白莲河抽水蓄能电站地下厂房爆破振动传播规律研究

李继跃 刘经军 陈 彬

（中国葛洲坝集团 第一工程有限公司，湖北 宜昌 443002）

1 工程概况

白莲河抽水蓄能电站位于湖北省黄冈市罗田县白莲河乡境内，白莲河水库右坝头上游侧，主要承担华中电网的调峰、填谷、调频、调相等任务.工程规模为I等大（I）型工程，电站总装机容量为1 200MW，装有4台单机容量为300MW的可逆式电动发电机组，机组额定水头195m，采用二洞四机的联合输水方式.枢纽工程由上水库、下水库、输水系统及发电系统等几部分组成.发电系统地下厂房位于已建白莲河水库大坝右坝头上游侧山体内，厂房纵轴线方向为东西向，自上游向下游平行排列有球阀室－主厂房－主变洞－尾水闸门室4大洞室，三者之间的岩体厚度分别为30m、32m和15.6m；在地下主厂房与主变室之间布置4条母线洞和1条厂用配电洞，其轴线方向为南北向，与主厂房轴线方向垂直.白莲河抽水蓄能电站地下厂房系统布置如图1所示.

图1 白莲河抽水蓄能电站地下厂房系统三维效果图

地下厂房系统洞室群布置在已建白莲河水库右坝头上游侧山体内，均位于雄厚的花岗岩体内，地下厂房处地面高程为250.00～307.00m，顶拱铅直埋深155.00～212.00m，地表基岩裸露，弱风化岩石下限埋深10～15m.厂房围岩主要为新鲜灰白色花岗岩，少量为肉红色花岗岩，大部分地段围岩完整性较好，岩体主要为块状、次块状结构，少量裂隙较发育地段为镶嵌碎裂结构.影响厂房地质条件的主要断层有F8（包括 F8－1、F8－2及其影响带）.F8断层破碎及影响带声波波速为2 800～4 800m／s，其余洞段RQD值一般在75%以上，岩体声波波速一般为5 500～6 200 m／s.F8断层带及附近受影响部位基岩划为Ⅳ类（局部Ⅴ类），Ⅳ类为主，约占70%，少量为Ⅲ类.

主厂房最大开挖尺寸为146.40m×23.25m×54.38m（长×宽×高，下同）；主变洞位于主厂房洞室下游，开挖尺寸为134.40m×19.70m×19.925m；球阀室位于主厂房上游，开挖尺寸为106.40m×10.70 m×27.88m；尾水闸门室位于主变洞下游，经运输廊道与进厂交通洞相连，开挖尺寸为94.00m×10.80m×20.905m；主厂房洞与主变洞之间的4条母线洞均为城门洞形，长度32.00m，开挖断面尺寸为B×H＝8.00m×9.80m；厂用配电洞与母线洞平行，位于厂房东端，城门洞形，B×H＝10.2m×8.50m，底板开挖高程50.60m.

2 爆破作用原理及爆破振动传播规律

2.1 爆破作用原理和振动波

炸药在岩石中爆炸时瞬间释放出大量的高温高压气体，产生强大的冲击波，冲击和压缩周围的岩石，在岩石中激发形成强烈的压缩应力波.当这种压缩应力波传播到自由面时，从自由面反射，形成拉伸应力波.当拉伸应力波的强度超过岩石的极限抗拉强度时，引起岩石破碎.同时高温高压气体膨胀的推动作用和楔入岩体裂隙内的尖劈作用，促使岩石进一步破碎.这就是炸药在岩石中的爆破作用原理.

炸药在岩体中爆炸时产生巨大的压力，以极高的速度冲击药包四周的岩体，在岩体中激发产生传播速度比声速还大的冲击波（爆炸应力波），使邻近的岩石产生熔融、压碎和破裂.在离药包稍远的地方，由于波的衰减，非弹性过程终止，开始出现了弹性效应，衰减后的冲击波，变成引起岩石质点振动的弹性扰动，这种弹性扰动以弹性应力波（振动波）的形式向外传播.

振动波按传播途径分为两类：一类是体积波，在岩体内部传播；另一类是表面波，沿岩体内外表面传播.体积波按波的传播方向和传播途中介质扰动方向的关系，分为纵波和横波.纵波又叫压缩波，它的特点是传播方向与介质质点运动方向一致，在传播过程中会引起岩体的压缩和拉伸变形.横波又叫剪切波，它的特点是传播方向与介质质点运动方向垂直，在传播过程中会引起岩体的剪切变形.炸药爆破时，在岩体中产生的体积波，特别是纵波，能使岩体产生压缩和拉伸变形，是爆破造成岩石破裂的重要原因［1－2］.因此，在研究应力波的传播过程时，必须要研究应力波传播所引起的岩石介质质点的振动速度.

