水库溢洪道改建工程爆破振动对大坝安全影响的监测分析

刘超英,葛双成

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 问题的提出

王大坑水库位于义乌市廿三里街道王村口,是一座以灌溉为主,兼顾防洪、供水和发电等综合利用的小(1)型水库。原有水库枢纽由大坝、溢洪道、输水隧洞、第1、第2电站等到组成。为结合水库除险加固,决定把原有的旧溢洪道进行改建。溢洪道改建工程主要是挖除191.0 m高程以上堰体,新建长60 m的C20混凝土溢流堰。溢洪道改建工程中需要爆破的部分为溢洪道和通往大坝的上坝道路。需要爆破的岩石大部分位于溢洪道调整段需要加宽、降低的部分,其他少部分分布在泄槽底部需要降低的部分和两侧需要加宽的部分。其总爆破石方约为2.1万m3。

王大坑水库拦河大坝为黏土心墙坝,水库溢洪道改建工程石方开挖爆破施工时,爆破源距离水库大坝较近,因此,存在溢洪道改建工程石方开挖爆破振动对大坝的安全影响问题。由于爆区距离大坝需保护物较近,不可避免产生较大爆破振动效应影响,对于大坝还存在爆破地震作用下的动力响应问题,因此,为保证水库大坝的安全,必须对水库溢洪道改建工程爆破振动对大坝安全影响进行全过程监测以进行安全评价[1-2]。

2 爆破参数

爆源位置为溢洪道泄槽左侧,桩号0+020～0+040 m段,高程为191.6 m。爆破方式为浅孔爆破,爆破采用多段延时爆破,3段,最大单响药量为0.6 kg,总孔数为84孔,总药量为50 kg。每段延迟时间为50 ms,采用32#乳化炸药。

3 测试系统及设备

采用TC-4850爆破测振仪和TYTEST型3分量高灵敏度速度传感器,监测人工爆破过程瞬态爆破振动。该系统传感器工作频带范围2～500 Hz,系统记录器内置数码芯片自动对测试过程进行控制,可灵活方便设置测试参数,包括测试量程、采样频率、信号触发方式及电平大小,记录时间及次数等[3]。

4 测点布置

根据爆破振动监测目的和要求,监测的重点是大坝。测点主要布置在大坝结构体上。溢洪道改建工程爆破振动监测中,布置了3个监测点。测点1号位于大坝混凝土防渗墙头墙右侧顶面,桩号为大坝0+126.3 m,高程为196.3 m,混凝土面;测点2号位于溢洪道溢流堰顶,桩号为侧堰0+060 m,高程为193.8 m,混凝土面;测点3号位于大坝下游右侧原坝体,桩号为0+123 m,高程为186.8 m,砂壤土面。

爆破振动监测物理量为速度,各个监测点的监测方向为3个方向,分别为水平径向、水平切向及垂直向。

5 监测成果

爆破质点振动速度监测成果见表1。爆破质点振动付氏谱分析结果见表2,实测溢洪道改建工程爆破1号测点(防渗墙)爆破振动速度时程曲线及付氏谱频率分析见图1、2。

由于王大坑水库拦河大坝为黏土心墙坝,根据GB 6722—2003《爆破安全规程》,大坝结构体爆破振动速度控制值设计要求＜1.0 cm/s。从表1结果看,混凝土防渗墙、溢洪道溢流堰、大坝下游坝体各测点实测最大振动速度值均在0.45 cm/s以内,各测点最大振动速度值均满足大坝结构体爆破振动速度控制值＜1.0 cm/s的设计要求。

由表2可看出,混凝土防渗墙、溢洪道溢流堰、大坝下游坝体各测点垂直向、水平向振动付氏谱第1峰频率高于大坝自振频率(一般＜5 Hz),不会造成结构物“共振”,结构物的动力反应则比较小。此外,由于高差的影响,大坝结构体顶部振速通常较其基础部位有所放大,因此可以认为大坝结构体基础等部位质点振动速度至少应与实测大坝结构体顶部振动速度处于同一数量级,即一般不会超过0.45 cm/s范围,也明显低于大坝基础部位的安全控制振速,故溢洪道改建石方开挖工程爆破振动不会对大坝的安 全与稳定产生危害影响。

