输水工程岩塞爆破安全监测数据分析与应用

宁晓娜，刘东君

(1.辽宁省河库管理服务中心(辽宁省水文局)，沈阳 110003；2.中机(葫芦岛)青山水务环境投资有限公司，辽宁 葫芦岛 125000)

0 引 言

引调水工程取水口形式多种多样，当采用岩塞式时，由于周围建筑物已经建成，保证其附近的相关水工建(构)筑物和其他设施的安全极为重要，不能因为岩塞爆破使之发生损坏，让整个工程不能够正常运行，需对爆破产生的有害效应进行严格控制。因此岩塞爆破安全监测技术也在迅速发展。广义岩塞爆破安全监测技术采用巡视、巡查及仪器对水中冲击波、动水压力、涌浪及其他建筑物、设备设施振动等进行监测。

文章所述的岩塞爆破安全监测技术主要采用速度仪、加速度仪对岩塞周围构筑物、设备及设施进行质点振动速度及加速度监测，通过监测结果分析周边结构物、设备设施等因振动产生的影响，通过监测数据分析其振动是否产生的有害效应，为优化岩塞爆破参数及保护周边结构物、设备设施等提供了技术支撑，达到保证工程正常运行目的，同时为类似工程提供了较好的借鉴参考。

1 研究区概况

1.1 工程概况

某重点输水工程，其水源工程隧洞长99.98km(含0.26km暗涵)工程等级为I等，工程规模为大(1)型。设计输水流量77m3/s，成洞洞径7.3-8.5m，多年平均输水量16.24亿m3，为全程有压自流，最大压力0.9Mpa。取水口岩塞爆破段长176.763m，范围为桩号0-176.763-0+000.000m，包括岩塞口、锁口段、集渣坑段及其后的隧洞连接段。取水口采用岩塞爆破设计方案，岩塞体厚度(中心线)为11.8m，岩塞开口断面为爆破漏斗形(倒圆台形)，由上口内径14m渐变至下口内径为7.55m，岩塞中心线倾角为55°。岩塞口位于水源地水库库内右侧山体，岩塞设计开口中心点高程为278.00m。

1.2 监测仪器及测点布置

本次岩塞爆破主要对其周围围岩爆破质点振动速度、加速度及周边建筑物爆破振动速度实时监测，采用的仪器主要有速度计及加速度计[1]。

围岩爆破质点振动监测采用速度及加速度传感器为泰测TT-3，采集仪为泰测Blast-UM，传感器主要布置在隧洞衬砌内；周边建筑物爆破振动采用速度、加速度传感器及采集仪均为美国Mini-Seis测振仪分，传感器主要布置在衬砌及闸门横梁。

2 监测设备布置

引水隧洞围岩及衬砌爆破振动通过速度计和加速度计进行动态监测，可监测爆破冲击波同时在水中及岩石中传播的叠加动力响应，另在检修闸门中心横梁上布置1组(加速度和速度)测点，速度计及加速度计均选用三向型，三轴方向分别定为平行与洞轴线方向、水平垂直于洞轴线方向和铅直方向。引水隧洞内速度计及加速度计X方向平行洞轴线，检修闸门中心横梁上速度计及加速度计Y方向平行洞轴线，各测点具体位置见表1，部分测点速度及加速度计安装情况见图1、图2。

表1 速度计与加速度计安装位置统计表

图1 引水隧洞衬砌混凝土三向速度计布设情况

图2 闸门井横梁上三向速度及加速度计布设情况

3 爆破质点实时监测及数据分析

爆破振速峰值结果见表2，爆破振动加速度峰值结果见表3，典型振动速度时程曲线见图4，典型振动加速度时程曲线见图5。

表2 爆破质点振动速度测试结果表

表3 爆破质点振动加速度测试结果表

1)由图4及图5可知，爆破振动波形分段清晰，主振段持续时间在670-680ms之间，与设计的名义起爆延期时间(681ms)很近；对设计的36个起爆段别进行统计，其中34个段别峰振可较清晰辨别，表明网路延时精度及起爆可靠性均较高，达到了设计预期值。

