爆破開挖對邊坡穩定性影響研究

唐雪江

（赫章縣水務局，貴州 畢節 553200）

1 引言

邊坡工程是工程建設過程中經常遇到的問題，開挖邊坡將會對原有地形地貌造成擾動，改變邊坡的穩定性情況。影響邊坡穩定性的因素眾多，也有較多的專家、學者對邊坡穩定性進行了較為深入的研究，并取得豐碩的成果。馮忠居等[1]認為影響邊坡穩定性的因素包括：巖體質量、開挖方式、邊坡高度等，并建立熵權-灰關聯法評價巖質邊坡安全情況。數值模擬方法[2-4]在巖土工程領域是一種極為常用的研究方法，通過建立數值模擬模型，分析巖土工程變形、應力及穩定性情況，具有計算速度快、結果準確等優勢。物理模型試驗[5-7]是利用相似原理，將現場原型按比例縮小后在室內完成開挖等操作，可直觀查明邊坡開挖后的變形情況，指導邊坡支護設計及現場施工作業方案。巖質邊坡強度高，在開挖過程中往往需要采用爆破開挖，結合某邊坡爆破開挖工程，研究邊坡相應規律及穩定性情況。

2 工程概況

和平水庫位于貴州省畢節市赫章縣古達鄉和平村境內，工程壩址以上集水面積為17.1 m2，主河道長6.26 km，多年平均年徑流量872 萬m3；水庫正常蓄水位1747.00 m，相應庫容164.0萬m3；校核洪水位1749.74m（P=0.2%，推薦方案為面板堆石壩方案），總庫容217 萬m3；死水位1738.50 m，死庫容58.8 萬m3，興利庫容105.2 萬m3。在工程修建過程中，為了保證進出場順利，對沿線邊坡進行了開挖，以修建臨時道路。廠區地質情況良好，基巖強度較高。為了滿足施工進度，采用爆破開挖的方式施工。根據現場調查，邊坡最大坡高約為61.0m，表層主要為強風化基巖，坡體內部為中風化基巖。結合臨近工程經驗，工程主要采取放坡法進行臨時支護，每級坡高為10.0m，中間預留寬度為2.0m 的平臺（馬道）。

3 開挖邊坡概況

為了提高邊坡開挖工作效率，采用爆破開挖的方式進行開挖。為了保證邊坡爆破后具有良好的平整性，并在一定程度上降低對邊坡穩定性的擾動，工程采用預裂爆破的方式進行開挖。爆破邊線參照邊坡預留平臺（馬道）邊線進行控制，兩級平臺間邊坡高度為10.0 m，因此設置每5 m 爆破一次。同時，在馬道處設置厚度為2.0 m 的緩沖區，從而降低炸藥爆破對工程邊坡的擾動。爆破緩沖區主要采用多孔少藥量的爆破方法，其他區域采用深孔梯段微差爆破方式，采用此方法可控制殘渣粒徑，減少震動，有利于邊坡的穩定性，同時，可在一定程度上提升爆破開挖效果。爆破開挖鉆孔主要采用液壓鉆機成孔，炸藥選用乳化炸藥，采用非電毫秒雷管起爆方式。

邊坡巖土體物理力學參數見表1。

表1 邊坡巖土體物理力學參數

4 爆破開挖邊坡穩定性分析

4.1 數值模擬模型建立

數值模擬采用FLAC 數值模擬計算軟件，模型底部及兩側采用固定邊界，模型表面為自由邊界。FLAC 有限元計算主要是基于采用的顯式拉格朗日法進行分析，計算結果與實際情況較為吻合。典型開挖斷面及數值模擬模型圖見圖1。邊坡開挖坡度約為61.0 m，邊坡采用6 級開挖方式。從上至下每級邊坡高度分別為10.0 m、10.0 m、10.0 m、10.0 m、10.0 m、11.0 m，從上至下邊坡坡比分別為1∶1.50、1∶1.50、1∶0.50、1∶0.50、1∶0.50、1∶0.50。在每級邊坡的坡腳及坡肩位置均設置一個變形及位移監測點，從上至下監測點編號分比為JC1～JC12。數值模擬計算斷面見圖1。

