取水口岩坎爆破振动监测设计与数据分析

刘占超

(辽宁省水利水电勘测设计有限责任公司，辽宁 沈阳 110006)

在水利水电爆破施工过程中，爆破振动影响是安全监测的重点，一般水利水电工程爆破安全监测的主要对象是水工建(构)筑物及其基础。对爆破区域重点部位进行振动监测可以有效反应工程爆破的影响，还可以通过监测数据进行资料对比分析优化爆破设计。本文以辽宁某重点引水工程进水口岩坎爆破为研究对象，简述该工程爆破振动监测设计及数据分析情况。

1 工程概况

辽宁某重点引水工程进水口由取水边坡与取水控制竖井及有压引水洞、输水隧洞等组成。取水口后145m桩号处为检修闸门控制室，控制室采用竖井式结构，检修竖井高50.0m，长7.82m，宽5.70m，竖井内布置一道检修闸门(2.5m宽×2.0m高)、一道拦污栅(2.5m宽×2.0m高)，输水隧洞长4.39km，隧洞为有压隧洞，衬砌断面为圆形，衬砌洞径为2.0m。

监测工作主要包括监测仪器和设备的采购、保管、率定、安装；岩坎爆破时闸门、闸墩所受动水压力、表面应变、振动位移观测等；整理、分析观测资料。

2 监测内容和方法

2.1 动水压力

动水压力和时均压力反映了相关部位的主要水力特性，是分析动水荷载的重要参量，利用压力传感器同时进行动水压力和时均压力的测量，其信号经放大后由专门的计算机采集系统记录和分析。

2.2 涌浪

涌浪反映了对应部位的水位变幅，通过压力传感器测量，其信号经放大后由专门的计算机采集系统记录和分析。

2.3 振动位移

通过布置在进口闸墩和工作门墙上振动位移监测仪，监测爆破时闸室震动。利用振动位移传感器进行测量，其信号经放大后由专门的计算机采集系统记录和分析。

2.4 动应力(变)

通过布置在竖井两侧边墙及取水进口胸墙处的应变计，监测其在爆破冲击力作动应(变)力。

3 仪器选取

3.1 压力传感器

用于动水压力(含时均压力及脉动压力)观测。

(1)压力传感变送器应根据测量部位在各种运行工况下可能发生的最大动水压强合理选择传感器的量程，确保满足在各种运行工况下的监测需要。

(2)压力传感变送器除应考虑其量程和精度外，要确保其防水性，压阻式传感器的测头宜选用不锈钢双隔离膜形式。

(3)传感器的正常工作温度范围应覆盖过流测量的环境温度。

(4)传感器的外壳应有足够的强度，正常安装不改变传感器的初始状态。

(5)脉动压力传感器的频响范围应满足脉动压力信号监测的需要，一般情况下其响应频率应大于60Hz，水流紊动剧烈或掺气时应适当增大压力传感器的频响范围。

3.2 振动传感器

用于建筑物的振动测量，采用位移传感器，频率范围0.2～200Hz，灵敏度根据测点位置选定。

(1)传感器质量应小于测试对象有效质量的1/10，以避免增加质量负荷，改变结构的动态特性。

(2)测试前应对测试对象的频率、可能产生的最大振动位移进行预估，选择合适频率范围及灵敏度的传感器。

(3)对传感器的工作环境有充分了解，如温度、磁场、湿度等，特别是是否有防水要求等，并检查所采用的传感器能否满足要求。

4 测点布置

取水口岩坎拆除水下爆破监测项目共布置3个动水压力测点、一个涌浪测点、4套振动位移测点及3个动应(变)力测点。详见表1。

表1 爆破振动监测测点布置表

5 监测成果

本次监测共对取水口岩坎拆除爆破进行了2次爆破监测，监测统计概况如下。

5.1 振动位移

通过监测数据统计，观测到振动位移幅值因冲击波快速增加，达到峰值，受建筑物约束而衰减，经过近5s时间，建筑物振动结束。第一次爆破观测到闸门控制室振动最大位移约1.99mm，位于胸墙顶顺水流方向DS02(1)测点。第二次水下部分爆破监测，爆破时的水位为293.0m。观测到闸室处振动最大位移约2mm。

5.2 振动频率

通过监测数据统计，成果表明：第一爆破各测点的主频均未超过5Hz，优势频率未超过10Hz，其中测点DS02(1)的主频约为5Hz，其它测点的主频率约为1Hz；第二次各测点主频基本均为0.5Hz。

5.3 振动速度

观测采用振动位移传感器，再通过分析计算各测点的振动速度。结果表明：第一次爆破闸门控制室闸墩墙顶DS03(1)测点顺水流方向的振动速度最大，最大达到3.06cm/s；第二次爆破DS04(1)最大达到8.58cm/s从各测点振动速度看，振动速度超过DL/T 5135—2013《水电水利工程爆破施工技术规范》规定的上限。各测点爆破振动速度过程线见表2。

