基于质点振动速度和松弛深度的建基岩体爆破损伤评价

2022-03-24孙永清杨新明

水利技术监督 2022年3期

孙永清，文豪，杨新明

(1.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳 550081;2.国电大渡河流域水电开发有限公司，四川成都 610041)

在水利水电工程建基面开挖过程中，传统的爆破质量是以超欠挖、平整度、残孔率等表观参数进行评价[1]，其体现的主要是开挖面的外观形象，难以衡量爆破对建基岩体一定深度范围内产生的潜在影响。爆破振动监测可以获得监测点的振动速度，常用于回归分析爆破地震效应的衰减规律[2- 3]或者对爆破周边特定保护对象进行监测，控制爆破最大单响药量[3- 4]。在建基面开挖过程中，已开挖完成的围岩可视为保护对象，其特点为保护面大，显而易见不可能做到爆破区近距离监测点均满足某个较小振速，因此一般情况下设计指标均要求超过爆破区一定距离后振动速度应小于某个特定值，这样就可以对每轮爆破进行振动速度监测，对比设计安全允许振速，对下轮爆破进行优化调整，避免围岩的疲劳损伤。单孔声波或跨孔声波测试可以通过波速分析爆破破坏的潜在影响范围，评价爆破松动圈的岩体质量[5- 6]。两者结合对爆破开挖过程进行控制，对建基岩体进行爆破损伤评价，可以弥补表观参数评价的不足。

1 工程概况

双江口水电站是大渡河流域水电规划“3库22级”的第5级，位于四川马尔康县和金川县境内，是大渡河流域水电梯级开发的上游控制性水库工程，控制流域面积约39330km2，多年平均流量502m3/s，正常蓄水位2500m，总库容28.97亿m3，调节库容19.17亿m3。电站装机容量2000MW，多年平均发电量77.07亿kW·h，为一等大(1)型工程，枢纽工程由拦河大坝、泄洪建筑物、引水发电系统等组成。

拦河大坝坝基岩体为似斑状黑云钾长花岗岩，设计为土质心墙堆石坝，最大坝高312m，坝顶高程2510m，河床部位心墙底高程2198.00m，大坝建基开挖后，两岸坝肩及上部危岩体治理边坡拔河高度约600米。工程区域最大地应力达38MPa，强度应力比小于4，是国内少见的高地应力区。开挖后形成的高陡岸坡，天然状态下地应力较高，谷坡形成后在长期应力释放及重力等综合因素作用下，两岸岩体向河谷临空方向卸荷回弹变形明显，对大坝施工造成严重威胁。因此对大坝开挖过程中及开挖完成后进行岩体松弛深度检测有着重要意义，通过分析围岩松弛变化发展情况，评价坝肩边坡稳定，及时采取防护措施，为后续基础处理提供可靠资料。

2 岩体爆破损伤检测方法

岩体损伤检测本质上是进行爆破影响范围内的岩体质量检测，目前常用的检测/监测方法有声波法(单孔声波、对穿声波、声波CT)、地震波法(表面地震波速测试、地震波CT)、钻孔孔壁数字成像、地质雷达法、质点振动监测等[7]。其中声波法和地震法均可以通过波速绝对值(m/s)或衰减率(%)定量描述爆破损伤的具体范围，钻孔孔壁数字成像可以直观的了解孔壁爆破裂隙、爆破松动情况，而地质雷达通过爆破裂隙带与完整围岩之间的电磁波反射和吸收差异来半定量测定爆破损伤范围。质点振动监测所测定的是距离爆破一定距离的质点振动速度。爆破作业必然会有部分能量转换为振动波向外传播，从而产生自近而远衰减的振动速度，产生振动说明岩体受到扰动，由于岩体本身具有一定的弹性，产生振动并不能证明岩体已经受到损伤，因此振动监测结果并不能直接检测爆破损伤的范围，只有当振动速度超过岩体本身抗裂强度或多次振动产生疲劳破坏时，才会导致岩体产生不可恢复的损伤，笔者认为从岩体损伤角度来说，对爆破点附近的新开挖岩石(非固定保护对象)进行质点振动监测的意义即在于设定可容许的振动速度，避免岩体产生疲劳破坏。

