某水电站洞室爆破对边坡安全影响分析

贠永峰,张小强,张 方,王 明

(西安科技大学建筑与土木工程学院,陕西 西安 710054)

0 引 言

近年来,在采矿、水利和水电、公路及铁路等岩土工程中洞室爆破越来越多[1-2].随着爆破施工的进行,山地周围会产生边坡.洞室爆破时,炸药在岩土介质中除了对介质做功消耗能量外,一部分能量以波的形式向外传播,形成的爆破地震波产生的振动威胁既有边坡的稳定性,影响施工的正常进行.因此,必须对边坡爆破振动进行连续监测,以便研究爆破地震波在边坡中的传播规律,采取合适的评价参量和控制方法,以期达到对边坡爆破振动危害的有效减缓.本文依托某水电站坝基取料洞室爆破,对山体周围不稳定岩层地段的边坡进行质点振动监测,采用了质点3向振速评价爆破振动强度.

1 工程概况

本工程坝体为面板堆石坝.为了方便施工、节省成本,在大坝一定距离处爆破取料.按照水电站面板堆石坝坝料开采总体计划,在坝料上坝之前必须准备40X104m3的备料.根据主料场与辅助料场的实际情况,进行第2次洞室爆破开采,第2次爆破拟在大坝蓄水之前,将淹没区450 m高程以下岩石尽可能地开采利用,爆区主要布置在主料场坡脚500 m高程以下.由于前期坝料的施工开采,施工现场形成了约100 m的边坡.随着取料和施工进行,边坡的稳定性将受到关注.

固定边坡料场第2次爆区与其他区域基本被沟谷切割,界限较清晰.山脊部分为有用料,基岩裸露,山脊顶部岩层呈竖条形切割.表土覆盖层均处在山脊间沟壑,厚3~5 m.岩层走向S50°E,倾向NE∠75°.

爆区地层为寒武纪下统天河板组,岩性主要为灰色薄层状泥质条带灰岩、豆状灰岩及页岩,弱风化灰岩主要集中于山脊轴部,局部含有少量硅质结核.区内软弱页岩层相对集中,主要集中在爆破区北端东西向山脊南侧、南部缓坡地段,层厚15~20 m.

2 爆破条件及监测

在爆破开采时,采用洞室爆破施工,洞室中的震源段微差间隔一般大于100~300 ms,采用2号岩石乳化炸药、膨化硝铵炸药,毫秒微差电雷管或导爆管起爆.在上述的背景下,进行了坝体堆石料的第2次洞室爆破开采,此次洞室爆破总装药量370 t.

为预测一定距离的爆破振动质点振速值,在离爆心一定距离、一定坡度的山体上布设测点,测点一般位于坡脚、坡中、坡顶不同高度的坡面上.如果条件允许,尽量将测点布设于爆源与坡面正交的同一剖面上.

反映爆破振动强度的参量有质点位移、加速度、速度和能量比等.国内比较一致的意见认为,构筑物的破坏与质点振速关系密切,南芬、大冶、水厂等大型铁矿以及三峡工程等均采用质点振速作为监测与评价参量[3-5].因爆破引起边坡岩层内或表面的质点振动有垂直、径向与切向3个方向,故采用3个方向的质点振速作为监测参量来评判爆破振动的强度.

采用成都中科动态仪器有限公司EXP3850爆破振动仪及配套的速度传感器.该测振仪主机由自带固化程序的微型电脑、热敏打印机、充电蓄电池组成,辅体由三维测振传感器 (拾震器)组成.主要性能参数:①自动触发;②触发水平:1 mm/s(1、2号测点),0.51 mm/s(3号测点);③单次监测;④标准采样率;⑤通频带2~300 Hz;⑥速度误差小于0.01 mm/s;⑦加速度误差小于0.009 8 m/s2;⑧位移误差小于0.001 mm.传感器安放需注意以下3点:

(1)在土壤上安放时,需将测点处表层一定厚度的浮土去掉,然后用石块或其他硬物将土层砸实,用石膏粉加水调制成浆糊状,将传感器粘结在砸实的土层上.

(2)在岩石层上安放时,先将所要安放的部位用清水洗刷干净,再用生石膏粉加水调制成浆糊状,将传感器粘结在石膏上.

(3)由于EXP3850型测振仪附带的传感器为3个方向的,故而在此次测试中,Y方向指向爆源方向 (即轴向),X方向为与爆源方向垂直 (即横向).

