基坑爆破开挖下的丰满水电站老坝安全分析

沈 卫

（大连市水务事务服务中心，辽宁 大连 116021）

丰满水电站坐落于吉林省内，位于第二松花江干流上，始建于1937年，以发电为主，承担城市及工农业供水、灌溉、防洪、航运等多种功能。由于建设期的特殊性，大坝设计及施工存在先天缺陷，结构整体性能较差，混凝土强度低，安全隐患较为突出。拟新建1 座碾压混凝土重力坝，轴线位于老坝轴线下游120 m。新坝采用挑流消能，坝身泄洪。施工利用老坝挡水，下游修筑钢木围囹，一期工程采用机组过流、二期采用左岸导流洞过水导流方式。

新坝基坑开挖采用爆破施工，爆破产生振动波会对周围建筑物安全造成一定影响。为此，采用显式动力有限元分析法对新坝基坑爆破开挖下的老坝进行数值仿真计算。通过分析冲击振动所产生的结构振动速度等指标，综合评价其对老坝安全性影响。通过类比分析，提出基础开挖爆破控制标准、各建筑物爆破振动安全允许振速及最大单响药量，确保施工期老坝安全运行。

1 计算模型

以某取水坝段为典型结构，构建起基于ANSYS软件的三维有限元模型。有限元模型在地基底面及竖直边界均采用固定约束，并选取一定范围地基。为了更好反映大坝于建基面处应力集中，有限元模型在建基面附近划分的网格较密集。计算中假定新老坝段坝型一致且一一对应，以更好模拟新老坝之间的相互作用。有限元模型计算，考虑不同混凝土材料分区并考虑混凝土线弹性。模型三维坐标方向规定如下：Y 向以竖直向下为负；Z 向沿坝轴线由右岸指向左岸为负；X 向以顺河向指向上游为负。有限元三维模型，如图1所示。

图1 典型取水坝段有限元计算模型

2 计算方法

2.1 爆破荷载

爆破产生的振动除受堵塞质量、炸药性能、起爆方式、地质地形条件、装药结构等因素制约外，主要受距爆源距离及药量因素影响。由于影响因素复杂，当前主要依据实测资料进行回归分析总结出经验公式，其中普遍采用的是前苏联萨道夫斯基公式：

式中：K、α 为爆破非主要因素影响系数；Q 为最大单响药量（kg）；R 为测点至爆源中心距离（m）；V 为质点振动速度峰值（cm/s）。

爆破施工中炸药各响之间存在缓冲或延时，单响爆破持续时间及振动衰减极快，可认为各响爆破作用效应的相关性很低。为便于得到规律性结论，动力计算只模拟单响爆破效应。新坝基坑爆破开挖时最大单响药量初步拟定的数值，详见表1。

表1 新坝基坑开挖爆破施工最大单响药量初步拟定数值

2.2 爆破标准及振动波

目前爆破相关的规范规程[1]多认为爆破振动控制及影响判断指标为质点峰值振动速度，实践显示，质点峰值振动速度与建筑物受爆破振动影响而产生的损坏之间具有较好关联性。参照国内外工程实际[2]，确定老坝在新坝基坑开挖爆破振动下的影响指标详见表2。

表2 爆破振动下老坝各典型位置安全允许标准数值

参照工程实例及经验[3]得出概化振动速度付氏谱及爆破振动峰值，进而求出典型加速度付氏谱及加速度峰值，新坝基坑开挖爆破加速度波如图2所示。

图2 新坝基坑开挖爆破振动加速度波

2.3 抗滑稳定计算

有限元数值模拟新坝基坑开挖爆破施工时，老坝建基面的抗滑稳定性若按重力坝设计水利规范[4]推荐的安全系数法计算，比较容易看出抗滑稳定安全度的变化，故本文抗滑稳定计算按照水利规范相关规定进行复核，其中包含抗剪断强度公式及抗剪强度公式。

