丰满大坝重建工程施工期爆破控制分析

张永鑫 于进 范戎 陈剑涛

丰满大坝始建于1937年，受当时设计、施工以及建设管理水平的限制，并且超期服役，因此大坝存在许多先天缺陷[1]。经过前期充分地科学论证，最终选定重建新坝作为丰满水电站全面治理方案[2]。丰满水电站大坝全面治理工程是按恢复电站原任务和功能，在原坝下游120 m处新建一座大坝，拆除老坝中间坝段684 m，并利用原丰满三期工程[3]，重建工程平面布置如图1所示。

图1 丰满重建工程平面布置图

施工爆破主要有两个阶段，即前期新建大坝坝基等的爆破开挖和后期原混凝土坝部分坝体的爆破拆除。新建大坝坝基开挖期间，老坝兼作上游围堰而仍正常运行，原一二期机组仍在运行；结合大坝导流方式和新建坝轴线处的地形、地质条件，以及本工程的总体开挖程序，建设期爆破对建筑物（或设施）的影响主要是振动破坏，而噪声和飞石等影响则处于次要方面。所以，着重分析爆破对建筑物（或设施）的振动影响。受到振动影响的主要有新老坝、一二期厂房及发电机组、三期厂房及发电机组、中控室、开关站等建筑物（或设施）。如果振动量偏大，可能直接导致这些建筑物（或设施）造成损坏或失稳，造成重大的安全事故。因此，施工中必须控制爆破对建筑物（或设施）的振动影响。

1 现有建筑物（或设施）安全控制标准分析

参考国内沙溪口、岩滩、白山抽水蓄能和三峡等类似工程的爆破拆除安全爆破控制标准，以及GB 6722—2003《爆破安全规程》中相关规定，按规程规范取新坝混凝土的安全允许振速标准为5.0～10.0 cm/s，基于结构放大效应，取坝顶为10.0 cm/s，而坝基为5.0 cm/s，均满足规范关于大体积混凝土（28 d以上龄期）的抗震要求。对于老坝，考虑到混凝土年限时间较长，其内部存在老化、碳化等现象，以及坝体本身存在不利坝段，因此，老坝的安全抗震指标取为新建大坝混凝土的60%，即老坝坝顶为6.0 cm/s，而坝基为3.0 cm/s。借鉴1979年丰满岩塞爆破大坝实测资料，8#坝段坝顶的振动速度达到了6.93 cm/s（水平顺河向），爆后调查坝体无损坏，并且多年来一直比较稳定。因此，对老坝选取3.0～6.0 cm/s振动速度控制标准应是安全的。至于老坝内的纵缝，由于其结构复杂性和相关工程振动资料较少，出于安全角度，对老坝纵缝的安全振动速度控制标准按2.5（坝基）～5.0 cm/s（坝顶）控制。

对于老坝挑流鼻坎，因其距离爆破区域较近，对爆破开挖强度影响较大；考虑到GB 6722—2003《爆破安全规程》中7.0～12.0 cm/s的安全标准取值，对10.0 cm/s取值已经有一定的安全储备。所以，未对老坝挑流鼻坎的安全控制标准进行折减，仍按10.0 cm/s标准进行控制。

此外，对于厂房基础、引水管进口、闸门墩、门槽、廊道、洞室等建筑物，均为钢筋混凝土结构，其抗震性能远高于民房，可以按5.0 cm/s的安全标准进行控制。

进水口钢闸门（未运行）和止水材料的抗震性能均优于大坝本身，只要爆破不对大坝产生破坏影响，就能保证其各自安全。因此，进水口钢闸门（未运行）和止水材料的安全控制标准均按5.0 cm/s选取；对正在运行的闸门，参考沙溪口和白山抽水蓄能电站资料，按2.5 cm/s的安全标准进行控制。

现场调查发现，丰满水电站的开关站使用运行设备都已陆续改造为当前较新型产品。其中，开关站内主要防震对象为并网断路器，产品型号为ABB系列，厂家提供的抗震指标（0.3～0.5）g，其对应的质点振动速度指标为3.0～6.0 cm/s。结合白山水电站和红石水电站所获得的实际测试资料，对开关站的安全允许振动标准选择为2.5 cm/s。

