基坑爆破開挖下的豐滿水電站老壩安全分析

沈 衛(wèi)

（大連市水務(wù)事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 大連 116021）

豐滿水電站坐落于吉林省內(nèi)，位于第二松花江干流上，始建于1937年，以發(fā)電為主，承擔(dān)城市及工農(nóng)業(yè)供水、灌溉、防洪、航運(yùn)等多種功能。由于建設(shè)期的特殊性，大壩設(shè)計(jì)及施工存在先天缺陷，結(jié)構(gòu)整體性能較差，混凝土強(qiáng)度低，安全隱患較為突出。擬新建1 座碾壓混凝土重力壩，軸線位于老壩軸線下游120 m。新壩采用挑流消能，壩身泄洪。施工利用老壩擋水，下游修筑鋼木圍囹，一期工程采用機(jī)組過流、二期采用左岸導(dǎo)流洞過水導(dǎo)流方式。

新壩基坑開挖采用爆破施工，爆破產(chǎn)生振動(dòng)波會(huì)對(duì)周圍建筑物安全造成一定影響。為此，采用顯式動(dòng)力有限元分析法對(duì)新壩基坑爆破開挖下的老壩進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算。通過分析沖擊振動(dòng)所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度等指標(biāo)，綜合評(píng)價(jià)其對(duì)老壩安全性影響。通過類比分析，提出基礎(chǔ)開挖爆破控制標(biāo)準(zhǔn)、各建筑物爆破振動(dòng)安全允許振速及最大單響藥量，確保施工期老壩安全運(yùn)行。

1 計(jì)算模型

以某取水壩段為典型結(jié)構(gòu)，構(gòu)建起基于ANSYS軟件的三維有限元模型。有限元模型在地基底面及豎直邊界均采用固定約束，并選取一定范圍地基。為了更好反映大壩于建基面處應(yīng)力集中，有限元模型在建基面附近劃分的網(wǎng)格較密集。計(jì)算中假定新老壩段壩型一致且一一對(duì)應(yīng)，以更好模擬新老壩之間的相互作用。有限元模型計(jì)算，考慮不同混凝土材料分區(qū)并考慮混凝土線彈性。模型三維坐標(biāo)方向規(guī)定如下：Y 向以豎直向下為負(fù)；Z 向沿壩軸線由右岸指向左岸為負(fù)；X 向以順河向指向上游為負(fù)。有限元三維模型，如圖1所示。

圖1 典型取水壩段有限元計(jì)算模型

2 計(jì)算方法

2.1 爆破荷載

爆破產(chǎn)生的振動(dòng)除受堵塞質(zhì)量、炸藥性能、起爆方式、地質(zhì)地形條件、裝藥結(jié)構(gòu)等因素制約外，主要受距爆源距離及藥量因素影響。由于影響因素復(fù)雜，當(dāng)前主要依據(jù)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行回歸分析總結(jié)出經(jīng)驗(yàn)公式，其中普遍采用的是前蘇聯(lián)薩道夫斯基公式：

式中：K、α 為爆破非主要因素影響系數(shù)；Q 為最大單響藥量（kg）；R 為測(cè)點(diǎn)至爆源中心距離（m）；V 為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值（cm/s）。

爆破施工中炸藥各響之間存在緩沖或延時(shí)，單響爆破持續(xù)時(shí)間及振動(dòng)衰減極快，可認(rèn)為各響爆破作用效應(yīng)的相關(guān)性很低。為便于得到規(guī)律性結(jié)論，動(dòng)力計(jì)算只模擬單響爆破效應(yīng)。新壩基坑爆破開挖時(shí)最大單響藥量初步擬定的數(shù)值，詳見表1。

表1 新壩基坑開挖爆破施工最大單響藥量初步擬定數(shù)值

2.2 爆破標(biāo)準(zhǔn)及振動(dòng)波

目前爆破相關(guān)的規(guī)范規(guī)程[1]多認(rèn)為爆破振動(dòng)控制及影響判斷指標(biāo)為質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度，實(shí)踐顯示，質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度與建筑物受爆破振動(dòng)影響而產(chǎn)生的損壞之間具有較好關(guān)聯(lián)性。參照國內(nèi)外工程實(shí)際[2]，確定老壩在新壩基坑開挖爆破振動(dòng)下的影響指標(biāo)詳見表2。

表2 爆破振動(dòng)下老壩各典型位置安全允許標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值

參照工程實(shí)例及經(jīng)驗(yàn)[3]得出概化振動(dòng)速度付氏譜及爆破振動(dòng)峰值，進(jìn)而求出典型加速度付氏譜及加速度峰值，新壩基坑開挖爆破加速度波如圖2所示。

圖2 新壩基坑開挖爆破振動(dòng)加速度波

2.3 抗滑穩(wěn)定計(jì)算

有限元數(shù)值模擬新壩基坑開挖爆破施工時(shí)，老壩建基面的抗滑穩(wěn)定性若按重力壩設(shè)計(jì)水利規(guī)范[4]推薦的安全系數(shù)法計(jì)算，比較容易看出抗滑穩(wěn)定安全度的變化，故本文抗滑穩(wěn)定計(jì)算按照水利規(guī)范相關(guān)規(guī)定進(jìn)行復(fù)核，其中包含抗剪斷強(qiáng)度公式及抗剪強(qiáng)度公式。

抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算公式為：

抗剪強(qiáng)度公式為：

式中：K'為按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f'為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)；C'為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷凝聚力（kPa）；∑W為作用于壩體上的全部荷載對(duì)滑動(dòng)平面的法向分值（kN）；A為壩基接觸面截面積（m2）；∑P 為作用于壩體上的全部荷載對(duì)滑動(dòng)平面的切向分值（kN）；K 為按抗剪強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f 為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪摩擦系數(shù)。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 壩體振速

