某水電站洞室爆破對邊坡安全影響分析

贠永峰,張小強(qiáng),張 方,王 明

(西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,陜西 西安 710054)

0 引 言

近年來,在采礦、水利和水電、公路及鐵路等巖土工程中洞室爆破越來越多[1-2].隨著爆破施工的進(jìn)行,山地周圍會產(chǎn)生邊坡.洞室爆破時,炸藥在巖土介質(zhì)中除了對介質(zhì)做功消耗能量外,一部分能量以波的形式向外傳播,形成的爆破地震波產(chǎn)生的振動威脅既有邊坡的穩(wěn)定性,影響施工的正常進(jìn)行.因此,必須對邊坡爆破振動進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測,以便研究爆破地震波在邊坡中的傳播規(guī)律,采取合適的評價參量和控制方法,以期達(dá)到對邊坡爆破振動危害的有效減緩.本文依托某水電站壩基取料洞室爆破,對山體周圍不穩(wěn)定巖層地段的邊坡進(jìn)行質(zhì)點振動監(jiān)測,采用了質(zhì)點3向振速評價爆破振動強(qiáng)度.

1 工程概況

本工程壩體為面板堆石壩.為了方便施工、節(jié)省成本,在大壩一定距離處爆破取料.按照水電站面板堆石壩壩料開采總體計劃,在壩料上壩之前必須準(zhǔn)備40X104m3的備料.根據(jù)主料場與輔助料場的實際情況,進(jìn)行第2次洞室爆破開采,第2次爆破擬在大壩蓄水之前,將淹沒區(qū)450 m高程以下巖石盡可能地開采利用,爆區(qū)主要布置在主料場坡腳500 m高程以下.由于前期壩料的施工開采,施工現(xiàn)場形成了約100 m的邊坡.隨著取料和施工進(jìn)行,邊坡的穩(wěn)定性將受到關(guān)注.

固定邊坡料場第2次爆區(qū)與其他區(qū)域基本被溝谷切割,界限較清晰.山脊部分為有用料,基巖裸露,山脊頂部巖層呈豎條形切割.表土覆蓋層均處在山脊間溝壑,厚3~5 m.巖層走向S50°E,傾向NE∠75°.

爆區(qū)地層為寒武紀(jì)下統(tǒng)天河板組,巖性主要為灰色薄層狀泥質(zhì)條帶灰?guī)r、豆?fàn)罨規(guī)r及頁巖,弱風(fēng)化灰?guī)r主要集中于山脊軸部,局部含有少量硅質(zhì)結(jié)核.區(qū)內(nèi)軟弱頁巖層相對集中,主要集中在爆破區(qū)北端東西向山脊南側(cè)、南部緩坡地段,層厚15~20 m.

2 爆破條件及監(jiān)測

在爆破開采時,采用洞室爆破施工,洞室中的震源段微差間隔一般大于100~300 ms,采用2號巖石乳化炸藥、膨化硝銨炸藥,毫秒微差電雷管或?qū)П芷鸨?在上述的背景下,進(jìn)行了壩體堆石料的第2次洞室爆破開采,此次洞室爆破總裝藥量370 t.

為預(yù)測一定距離的爆破振動質(zhì)點振速值,在離爆心一定距離、一定坡度的山體上布設(shè)測點,測點一般位于坡腳、坡中、坡頂不同高度的坡面上.如果條件允許,盡量將測點布設(shè)于爆源與坡面正交的同一剖面上.

反映爆破振動強(qiáng)度的參量有質(zhì)點位移、加速度、速度和能量比等.國內(nèi)比較一致的意見認(rèn)為,構(gòu)筑物的破壞與質(zhì)點振速關(guān)系密切,南芬、大冶、水廠等大型鐵礦以及三峽工程等均采用質(zhì)點振速作為監(jiān)測與評價參量[3-5].因爆破引起邊坡巖層內(nèi)或表面的質(zhì)點振動有垂直、徑向與切向3個方向,故采用3個方向的質(zhì)點振速作為監(jiān)測參量來評判爆破振動的強(qiáng)度.

采用成都中科動態(tài)儀器有限公司EXP3850爆破振動儀及配套的速度傳感器.該測振儀主機(jī)由自帶固化程序的微型電腦、熱敏打印機(jī)、充電蓄電池組成,輔體由三維測振傳感器 (拾震器)組成.主要性能參數(shù):①自動觸發(fā);②觸發(fā)水平:1 mm/s(1、2號測點),0.51 mm/s(3號測點);③單次監(jiān)測;④標(biāo)準(zhǔn)采樣率;⑤通頻帶2~300 Hz;⑥速度誤差小于0.01 mm/s;⑦加速度誤差小于0.009 8 m/s2;⑧位移誤差小于0.001 mm.傳感器安放需注意以下3點:

(1)在土壤上安放時,需將測點處表層一定厚度的浮土去掉,然后用石塊或其他硬物將土層砸實,用石膏粉加水調(diào)制成漿糊狀,將傳感器粘結(jié)在砸實的土層上.

(2)在巖石層上安放時,先將所要安放的部位用清水洗刷干凈,再用生石膏粉加水調(diào)制成漿糊狀,將傳感器粘結(jié)在石膏上.

