混凝土围堰拆除爆破对大坝的安全影响分析

王小林，靳 龙，曾庆元，昝 彪

(西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054)



混凝土围堰拆除爆破对大坝的安全影响分析

王小林，靳 龙，曾庆元，昝 彪

(西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054)

以位于长江中游支流沅江干流的某水电站混凝土围堰拆除爆破为工程背景，需要爆破拆除的混凝土围堰与县城的直线距离不超过2 km，与最近的一条坝顶公路桥的最小距离为3 m，所以控制爆破振动势必对本工程有着重要的意义。通过对该工程现场爆破试验进行质点振动监测，测取离爆源不同位置下的质点振动速度的监测数据，同时采用回归分析法对数据进行分析，得出爆破地震波在钢筋混凝土大坝结构中的衰减规律，结果表明，使用分段微差爆破技术可有效控制拆除爆破对大坝的振动影响；依据《爆破安全规程》对钢筋混凝土结构质点安全振动速度的要求(v≤5 cm/s)，证明试验爆破初步设计方案及爆破参数k,α较为合理，可为后期爆破方案确定和保证坝体安全稳定性提供依据，也可为类似工程提供工程经验。综合以上试验爆破参数和监测数据得出以下建议：最大单响药量控制在27 kg以下；需要采取一些外在减震措施；要注意地震波的主频率变化范围，防止共振现象的发生。

拆除爆破；混凝土围堰；爆破振动；质点振动速度；回归分析

0 引 言

围堰是在水利工程施工中，为修建永久性水利设施而做的临时性围护结构，待主体结构完成后，围堰也多根据要求进行拆除。土石围堰和混凝土围堰2种最为常见，当围堰所处位置水头较高，土石围堰已经无法满足围护要求时，就必须使用抗冲击、防渗更好的混凝土围堰。在拆除围堰时，土石围堰一般采取机械挖掘的方法，而混凝土围堰的拆除则较多使用爆破拆除法。炸药爆炸所引起的地震效应是公认的爆破公害之首，炸药爆炸时一部分能量以地震波的形式向外传播，威胁到邻近既有建(构)筑物的安全稳定性，所以对建(构)筑物进行爆破振动连续监测，研究爆破地震波衰减规律，可指导爆破设计与施工。国内外学者对爆破振动做了大量的研究，钱七虎，陈士海[1]认为爆破地震震动达到足够强度时，就会引起各种破坏现象，再通过分析单质点系的爆破地震反应，得出建筑结构的震害是由爆破地震运动的加速度或速度最大值决定，而岩土工程的震害主要由地面运动最大速度决定的结论；张金泉，魏海霞[2]提出了爆破地震波的特征，及爆破地震强度的判定标准，并给出了相应的计算公式；徐桂兴，杨桂桐[3]等研究了露天矿边坡体内质点震动的测试方法及与地表爆破震动的对比分析,并系统地介绍了处于动、静载荷共同作用下的边坡稳定性分析方法；罗忆，卢文波[4]等对国内外的爆破振动安全判据做了比较，并认为现有爆破振动安全判据中未对振动频率和持续时间的影响加以考虑；张小强[5]利用数值模拟软件对岩质高边坡爆破动力荷载作用下的仿真分析，得出岩质高边坡的动力反应规律。以上学者从不同方向研究了爆破振动的危害以及安全判据，这些研究成果还需要大量的工程实例作验证。

文中依托某水电站混凝土围堰拆除爆破现场试验，对爆破区内距离最近的大坝坝顶公路桥桥面进行质点振动监测，采用了3个方向的质点振速评价爆破振动强度。

1 工程概况

水电站位于长江中游支流沅江干流上，围堰堰基为基岩，混凝土围堰由南段、中段和北段3部分分别浇筑组成，所用材料为C15混凝土，混凝土围堰长79.18 m，顶部高程44 m，底部高程23 m.横断面上部为矩形，顶宽1.5 m，高2.5 m，下部为梯形，迎水面是直立墙，梯形上底宽1.5 m.

