东焦河水电站二级站工程爆破对青莲寺文物振动安全监测

张如海 张斌 梁俊生

（山西省水利建筑工程局 太原 030006）

1 东焦河水电站工程概述

东焦河水电站工程水源枢纽泵站位于晋城市泽州县金村镇丹河干流东焦河水电站工程枢纽大坝下游4 km，是解决晋城工矿企业用水，同时兼顾沿途农业灌溉的供水工程。站址区属侵蚀性河流，河床及两岸基岩裸露，基岩陡立。受区域地质构造影响，节理裂隙发育有两组：一组走向23°，垂直河床，倾角近直立，张开度 l～l0 cm；一组走向 113°～l20°，大致平行于河床，倾角近于直立、闭合状。地层岩性由老到新依次主要为下奥陶统白云岩、白云灰质岩，层理明显，岩性致密坚硬，岩层产状 221°～228°、3°～7°，该层总厚 140～160 m，出露厚度65～80 m。本区抗震防烈度为六级，设计基本地震加速度为0.05 g;地层的等效剪切波速Vse>500，建筑场地类别为Ⅰ类，属建筑抗震有利地段，本场地不考虑软弱土的震限影响。

该工程水源位于郭壁抽水站上游600 m处的拦河坝内，经拦河坝下游泵站加压后沿北偏西方向布设一直径630 mm输水总管，经掌老山至东小庄村西调蓄池，线路长3.474 km，设计提水量 0.47 m3／s。输水管管沟断面底宽 l.5～3 m，边坡为 l∶0.25～1∶0.5。其中，需进行爆破开挖的管沟段大致在桩号0+819.8～0+400之间，开挖高差大致31～214 m。爆破开挖段西北或正北山脚处为古青莲寺，青莲寺地面平均高程约△587 m，寺门距离爆破区水平距离在400～500 m之间，距佛像水平距离约在340～440 m之间。

2 监测依据

根据国家标准《爆破安全规程》(GB6722—2003）第4.15条、《水电水利工程爆破安全监测规程》(DL5333—2005）第5.7.4条及《水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范》(DL／T5389-2007）第10.0.6条的规定，对建筑物或防护目标的安全有要求时，应进行爆破安全监测，监测宜选择质点振动速度、加速度等项目。晋城东焦河水电站供水工程管沟基础开挖爆破距山脚处古青莲寺最近水平距离虽有400 m左右，寺内国家一级文物唐宋时期佛像为泥塑，内由藤条及木梁支撑，外砌白灰并有彩绘。目前，佛像彩绘脱落严重，佛壁及与观音佛像连接处己多处开裂，观音佛像靠搭建支架支撑，稳定性极差，已基本无法承受外力破坏。故须对其进行爆破振动试验及监测，以制定合理的钻爆参数，确保爆破不对文物安全造成损害。

2008年3月 22日11∶34、11∶37分别进行了两次爆破开挖试验，应业主晋城市东焦河水电站及施工方山西省水工局委托方要求，由长江科学院工程质量检测中心对其进行了爆破振动安全监测。

3 监测目的

（1）测试爆区周围需防护物爆破振动速度，依据相关文件以及国家有关安全规范中规定的爆破安全控制标准评判防护物在爆破中的安全性，并应便于及时调整爆破方案。

（2）根据实测结果，统计分析爆区与需保护文物区域的爆破振动传播规律，为供水工程制定爆破方案以及控制爆破规模提供依据。

4 爆破安全控制标准

现行《爆破安全规程》(GB6722—2003）中第6.2.2规定：“地面建筑物的爆破振动判据，采用保护对象所在地质点峰值振动速度和主振频率”，各类建筑物的爆破振动安全允许标准如表1所示。

