池潭水電站擴建工程爆破對已建大壩安全影響分析

陳念輝，鄭 碩,2，徐德芳

（1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州，311122；2.國家水電站大壩安全和應急工程技術中心，浙江杭州，311122）

0 引言

爆破被廣泛應用于各種巖土工程領域。爆破時，爆炸能將對周圍的建筑產生不利的影響。如何避免這種不利影響是爆破施工的一個重要問題[1-6]。池潭水電站擴建工程引水發電系統緊鄰池潭水電站大壩、發電廠房及開關站，爆破施工可能對運行電站產生不利影響。采用三維動力有限元計算，研究各開挖部位典型爆破振動荷載作用下原大壩及大壩進水口建筑物、廠房、中控室、開關站、尾水平臺等保護對象的動力響應；對擴建工程進水口基坑道路、廠房及尾水出口開挖、引水隧洞等關鍵爆破部位的爆破振動影響做出評價，得到關鍵爆破部位的爆破振動衰減特性及關鍵控制保護對象，為全面分析擴建工程爆破施工對既有建筑物的安全影響評價提供基礎。

1 工程概況

池潭水電站位于福建省西北部泰寧縣境內的金溪上，屬梯級電站的龍頭水電站，以發電為主，兼顧防洪等綜合利用。樞紐建筑物主要包括混凝土寬縫重力壩、壩后溢流廠房、壩內輸水系統及泄水底孔、開關站等，為二等大（2）型工程。水庫正常蓄水位高程275.00 m，水庫調節庫容6.26億m3。池潭水電站擴建的水電站位于池潭水庫的左岸，利用池潭大壩擋水發電。新建樞紐建筑物主要包括輸水系統、地面廠房及升壓開關站等。廠房位于左岸壩軸線下游約300 m處，引水發電系統由岸坡豎井式進水口、引水隧洞、壓力鋼管等組成，廠區建筑物主要由主廠房、副廠房、220 kV開關站、進廠公路、廠前區及尾水渠等組成。主副廠房位于左岸且沿江布置。圖1為池潭水電站擴建工程總布置。

圖1 池潭水電站擴建工程總布置Fig.1 Layout of the expansion of Chitan hydropower station

2 鄰近建筑物的爆破振動響應三維動力有限元數值模擬

新建的水電站引水發電系統緊鄰池潭水電站大壩、發電廠房及開關站，基本將原大壩及廠房左岸側三面包圍。爆源點距原有建筑物60～200 m不等，擴建工程施工將存在大范圍、多次反復爆破影響問題。采用三維動力有限元計算，研究各開挖部位典型爆破振動荷載作用下原大壩及大壩進水口建筑物、廠房、中控室、開關站、尾水平臺等保護對象的動力響應。

2.1 基本控制方程

確定結構的動力響應最終歸結為求解結構的三大基本方程問題。結構系統的動力方程為：

式中，σij為柯西應力；fi為體力密度；x¨為加速度。

其邊界條件如下：

（1）受力邊界（?b1）條件：

（2）位移邊界（?b2）條件：

（3）接觸邊界（?b3）條件：

結構的質量守恒方程為：

式中，ρ0為初始密度；v為相對體積，

結構的能量守恒方程為：

其中，ε˙ij為應變率張量。

將動量方程和邊界條件寫成以下Galerkin弱形式的平衡方程：

其中，δxi滿足位移邊界條件。

應用散度定理和分部積分：

則Galerkin弱形式平衡方程（8）可改寫成虛功原理的積分形式：

相對于靜力學問題而言，彈性動力學問題由于引入了慣性力和阻尼力，其有限元解法要復雜許多，彈性動力有限元方法的任務就是對上述基本方程進行數值求解。其單元動力平衡方程式為：

式中，[Me]、[Ce]、[Ke]、[Fe]分別是單元的質量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣和結點載荷向量。分別對四個單元的矩陣進行集成，形成整個系統的質量矩陣[M]、阻尼矩陣[C]、剛度矩陣[K]和結點荷載向量[F]，相應得到整個系統的動力平衡方程為：

2.2 計算模型及方法

如圖2所示建立池潭水電站擴建工程三維模型，模型包括引水隧洞、擴機廠房、擴機電站進水口、池潭大壩和開關站等建筑物。計算模型采用六面體單元劃分，總單元數與節點數分別為199 449和203 119。

圖2 桐子林水庫蓄水初期不同壩前水位時二灘尾水水位-流量關系Fig.2 Fitted tail water levels and flow rates of Ertan hydropower station with different water levels upstream of Tongzilin hydropower station

圖2 池潭水電站擴建工程計算模型Fig.2 Three dimensional numerical model of expansion of Chitan hydropower station

