基于質點振動速度和松弛深度的建基巖體爆破損傷評價

孫永清，文 豪，楊新明

(1.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081;2.國電大渡河流域水電開發有限公司，四川 成都 610041)

在水利水電工程建基面開挖過程中，傳統的爆破質量是以超欠挖、平整度、殘孔率等表觀參數進行評價[1]，其體現的主要是開挖面的外觀形象，難以衡量爆破對建基巖體一定深度范圍內產生的潛在影響。爆破振動監測可以獲得監測點的振動速度，常用于回歸分析爆破地震效應的衰減規律[2- 3]或者對爆破周邊特定保護對象進行監測，控制爆破最大單響藥量[3- 4]。在建基面開挖過程中，已開挖完成的圍巖可視為保護對象，其特點為保護面大，顯而易見不可能做到爆破區近距離監測點均滿足某個較小振速，因此一般情況下設計指標均要求超過爆破區一定距離后振動速度應小于某個特定值，這樣就可以對每輪爆破進行振動速度監測，對比設計安全允許振速，對下輪爆破進行優化調整，避免圍巖的疲勞損傷。單孔聲波或跨孔聲波測試可以通過波速分析爆破破壞的潛在影響范圍，評價爆破松動圈的巖體質量[5- 6]。兩者結合對爆破開挖過程進行控制，對建基巖體進行爆破損傷評價，可以彌補表觀參數評價的不足。

1 工程概況

雙江口水電站是大渡河流域水電規劃“3庫22級”的第5級，位于四川馬爾康縣和金川縣境內，是大渡河流域水電梯級開發的上游控制性水庫工程，控制流域面積約39330km2，多年平均流量502m3/s，正常蓄水位2500m，總庫容28.97億m3，調節庫容19.17億m3。電站裝機容量2000MW，多年平均發電量77.07億kW·h，為一等大(1)型工程，樞紐工程由攔河大壩、泄洪建筑物、引水發電系統等組成。

攔河大壩壩基巖體為似斑狀黑云鉀長花崗巖，設計為土質心墻堆石壩，最大壩高312m，壩頂高程2510m，河床部位心墻底高程2198.00m，大壩建基開挖后，兩岸壩肩及上部危巖體治理邊坡拔河高度約600米。工程區域最大地應力達38MPa，強度應力比小于4，是國內少見的高地應力區。開挖后形成的高陡岸坡，天然狀態下地應力較高，谷坡形成后在長期應力釋放及重力等綜合因素作用下，兩岸巖體向河谷臨空方向卸荷回彈變形明顯，對大壩施工造成嚴重威脅。因此對大壩開挖過程中及開挖完成后進行巖體松弛深度檢測有著重要意義，通過分析圍巖松弛變化發展情況，評價壩肩邊坡穩定，及時采取防護措施，為后續基礎處理提供可靠資料。

2 巖體爆破損傷檢測方法

巖體損傷檢測本質上是進行爆破影響范圍內的巖體質量檢測，目前常用的檢測/監測方法有聲波法(單孔聲波、對穿聲波、聲波CT)、地震波法(表面地震波速測試、地震波CT)、鉆孔孔壁數字成像、地質雷達法、質點振動監測等[7]。其中聲波法和地震法均可以通過波速絕對值(m/s)或衰減率(%)定量描述爆破損傷的具體范圍，鉆孔孔壁數字成像可以直觀的了解孔壁爆破裂隙、爆破松動情況，而地質雷達通過爆破裂隙帶與完整圍巖之間的電磁波反射和吸收差異來半定量測定爆破損傷范圍。質點振動監測所測定的是距離爆破一定距離的質點振動速度。爆破作業必然會有部分能量轉換為振動波向外傳播，從而產生自近而遠衰減的振動速度，產生振動說明巖體受到擾動，由于巖體本身具有一定的彈性，產生振動并不能證明巖體已經受到損傷，因此振動監測結果并不能直接檢測爆破損傷的范圍，只有當振動速度超過巖體本身抗裂強度或多次振動產生疲勞破壞時，才會導致巖體產生不可恢復的損傷，筆者認為從巖體損傷角度來說，對爆破點附近的新開挖巖石(非固定保護對象)進行質點振動監測的意義即在于設定可容許的振動速度，避免巖體產生疲勞破壞。

對于爆破損傷的評價，滿軻等從爆破施工設計角度研究了周邊空孔效應對爆破振速及圍巖損傷的影響因素[8]，劉曉等通過聲波數據對高地應力地區爆破損傷程度進行了評價[9]，楊靜熙等通過聲波和衰減率對錦屏一級壩基巖體質量爆破損傷進行評價[10]。本工程中，采用爆破振動監測和聲波檢測相結合的方式對爆破損傷進行評價，首先對爆破從最近10m開始由近到遠布置質點振動監測點，分析爆破衰減規律并評價爆破是否可能引起損傷，同時采用單孔聲波和對穿聲波測試爆破松弛深度，定量評價爆破損傷程度。每梯段爆破后將檢測結果反饋給施工承包人，遵循著“一炮一總結”的質量控制原則，在下一梯段爆破中對爆破參數進行持續優化，形成“爆破——檢測——反饋——優化”的循環機制，使爆破始終處于嚴格的受控狀態，將爆破對巖體的損傷降到最低，保證了建基巖體質量。