图4 典型爆破振动速度时程图

图5 典型爆破振动加速度时程图

2)各测点的爆破振动峰值对应的时间为K圈或L圈起爆时段内，近区(锁口段)垂直方向的爆破振动峰值为第一段起爆时间；从波形图上可以看出，G圈和H圈引起的振动较小；闸门上的振动速度和加速度频率均较低，为爆破冲击波引起闸门的振动。

3)由表2可知，闸门上最大峰值振速仅为0.76cm/s，且持续时间短，不会对闸门造成影响。

4)由表2及表3可知，除检修闸门上的速度及加速度测值(由闸门激振引起)，整体符合由近及远测值逐渐衰减的规律，且爆破近区衰减迅速，爆破远区衰减缓慢；爆破远区最大峰值振动速度为6.78cm/s(主振频率33.4Hz)，小于《爆破安全规程》(GB6722-2014)中规定的水工隧洞质点振动速度安全允许值(8-10cm/s)；爆破近区最大峰值振动速度为27.47cm/s(主振频率83.7Hz)，超过了《爆破安全规程》中测上限值(15cm/s)，但《爆破安全规程》规定的安全允许质点振动速度是大量的现场爆破试验量测和实际震害的宏观调查对比找不出不发生震害的概率为95%的振动速度值，针对的是中远区的保护对象，对于爆破近区及具体到某一特定环境(构筑物的质量、新旧程度、支护状况、爆源方向)下，《爆破安全规程》的规定就不适用[3]。根据应力波理论、极限拉应力准则及极限剪应力准则分析爆破近区衬砌混凝土损坏状况，分析如下：

爆破应力波直接传入被保护物，而产生较大的应力与应变。其应力值可以通过实测某一点的质点震动速度V，按下式估算其拉应力σ和剪应力τ值：

σ=KορVPCP

(1)

τ=KτρVsCs

(2)

式中：Kο、Kτ为与场地特征有关的系数；ρ为被保护物的密度，kg/m3；CP、Cs为保护物的弹性波速度，分别为纵波与横波波速，m/s；VP、Vs分别为与波传播方向一致及与波传播方向垂亘的质点振速，m/s。

(3)

(4)

式中：E为动弹性模量；ρ为被保护物的密度，kg/m3；μ为泊松比。

岩塞口锁口段采用C35钢筋混凝土进行衬砌，其抗压强度较高，动力破坏主要是结构物被拉坏或剪坏，即当锁口段混凝土内某一点的主控应力或最大剪应力大于其抗拉强度或抗剪强度时，就遭破坏，C35混凝土材料参数见表4。

表4 混凝土材料参数

由《水电工程水工建筑物抗震设计规范》(NBT35047-2015)5.6.2条规定：混凝土动态强度的标准值可较其静态标准值提高20%，动态抗拉强度的标准值可取为其动态抗压强度标准值的10%，可知C35混凝土的动态抗拉强度为2.808MPa。

由式(5.6-3)、(5.6-4)计算得衬砌混凝土的纵波速度为4075m/s，横波速度为2576m/s，对锁口段衬砌而言，其力学指标ρ、cp、cs均已知，其结构尺寸及形状一定，Kο、Kτ变化不大，一般可取l。

从强度理论可知，当某一点的应力σmax≥[σd]，则材料被拉坏，而当剪应力τmax≥[τd]时，则材料被剪坏。从(1)、(2)式可以看出，爆破振动对引水隧洞衬砌结构的破坏效应主要以拉破坏为主，以最大振动速度27.47cm/s代入式(1)得σd=2.74MPa，

4 结 论

1)对岩塞周边需要保护对象的质点振动速度测试结果分析可知，爆破仅引起了岩塞口边坡的轻微振动，其他地方的爆破振动极小，对需要保护对象影响较小。

2)混凝土衬砌内预埋爆破质点振动速度测试结果分析可知，爆破引起中远区的质点振动速度远小于《爆破安全规程》(GB6722-2014)规定的安全允许值，爆破引起近区的质点振动也不会造成衬砌混凝土有害影响。

3)通过岩塞爆破监测结果数据分析，岩塞爆破参数合理，未对下游结构物及设备设施产生不良影响，保证了工程后期的正常安全运行。