池潭水电站扩建工程爆破对已建大坝安全影响分析

陈念辉，郑 硕,2，徐德芳

（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，311122；2.国家水电站大坝安全和应急工程技术中心，浙江杭州，311122）

0 引言

爆破被广泛应用于各种岩土工程领域。爆破时，爆炸能将对周围的建筑产生不利的影响。如何避免这种不利影响是爆破施工的一个重要问题[1-6]。池潭水电站扩建工程引水发电系统紧邻池潭水电站大坝、发电厂房及开关站，爆破施工可能对运行电站产生不利影响。采用三维动力有限元计算，研究各开挖部位典型爆破振动荷载作用下原大坝及大坝进水口建筑物、厂房、中控室、开关站、尾水平台等保护对象的动力响应；对扩建工程进水口基坑道路、厂房及尾水出口开挖、引水隧洞等关键爆破部位的爆破振动影响做出评价，得到关键爆破部位的爆破振动衰减特性及关键控制保护对象，为全面分析扩建工程爆破施工对既有建筑物的安全影响评价提供基础。

1 工程概况

池潭水电站位于福建省西北部泰宁县境内的金溪上，属梯级电站的龙头水电站，以发电为主，兼顾防洪等综合利用。枢纽建筑物主要包括混凝土宽缝重力坝、坝后溢流厂房、坝内输水系统及泄水底孔、开关站等，为二等大（2）型工程。水库正常蓄水位高程275.00 m，水库调节库容6.26亿m3。池潭水电站扩建的水电站位于池潭水库的左岸，利用池潭大坝挡水发电。新建枢纽建筑物主要包括输水系统、地面厂房及升压开关站等。厂房位于左岸坝轴线下游约300 m处，引水发电系统由岸坡竖井式进水口、引水隧洞、压力钢管等组成，厂区建筑物主要由主厂房、副厂房、220 kV开关站、进厂公路、厂前区及尾水渠等组成。主副厂房位于左岸且沿江布置。图1为池潭水电站扩建工程总布置。

图1 池潭水电站扩建工程总布置Fig.1 Layout of the expansion of Chitan hydropower station

2 邻近建筑物的爆破振动响应三维动力有限元数值模拟

新建的水电站引水发电系统紧邻池潭水电站大坝、发电厂房及开关站，基本将原大坝及厂房左岸侧三面包围。爆源点距原有建筑物60～200 m不等，扩建工程施工将存在大范围、多次反复爆破影响问题。采用三维动力有限元计算，研究各开挖部位典型爆破振动荷载作用下原大坝及大坝进水口建筑物、厂房、中控室、开关站、尾水平台等保护对象的动力响应。

2.1 基本控制方程

确定结构的动力响应最终归结为求解结构的三大基本方程问题。结构系统的动力方程为：

式中，σij为柯西应力；fi为体力密度；x¨为加速度。

其边界条件如下：

（1）受力边界（∂b1）条件：

（2）位移边界（∂b2）条件：

（3）接触边界（∂b3）条件：

结构的质量守恒方程为：

式中，ρ0为初始密度；v为相对体积，

结构的能量守恒方程为：

其中，ε˙ij为应变率张量。

将动量方程和边界条件写成以下Galerkin弱形式的平衡方程：

其中，δxi满足位移边界条件。

应用散度定理和分部积分：

则Galerkin弱形式平衡方程（8）可改写成虚功原理的积分形式：

相对于静力学问题而言，弹性动力学问题由于引入了惯性力和阻尼力，其有限元解法要复杂许多，弹性动力有限元方法的任务就是对上述基本方程进行数值求解。其单元动力平衡方程式为：

式中，[Me]、[Ce]、[Ke]、[Fe]分别是单元的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵和结点载荷向量。分别对四个单元的矩阵进行集成，形成整个系统的质量矩阵[M]、阻尼矩阵[C]、刚度矩阵[K]和结点荷载向量[F]，相应得到整个系统的动力平衡方程为：

2.2 计算模型及方法

如图2所示建立池潭水电站扩建工程三维模型，模型包括引水隧洞、扩机厂房、扩机电站进水口、池潭大坝和开关站等建筑物。计算模型采用六面体单元划分，总单元数与节点数分别为199 449和203 119。

图2 桐子林水库蓄水初期不同坝前水位时二滩尾水水位-流量关系Fig.2 Fitted tail water levels and flow rates of Ertan hydropower station with different water levels upstream of Tongzilin hydropower station

图2 池潭水电站扩建工程计算模型Fig.2 Three dimensional numerical model of expansion of Chitan hydropower station