该混凝土围堰北段堰顶距坝体最近，距离约为3.0 m.该混凝土围堰拆除范围为标高25.5 m以上围堰，爆破方量约为8 000 m3.大坝坝顶为新建的一座联通县城和对岸某国道的重要公路桥。

2 爆破条件及振动监测方案

2.1 爆破条件

由于大坝离爆区距离较近，为了减小大坝坝顶公路桥的爆破振动，采用了分段微差爆破[6-10]，炮孔中装同段高段位毫秒导爆管雷管，孔外用低段位毫秒雷管接力。本次爆破使用2号岩石乳化炸药，最大单响药量为26.65 kg.体现爆破振动强度的参数有质点振动速度、加速度等，很多大型混凝土围堰拆除如三峡工程等的振动监测研究都是以质点振动速度作为评价参量。因爆破安全规程中对切向、径向与垂直3个方向质点振动速度都有要求，故采用3个方向的质点振动速度评价爆破振动的强度。

2.2 测试设备选取

本次测试设备采用成都中科动态仪器有限公司生产的TC-5850型便携式数据采集仪。测试中TC-5850所选用的主要性能参数：①自动触发；② 触发水平：1 mm/s(1，2，3， 4，5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.

2.3 测点布置

爆区测点的布置具有重要的意义，它直接关系着爆破振动测试的效果以及监测数据的可用价值。由于爆源距离大坝较近，而且坝顶公路桥桥面上要保护对象较多，所以，布点原则就是将测点有规律的布置于要保护对象附近。在距爆源1 000 m半径范围内，布置了6个测点(其中爆破进行中距爆源600 m处仪器未被触发)，按离爆源的距离远近布置于桥面上[11]，对每个测点3个方向的振动速度进行监测[12]，布点情况如图1所示。

图1 坝顶公路桥桥面爆破测点平面布置图

3 监测结果与分析

3.1 监测结果

针对某水电站围堰的38～44 m高程进行拆除爆破试验，共布置6个测点，其中1个测点仪器未触发。表1列出了拆除爆破试验所引起的坝顶公路桥的桥面质点振动速度的数据结果。

3.2 回归分析数学模型和计算结果

爆破质点振动速度V，由萨道夫斯基经验公式确定[13]，即

(1)

式中V为质点振动速度,cm/s；R为测点到爆源中心的距离,m；Q为最大段装药量,kg；k,α是与爆破方法、孔网参数、场地条件等有关的系数和衰减指数。

对式(1)两边取对数，即

lnV=lnk+αln,

(2)

得经验回归直线[14-15]y=Ax+B.

(3)

表1 爆破的监测数据结果Tab.1 Monitoring data of blasting results

令y0为回归直线方程所得的因变量;yi为因变量，取值为实际观测值，那么回归值与观测值的误差平方和为

(4)

根据最小二乘法原理[16]，使M(A,B)的值最小，求极值可得

(5)

解方程求得

(6)

(7)

如按最小二乘法计算，计算量较大且由于四舍五入会产生一定误差[17]，所以在计算中采用线性回归的矩阵法[18]，原理如下

y=Ax+B可以写成

(8)

利用线性回归的矩阵法，对围堰拆除爆破的5组监测数据进行处理，求出k,α值即可确定监测点3个方向的地震波的衰减经验[19-24]方程分别为

切向质点振动速度

径向质点振动速度

垂向质点振动速度

图2 切向质点振动回归直线图

图3 径向质点振动回归直线图

图4 垂向质点振动回归直线图

图5 测点振动速度衰减规律曲线图

3.3 监测数据和回归结果的分析

对监测数据分析可得，质点振动的峰值速度符合《爆破安全规程》中建(构)筑物质点的安全振动速度规定：钢筋混凝土建(构)筑物质点安全振动速度为5 cm/s[25].