对于爆破损伤的评价，满轲等从爆破施工设计角度研究了周边空孔效应对爆破振速及围岩损伤的影响因素[8]，刘晓等通过声波数据对高地应力地区爆破损伤程度进行了评价[9]，杨静熙等通过声波和衰减率对锦屏一级坝基岩体质量爆破损伤进行评价[10]。本工程中，采用爆破振动监测和声波检测相结合的方式对爆破损伤进行评价，首先对爆破从最近10m开始由近到远布置质点振动监测点，分析爆破衰减规律并评价爆破是否可能引起损伤，同时采用单孔声波和对穿声波测试爆破松弛深度，定量评价爆破损伤程度。每梯段爆破后将检测结果反馈给施工承包人，遵循着“一炮一总结”的质量控制原则，在下一梯段爆破中对爆破参数进行持续优化，形成“爆破——检测——反馈——优化”的循环机制，使爆破始终处于严格的受控状态，将爆破对岩体的损伤降到最低，保证了建基岩体质量。

3 岩体爆破损伤评价标准

现行有效的规程规范中，均未见到定义岩体爆破损伤的标准，仅在GB 6722—2014《爆破安全规程》、DL/T 5333—2005《水电水利工程爆破安全监测规程》、DL/T 5135—2013《水电水利工程爆破施工技术规范》等规范中对固定的、明确的保护对象提出了安全允许振速标准[11- 13]，在NB/T 10227—2019《水电工程物探规范》、NB/T 35058—2015《水电工程岩体质量检测技术规程》、DL/T 5333—2005《水电水利工程爆破安全监测规程》中提及了爆破松弛深度的判别方法[12，14- 15]。在不同的工程中，一般由设计单位根据工程区特点和施工工艺提出本工程的爆破损伤评价标准[10]。本工程中，施工技术要求中明确提出在每茬炮距离爆源10m位置的质点振动速度不超过10cm/s，施工过程中设计单位明确提出建基面1、2、5m范围内的岩体爆前、爆后声波平均波速衰减率不得大于10%，否则判断为爆破破坏。

4 岩体爆破损伤评价

4.1 爆破振动速度评价

在每梯段的爆破振动监测过程中，由于爆破范围内网络布置不严格呈规则的几何形状，几何中心点难以精确定位，爆源距离在现场不便于测量，以及爆破周边场地限制，无法保证最近监测点严格布置在距离爆源10m的位置，因此最近的监测点尽可能距离爆源10m位置布置，当无法安装监测仪器时，布置在10m左右、总体上沿近密远疏布置，将监测数据整理后通过萨道夫斯基经验公式进行回归分析[14]，以回归分析的10m点处振动速为标准进行评价。部分爆破振动监测数据和评价结果见表1。

从监测数据可以看出，在各梯段爆破的最大单响药量差异不大的情况下，不同位置爆破在10m左右的实测振动速度差异较大，即多孔网络爆破时，在近爆源区域实测振动速度的离散性较大，甚至存在实测振速并不与最大单响药量正相关的情况。笔者分析这与萨道夫斯基回归公式的假设前提有关，采用萨氏经验公式时，其假设爆源是一个点，或监测点与爆源的距离远远大于爆源的几何形状，当采用多孔网络爆破时，采用的是爆破区域的几何中心点，对近爆源区来说，这时爆源已不能视为一个点了，已背离了萨氏公式的假设前提，再加上本身爆破地震效应是一个极其复杂的过程，因此实测振动速度有很大的离散性，这时建议评价标准可设置在较远的距离或采用回归分析振速来评价。

4.2 爆破松弛深度评价

左右坝肩每梯段爆破前后及时进行声波检测，并将检测结果反馈给施工承包人，对爆破参数进行持续优化。典型的爆前爆后声波衰减曲线如图1所示，从图1中可以看出，浅部声波波速衰减率较大，一般会超过10%，图中该孔则是0.4m以内每个测点的波速衰减率均超过10%，而1m以内平均波速衰减率8%，满足设计要求。

图1 典型的爆前、爆后声波速度曲线和衰减曲线

对爆破松弛深度成果进行统计(见表2—3)，可以看出，爆破松弛深度均控制在2m以内，早期爆破松弛稍深，左岸高程平均松弛深度达1.7m，右岸高程平均松弛深度达1.5m，随着开挖高程的降低，爆破参数的持续优化，爆破松弛深度宏观上有所降低，直至开挖至河床基坑，爆破松弛深度稳定在1.0m左右。

表2 左坝肩EL2340m以下爆破松弛深度统计表

从全部数据统计看，爆破松弛层平均波速在3573～4847m/s之间，平均波速4246m/s，而深部未松弛的原岩波速在3878～5490m/s之间，平均波速4897m/s，0～1m之间波速衰减率在4.5%～9.2%之间，平均衰减率6.7%，1～2m之间波速衰减率在0.2%～2.8%之间，平均衰减率1.4%，2m以后波速基本无变化，说明爆破整体控制较好。