抗剪断强度计算公式为：

抗剪强度公式为：

式中：K'为按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；f'为坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数；C'为坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力（kPa）；∑W为作用于坝体上的全部荷载对滑动平面的法向分值（kN）；A为坝基接触面截面积（m2）；∑P 为作用于坝体上的全部荷载对滑动平面的切向分值（kN）；K 为按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数；f 为坝体混凝土与坝基接触面的抗剪摩擦系数。

3 计算结果及分析

3.1 坝体振速

老坝各典型位置处计算的振动峰值，详见表3。除坝基帷幕处的最大速度峰值为1.79 cm/s、略大于控制标准1.5 cm/s外，其余各典型位置均满足控制标准要求。由于坝高不同以及与爆破点的距离不同，爆破动反应的峰值和在坝高方向的分布均有所不同。

表3 老坝各典型位置在基坑爆破施工情况下振速峰值cm/s

3.2 坝体动应力

老坝坝踵处在基坑爆破开挖情况下的动力第一主应力时程曲线如图3 所示，较大值主要出现在坝踵及坝顶位置。坝踵位置在基坑开挖爆破施工时最大动拉应力0.079 MPa，在正常蓄水位且无爆破施工条件下，静压应力0.062 MPa，静动组合后拉应力约0.02 MPa，数值较小，且拉应力区域十分有限，远小于0.07 倍的坝底宽度值。按现行设计规范中对坝踵拉应力区的标准进行评价，如此小量级的拉应力并不会影响坝体的安全性。因此，从爆破产生的坝体动应力分析，对老坝坝体强度不会产生明显影响。

图3 新坝基坑开挖爆破坝踵处动力第一主应力时程曲线

3.3 抗滑稳定性

新坝基础开挖爆破最不利工况下老坝坝基稳定性计算值，详见表4。由表4 可知，爆破施工下稳定系数K'和K分别下降0.72%和0.87%，爆破对老坝的抗滑稳定性影响作用非常微弱。

表4 老坝抗滑稳定系数在有无爆破情况下的计算值

3.4 爆破开挖药量敏感性分析

采用初拟定最大单响药量进行新坝基础开挖爆破时，取水坝段老坝帷幕区振速反应稍微超出安全控制标准。为此，针对该坝段进行开挖爆破药量的敏感性分析，探讨不同药量开挖爆破情形下坝体动力响应规律，从而确定最大允许单响药量，分析计算所取药量详见表5。

表5 不同计算工况下单响药量最大取值情况

不同工况下，新坝基础开挖爆破时老坝帷幕处的振速峰值反应详见表6。基坑开挖时对应50 m 处最大单响药量取170 kg 左右时，动力响应可满足安全振速控制要求。建议原拟定爆破药量做适当降低，或者进一步论证爆破振动控制标准是否可以适当放宽。其余爆破距离的单响药量也相应调整，具体数值详见表7。

表6 爆破开挖不同药量老坝防渗帷幕处振速峰值计算值

表7 调整后各爆心距采用最大单响药量

4 结论

（1）根据初拟定施工期爆破参数即最大单响药量和爆破振动控制指标，新坝基础开挖爆破时，取水坝段坝基除防渗帷幕振速峰值计算值超出控制标准建议值，其余部位均可满足安全要求。考虑新坝基础开挖及坝体浇筑时，老坝仍处于挡水运行状态，建议新坝基础开挖最大单响药量应适当降低，以降低和控制爆破对老坝基础防渗体系的影响作用。

（2）通过对基础开挖爆破对老坝应力和沿建基面抗滑稳定性分析结果综合评价，老坝动应力反应幅值很小，坝踵等典型位置静动应力组合仍可满足规范要求。爆破振动动应力作用效应后，老坝沿建基面抗滑稳定性没有明显不利变化，安全性态无明显降低，爆破对结构承载力影响作用较小。

（3）老坝部分坝段安全裕度偏低，新坝又距老坝较近，施工期相互影响不同程度存在，建议在施工期做好安全监测及监控[5]。保证施工质量，控制好施工参数及强度，确保施工期和完建后新老坝安全，尤其应加强爆破监测及爆破控制，同时开展爆破振动现场实验，为准确爆破振动分析评价提供可靠依据。