水電站新澆混凝土爆破振動安全控制技術

王賢光，劉義佳，柯昌佳，陳 明，馮俊領，盧文波，劉志鵬

(1.中國水利電力對外有限公司，北京 100000；2.武漢大學水利水電學院，武漢 430072)

水電工程建設中，爆破施工與混凝土澆筑交叉并行施工將引起爆破振動對臨近新澆混凝土的擾動問題[1-3]，如消力池爆破開挖與閘室段混凝土澆筑。工程資料與試驗數據均表明，爆破振動對新澆混凝土產生不利影響。因此嚴格控制爆破振動速度在安全標準范圍內以降低爆破振動對新澆混凝土的影響，成為水電工程建設過程中的重要技術問題之一。

針對爆破振動對新澆混凝土的影響研究始于20世紀70年代，早期國內外的研究集中于新澆混凝土爆破振動控制速度上，Hulshizer等[4-5]開展了系列試驗，在爆破振動峰值不超過5 cm/s時新澆混凝土不會損傷。朱傳統等[1]結合現場觀測及試驗資料分析，提出了以質點峰值振動速度為判據的新澆大體積混凝土的爆破振動控制標準。盧文波等[6]建立新澆混凝土在爆破Rayleigh波作用下的理論計算模型，由數值方法得到不同齡期混凝土的爆破安全振速。陳明等[7-9]討論了新澆基礎混凝土爆破安全標準的影響因素，并研究了溫度應力對新澆混凝土爆破安全控制標準的影響。戴思南等[10]采用數值計算方法，分析了結構尺寸與齡期對混凝土爆破振動響應的影響。吳帥峰[11]等在除振動峰值外，還分析振動持續時間和頻率對新澆混凝土的影響。褚懷保[12-13]等通過混凝土試塊試驗分析振動荷載對新澆混凝土強度和耐久性的影響。夏晨曦[14]，邵東輝[15]分析了爆破振動對于隧道工程中新澆混凝土的影響及其安全控制。在多個水電工程[16-19]爆破施工過程中，均對臨近新澆混凝土進行爆破振動監測，以保證新澆混凝土結構的安全。

本文將針對老撾南公1水電站溢洪道中消力池爆破開挖對閘室段新澆混凝土的影響問題，進行多次爆破振動監測試驗，研究爆破振動傳播與衰減規律，并評價爆破振動對閘室段新澆混凝土的影響。

1 工程概況

南公1水電站位于老撾南部的阿速坡省內的南公河上，為老撾、越南、柬埔寨3個國家的交界區域。南公1水電站工程等別為二等大(2)型，總庫容6.3×108m3，裝機容量160 MW，主要任務是發電，兼顧防洪、灌溉、交通、航運、旅游、促進當地社會經濟發展。本工程主擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，布置于主河床，壩頂長400 m，壩頂寬8.8 m，壩頂高程325.0 m，最大壩高為90 m。電站的溢洪道布置于大壩左岸，主要由引渠段、閘室段和泄槽段(共設三級消力池)等組成。溢洪道的總開挖長度為800 m，開挖寬度為140 m，土石方開挖量達260萬 m3，具有開挖強度大，工期任務緊等特點。同時溢洪道的設計泄洪流量為8 000 m3/s，溢洪道共布置5孔露頂式弧門。

根據溢洪道開挖設計規劃，當開挖二、三級消力池時，溢洪道閘室段混凝土在同步澆筑，閘室段與二、三級消力池水平距離140.0～400.0 m(見圖1)。溢洪道開挖采取自上而下分層開挖方式，土方分層梯段高度為3～5 m，石方為8～10 m。閘室段高程303.0 m以下大體積混凝土約束區按1.5～2.0 m分層澆筑，約束區以上按1.5～3.0 m分層澆筑，共計分為11層。

圖1 閘室段與消力池的相對位置Fig.1 Relative position of gate chamber section and stilling pool

2 爆破振動傳播與衰減規律

2.1 試驗概況

結合施工進度和試驗需要，共進行5次現場試驗，試驗場地如圖2所示。

圖2 試驗場地Fig.2 Test site

試驗爆區均采用孔內MS15、孔間MS3、排間MS5延時導爆管的延時起爆網路，炮孔直徑均為120 mm，主爆孔孔深為6.0～9.0 m、孔排距為3.0 m×3.0 m，單孔藥量40.0～70.0 kg，兩孔一響，單響藥量為80～140 kg，主爆孔鉆爆參數如表1所示。