老壩各典型位置處計(jì)算的振動(dòng)峰值，詳見表3。除壩基帷幕處的最大速度峰值為1.79 cm/s、略大于控制標(biāo)準(zhǔn)1.5 cm/s外，其余各典型位置均滿足控制標(biāo)準(zhǔn)要求。由于壩高不同以及與爆破點(diǎn)的距離不同，爆破動(dòng)反應(yīng)的峰值和在壩高方向的分布均有所不同。

表3 老壩各典型位置在基坑爆破施工情況下振速峰值cm/s

3.2 壩體動(dòng)應(yīng)力

老壩壩踵處在基坑爆破開挖情況下的動(dòng)力第一主應(yīng)力時(shí)程曲線如圖3 所示，較大值主要出現(xiàn)在壩踵及壩頂位置。壩踵位置在基坑開挖爆破施工時(shí)最大動(dòng)拉應(yīng)力0.079 MPa，在正常蓄水位且無爆破施工條件下，靜壓應(yīng)力0.062 MPa，靜動(dòng)組合后拉應(yīng)力約0.02 MPa，數(shù)值較小，且拉應(yīng)力區(qū)域十分有限，遠(yuǎn)小于0.07 倍的壩底寬度值。按現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)壩踵拉應(yīng)力區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，如此小量級(jí)的拉應(yīng)力并不會(huì)影響壩體的安全性。因此，從爆破產(chǎn)生的壩體動(dòng)應(yīng)力分析，對(duì)老壩壩體強(qiáng)度不會(huì)產(chǎn)生明顯影響。

圖3 新壩基坑開挖爆破壩踵處動(dòng)力第一主應(yīng)力時(shí)程曲線

3.3 抗滑穩(wěn)定性

新壩基礎(chǔ)開挖爆破最不利工況下老壩壩基穩(wěn)定性計(jì)算值，詳見表4。由表4 可知，爆破施工下穩(wěn)定系數(shù)K'和K分別下降0.72%和0.87%，爆破對(duì)老壩的抗滑穩(wěn)定性影響作用非常微弱。

表4 老壩抗滑穩(wěn)定系數(shù)在有無爆破情況下的計(jì)算值

3.4 爆破開挖藥量敏感性分析

采用初擬定最大單響藥量進(jìn)行新壩基礎(chǔ)開挖爆破時(shí)，取水壩段老壩帷幕區(qū)振速反應(yīng)稍微超出安全控制標(biāo)準(zhǔn)。為此，針對(duì)該壩段進(jìn)行開挖爆破藥量的敏感性分析，探討不同藥量開挖爆破情形下壩體動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，從而確定最大允許單響藥量，分析計(jì)算所取藥量詳見表5。

表5 不同計(jì)算工況下單響藥量最大取值情況

不同工況下，新壩基礎(chǔ)開挖爆破時(shí)老壩帷幕處的振速峰值反應(yīng)詳見表6。基坑開挖時(shí)對(duì)應(yīng)50 m 處最大單響藥量取170 kg 左右時(shí)，動(dòng)力響應(yīng)可滿足安全振速控制要求。建議原擬定爆破藥量做適當(dāng)降低，或者進(jìn)一步論證爆破振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)是否可以適當(dāng)放寬。其余爆破距離的單響藥量也相應(yīng)調(diào)整，具體數(shù)值詳見表7。

表6 爆破開挖不同藥量老壩防滲帷幕處振速峰值計(jì)算值

表7 調(diào)整后各爆心距采用最大單響藥量

4 結(jié)論

（1）根據(jù)初擬定施工期爆破參數(shù)即最大單響藥量和爆破振動(dòng)控制指標(biāo)，新壩基礎(chǔ)開挖爆破時(shí)，取水壩段壩基除防滲帷幕振速峰值計(jì)算值超出控制標(biāo)準(zhǔn)建議值，其余部位均可滿足安全要求。考慮新壩基礎(chǔ)開挖及壩體澆筑時(shí)，老壩仍處于擋水運(yùn)行狀態(tài)，建議新壩基礎(chǔ)開挖最大單響藥量應(yīng)適當(dāng)降低，以降低和控制爆破對(duì)老壩基礎(chǔ)防滲體系的影響作用。

（2）通過對(duì)基礎(chǔ)開挖爆破對(duì)老壩應(yīng)力和沿建基面抗滑穩(wěn)定性分析結(jié)果綜合評(píng)價(jià)，老壩動(dòng)應(yīng)力反應(yīng)幅值很小，壩踵等典型位置靜動(dòng)應(yīng)力組合仍可滿足規(guī)范要求。爆破振動(dòng)動(dòng)應(yīng)力作用效應(yīng)后，老壩沿建基面抗滑穩(wěn)定性沒有明顯不利變化，安全性態(tài)無明顯降低，爆破對(duì)結(jié)構(gòu)承載力影響作用較小。

（3）老壩部分壩段安全裕度偏低，新壩又距老壩較近，施工期相互影響不同程度存在，建議在施工期做好安全監(jiān)測(cè)及監(jiān)控[5]。保證施工質(zhì)量，控制好施工參數(shù)及強(qiáng)度，確保施工期和完建后新老壩安全，尤其應(yīng)加強(qiáng)爆破監(jiān)測(cè)及爆破控制，同時(shí)開展爆破振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，為準(zhǔn)確爆破振動(dòng)分析評(píng)價(jià)提供可靠依據(jù)。