大坝爆破振动响应评估分析

邓成发，许 昌，葛国昌

(1.浙江广川工程咨询有限公司，杭州 310020;2.浙江省水利河口研究院，杭州 310020;3.浙江水利水电专科学校市政工程系，杭州 310018)

1 研究背景

爆破振动研究一直是工程和科学界研究的一个热点。由于爆破本身的复杂性和爆破条件的多样性，目前还难以采用统一的判据进行爆破振动的安全判别，因此对爆破振动安全判别的研究具有重要的工程意义。由于结构经受爆破振动破坏与质点的振动速度存在很大的相关性，人们常常采用单一质点的振动速度作为安全判据的基础，然而大量的工程实践已证实了单一强度因子作为安全判据的局限性和不合理性［1－3］。目前国内外的爆破振动安全标准已引入了频率指标，不少学者还从爆破振动能量和结构振动响应的角度探讨爆破振动安全评价指标，使安全评价标准更加科学化和合理化。娄建武［4］等研究了爆破震动信号的振动速度和频率特征，并提出了基于反应谱值分析的爆破地震动破坏评估方法。林大超等［5］利用小波变换针对爆破振动信号进行时频分析，研究了不同频带上能量的分布规律。中国生［6］等从理论上提出了考虑结构固有频率及阻尼等因素影响的响应能量判据。

针对现有爆破振动安全判据的某些局限和不足，本文以振动能量分布、质点峰值振速和有限元模态分析等综合因素作为爆破振动的安全判据，并以鱼石岭水库大坝受近区隧道爆破的振动监测为例，得出了一些参考性结论，希望能对类似工程有所借鉴。

2 小波多分辨率

根据小波多分辨率分析原理［7］，采用二进制小波时，函数f满足

式中:f表示函数分解出的低频部分;g表示函数分解出的高频部分。当分析对象为爆破振动的时间历史x(t)时，有f0(t)=x(t)，于是上式可以简写为

如果用x0(t)表示实测爆破振动信号，xr(t)表示小波分解后的爆破振动完全重构信号，可以得到它们之间的百分比相对误差为

同时根据式(1)，爆破地震信号的总能量E0可表示为

考虑到小波函数的正交性，并将g0(t)代替fn(t)，式(4)可简化为

因此，不同频率段内爆破振动的相对能量分布百分比为

3 工程概况

杭(州)长(兴)高速公路第十合同段位于杭州市余杭区境内，其中鱼石岭隧道1 005 m，为左右分离上下隧道，其中左线为ZK40+135至ZK41+140，长1 005 m，其中明洞21 m，暗洞984 m;右线为YK40+110至 YK41+115，长1 005 m，其中明洞18 m，暗洞987 m。按照设计，明洞采用明挖法施工，暗洞按新奥法(NATM)施工。隧道开挖尺寸为:宽13.5 m，最大高度10.1 m。

鱼石岭隧道右线出口与鱼石岭水库左坝肩相邻，距离约50 m，水库拦河坝为浆砌块石单曲拱坝，坝高17.9 m，坝顶长77 m，坝顶宽1.5 m。大坝中部设溢流坝段，溢流坝段宽度为22 m，高度为1.85 m，大坝下游照片见图1。由于隧道距离鱼石岭水库大坝较近，且隧道出口位于左坝肩拱端承载岩体上，隧道爆破施工将对鱼石岭水库大坝的安全产生一定的影响，故需对爆破期间大坝的振动效应进行监测。

图1 大坝下游图Fig.1 View of the downstream of the dam

根据隧道围岩级别不同，爆破施工分别采用不同的施工方案，Ⅲ级围岩采用钻爆法全断面掘进施工，Ⅳ级围岩区段采用上下台阶法开挖，Ⅴ级围岩区段采用环向留核心土开挖法开挖，爆破方式均采用毫秒非电雷管起爆，段药量分别为244.68，159.57，140.03 kg。

4 振速控制标准

《爆破安全规程》(GB6722—2003)［8］给出了地面建筑物的爆破振动判据，采用保护对象所在地表质点峰值振动速度和主振频率来确定允许振速。该标准制定的允许振速见表1。