表1 主爆孔典型參數

共布置爆破振動監測點18點次，其中直接布置在閘室段新澆混凝土上6點次，爆破振動監測點布置如圖3所示。振動傳感器為三軸傳感器，可同時監測水平徑向、水平切向和垂直向的振動速度，采用TC-4580來記錄振動時程。爆破振動速度時程如圖4所示。

圖3 測點布置Fig.3 Layout of monitoring point

圖4 典型爆破振動時程Fig.4 Typical blasting vibration time-history

2.2 振動衰減

在二、三級消力池開挖時，爆區與閘室段新澆混凝土之間除水平距離外，還存在一定的高程差(見圖1)。5次試驗中各振動監測點峰值振速如表2所示，其中，二級消力池開挖時，高差大約為10.0～20.0 m；三級消力池開挖時，高差大約為20.0～30.0 m。這相比于水平距離而言，高差并不大，爆破振動在高邊坡等高差巨大的傳播路徑上存在顯著高程效應[20]。在研究溢洪道內部爆破振動傳播衰減規律時，可認為水平距離為距離上主要因素，即爆心距取水平距離。

表2 各試驗峰值振速

由表2可知，在最大單響藥量相同的情況下，隨著爆心距的增加，峰值振速減小。閘室段新澆混凝土上峰值振速分布在0.2～1.3 cm/s，其余處測點峰值振速分布在0.2～12.3 cm/s。

根據薩達夫斯基公式，測點峰值振速受爆心距、最大單響藥量、爆區地質、爆破方法等因素影響。利用該公式對消力池爆破振動衰減規律進行擬合，得到峰值振速衰減規律(見圖5)。

圖5 峰值振速衰減規律Fig.5 Attenuation law of the PPV

(1)

式中：K為場地系權；α為衰減系數；Q為最大單響藥量；R為爆心距。

由圖5可知，水平徑向、水平切向和垂直向上的振動速度擬合效果均較好。由振動衰減擬合公式(見表3)可知，爆破振動峰值隨爆心距和最大單響藥量的衰減擬合系數均在0.9以上，且水平徑向上振動速度較另外兩方向上較大。

表3 振動衰減擬合公式

3 新澆混凝土結構的爆破安全控制

水電工程領域，對新澆混凝土爆破振動安全允許標準，經歷了從質點峰值振動速度單指標發展到振動頻率和峰值雙指標，現行《爆破安全規程》(GB 6722-2014)[21]中關于新澆大體積混凝土爆破振動安全允許標準如表4所示。

表4 新澆混凝土爆破振動安全允許標準

由閘室段新澆混凝土上爆破振動主頻(見表5)可以看出，振動主頻分布在20.1～56.2 Hz，根據新澆混凝土的性能指標、齡期和結構特征等信息，參照其他類似工程經驗，確定其振動安全控制標準為齡期為初凝～3 d，振動速度不得高于2.0 cm/s；3～7 d，振動速度不得超過4.0 cm/s；7～28 d，振動速度不得超過8.0 cm/s。在試驗監測中，對于二、三級消力池爆破開挖時，新澆混凝土上測點爆破振動峰值速度均小于2.0 cm/s，滿足安全要求。

表5 實測新澆混凝土爆破振動主頻

根據表3中振動衰減公式，選擇3個方向中最大的水平徑向振動速度作為標準，給出不同藥量、不同爆心距下的振動速度的預測值(見圖6)。可以看到，對于一級消力池開挖時，爆區離閘室段新澆混凝土爆心距小于100 m時，峰值振動速度大于2 cm/s，而齡期為初凝～3 d的新澆混凝土安全允許振速為2 cm/s，也即表明一級消力池開挖時，不進行閘室段混凝土的澆筑是有必要的；二、三級消力池爆破開挖離閘室段新澆混凝土在140 m以外，現有爆破設計最大單響藥量在150 kg以內，振動速度在安全允許振速范圍內，兩施工工序可交叉進行，影響較小。

圖6 爆破振動速度預測Fig.6 Prediction of blasting vibration velocities

4 結語

1) 溢洪道內消力池爆破開挖誘發的爆破振動傳播3個方向均滿足指數衰減規律，利用薩達夫斯基公式擬合具有較好的擬合效果，擬合衰減公式可作為爆破振動安全控制的依據。

2) 閘室段新澆混凝土爆破振動監測顯示，振動主頻在20 Hz以上，峰值振動速度在2 cm/s以下，滿足新澆混凝土爆破振動安全允許振速。且利用擬合衰減公式，在一級消力池開挖時，閘室段新澆混凝土不應施工；在二、三級消力池爆破開挖中，現有最大單響藥量150 kg滿足要求，對新澆混凝土影響較小。