模型四周及底面設置無反射邊界。計算中時間積分采用中心差分格式，采用分配參數法求解炸藥與巖體的接觸碰撞問題。由于本項目中關注的保護對象均距離爆源很遠，爆破振動對保護對象的動力響應基本屬于彈性振動的范圍，因此考慮計算的可行性和實際的合理性，選用彈性材料來模擬巖石介質可以滿足本項目的計算精度和要求。

2.3 計算工況及爆破振動考察點的選擇

根據引水隧洞和擴建工程廠房的平面總體布置方案，考慮到國內巖體開挖爆破技術的發展現狀，并參考類似工程的實踐經驗，在動力有限元模擬中的總體開挖方法和方案確定上做了以下假定：進水口部位的邊坡及基坑爆破開挖和預留巖坎的爆破拆除主要采用深孔臺階爆破方式，邊坡及基坑爆破開挖孔深約6～8 m，巖坎拆除孔深最大30～40 m。爆破采用排孔起爆，臺階高度8 m，單孔藥量20 kg，孔間距2.5 m，排距2 m，最大單響藥量為80～120 kg。新建廠房基礎的開挖臺階高度6～8 m，單響藥量為40～80 kg，其他參數同進水口部位。對于引水隧洞的開挖，根據已有工程經驗，掏槽孔的爆破振動效應最為明顯，因此考慮引水隧洞掏槽爆破開挖對工程區域保護對象爆破振動的最不利影響。掏槽爆破的孔深3.5 m，4孔一響，最大單響藥量為15～20 kg。

根據工程總體開挖方案和爆破方法，結合工程區域內不同保護對象與爆源的相對位置，并考慮到不同類型爆源的距離和實際影響，在三維動力有限元模擬中分析了以下3個部位的爆破施工影響：（1）進水口部位的深孔臺階爆破；（2）廠房部位的深孔臺階爆破；（3）引水隧洞部位（距大壩左岸壩肩最近處）的淺孔爆破。

各種計算工況的具體爆破參數見表1，基巖物理力學參數見表2。

表1 各計算工況爆破參數Table 1 Blasting parameters under different calculation conditions

表2 巖石主要物理力學參數建議值Table 2 Suggested values of rock physical and mechanical parameters

為了準確細致地對大壩等需要保護建筑物的振動響應規律進行分析，在壩肩、中控室、開關站等關鍵部位設置爆破振動影響評價考察點，通過分析不同位置部位的振動速度響應，分析擴建施工對需要保護建筑物的影響，考察點的布置如圖3所示。

圖3 監測點布置圖Fig.3 Arrangement of monitoring points

2.4 爆破振動荷載及施加方式

計算時荷載分別施加在進水口、引水隧洞、新建廠房中央部位。為簡化數值模擬，可以將粉碎區和破碎區視為爆破振動源的一部分，將簡化的爆破荷載曲線施加在破碎區的外邊界上，即彈性邊界上。爆破荷載的作用形式簡化為三角形，如圖4（a）所示，其中荷載上升時間為1 ms，荷載持續時間為7 ms。不同部位的爆破荷載垂直施加于爆區等效彈性邊界巖體表面，如圖4（b）、（c）、（d）所示。

圖4 簡化的爆破振動荷載及爆破荷載的施加方式Fig.4 Simplified blasting vibration load and its loading mode

3 計算結果分析

以進水口深孔臺階爆破引起的大壩等的振動響應為例，表3給出了進水口典型爆破振動荷載作用下的三維動力有限元計算結果。在單響藥量60 kg的爆破振動荷載作用下，保護對象中控室、開關站的質點峰值振動速度分別為0.30 cm/s和0.39 cm/s，對應的附加最大拉應力分別為14.33 kPa和47.80 kPa；防滲帷幕處的質點峰值振動速度為0.52 cm/s，附加最大拉應力為64.43 kPa；進水口閘門和左岸壩肩處的質點峰值振動速度分別為0.31 cm/s和1.39 cm/s，對應的附加最大拉應力分別為4.95 kPa和52.57 kPa。除進水口閘門外，其他關鍵位置質點的峰值振動速度都出現在水平徑向。此外，雖然壩肩和防滲帷幕的爆心距均為145 m，但由于所處的方位和結構本身性質不同，導致質點峰值速度相差一倍還多。計算沒有考慮結構初始應力作用，因此上述應力為爆破振動引起的附加動應力?？梢钥闯霰普駝赢a生附加動應力較小，基本不會改變大壩及附屬結構的總應力狀態。爆破振動速度沿大壩和廠房結構的高度方向存在一定的放大效應：單響藥量為60 kg時，壩基面的質點振動速度為0.41 cm/s，而同一壩段壩頂的質點振動速度為1.54cm/s。

表3 進水口典型爆破振動荷載作用下各考察點的振速峰值（單響藥量60 kg）Table 3 Peak vibration velocity of monitoring points with water inlet under typical blasting vibration load