表1 爆破振动安全允许标准Table 1 Allowable values of blasting vibration safety standard

鱼石岭水库大坝为浆砌块石拱坝，属于大型砌块建筑物，根据表1，最小安全允许振速为2.0cm/s。同时根据文献资料记载，4度以下地震没有对大坝造成危害［9］。当地震烈度为4度时，相当于爆破振动速度范围为0.8～1.5cm/s［10］。通过以上分析，当隧道爆破引起的大坝振动速度小于1.5cm/s时，大坝安全不会受到影响，同时鉴于鱼石岭水库大坝建成时间较早(建于1975年)，本着从严要求的原则，经研究决定鱼石岭水库大坝最大允许安全振速为1.0cm/s［9］。

5 振动效应分析

5.1 振动信号测试分析

由于该工程爆破施工时间较长，总爆破次数约有250次，很难针对每次爆破进行监测，根据隧道由远到近的开挖方式，采用抽样监测、监测次数逐渐递增的方法，共采集数据8组。监测仪器采用成都中科测控有限公司生产的TC4850型测振仪及TYTEST型3分量高灵敏度速度传感器，采样频率设置为2 000Hz。根据《爆破安全规程》(GB6722—2003)，峰值振动速度和主振频率应指地表质点的监测结果，故主要针对坝后基岩测点监测结果进行分析，见表2。

此外，考虑爆破地震信号持时短、突变快的非平稳特性，笔者采用小波多分辨率技术研究爆破振动信号的能量。利用db8小波基函数将实测振动信号分解为8个频带［11－12］:0～7.812 5 Hz;7.812 5～15.625 Hz;15.625～31.25 Hz;31.25～62.5 Hz;62.5～125 Hz;125～250 Hz;250～500 Hz;500～1 000 Hz。原始信号与重构信号对比结果见图2，各频带能量表征见表3。

表2 爆破振动监测结果Table 2 Monitoring results of blasting vibration

图2 原始信号、重构信号及误差信号Fig.2 Original signal，reconstructed signal，and error signal

表3 振动信号各频带能量表征Table 3 Energy distribution in different frequency bands

5.2 模态分析

由于拱坝是一种复杂的空间壳体结构，其自振特性受多种因素的综合影响，除坝高、坝体厚度、坝体弦长以及坝体材料的弹模等坝体本身因素影响外，还与基岩弹性模量(求解拱坝自振特性时一般视地基为无质量基础)、坝前水深等涉及坝体－坝基和坝体－库水的动力相互作用因素的影响有关［13］。笔者将计算模型网格划分为49 283个单元，坝体和坝基采用空间八节点六面体线性缩减积分单元C3D8R，模型四周采用法向约束，底部采用固定约束，x轴正向指向大坝右岸，y轴正向指向大坝下游，z向以竖直向上为正。整个模型长112.0 m，宽70.0 m，高38.0 m，大坝迎水面坡度1∶0.1，背水面坡度1∶0.25，见图3 所示。

图3 大坝模型网格划分Fig.3 Finite element meshes of the dam

为了计算水库蓄水情况下的大坝模态，将计算模型分为空库和满库(水位至溢洪堰顶)2种情况，大坝下游无水。本文提取了空库和满库情况下的前10阶振型和自振频率(见表4)。由于相同阶次的空库和满库情况下的振型基本无变化，本文只列出满库情况下的前2阶振型，见图4。

表4 空库与满库情况下的大坝自振频率Table 4 Natural frequencies of the dam with empty or full reservoir

图4 前2阶振型位移云图Fig.4 Cloud picture of displacement in the 1 st and 2 nd mode

6 结论

以鱼石岭水库拱坝实测爆破振动监测数据为研究基础，利用质点峰值速度、振动能量分布以及模态分析等因素的综合安全判据来对大坝的安全性进行评价，得出了以下结论:

(1)在空库和满库情况下，大坝振型几乎无变化，1阶振型为对称振型，2阶振型为反对称振型，在上下游方向(y向)上具有显著质量的最低阶振型为第1阶。由于坝高较低，库水位对大坝自振频率影响较小，库水位升高带来附加质量的增大使得拱坝的自振频率略有减小。空库和满库情况下的1阶基频分别为9.284 Hz和9.283 Hz，相差较小，同时满足砌体结构的基频在3～10 Hz之间的规律，基频较大的原因是坝高较低以及拱坝两岸的约束作用。

(2)坝基最大振速为0.76cm/s，小于允许安全振速1.0cm/s;实测主振频率均大于20 Hz，不会引起大坝共振，可见隧道爆破振动对大坝安全影响较小。

(3)处于7.812 5～15.625 Hz相对频带之间的相对能量最大为4.56%，能量分布主要集中于15.625～250 Hz频带之间，而大坝基频所在的第2频带能量相对较小，可见爆破振动不会对大坝造成破坏。

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