表1 爆破振动安全允许标准（GB6722—2003）

振动主频是指峰值振动速度所对应的振动频率。振动主频大小由爆破条件、传播介质特性、控制点距爆心距离决定。

根据上述规定，鉴于青莲寺唐宋时期佛像承受外力能力很差，故对其安全标准应从严控制。依据2008年3月21日由业主、监理、施工及监测方参加的爆破及安全监测实施方案会议的要求，可按表1中对古迹规定的最下限取值，即对于青莲寺内唐宋时期佛像安全允许振速为：

青莲寺内包括佛塔等其他建筑保存相对完好，多为石砌建筑，有些已经过修缮，但对其安全标准仍应相对从严，对于青莲寺内其他建筑，其安全标准可按表1中土坯房安全标准的下限取值，即对于青莲寺内佛像以外建筑的爆破安全允许振动速度为：

5 监测布置及设备

5.1 爆破情况

2008年3月22曰，采用不同的单段药量各进行了1次爆破试验监测。其中，11∶34进行的爆破采用MSl、MS3电雷管分两段起爆，单段药量分别为 l6.65 kg、15.16 kg；11：37 进行的爆破采用MSl、MS3、MS5电雷管分三段起爆，单段药量分别为22.04 kg、21.83 kg及28.85 kg。爆破桩号大致在0+650～0+669之间，表面高程约763～766 m，底部高程约760～764 m。采用浅孔爆破，φ42 mm手风钻造孔，孔深多在1.2～3.8 m之间，孔、排距大致l m×l m。设计爆破单耗0.5 kg/m3。

5.2 测点布置

在11：34第 1次爆破中共布置4个监测点。其中，在山顶上布置2个测点，记作1#、2#测点，距离爆区边缘水平分别为62 m、120 m；在青莲寺慧峰塔基布置3#测点，在青莲寺观音像基座根部布置4#测点。

在11：37第 2次爆破中共布置3个监测点。其中，在山顶上布置2个测点，记作1#、2#测点，距离爆区边缘水平分别为62 m、120 m；在青莲寺慧峰塔基布置3#测点。

各测点均监测水平径（水平指向爆区）、竖直及水平切（与水平径正交）三向质点振速。

5.3 监测设备

主要采用加拿大MiniMate Plus以及美国Mini—Seis两套测振系统进行爆破质点振速测试，二者均具有预置自触发记录功能。

MiniMate Plus测试系统可以同时在同一观测点测试3个方向的爆破震动速度（含时程曲线）及爆破噪声，此外，还可提供峰值加速度、峰值位移以及频率—峰值震动速度曲线，可以记录300次不同时刻的爆破震动，最长记录时间为500 s（采样频率为1 KHz时）。系统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，并可适应全天候的野外作业条件，待机记录时间48h以上，是目前国际最先进的振动记录设备之一。

Mini—Seis测试系统用于记录爆破振动过程，可以进行位移、加速度分析、反应谱分析，具有单事件和多事件处理能力。

技术指标与MiniMate Plus相同。

两种测试系统均已通过省级计量部门认证。

6 监测成果分析及评价

2008年3月22日1l：34爆破振动速度安全监测结果见表2，2008年3月22日11：37爆破振动速度安全监测结果见表3。

实测爆破振动及宏观调查结果表明：（1）在单段爆破药量15.16～16.65 kg爆破中，青莲寺观音像基座部位单向最大振速在0.071 cm/s以内，最大合振速仅为0.082 cm/s，低于其允许安全振速；青莲寺距爆区最近的慧峰塔塔基部位两次爆破振动相近，最大合振速在0.172 cm/s以内，仍明显低于其安全允许振速。

表2 单段l5.16～16.65 kg爆破振动监测成果表

表3 单段21.83～28.85 kg爆破振动监测成果表

（2）青莲寺内第二次爆破振动量与第一次相近，可能主要与前次爆破为其创造了较好的临空面条件以及后排采用单排起爆（第一次爆破两排同时起爆）等有关。

（3）采用拍照手段对佛像进行爆破前后对比检查未发现原破损部位有损坏加剧迹象，亦未发现明显脱落、掉灰等现象；爆破时，佛堂外人员均称无明显振感。结合振动监测结果分析，两次试验爆破应不会对青莲寺佛像及佛塔等保护物产生破坏影响。