表1 王大坑水库溢洪道改建工程爆破振动速度监测结果表

表2 王大坑水库溢洪道改建工程爆破质点振动付氏谱分析结果表

6 爆破振动效应影响分析

6.1 振动历程及峰值分析[4]

从实测振动波形来看,各测点垂直向振动持续时间在900～1250 ms左右,且基本没有出现结构的低频动力响应,各测点水平向振动持续时间在980～1860 ms左右,振动历程未有明显爆破振动叠加激增现象,未出现明显峰振叠加增强现象。混凝土防渗墙、溢洪道溢流堰、大坝下游坝体各测点实测最大振动速度值均在0.45 cm/s以内,各测点最大振动速度值均满足大坝结构体爆破振动速度控制值＜1.0 cm/s的设计要求。

通过爆破振动监测分析软件对实测振速波形作积分及微分变换分析,从而得到表1中混凝土防渗墙、溢洪道溢流堰、大坝下游坝体测点的质点位移及加速度测值结果(见表3)。从表3看,混凝土防渗墙、溢洪道溢流堰、大坝下游坝体各测点产生的最大垂直向位移在0.015 mm以内,最大峰值加速度仅1.392 m/s2;各测点最大水平向位移均在0.010mm以内,最大峰值加速度＜1.516 m/s2。这表明爆破自身对大坝的振动影响较小,不会对大坝安全与稳定造成危害性影响。

6.2 振动频率分析

通过爆破振动监测分析软件对实测振速波形作付氏谱分析,从而得到表1中混凝土防渗墙、溢洪道溢流堰、大坝下游坝体测点的质点振动付氏谱分析结果(见表2)。从表2可见,混凝土防渗墙、溢洪道溢流堰、大坝下游坝体各测点的垂直向付氏谱第1峰频率为8.85～29.41 Hz,第2峰频率为36.35～57.14 Hz,混凝土防渗墙、溢洪道溢流堰、大坝下游坝体各测点水平方向的付氏谱第1峰频率为8.49～39.38 Hz,第2峰频率为38.87～76.24 Hz,各测点各个方向付氏谱第1峰频率高于大坝坝体自振频率(一般＜5 Hz),表明各测点在各个方向大坝对爆破作用的动力反应很小。由于爆破振动具有持续时间短、频率较高,起爆过程结束即自行消散的特征,因此在爆破能量产生同样的振动强度之下,振动频率越高,结构物相对越安全,其抗振动荷载能力越强。

表3 换算的坝体和防渗墙测点位移及加速度测值结果表

7 结 论

(1)监测的混凝土防渗墙、溢洪道溢流堰、大坝下游坝体各测点爆破振动速度最大值均低于设计的爆破振动安全控制标准,爆破振动对大坝等监测建筑物无结构性破坏作用。

(2)采用毫秒微差导爆管联接,分段微差起爆,爆破分段清晰,未有明显爆破振动叠加激增现象,未出现明显峰振叠加增强现象。水库溢洪道改建石方开挖工程爆破中采用毫秒微差浅孔爆破,优化微差起爆时间及顺序来控制爆破振动效应是合理的[5]。

(3)各测点爆破振动速度时程曲线及振动频谱分析表明,爆破虽在垂直、水平方向激起大坝坝体自身动力响应,但振动速度、加速度及位移幅值很小,振动速度最大值在0.45 cm/s以内,不会对大坝结构产生破坏。

[1]中国工程爆破协会.GB 6722—2003爆破安全规程 [S].北京:中国标准出版社,2004.

[2]长江水利委员会长江科学院,水利部岩土力学与工程重点试验室.SL 47—94水利水电工程爆破安全监测规程 [S].北京:中国电力版社,2006.

[3]李彬峰.爆破振动的分析方法及测试仪器系统探讨 [J].爆破,2003,20(1):81-84.

[4]言志信,吴德伦,王漪,等.爆破振动效应与安全的研究[J].岩土力学,2002,23(2):201-203.

[5]刘治峰,郭永为,张永哲.黄壁庄水库溢洪道开挖爆破震动影响分析[J].工程爆破,2004,10(4):78-81.