圖1 典型開挖斷面及數值模擬模型

4.2 爆破開挖荷載研究

4.2.1 加速度時程曲線

根據現場地質勘察成果，及相關研究結果[8]。在數值模擬分析過程中，可以使用加速度表達邊坡爆破開挖過程中的爆破荷載，爆破開挖加速度與時間關系見圖2。爆破開挖荷載作用于開挖邊坡坡表位置，可傳輸至邊坡上的計算單位。根據工程經驗，爆破荷載（加速度）在坡表處的作用時間約為1.6 s，最大加速度為9.67 m/s2。本次模擬結果為第四級邊坡開挖施工效果。

圖2 加速度時程曲線

4.2.2 等效荷載研究

為了減少FLAC 軟件計算過程中輸入的數據量，采用等效荷載代替原爆破加速度時程曲線。假設爆破荷載的上升時間為2 ms，衰減時長為4 ms，等效爆破荷載曲線見圖3。

圖3 爆破等效荷載曲線

4.3 數值模擬結果分析

4.3.1 未考慮爆破荷載邊坡穩定性分析

在不考慮爆破荷載影響下，根據建立的數值模擬計算模型，分析開挖后邊坡的穩定性情況，獲取邊坡安全系數。本次計算主要采用強度折減法進行計算，邊坡開挖完成后，其安全系數Fs=1.32＞1.20；邊坡安全情況較好。根據數值模擬計算結果可知，現狀邊坡在不考慮爆破荷載影響的情況下，處于較安全的狀態。

4.3.2 爆破荷載影響下邊坡安全系數分析

將爆破荷載加速度時程曲線輸入計算模型中，設計爆破位置位于第4 級邊坡，統計安全系數隨爆破荷載變化的結果，如圖4 所示。根據計算結果可知，爆破荷載影響下，邊坡平均安全系數有所下降，Fs=1.202＞1.20，從平均結果來看，邊坡整體安全性仍滿足相關規范要求。但在整個安全系數變化過程中，邊坡安全系數在[0.52，2.83]范圍內動態變化。在部分時間段邊坡安全系數較小，是一個隨爆破荷載作用而不斷變化的過程。當邊坡安全系數在瞬時小于1.20 時，則表明此時邊坡安全系數較低，很有可能出現局部垮塌的現象。

圖4 Fs 隨時間變化曲線

4.3.3 爆破荷載影響下邊坡位移響應

當爆破荷載位于第4 級邊坡位置時，邊坡各監測點的最大變形量統計結果如表2 所示。根據表2 的位移統計結果可知，水平方向位移和距離爆破點的距離關系密切，與爆破點距離越近，水平方向位移逐漸增大。

表2 各監測點位移

4.3.4 爆破荷載影響下邊坡變形速度分析

邊坡變形速率和爆破點距離關系與邊坡位移和爆破點關系基本一致。各監測點的最大變形速率基本保持一致，最小變形速率隨著與爆破點距離減小而逐漸減小。爆破荷載作用完成后，變形速率不是突然下降至0，而是持續變形約1.0 s 后，緩慢下降至0.0。

4.3.5 爆破荷載影響下邊坡塑性區分析

邊坡爆破開挖后，塑性區主要位于已經開挖的邊坡范圍內。隨著開挖過程的進行，爆破擾動的邊坡塑性區范圍也逐漸擴大。采用預裂法爆破開挖后，邊坡整體穩定性仍較好，但對邊坡的擾動是不可忽視的。在爆破開挖過程中，需要嚴格控制施放炸藥用量，以免炸藥劑量過大造成邊坡發生破壞，從而誘發安全事故。

5 結論

（1）以實際工程為研究對象，數值模擬分析結果表明，不考慮爆破荷載影響，邊坡開挖后整體穩定性情況良好。

（2）考慮爆破荷載影響時，在部分時間段內邊坡安全系數降低，此時，邊坡可能出現局部的垮塌現象。施工過程中需嚴格控制炸藥用量，減少對邊坡的擾動。

（3）根據邊坡布置的監測點檢測數據可知。與爆破點距離越近，邊坡變形響應越劇烈。