对混凝土围堰拆除爆破试验所得的监测数据回归分析显示，回归直线的斜率与截距分别为假设条件α=A，lnk=B，表明k,α的值也可以由回归直线图计算得出(图2，3，4)。

测点振动速度衰减规律曲线图(图5)显示，靠近爆源处，质点振动速度峰值垂向大于另外2个方向，说明垂向质点振动对大坝安全稳定性的威胁更大。从振动主频量值分析，质点垂向振动频率随爆心距的增加而减小，说明地震波的能量随爆心距的增加而减小，这些规律符合地震波在混凝土结构中的衰减规律。注意到质点振动速度已接近安全振动速度，故在后续围堰拆除爆破时，应该严格控制最大单响药量，从而最大限度的确保大坝的安全稳定。

4 结 论

1) 试验中爆源离大坝较近，对质点振动速度的控制较为严格，采用分段微差爆破技术可以很好的达到减震目的，满足了工程要求，表明设计采用的爆破方案、爆破参数、起爆网络等都是合理可行的；

2) 经现场监测，得出3个方向质点振动峰值速度为4.310 9，4.401 5，4.898 6 cm/s，满足《爆破安全规程》中钢筋混凝土建(构)筑物质点振动安全允许速度小于5 cm/s的要求，说明本次爆破试验不会对大坝产生破坏性影响，可以保证大坝的安全运营；

3) 通过对监测数据的回归分析，得出了3个方向的振动速度衰减规律经验公式，从而优化了爆破方案与设计，可较好的指导后期爆破方案的确定。

根据上述监测数据的特征，希望考虑以下几点建议

1) 以大坝坝顶公路桥作为保护对象，依据现有分析数据，建议最大单响药量控制在27 kg以下；

2) 分段微差爆破是减小爆破振动十分有效的方法之一，所以继续采用分段微差爆破技术，同时辅以一些外在减震措施，如增设减震沟、减震孔和预裂缝等，这样也可减小爆破振动；

3) 由于大坝的体积庞大，无法计算大坝坝体固有频率，所以根据现有的资料可知，钢筋混凝土坝体的固有频率一般低于5 Hz，而实测爆破振动主频率在7.8～16.3 Hz之间，个别监测数据接近坝体固有频率，所以在后续的拆除爆破时，要注意地震波的频率变化范围，防止共振现象的发生，确保大坝坝体的安全稳定。

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Influence of the concrete coffer demolition blasting on the dam safety

WANG Xiao-lin，JIN Long，ZENG Qing-yuan，ZAN Biao

(CollegeofCivilandArchitecturalEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China)

Taking a demolition blasting of hydropower concrete coffer as engineering background，which is located in the Yangtze tributary Ruanjing river,concrete coffer needed to be demolition blasted is not over 2 km in linear distance from the town and the minimum distance is 3 m from the nearest dam bridge.So,controlling the blasting vibration is bound to have important significance to the project.Though monitoring the blasting particle vibration in field，acquiring the monitoring data of vibration speed from different locations and using regression analysis to analyze the data，we obtained the blasting seismic wave attenuation rule in reinforced concrete dam.The result shows that millisecond blasting technique could control the affect of the demolition blasting on the dam through effectively; According to Safety Regulations for Blasting，the demand of structure safety vibration velocity(v≤5 cm/s)on reinforced concrete prove that the preliminary design of blasting and blasting parameters are reasonable,which offer evidence for the confirmation of later blasting，security and stability of the dam.At the same time，offer some experience on the similar project.Based on the above blasting parameters and monitoring data on the test，we have the following suggestions：the explosive quantity should be under 27 kg, some exterior seismic resistance measures should be taken, to pay attention to the main frequency of seismic wave range，and prevent the occurrence of resonance phenomena.

demolition blasting; concrete coffer；blasting vibration；particle vibration dynamic speed; regression analysis

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0103

1672-9315(2015)01-0015-06

2014-11-20责任编辑:刘 洁

王小林(1963-),男，陕西西安人，副教授，E-mail:Allenjinlong20@126.com

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