(3)由于EXP3850型測振儀附帶的傳感器為3個方向的,故而在此次測試中,Y方向指向爆源方向 (即軸向),X方向為與爆源方向垂直 (即橫向).

3 爆破振動分析

3.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)

為得到爆破地震波在邊坡中傳播的衰減規(guī)律,按照預(yù)定的監(jiān)測方案進(jìn)行爆破振動測試,共取得了3個點次的9組數(shù)據(jù).通過對波形圖進(jìn)行時域分析和頻譜分析,得出各測點的實測振動數(shù)據(jù).測試數(shù)據(jù)的結(jié)果見表1.

3.2 質(zhì)點振速分析

爆破振動傳播的衰減規(guī)律采用薩道夫斯基的經(jīng)驗公式[6-7]

式中,K為與地質(zhì)條件、爆破方法等因素有關(guān)的系數(shù);α為與地質(zhì)條件有關(guān)的地震波衰減系數(shù);Q為與振速V值相對應(yīng)的最大段起爆藥量;R為測點與爆心的直線距離;ρ=Q3■/R為比例藥量.K、α可通過振動監(jiān)測數(shù)據(jù)回歸計算求得.

在已知爆破藥量、傳播介質(zhì)特性及衰減系數(shù)、測點至爆心距離的條件下可預(yù)測、評價邊坡上爆破振動峰值質(zhì)點振速, 并以此作為減緩爆破振動對邊坡危害的數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

對邊坡的眾多爆破振動監(jiān)測表明,當(dāng)測點位于爆心上方時, 高差對測點的振速具有放大作用,且該作用程度和高差成正比.而式(1)并未考慮高差的影響,將高差影響因素納入式(1)中得到[8]

式中,β為高差影響指數(shù),可由監(jiān)測數(shù)據(jù)回歸求得;R為爆心至測點的斜距;S為爆心至測點的水平距.

表1 測試數(shù)據(jù)結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場對邊坡振動的監(jiān)測數(shù)據(jù), 利用多元回歸分析方法,求出K、α、β值即可確定邊坡上爆破地震波的衰減經(jīng)驗方程.

為便于線性回歸, 式(2)等號兩邊各取常用對數(shù)得到

對坡頂、坡中、坡腳而言, 其n值都為3.利用式(3)和其變化的式子,運用Excel進(jìn)行多元線性回歸得到K、α、β值.回歸結(jié)果見表2.

表2 回歸分析結(jié)果

再由lgKi=4.532(4.096,4.786),i=1,2,3得,以上3處邊坡上質(zhì)點振速衰減式分別為邊坡切向速度

邊坡徑向速度

邊坡垂向速度

3.3 振動衰減規(guī)律分析

在此次洞室爆破過程中,各向速度的監(jiān)測數(shù)據(jù)中,垂直向速度大于其他2個方向,說明爆破振動中垂向速度影響邊坡的穩(wěn)定性程度最大,切向次之,最后是徑向.從頻率的大小上得出,爆破振動垂向的主頻最大,沿其方向上的能量輸送最大,對邊坡的穩(wěn)定性影響程度也較大.在爆破地震波傳播主要方向上,邊坡切向速度振動衰減速率最快,垂向次之,徑向最小;而質(zhì)點垂直振速受高差影響的程度上恰好不同,徑向受到高差影響程度較大,切向次之,垂向最小.這些衰減和影響程度與巖層地質(zhì)狀況相對應(yīng),符合實際情況.故在以上地段實施爆破時,應(yīng)充分注意各地段邊坡上質(zhì)點垂直振速的衰減特征,從而采取合理的爆破設(shè)計方案,最大限度地保護(hù)邊坡的安全.

4 結(jié) 語

(1)本次洞室爆破藥量較大,錄像資料和爆后現(xiàn)場檢查表明,所有藥室都安全起爆.爆堆堆積在設(shè)計的塌散范圍內(nèi),爆破飛石最大距離均在安全警戒線之內(nèi).巖石破碎充分,塊度均勻,基本無大塊,大大降低了2次破碎成本.顆粒級配良好,符合面板堆石壩壩基石料要求.

(2)為了最大程度地減小爆破振動,采用了分段微差爆破措施,爆破振動得到了有效控制,樓房結(jié)構(gòu)、周邊民房、高壓電線等均未受損害,爆破振動危害小于預(yù)期,周圍邊坡處于安全狀態(tài).分段微差爆破技術(shù)的運用可以有效地減小爆破振動的產(chǎn)生.

(3)本次爆破取得了較好的效果,說明設(shè)計采用的爆破方案、爆破參數(shù)、爆破起爆網(wǎng)絡(luò)等是正確合理的,可為其他爆破工程提供參考.

[1] 顧定軍.洞室爆破在小型采石場中的應(yīng)用[J].煤礦爆破,2006,72(1):37-38.

[2] 焦永斌,程新鋒,鄧飛,等.采石場條形藥包洞室爆破[J].工程爆破,2005,11(3):43-45.

[3] 黃興禮.工程爆破地震問題的探討[J].爆破,1992(3):1-6.

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