（4）从爆破振动频率分析，山顶爆破近区l#、2#测点振动主频在20～51 Hz之间，而远区青莲寺测点振频明显降低，但也在10 Hz以上，其中佛像基座部位振频在11～16 Hz之间，而建筑物的自振频率一般在10 Hz以内，因而爆破振动引起青莲寺建筑自振的可能性不大；此外，第2节中佛像的安全控制标准是按振频小于10 Hz制定的，也是偏于保守的。

（5）根据实测振动历程分析，青莲寺测点主振段振动时间可达500～600 ms，明显超过设计爆破延时，主要原因:一是爆破地震波传播路径复杂，某些成分的波会延迟抵达，在爆破远区也有可能产生叠加；二是有佛堂地面石板结构不够密实，有轻微应响。可见，对于爆破不仅应严格控制单段起爆药量，还应严格控制单次起爆规模及段数，应严格按照本次试验的起爆网络进行爆破施工以确保文物安全。

7 爆破振动安全控制与预报

7.1 爆破振动传播经验公式

现行《爆破安全规程》（GB6722—2003）中规定，爆破质点振动速度采用式（1）进行预报，即与Qa/3成正比，与Ra成反比，可以用下式来表示：

式中：R—爆源中心至测点距离，此处考虑爆区与青莲寺之间地形情况，偏保守取为爆源至测点水平距离R*与高程差H之和，且R=R*+H，m；

Q一炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大段药量，kg；

V—保护对象所在地质点振动安全允许振速，cm/s；

K、a—与爆破点至计算保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数，可按国家标准GB6722中推荐值选取，或通过现场试验确定。

7.2 爆破振动传播经验公式分析

根据监测结果，对最大爆破振动合速度采用统计分析方法进行回归计算，获得爆破振动衰减经验公式如下：

式中：p—单响药量参考系数，kg，p=0.0048～0.0412。

相关性检验表明，相关系数r=0.93，即上式中变量V与自变量p之间的线性关系是显著的。

采用式（3）进行爆破振动控制与预报时，应注意采用前述自变量的取值方法，p值范围只宜内插，不宜外推。

7.3 爆破振动控制

取爆破允许振速V允=0.1cm/s，爆破单段药量分别为15 kg、20 kg时，采用式（2）计算得到的安全爆破允许距离见表4。

表4 爆破安全允许距离分析表

表4中安全允许距离R取值方法与式（5-2）相同，即为爆源至测点水平距离R*与高程差H之和，即R=R*+H。

例如，对于本次试验爆破，佛像至爆源水平距离R*约为360 m，高差H=175 m，则R=R*+H=535 m>521 m，即采用单段起爆药量Q=20 kg是可行的。

对于管沟某些区段高程较低，与青莲寺高差在lOO m以内时，如距离R值小于521 m，则单段起爆药量应按Q=15 kg控制（根据现有管沟平面布置图及开挖高程分析，R均应大于 473 m）。

注意，采用以上单段起爆药量进行开挖时，还应严格采用本次试验起爆网路爆破方能确保安全。

8 结论

（1）青莲寺一级文物唐宋佛像年久失修，己基本无法承受外力，故按现行《爆破安全规程》（GB6722—2003）中规定的古迹安全允许振速下限值控制爆破规模，以确保文物安全。

（2）根据振动实测以及宏观调查结果，试验爆破振动未对唐宋佛像安全造成损害。

（3）根据振动测试结论，并依据爆破振动传播规律经验公式推算结果，管沟开挖爆破采用15～20 kg单段起爆药量应能确保文物安全，前提是须严格按照试验的单次起爆规模及网路进行爆破。

经过试验，已对爆破单段起爆药量及网络分段爆破进行了严格控制，取得成功，有效地保证了唐宋佛像及施工安全。