3 巖體爆破損傷評價標準

現行有效的規程規范中，均未見到定義巖體爆破損傷的標準，僅在GB 6722—2014《爆破安全規程》、DL/T 5333—2005《水電水利工程爆破安全監測規程》、DL/T 5135—2013《水電水利工程爆破施工技術規范》等規范中對固定的、明確的保護對象提出了安全允許振速標準[11- 13]，在NB/T 10227—2019《水電工程物探規范》、NB/T 35058—2015《水電工程巖體質量檢測技術規程》、DL/T 5333—2005《水電水利工程爆破安全監測規程》中提及了爆破松弛深度的判別方法[12，14- 15]。在不同的工程中，一般由設計單位根據工程區特點和施工工藝提出本工程的爆破損傷評價標準[10]。本工程中，施工技術要求中明確提出在每茬炮距離爆源10m位置的質點振動速度不超過10cm/s，施工過程中設計單位明確提出建基面1、2、5m范圍內的巖體爆前、爆后聲波平均波速衰減率不得大于10%，否則判斷為爆破破壞。

4 巖體爆破損傷評價

4.1 爆破振動速度評價

在每梯段的爆破振動監測過程中，由于爆破范圍內網絡布置不嚴格呈規則的幾何形狀，幾何中心點難以精確定位，爆源距離在現場不便于測量，以及爆破周邊場地限制，無法保證最近監測點嚴格布置在距離爆源10m的位置，因此最近的監測點盡可能距離爆源10m位置布置，當無法安裝監測儀器時，布置在10m左右、總體上沿近密遠疏布置，將監測數據整理后通過薩道夫斯基經驗公式進行回歸分析[14]，以回歸分析的10m點處振動速為標準進行評價。部分爆破振動監測數據和評價結果見表1。

從監測數據可以看出，在各梯段爆破的最大單響藥量差異不大的情況下，不同位置爆破在10m左右的實測振動速度差異較大，即多孔網絡爆破時，在近爆源區域實測振動速度的離散性較大，甚至存在實測振速并不與最大單響藥量正相關的情況。筆者分析這與薩道夫斯基回歸公式的假設前提有關，采用薩氏經驗公式時，其假設爆源是一個點，或監測點與爆源的距離遠遠大于爆源的幾何形狀，當采用多孔網絡爆破時，采用的是爆破區域的幾何中心點，對近爆源區來說，這時爆源已不能視為一個點了，已背離了薩氏公式的假設前提，再加上本身爆破地震效應是一個極其復雜的過程，因此實測振動速度有很大的離散性，這時建議評價標準可設置在較遠的距離或采用回歸分析振速來評價。

4.2 爆破松弛深度評價

左右壩肩每梯段爆破前后及時進行聲波檢測，并將檢測結果反饋給施工承包人，對爆破參數進行持續優化。典型的爆前爆后聲波衰減曲線如圖1所示，從圖1中可以看出，淺部聲波波速衰減率較大，一般會超過10%，圖中該孔則是0.4m以內每個測點的波速衰減率均超過10%，而1m以內平均波速衰減率8%，滿足設計要求。

圖1 典型的爆前、爆后聲波速度曲線和衰減曲線

對爆破松弛深度成果進行統計(見表2—3)，可以看出，爆破松弛深度均控制在2m以內，早期爆破松弛稍深，左岸高程平均松弛深度達1.7m，右岸高程平均松弛深度達1.5m，隨著開挖高程的降低，爆破參數的持續優化，爆破松弛深度宏觀上有所降低，直至開挖至河床基坑，爆破松弛深度穩定在1.0m左右。

表2 左壩肩EL2340m以下爆破松弛深度統計表

從全部數據統計看，爆破松弛層平均波速在3573～4847m/s之間，平均波速4246m/s，而深部未松弛的原巖波速在3878～5490m/s之間，平均波速4897m/s，0～1m之間波速衰減率在4.5%～9.2%之間，平均衰減率6.7%，1～2m之間波速衰減率在0.2%～2.8%之間，平均衰減率1.4%，2m以后波速基本無變化，說明爆破整體控制較好。

5 結語

(1)左右岸壩坡開挖過程中檢測結果顯示爆前爆后的波速衰減率和爆破振動速度，基本滿足設計要求。爆破松弛深度隨著爆破參數的持續優化，從早期的1.7m降低并穩定在1.0m左右，爆破整體控制較好。

(2)采用爆破質點振動監測和松弛深度檢測綜合評價爆破損傷，及時反饋，按照“一炮一總結”原則持續優化爆破參數，形成“爆破——檢測——反饋——優化”的良性循環，可以有效的控制開挖質量，在本工程中取得了較好的效果。

(3)爆破振動速度在近爆源區實測振速離散性較大，確定圍巖的安全允許標準時，宜選擇合適的評價距離和基準值，避免實測振速離散性過大帶來困惑。

表3 右壩肩EL2360m以下爆破松弛深度統計表