爆破振动对水库大坝及建筑物安全影响分析

叶 楠

(吉林省水利科学研究院，吉林长春130022)

1 工程概况

吉林省某水库坝址以上控制流域面积90 km2，是1座以防洪除涝为主，结合灌溉养鱼等综合利用的中型水利枢纽。工程始建于1956年，2008年除险加固工程，总库容1 289×104m3；工程等别为Ⅲ等，主要由土坝、输水洞和溢洪道、渠首枢纽等建筑物组成。

某石油钻探工程公司拟实施该水库枢纽工程附近地区三维勘探采集项目，需在水库水域范围内布设施工激发点26个。施工方法是将埋置在井中的炸药激发，人为制造地震波，将地震反射波在地面进行收集，经过处理和分析后将地下地质结构还原，以探明石油情况(见图1)。为探究地震波对水库主体建筑物(包括大坝、输水洞及溢洪道)的影响，反映地震勘探施工过程中人工地震的真实强度，本文针对该施工方案产生的地震波动对大坝主体建筑物的整体稳定进行了影响分析。

2 现场试验过程及结论

依据《水工建筑物抗震设计规范》(SL 203—97)的规定，抗震计算过程中较为重要的基础数据为库区爆破引起的大坝及建筑物水平向振动设计加速度代表值。为此，中国地震工程力学研究所对大坝进行现场振动测试，共5个测点，每个测点进行了3次测量，每次测量记录得到一组现场振动的速度时程，根据地震物探引起的周边环境振动速度时程，得到对应的加速度反应谱。再利用现场分析得到的大坝基本自振周期，可得各工况下水库大坝的加速度反应谱谱值(见表1)。

图1 水库炮点施工位置示意

表1 水库大坝各方向对应的加速度反应谱谱值

3 主体建筑物振动影响

3.1 振动对土坝稳定性影响

依据《水工建筑物抗震设计规范》(SL 203—97)4.4.1条：“一般情况下，抗震计算时的上游水位可采用正常蓄水位；多年调节水库经论证后可采用低于正常蓄水位的上游水位。”故本文土石坝抗震稳定计算采用上游为正常蓄水位情况下荷载组合。按照对附加孔隙水压力的不同考虑，稳定计算分为总应力法和有效应力法，总应力法不考虑孔隙水压力，采用总应力强度指标(快剪指标)；有效应力法计入附加孔隙水压力，采用有效应力强度指标。有效应力法是通用计算方法，适用于各种工况，故本次计算依据规范采用有效应力法进行计算(见图2、表2)。

图2 土坝上游坝坡计入震动波工况稳定分析 (Autobank计算)

表2 土坝各断面稳定分析结果

经过计算分析可以看出，爆破振动加速度较小，对土坝安全稳定性稍有影响，上、下游坡安全系数分别减小1.20%、1.10%，不会威胁到安全运行。

3.2 振动对建筑物稳定性影响

该水库大坝的主要建筑物是泄洪闸，闸室运行期主要荷载包括：闸体自重、上部桥载、水的重力、水平水压力、闸门及启闭设备自重等。石油勘探爆破施工将在附近周边引起地震波，由此将对水工建筑物产生附加荷载，包括：水平向惯性力、动水压力、地震动土压力。

依据《水工建筑物抗震设计规范》(SL 203—97)，水平向惯性力代表值应按照下式计算：

Fi=αhξGEiαi/g

式中，Fi为水平向惯性力代表值；αh为水平向地震加速度；ξ为效应折减系数；GEi为重力作用标准值；αi为动态分布系数(见图3)；g为重力加速度。

根据计算结果，无爆破振动影响时：水闸抗滑稳定性系数为2.73，最大压应力为74.26 kPa，最小压应力为52.91 kPa，最大最小压应力比为1.4；抗浮稳定性系数为4.8。爆破施工振动作用下：抗滑稳定性系数为2.71，减小0.73%；最大压应力为74.90 kPa，最小压应力为52.27 kPa，最大最小压应力比为1.43，增大2.15%；抗浮稳定性系数为4.8，没有变化。因此，闸室段在爆破振动波作用下，主要安全参数受到轻微的不利影响，但是各项安全系数变化不大，仍然能满足整体稳定要求。

图3 水闸建筑物动态分布系数取值示意

4 主要结论

本次安全影响评估通过现场试验得到振动的速度时程，经过谱分析得到结构振动的基本自振频率；并依据试验所测得的振动速度时程，得到对应的加速度反应谱。综合以上分析计算得到水库大坝的加速度反应谱谱值。

本文分析过程依据大坝的加速度反应谱谱值及现场实际情况，对土坝、溢洪道闸室段在地震波作用下的稳定性进行了复核计算。计算结果表明，此次石油勘探施工引起的地震波动对水库枢纽工程的主体建筑物稳定性有一定影响，但是其变化后的数值仍在规范允许范围内，不影响土坝、溢洪道的安全运行，爆破空位布置合理；施工方案是安全、可行的，但爆破施工时应注意尽量减少同时爆破孔数，确保将影响降到最低。