土木工程

基于爆破振动监测的岩石边坡开挖损伤区预测

严鹏，邹玉君，卢文波，等

摘要：目的：我国正在兴建或待建的一大批大型或特大型水电工程，如金沙江上的溪洛渡、白鹤滩、乌东德和向家坝及雅砻江上的锦屏一级等工程，地势险峻，坡体结构复杂，地质条件差，开挖技术要求高，开挖规模大且历时长，边坡施工期安全稳定问题严峻。岩质边坡爆破开挖时，爆炸荷载在完成岩石爆破破碎的同时，不可避免地对保留岩体产生动力损伤，形成所谓的开挖损伤区。该损伤区在施工期间受到后续开挖扰动、降雨等不利因素的作用而不断演化扩展，对坡体的局部及整体稳定性和施工安全十分不利。尤其是随着开挖台阶的不断下降，边坡越来越高陡，需要更加严格控制开挖爆破对高边坡稳定的影响。快速而准确地确定边坡爆破开挖损伤区，合理有效地控制岩体爆破影响范围，对确保施工安全、防止边坡滑坡造成人员伤害和财产损失具有重要意义。岩石边坡爆破开挖损伤范围的判定主要依靠开挖完成后的现场测试来完成，岩体钻孔声波测试法测试较为方便、效率高，采用水耦合，成果易判读，精度也较高，已经写入相关规范中，在岩体工程中得到了普遍的应用。另一方面，边坡开挖爆破振动控制已经成为减小爆破损伤、保证高陡边坡工程顺利进行的关键之一。大量研究和工程实践表明，边坡爆破开挖诱发的振动与岩体爆破损伤深度之间具有较好的相关性。因此，通过爆破振动监测，利用质点峰值速度与损伤范围之间的关系便可以确定预裂爆破的损伤范围，而且爆破振动监测方便快捷，利用振动数据来预测边坡损伤，是一个快速经济的方法。本文以白鹤滩水电站左岸坝肩槽建基面开挖为背景，边坡爆破开挖时在固定距离处进行了爆破振动监测，开挖后利用声波检测方法得到了边坡中部区域的开挖损伤，通过回归分析建立边坡中部的实测爆破损伤与固定爆心距处爆破振动峰值之间的关系，并利用后续梯段对该关系进行了验证和修正。方法：对白鹤滩水电站左岸834.0～770.0 m高程坝肩槽边坡7个梯段的爆破开挖方案进行优选，确定爆破参数，每个梯段爆破开挖后都对保留岩体进行爆破损伤测定，爆破损伤深度探测采用声波测试进行。根据爆孔下爆后声波波速与爆前波速的差距随孔深逐渐减小的变化特点，以爆后波速下降率10%作为判定基岩松动的依据，得到各梯段的损伤深度。通过爆破振动监测，采用萨道夫斯基公式回归分析得到 1～6梯段的振动衰减规律。研究质点峰值振动速度衰减规律与对应爆破影响下保留岩体损伤深度的函数关系，通过回归分析建立不同爆心距处质点峰值振动速度与损伤深度的关系，利用此关系和爆破振动监测结果便可对以后梯段的爆破损伤深度进行预测。结果：在后续拱肩槽开挖施工中，选取了第7梯段爆破对上述预测理论进行验证。与前6个梯段一样，得到了爆破地震波水平径向的衰减规律，计算出不同爆心距处的振动速度，代入得到的质点峰值速度与损伤深度之间的拟合公式中，得到了预测损伤深度：最大损伤深度为1.15 m，平均损伤深度为0.86 m。第7梯段实测损伤深度结果如下：最大损伤深度为1.10 m，平均损伤深度为0.88 m。可见，预测损伤深度与实测损伤深度符合得很好，证明了本文所建议的方法的合理性。结论：通过对白鹤滩水电站左岸834.0～770.0 m高程坝肩槽边坡爆破开挖的振动监测和对保留岩体的损伤检测，分析了1～6梯段的振动衰减规律，建立了不同爆心距处质点峰值振动速度与损伤深度的关系，实测数据统计回归的结果表明，爆破振动与保留岩体的损伤深度之间的相关性良好。通过对下一梯段的振动监测得到其预裂爆破的振动衰减规律，就可以利用前几个梯段中预裂爆破与保留岩体损伤深度之间的关系预测下一梯段的损伤范围，此方法简便可行，可以大大减少声波测试的工作量，提高工作效率，同时预测精度可满足工程需要，可以及时迅速地获得边坡开挖损伤范围，指导边坡支护施工。对白鹤滩水电站左岸坝肩槽边坡爆破开挖，采用本文提出的方法预测的损伤深度与实际监测结果基本相符，证明了所建议的方法的可行性。考虑到地质条件、开挖造成的地貌改变等因素，需要增加其他因素作为回归要素，如梯段高度、炮孔直径、最大单响药量、坡体的地质强度分类等，或者增加部分关键部位的声波检测，对预测结果进行修正补充，以进一步提高预测的精度、扩大本方法的应用范围。

来源出版物：岩石力学与工程学报, 2016, 35(3): 538-548

入选年份：2016