3 爆破振动分析

3.1 监测数据

为得到爆破地震波在边坡中传播的衰减规律,按照预定的监测方案进行爆破振动测试,共取得了3个点次的9组数据.通过对波形图进行时域分析和频谱分析,得出各测点的实测振动数据.测试数据的结果见表1.

3.2 质点振速分析

爆破振动传播的衰减规律采用萨道夫斯基的经验公式[6-7]

式中,K为与地质条件、爆破方法等因素有关的系数;α为与地质条件有关的地震波衰减系数;Q为与振速V值相对应的最大段起爆药量;R为测点与爆心的直线距离;ρ=Q3■/R为比例药量.K、α可通过振动监测数据回归计算求得.

在已知爆破药量、传播介质特性及衰减系数、测点至爆心距离的条件下可预测、评价边坡上爆破振动峰值质点振速, 并以此作为减缓爆破振动对边坡危害的数据基础.

对边坡的众多爆破振动监测表明,当测点位于爆心上方时, 高差对测点的振速具有放大作用,且该作用程度和高差成正比.而式(1)并未考虑高差的影响,将高差影响因素纳入式(1)中得到[8]

式中,β为高差影响指数,可由监测数据回归求得;R为爆心至测点的斜距;S为爆心至测点的水平距.

表1 测试数据结果

根据现场对边坡振动的监测数据, 利用多元回归分析方法,求出K、α、β值即可确定边坡上爆破地震波的衰减经验方程.

为便于线性回归, 式(2)等号两边各取常用对数得到

对坡顶、坡中、坡脚而言, 其n值都为3.利用式(3)和其变化的式子,运用Excel进行多元线性回归得到K、α、β值.回归结果见表2.

表2 回归分析结果

再由lgKi=4.532(4.096,4.786),i=1,2,3得,以上3处边坡上质点振速衰减式分别为边坡切向速度

边坡径向速度

边坡垂向速度

3.3 振动衰减规律分析

在此次洞室爆破过程中,各向速度的监测数据中,垂直向速度大于其他2个方向,说明爆破振动中垂向速度影响边坡的稳定性程度最大,切向次之,最后是径向.从频率的大小上得出,爆破振动垂向的主频最大,沿其方向上的能量输送最大,对边坡的稳定性影响程度也较大.在爆破地震波传播主要方向上,边坡切向速度振动衰减速率最快,垂向次之,径向最小;而质点垂直振速受高差影响的程度上恰好不同,径向受到高差影响程度较大,切向次之,垂向最小.这些衰减和影响程度与岩层地质状况相对应,符合实际情况.故在以上地段实施爆破时,应充分注意各地段边坡上质点垂直振速的衰减特征,从而采取合理的爆破设计方案,最大限度地保护边坡的安全.

4 结 语

(1)本次洞室爆破药量较大,录像资料和爆后现场检查表明,所有药室都安全起爆.爆堆堆积在设计的塌散范围内,爆破飞石最大距离均在安全警戒线之内.岩石破碎充分,块度均匀,基本无大块,大大降低了2次破碎成本.颗粒级配良好,符合面板堆石坝坝基石料要求.

(2)为了最大程度地减小爆破振动,采用了分段微差爆破措施,爆破振动得到了有效控制,楼房结构、周边民房、高压电线等均未受损害,爆破振动危害小于预期,周围边坡处于安全状态.分段微差爆破技术的运用可以有效地减小爆破振动的产生.

(3)本次爆破取得了较好的效果,说明设计采用的爆破方案、爆破参数、爆破起爆网络等是正确合理的,可为其他爆破工程提供参考.

[1] 顾定军.洞室爆破在小型采石场中的应用[J].煤矿爆破,2006,72(1):37-38.

[2] 焦永斌,程新锋,邓飞,等.采石场条形药包洞室爆破[J].工程爆破,2005,11(3):43-45.

[3] 黄兴礼.工程爆破地震问题的探讨[J].爆破,1992(3):1-6.

[4] 黄涛.几个水电站地下工程的爆破振动[J].爆破,1985(3):28-35.

[5] 高晓初.我国露天铁矿大区多排微差爆破技术[J].爆破,1995(3):33-38.

[6] 杜汉清.爆破振动衰减规律的现场试验研究[J].爆破,2007,24(3):107-109.

[7] 胡建敏,刘华.柘林水电站扩建工程施工期爆破振动衰减规律[J].岩石力学与工程学报,2001,20(z1):1861-1864.

[8] 廖大学,史秀志,刘金明,等.井下爆破振动的衰减规律研究[J].采矿技术,2007,7(2):92-93.