模型四周及底面设置无反射边界。计算中时间积分采用中心差分格式，采用分配参数法求解炸药与岩体的接触碰撞问题。由于本项目中关注的保护对象均距离爆源很远，爆破振动对保护对象的动力响应基本属于弹性振动的范围，因此考虑计算的可行性和实际的合理性，选用弹性材料来模拟岩石介质可以满足本项目的计算精度和要求。

2.3 计算工况及爆破振动考察点的选择

根据引水隧洞和扩建工程厂房的平面总体布置方案，考虑到国内岩体开挖爆破技术的发展现状，并参考类似工程的实践经验，在动力有限元模拟中的总体开挖方法和方案确定上做了以下假定：进水口部位的边坡及基坑爆破开挖和预留岩坎的爆破拆除主要采用深孔台阶爆破方式，边坡及基坑爆破开挖孔深约6～8 m，岩坎拆除孔深最大30～40 m。爆破采用排孔起爆，台阶高度8 m，单孔药量20 kg，孔间距2.5 m，排距2 m，最大单响药量为80～120 kg。新建厂房基础的开挖台阶高度6～8 m，单响药量为40～80 kg，其他参数同进水口部位。对于引水隧洞的开挖，根据已有工程经验，掏槽孔的爆破振动效应最为明显，因此考虑引水隧洞掏槽爆破开挖对工程区域保护对象爆破振动的最不利影响。掏槽爆破的孔深3.5 m，4孔一响，最大单响药量为15～20 kg。

根据工程总体开挖方案和爆破方法，结合工程区域内不同保护对象与爆源的相对位置，并考虑到不同类型爆源的距离和实际影响，在三维动力有限元模拟中分析了以下3个部位的爆破施工影响：（1）进水口部位的深孔台阶爆破；（2）厂房部位的深孔台阶爆破；（3）引水隧洞部位（距大坝左岸坝肩最近处）的浅孔爆破。

各种计算工况的具体爆破参数见表1，基岩物理力学参数见表2。

表1 各计算工况爆破参数Table 1 Blasting parameters under different calculation conditions

表2 岩石主要物理力学参数建议值Table 2 Suggested values of rock physical and mechanical parameters

为了准确细致地对大坝等需要保护建筑物的振动响应规律进行分析，在坝肩、中控室、开关站等关键部位设置爆破振动影响评价考察点，通过分析不同位置部位的振动速度响应，分析扩建施工对需要保护建筑物的影响，考察点的布置如图3所示。

图3 监测点布置图Fig.3 Arrangement of monitoring points

2.4 爆破振动荷载及施加方式

计算时荷载分别施加在进水口、引水隧洞、新建厂房中央部位。为简化数值模拟，可以将粉碎区和破碎区视为爆破振动源的一部分，将简化的爆破荷载曲线施加在破碎区的外边界上，即弹性边界上。爆破荷载的作用形式简化为三角形，如图4（a）所示，其中荷载上升时间为1 ms，荷载持续时间为7 ms。不同部位的爆破荷载垂直施加于爆区等效弹性边界岩体表面，如图4（b）、（c）、（d）所示。

图4 简化的爆破振动荷载及爆破荷载的施加方式Fig.4 Simplified blasting vibration load and its loading mode

3 计算结果分析

以进水口深孔台阶爆破引起的大坝等的振动响应为例，表3给出了进水口典型爆破振动荷载作用下的三维动力有限元计算结果。在单响药量60 kg的爆破振动荷载作用下，保护对象中控室、开关站的质点峰值振动速度分别为0.30 cm/s和0.39 cm/s，对应的附加最大拉应力分别为14.33 kPa和47.80 kPa；防渗帷幕处的质点峰值振动速度为0.52 cm/s，附加最大拉应力为64.43 kPa；进水口闸门和左岸坝肩处的质点峰值振动速度分别为0.31 cm/s和1.39 cm/s，对应的附加最大拉应力分别为4.95 kPa和52.57 kPa。除进水口闸门外，其他关键位置质点的峰值振动速度都出现在水平径向。此外，虽然坝肩和防渗帷幕的爆心距均为145 m，但由于所处的方位和结构本身性质不同，导致质点峰值速度相差一倍还多。计算没有考虑结构初始应力作用，因此上述应力为爆破振动引起的附加动应力。可以看出爆破振动产生附加动应力较小，基本不会改变大坝及附属结构的总应力状态。爆破振动速度沿大坝和厂房结构的高度方向存在一定的放大效应：单响药量为60 kg时，坝基面的质点振动速度为0.41 cm/s，而同一坝段坝顶的质点振动速度为1.54cm/s。

表3 进水口典型爆破振动荷载作用下各考察点的振速峰值（单响药量60 kg）Table 3 Peak vibration velocity of monitoring points with water inlet under typical blasting vibration load