表2 振动位移、主频率、振动速度监测汇总表

5.4 涌浪

涌浪测点SW布置在拦污栅上，测点高程290.6m，2次爆破观测时水位为292.5和293.0m。从波形图看，爆破开始后，仪器受冲击波的影响，传感器出现了较大压力值，根据波浪传播原理，波浪在冲击波之后出现。从涌浪图中可看出，波浪最大幅值为1.04及0.54m。

5.5 动水压力

本次观测由于受现场条件限制，测点位置未能达到设计要求的高程，且B03号测点在水面上，因而观测到爆破水流冲击波的影响。从测点B01和B02的观测数据来看，第二次爆破的动水压力明显大于第一次爆破，最大为B01测点，达到383.9kPa。动水压力监测汇总见表3。

表3 动水压力监测汇总表 单位：kPa

5.6 动应(变)力

闸门动应变片在第一次爆破时没有安装，此处仅对第二次爆破进行分析：

爆破冲击波作用下混凝土岸墙测点布置在连接岸墙的检修竖井内侧▽265.00m高程处，根据取水口左右岸墙结构力学特征，该部位动应力可以作为结构安全控制点。应力监测点共选择3点，分别位于竖井两侧边墙及取水进口胸墙处，标号测点C、测点A、测点B。测点布置示意图如图1所示。

图1 取水口爆破振动监测布置图(单位：m)

取水口左右岸连接岸墙为混凝土重力式结构，主材采用C35标号混凝土。根据混凝土材料特性表，混凝土轴心抗压设计值(fc)为16.7N/mm2，混凝土轴心抗拉设计值(ft)为1.43N/mm2，混凝土弹性模量(Ec)为3.15×104N/mm2，泊松比(νc)为0.2。

根据爆破时程监测曲线，可以获得爆破冲击力作用下闸墩混凝土各测点应力值，表4为应力监测结果。根据监测结果，测点A、测点B、测点C 3点的最大动应力单峰值分别为1.29、1.04、1.14MPa，两侧墙最大冲击动应力较接近。

混凝土监测点的控制应力为拉应力。根据C35混凝土材料特性，混凝土轴心抗拉设计值(ft)为1.43N/mm2，根据SL 677—2014《水工混凝土结构设计规范》承载能力极限状态设计规定可知：

KS≤R

(1)

式中，K—承载力安全系数；S—荷载效应组合值；R—结构构件截面承载力设计值。

输水工程安全系数可取1.1，则KS=1.1×1.29=1.42N/mm2，可见爆破冲击波产生的振动应力接近混凝土轴心抗拉设计值。

表4 闸墩混凝土测点实测值与换算应力值

6 数据分析

6.1 爆破参数

本工程质点振动速度与单孔装药量的关系通过萨诺夫斯基经验公式确定：

Q=R3([V]/K)3/a

(2)

式中，V—允许质点振动速度，cm/s；R—爆源中心至建筑物的距离，m；K，a—场地系数。

由于本工程没有爆破振动传播规律实测资料，K，a值通过类似围堰拆除工程类比然后应用最小二乘法回归计算来确定。

6.2 距离分析

从表2可以看出，质点振动速度及位移分别在近爆破点的DS03、DS04测点最高，向外迅速衰减，在40m距离附近的DS01，DS02点降至近起爆点的1/3以下，在120m以外的建筑物旁基本没有明显的震感，爆破振动不会对该范围以外的建筑物结构造成损害。

6.3 频谱分析

质点振动速度最大值对应的频率即为爆破振动主频。建筑物自振频率与爆破引起的振动频率越是接近，越会因为共振效应对建筑物造成破坏。第一次爆破中测点频率均约为20～25Hz；第二次爆破中各测点频率均约为10～15Hz。通过表2—3可以看出，各测点振动位移、振动速度及动水压力第二次爆破均大于第一次爆破，在第二次爆破中部分测点振动频率与建筑物自振频率比值f/f0接近或小于5，有可能发生共振现象。DS04(1)点最大振动速度达到了8.58cm/s，超过了规范标准值，但建筑物没有遭到破坏。由此可知，爆破频率越低，越接近建筑物自振频率，对建筑物破坏性越大。

7 结论

从监测数据分析结论来看，当首先按照经验公式及工程类比确定单孔最大装药量进行爆破设计时，附近建筑物的质点振动速度和对水工建筑物的混凝土抗拉强度指标已经接近或小幅超过了相关规范的技术要求。原因综上分析主要是爆破主频低所致，后续爆破工作中应该简化起爆网络，采用分段微差爆破等方法，减小共振对建筑物带来的影响。同时继续加强监测，确保工程安全。

爆破振动监测在水利工程施工领域具有十分重要的作用，本文通过这一工程实例，希望对爆破振动控制这一复杂课题带来一个工程实例的分析与讨论，对该问题的解决方案及标准制定还仍需提高。