表4為進水口部位深孔臺階爆破、新建廠房深孔臺階爆破和引水隧洞全斷面開挖爆破時各保護對象峰值響應速度。進水口部位深孔臺階爆破施工的主要保護對象為防滲帷幕、左岸壩肩、開關站、中控室，其質點峰值振速（單響藥量60 kg）分別為0.52 cm/s、1.39 cm/s、0.39 cm/s和0.30 cm/s；新建廠房部位深孔臺階爆破施工的主要保護對象為開關站、發電機層、中控室、尾水平臺，其質點峰值振速（單響藥量80 kg）分別為0.41 cm/s、0.49 cm/s、0.28 cm/s和0.38 cm/s；引水隧洞淺孔掏槽爆破施工的主要保護對象為壩肩防滲帷幕和開關站，其質點峰值振速（單響藥量10.8 kg）分別為0.23 cm/s和0.06 cm/s。各開挖部位的爆破振動三維動力有限元結果均表明，振動響應沿高程有一定的放大效應，如進水口深孔臺階爆破時，壩基面和壩頂的振動峰值分別為0.41 cm/s和1.54 cm/s；新建廠房深孔臺階爆破時，壩基面和壩頂的振動峰值分別為0.17 cm/s和0.50 cm/s；引水隧洞鉆孔爆破時，壩基面和壩頂的振動峰值分別為0.07 cm/s和0.20 cm/s。

表4 各保護對象振動峰值響應Table 4 The maximum vibration response of each protected structure

為了分析不同單響藥量下各主要保護對象（包括防滲帷幕、大壩、開關站和廠房）振動速度的變化規律，根據爆破振動傳播規律，分別得到了進水口深孔臺階爆破、引水隧洞爆破和廠房深孔臺階爆破時各主要保護對象在不同單響藥量和爆心距條件下的峰值振動速度，如圖5所示。

由圖5（a）可知，當擴建工程進水口在距開關站最近處（124 m）爆破施工時，開關站在單響藥量30 kg條件下的振動峰值速度為0.51 cm/s，可見開關站是進水口爆破施工的控制保護對象。當擴建工程進水口在距防滲帷幕最近處（40 m）爆破施工時，開關站在單響藥量30 kg條件下的振動峰值速度為1.30 cm/s，可見防滲帷幕是進水口爆破施工的控制保護對象。因此，在距開關站和防滲帷幕最近處的進水口爆破施工過程中，需要針對爆破振動對開關站的影響開展跟蹤監測，依據實測資料最終確定合理的振動控制標準；由圖5（c）可知，當單響藥量達到120 kg時，各保護對象的振動速度均低于其振動安全控制標準；當藥量增加到130 kg時，開關站的振動速度超過了控制標準，所以對于廠房基礎開挖，單響藥量須嚴格控制在120 kg以內。

圖5 保護對象在不同爆心距和單響藥量下的峰值振動速度Fig.5 Peak vibration velocity of protected structures from different distances and explosive charges

圖5表明，各保護對象的最大振動速度隨單響藥量的增加而增大；相同藥量時，最大振動速度隨爆心距增加而減小。通過控制單響藥量，可以防止爆破振動對保護對象產生可見的有害影響。

4 結語

根據池潭水電站擴建工程地質條件及設計方案，基于進水口、廠房基礎的深孔臺階爆破和引水隧洞全斷面開挖爆破對現有鄰近大壩和發電設施設備的影響分析，提出以下結論和建議：

（1）引水隧洞全斷面淺孔爆破引起的振動對保護對象的影響相對較小，但在距離大壩最近處爆破施工時，應重點關注壩肩防滲帷幕的振動響應；進水口開挖部位由于距原大壩、廠房、開關站等建（構）筑物較近，對保護對象的影響較大，為關鍵控制爆源；新建廠房主體部位開挖時對原廠房建筑物及設備的影響較大，且新建副廠房和安裝間距原大壩更近，爆破施工時需要嚴格控制該部位引起的振動響應。

（2）爆破振動影響三維動力有限元數值模擬分析發現，保護對象的最大振動速度隨單響藥量的增加而增大；相同藥量時，最大振動速度隨爆心距增加而減小。針對池潭水電站擴建工程，通過控制最大單響藥量、優化爆破參數及優化起爆網絡等措施，能夠將爆破振動對鄰近建（構）筑物的影響控制在允許范圍。對進水口爆源，在距離壩后開關站130.0～150.0 m以內的部位爆破時，最大單響藥量應控制在20.0 kg以內，其他區域控制在40.0～60.0 kg；對引水隧洞的爆破開挖，距離防滲帷幕40.0～60.0 m范圍內的部位，最大單響藥量應控制在15.0～25.0 kg，其他區域控制在20.0～40.0 kg；對廠房基礎部位的爆破開挖，最大單響藥量應控制在70.0～120.0 kg。