2.2 爆破振动波的传播规律

衡量爆破振动强度的物理量有爆破振动引起的质点速度、加速度和位移等.现行国家标准及水利部行业标准中的安全振动控制标准均采用质点最大振速和主频进行控制.爆破振动波引起的岩石质点振动的传播规律通常采用萨道夫斯基经验公式［2］确定：

式中，K、α为与地质、爆破方法、地质条件等因素有关的系数；K为场地系数，α为衰减指数；Q为与V值相对应的最大一段起爆药量（kg）；R为测点与爆源中心的距离（m）；ρ为比例药量.

对K、α值的影响因素很多，除了地形，地质条件外，还与爆破类型、装药结构、起爆方式，炸药性能、爆破作用方向及防护对象的特点等有关，一般应通过爆破振动测试，回归计算K、α值.当没有试验数据时，K、α值可按表1取值.

表1 爆区不同岩性的K、α值

2.3 爆破振动安全允许标准

爆破振动安全允许标准，对于评估爆破地震作用下建（构）筑物的安全影响，具有实际意义.由于爆破地震不同于天然地震，它的震源在地表浅层发生，能量衰减快，地震持续时间短，振动频率较高，在离爆源近的范围内地面质点竖向振动较显著等.因此，爆破地震的破坏判据与天然地震不同.

我国爆破安全规程规定：地面建筑物的爆破振动判据，采用保护对象所在地质点峰值振动速度和主振频率控制；水工隧洞、交通隧道、矿山巷道、电站（厂）中心控制设备、新浇大体积混凝土的爆破振动判据，采用保护对象所在地质点峰值振动速度控制.根据国家《爆破安全规程》（GB6722－2003）及水利水电安全规程规定，对水工建筑物，质点允许爆破振动速度见表2，白莲河地下厂房各部位规定的质点允许安全振动速度见表3.

表2 爆破振动安全允许标准

表3 白莲河抽水蓄能电站地下厂房质点允许振动速度

3 白莲河地下厂房振动波传播规律研究及振动控制

在评价爆破振动对建（构）筑物的危害时，一般采用介质质点振动位移、速度和加速度作为破坏判据，工程实践资料表明，当边界条件相似，药量、爆心距和最小抵抗线一定时，质点振动速度变化较其他物理量相对显著和稳定.

根据爆破振动速度传播与衰减的萨道夫斯基经验公式，通过一定数量的现场爆破振动速度检测数据，进行回归分析，求得地下洞室爆破开挖的岩体质点振动速度传播与衰减的K、α值.然后再通过建筑物和保护对象允许的安全质点振动速度，反算出今后每次爆破时的允许最大装药量，确定合理的开挖方法和钻爆参数，从而在爆破时，将其质点振动速度控制在安全标准范围内.

3.1 爆破振动监测

根据地下厂房爆破开挖施工进度，在地下厂房中导洞及排水灌浆廊道开挖过程中采用四川拓普数字设备有限公司生产的TOPBOX振动信号自记仪进行了基岩爆破振动衰减规律试验.这种仪器是一种自带电池的盒式微型记录仪，适用于爆破现场和野外测试.现场只需将它放在预定的测点上，与传感器连在一起即可，待自动仪触发记录后即可取回，且断电后数据不丢失，在现场或事后可通过RS232标准串口与笔记本电脑或计算机相连，对波形进行显示、读数、存贮、打印、绘制以及所需的数据处理与分析.

爆破振动测试采用速度传感器及爆破自记仪测试系统进行爆破振动安全监测.测试系统方框如图2所示.

图2 测试系统方框图

爆破振动测试测点布置图和实测典型爆破振动波形如图3～4所示.

爆破开挖振动检测试验数据见表4.

表4 爆破振动试验检测数据

续表4 爆破振动试验检测数据

3.2 爆破振动回归分析

1）回归依据

爆破振动速度经验公式为：

两边取对数后为：

令y＝lgV、a＝lgK、b＝α和x＝lgρ，则y＝a＋bx通过解析法或一元线性回归求得a和b，最终求得K、α.

2）回归理论

设有两个变量x、y的一组观测数据（xi，yi），i＝1，2，…，n.假定x与y之间有线性关系：

分别对a，b求偏导数，并令其等于0，再经整理，就得到a，b所满足的正规方程组：

由此得

则有：b＝Lxy／Lxx，a＝，于是得到回归方程：＝a＋bx.

相关显著性检验：如何判断x与y之间线性相关程度，这里使用相关系数检验法进行统计推断.两个变量x和y的相关系数r定义为：

对给定的显著水平α，查相关系数临界值表，得rα（n－2），若｜r｜＞rα（n－2），则y与x 之间的线性关系是显著的，若｜r｜≤rα（n－2），则y与x 之间的线性关系是不显著的.