表4为进水口部位深孔台阶爆破、新建厂房深孔台阶爆破和引水隧洞全断面开挖爆破时各保护对象峰值响应速度。进水口部位深孔台阶爆破施工的主要保护对象为防渗帷幕、左岸坝肩、开关站、中控室，其质点峰值振速（单响药量60 kg）分别为0.52 cm/s、1.39 cm/s、0.39 cm/s和0.30 cm/s；新建厂房部位深孔台阶爆破施工的主要保护对象为开关站、发电机层、中控室、尾水平台，其质点峰值振速（单响药量80 kg）分别为0.41 cm/s、0.49 cm/s、0.28 cm/s和0.38 cm/s；引水隧洞浅孔掏槽爆破施工的主要保护对象为坝肩防渗帷幕和开关站，其质点峰值振速（单响药量10.8 kg）分别为0.23 cm/s和0.06 cm/s。各开挖部位的爆破振动三维动力有限元结果均表明，振动响应沿高程有一定的放大效应，如进水口深孔台阶爆破时，坝基面和坝顶的振动峰值分别为0.41 cm/s和1.54 cm/s；新建厂房深孔台阶爆破时，坝基面和坝顶的振动峰值分别为0.17 cm/s和0.50 cm/s；引水隧洞钻孔爆破时，坝基面和坝顶的振动峰值分别为0.07 cm/s和0.20 cm/s。

表4 各保护对象振动峰值响应Table 4 The maximum vibration response of each protected structure

为了分析不同单响药量下各主要保护对象（包括防渗帷幕、大坝、开关站和厂房）振动速度的变化规律，根据爆破振动传播规律，分别得到了进水口深孔台阶爆破、引水隧洞爆破和厂房深孔台阶爆破时各主要保护对象在不同单响药量和爆心距条件下的峰值振动速度，如图5所示。

由图5（a）可知，当扩建工程进水口在距开关站最近处（124 m）爆破施工时，开关站在单响药量30 kg条件下的振动峰值速度为0.51 cm/s，可见开关站是进水口爆破施工的控制保护对象。当扩建工程进水口在距防渗帷幕最近处（40 m）爆破施工时，开关站在单响药量30 kg条件下的振动峰值速度为1.30 cm/s，可见防渗帷幕是进水口爆破施工的控制保护对象。因此，在距开关站和防渗帷幕最近处的进水口爆破施工过程中，需要针对爆破振动对开关站的影响开展跟踪监测，依据实测资料最终确定合理的振动控制标准；由图5（c）可知，当单响药量达到120 kg时，各保护对象的振动速度均低于其振动安全控制标准；当药量增加到130 kg时，开关站的振动速度超过了控制标准，所以对于厂房基础开挖，单响药量须严格控制在120 kg以内。

图5 保护对象在不同爆心距和单响药量下的峰值振动速度Fig.5 Peak vibration velocity of protected structures from different distances and explosive charges

图5表明，各保护对象的最大振动速度随单响药量的增加而增大；相同药量时，最大振动速度随爆心距增加而减小。通过控制单响药量，可以防止爆破振动对保护对象产生可见的有害影响。

4 结语

根据池潭水电站扩建工程地质条件及设计方案，基于进水口、厂房基础的深孔台阶爆破和引水隧洞全断面开挖爆破对现有邻近大坝和发电设施设备的影响分析，提出以下结论和建议：

（1）引水隧洞全断面浅孔爆破引起的振动对保护对象的影响相对较小，但在距离大坝最近处爆破施工时，应重点关注坝肩防渗帷幕的振动响应；进水口开挖部位由于距原大坝、厂房、开关站等建（构）筑物较近，对保护对象的影响较大，为关键控制爆源；新建厂房主体部位开挖时对原厂房建筑物及设备的影响较大，且新建副厂房和安装间距原大坝更近，爆破施工时需要严格控制该部位引起的振动响应。

（2）爆破振动影响三维动力有限元数值模拟分析发现，保护对象的最大振动速度随单响药量的增加而增大；相同药量时，最大振动速度随爆心距增加而减小。针对池潭水电站扩建工程，通过控制最大单响药量、优化爆破参数及优化起爆网络等措施，能够将爆破振动对邻近建（构）筑物的影响控制在允许范围。对进水口爆源，在距离坝后开关站130.0～150.0 m以内的部位爆破时，最大单响药量应控制在20.0 kg以内，其他区域控制在40.0～60.0 kg；对引水隧洞的爆破开挖，距离防渗帷幕40.0～60.0 m范围内的部位，最大单响药量应控制在15.0～25.0 kg，其他区域控制在20.0～40.0 kg；对厂房基础部位的爆破开挖，最大单响药量应控制在70.0～120.0 kg。