下：

爆破應力波直接傳入被保護物，而產生較大的應力與應變。其應力值可以通過實測某一點的質點震動速度V，按下式估算其拉應力σ和剪應力τ值：

σ=KορVPCP

(1)

τ=KτρVsCs

(2)

式中：Kο、Kτ為與場地特征有關的系數；ρ為被保護物的密度，kg/m3；CP、Cs為保護物的彈性波速度，分別為縱波與橫波波速，m/s；VP、Vs分別為與波傳播方向一致及與波傳播方向垂亙的質點振速，m/s。

(3)

(4)

式中：E為動彈性模量；ρ為被保護物的密度，kg/m3；μ為泊松比。

巖塞口鎖口段采用C35鋼筋混凝土進行襯砌，其抗壓強度較高，動力破壞主要是結構物被拉壞或剪壞，即當鎖口段混凝土內某一點的主控應力或最大剪應力大于其抗拉強度或抗剪強度時，就遭破壞，C35混凝土材料參數見表4。

表4 混凝土材料參數

由《水電工程水工建筑物抗震設計規范》(NBT35047-2015)5.6.2條規定：混凝土動態強度的標準值可較其靜態標準值提高20%，動態抗拉強度的標準值可取為其動態抗壓強度標準值的10%，可知C35混凝土的動態抗拉強度為2.808MPa。

由式(5.6-3)、(5.6-4)計算得襯砌混凝土的縱波速度為4075m/s，橫波速度為2576m/s，對鎖口段襯砌而言，其力學指標ρ、cp、cs均已知，其結構尺寸及形狀一定，Kο、Kτ變化不大，一般可取l。

從強度理論可知，當某一點的應力σmax≥[σd]，則材料被拉壞，而當剪應力τmax≥[τd]時，則材料被剪壞。從(1)、(2)式可以看出，爆破振動對引水隧洞襯砌結構的破壞效應主要以拉破壞為主，以最大振動速度27.47cm/s代入式(1)得σd=2.74MPa，

4 結 論

1)對巖塞周邊需要保護對象的質點振動速度測試結果分析可知，爆破僅引起了巖塞口邊坡的輕微振動，其他地方的爆破振動極小，對需要保護對象影響較小。

2)混凝土襯砌內預埋爆破質點振動速度測試結果分析可知，爆破引起中遠區的質點振動速度遠小于《爆破安全規程》(GB6722-2014)規定的安全允許值，爆破引起近區的質點振動也不會造成襯砌混凝土有害影響。

3)通過巖塞爆破監測結果數據分析，巖塞爆破參數合理，未對下游結構物及設備設施產生不良影響，保證了工程后期的正常安全運行。