3）回归分析结果

通过回归分析求得完整基岩内爆破振动衰减规律.垂直质点振动速度：K＝136.0，α＝1.56，相关系数r＝0.945；水平质点振动速度：K＝100.7，α＝1.44，相关系数r＝0.93.得出白莲河抽水蓄能电站地下厂房爆破振动衰减规律的经验公式为：

3.3 降低爆破地震效应的措施

为防止爆破区域邻近建筑物受爆破振动破坏，爆破设计时，应采用有效的控制措施，确保被护对象质点振动速度在安全允许值之内.

1）采用微差爆破.实践表明，段间隔时间大于100ms，降振效果比较明显；间隔小于100ms时，各段爆破产生的地震波不能显著分开.

2）选择合理的爆破方向.根据地形地质条件，选择爆破方向，避开振动效应最大的后冲方向.

3）采用防振孔和预裂爆破.在爆破体与被保护体之间，钻凿不装药的单排防振孔或双排防振孔，可以起到降振效果，降振率可达到30%～50%.采用预裂爆破，比打防振孔要减少钻孔工作量，降振效果更好，但应注意预裂爆破时产生的振动效应.预裂孔和防振孔都应有一定的超深△h，一般取20～50cm.

4）控制最大单响起爆药量.通过爆破测试，回归计算出萨道夫斯基经验公式中的K、α值，根据爆区与保护对象之间的距离、保护对象质点允许振动速度，求得最大单响药量作为控制依据，限制一次爆破的最大起爆药量.

5）在重要的和敏感的保护对象附近或爆破条件复杂地区进行爆破时，应进行爆破地震监测，以确保被保护物的安全.

3.4 白莲河抽水蓄能电站地下厂房开挖爆破监测

在白莲河抽水蓄能电站地下厂房开挖爆破的过程中，通过现场爆破振动速度测试试验，求得地下洞室爆破开挖的岩体质点振动速度传播与衰减规律.然后再通过允许的建（构）筑物和保护对象的安全质点振动速度，反算出每次爆破时的允许最大装药量，确定合理的开挖方法和钻爆参数，从而在每次构筑物和保护对象附近爆破时，将其质点振动速度控制在安全标准范围内.

在地下厂房开挖过程中，对围岩岩壁、岩壁吊车梁等重要部位，进行了爆破质点振动速度监测，主要监测仪器布点如图5所示.

图5 监测仪器布点示意图

实测地下厂房爆破开挖振动监测数据见表5.

表5 垂直质点振动速度监测结果

4 结 语

1）通过在地下厂房中导洞、排水灌浆廊道开挖过程中进行爆破振动检测，回归出了本地区地质条件下基岩爆破质点振动速度衰减规律：垂直质点振动速度：K＝136.0，α＝1.56，相关系数r＝0.945；水平质点振动速度：K＝100.7，α＝1.44，相关系数r＝0.93.爆破振动衰减规律的经验公式为：

2）根据厂房开挖过程中关键部位爆破振动速度监测实测数据可以看出，地下厂房Ⅲ层以下开挖爆破和相邻洞室爆破对浇灌后的岩壁吊车梁的爆破振动影响均小于设计控制标准，施工方法和爆破参数满足厂房爆破开挖要求；爆破试验给出的爆炸地震波在该地区花岗岩中传播规律的经验公式适合地下厂房岩石条件下的爆破开挖施工，能够指导地下厂房爆破设计与施工，爆破振动得到了有效的控制.

3）将一次爆破的所有炮孔分成多段起爆，选择合理的分段方式和起爆顺序，减弱爆破作用对邻近洞室的影响，为避免微差爆破延时时间不够或延时误差造成应力波叠加，使爆破振动加强，在选择雷管段数时，应适当加大相邻段别的段位差.

4）降低单段药量是控制爆破振动最直接最有效的方法.根据萨道夫斯基公式可以看出在测点与爆心直线距离R相同、岩性和爆破条件相似的情况下，当段药量Q2＝0.5Q1时，V2＝（0.74～0.64）V1，减振达20%左右.因此降低单段药量可以明显减小爆破振动.

5）完整的单段爆破地震波形应包括初震相、主震相和余震相.主震相周期一般为20～50ms.为了不使后一段震波与本段震波相叠加，下段爆破的时间间隔△t应保证本段余震相结束后再起爆，应使△t≥50～100ms，故应适当增加使用非电导爆管的段数.根据现场实测资料分析，合理的微差时间应大于50ms.

6）根据力学作用原理，在地形地质条件相似、岩性一致、爆破参数相同的条件下，振动作用最强的方向是最小抵抗线的方向，而侧面较小.因此改变抵抗线的方向可以减小振动.

［1］ 祝文化，李元章，程 康，等.地下厂房吊车梁岩台爆破开挖试验研究［J］.工程爆破，2004（1）：53－55.

［2］ 许海亮，张继春，杨 红，等.钻孔爆破振动速度计算公式及其简化的探讨［J］.同济大学学报：自然科学版，2007，35（7）：899－903.