对于发电厂中心控制室设备，正常运行期间按0.5 cm/s的标准进行控制，在未运行阶段，则可以按普通机电设备考虑，取其安全控制标准为2.5 cm/s。

2 爆破振动影响场计算

爆破振动效应的影响因素比较复杂，现在还没有成熟的理论求解，主要根据生产性试验数据作经验公式的回归分析。目前应用较为广泛的是前苏联萨道夫斯基提出的经验公式[4]：

式中v——质点振动速度峰值，cm/s；

Q——最大单响药量，kg；

R——测点至爆源中心的距离，m；

K、α——反应非主要因素影响的系数。

这样，在确定K、α这两个影响系数后，即可大体得到爆破区域内的振动影响场公式。按照现有资料和文件，本工程新坝基础开挖的爆破振动影响计算经验公式有以下几个[5]。

2.1 丰满泄洪洞1∶2岩塞爆破振速经验公式

式中，v、Q、R意义同上。

2.2 丰满电站（三期）深孔爆破实测振速经验公式

式中，v、Q、R意义同上。

2.3 采用GB 6722—2003《爆破安全规程》推荐公式

新坝基础为表层开挖，现场岩性属于中等坚硬岩石（偏于风化），相对应的K、α值可分别取K=150，α=1.8，于是：

式中，v、Q、R意义同上。

2.4 国内深孔梯段爆破大多采用的振动经验公式

式中，V、Q、R意义同上。

以上4个经验公式都可用于评估重建工程爆破对老坝的振动影响强度问题。其中，式（4）设计偏于安全考虑，式（5）比较适合于深孔梯段爆破使用。本文中采用由各式计算结果的较小值，以确保建筑物安全。

3 有限元计算分析

丰满大坝重建工程施工期爆破新老坝相互影响问题，采用有限元计算分析进行了专门研究。为模拟大坝输入动力响应振动波，计算工况选用了按爆破振动影响场经验公式推算的药量值，即最大单响药量计算值（见表1）。

表1 最大单响药量计算值 kg

按照表1中药量标准，选择3个不同型式典型坝段（即老坝14#溢流坝段、22#引水坝段、35#断层坝段及下游对应新坝）进行了有限元计算分析。

计算结果显示，新坝基坑开挖爆破和老坝缺口拆除爆破时，总体上以老坝（或新坝）坝顶的反应最大，而以坝基帷幕的控制标准最为严格（见表2、3）。

表2 新坝坝基开挖爆破老坝振动最大速度反应峰值 cm/s

表3 老坝缺口拆除爆破新坝振动最大速度反应峰值 cm/s

表2、3中，仅取水坝段处新坝基础开挖时爆破影响略大于1.5 cm/s的帷幕振速控制标准。通过单响药量敏感性分析，适当调整取水坝段基坑开挖爆破时的单响药量上限值即可满足老坝坝基帷幕的安全。

4 设计爆破控制药量

重建工程开挖环境复杂，实施爆破作业应根据老坝及相邻的建筑物、设备及民房等保护对象的安全允许振速标准来测算每一延期段限定的药量，即最大单响药量。然后依据该药量及相应的爆心距离进行爆破设计。爆破设计选取最大单响药量的基本原则如下：

（1）从保证安全角度出发，结合本工程具体特点和老坝的现状，并考虑留有一定安全裕度，确定设计控制最大单响药量。

（2）设计控制最大单响药量根据各个开挖部位及其周围诸多建筑物的要求，按照每一个控制对象及安全允许振动速度标准分别对该开挖部位进行最大单响药量计算，并从中选择最小的药量来作为该部位的最大单响药量控制标准。

基于以上原则，设计结合有限元计算分析结果、工程开挖特点，在考虑一定安全裕度的前提下，进行了爆破方案典型设计，并分别提出了新坝基开挖爆破设计振动安全允许最大单响药量（见表4）和老坝拆除爆破设计振动安全允许最大单响药量（见表5）。

表4 新坝基开挖爆破设计振动安全允许最大单响药量

表5 老坝缺口拆除爆破设计振动安全允许最大单响药量

从表4所列数据可以看出，由于新坝基础开挖范围较大，周围涉及到的建筑物较多，坝基不同部位受到开挖限制的建筑物也不相同，如1#～2#坝段开挖，其爆破主要受三期发电输水洞限制，其最大单响药量为36.87 kg。

从表5所列数据可以看出，由于老坝缺口拆除爆破影响涉及到的建筑物主要为新建大坝、厂房等，老坝缺口拆除不同部位受到爆破拆除限制的建筑物也不相同，如29#～56#坝段开挖，其爆破主要受新坝帷幕限制，其最大单响药量为312.45 kg。

结合有限元计算、单响药量的敏感性分析和典型的爆破设计综合分析，考虑工程具体特点和安全性，经综合分析，最大单响药量控制值采用爆破设计振动安全允许最大单响药量，详见表4、5。通过药量敏感分析，设计选择的振动安全允许最大单响药量，可以满足新坝基础开挖和老坝缺口拆除爆破的施工安全要求。在工程实际中，结合现场生产性爆破科研试验来调整最大单响药量控制指标，力求做到对新坝、老坝建筑物的振动、飞石等影响控制在允许范围内。

5 施工期爆破对老坝影响分析

通过对新坝基础开挖爆破安全性影响及新老坝动力相互作用进行计算论证，主要结论如下：

（1）新坝基坑爆破施工时，老坝在正常使用状态下，溢流坝段、挡水坝段坝踵均未出现拉应力，取水坝段坝踵出现微弱拉应力，拉应力区域极为有限，满足规范要求。

（2）新坝基坑开挖爆破的最不利情形下，老坝典型坝段的抗滑稳定安全系数降低均不超过1%，爆破振动对老坝稳定的影响非常微弱。老坝的抗滑稳定能够满足安全要求。

（3）新坝基坑开挖爆破时，通过对老坝典型坝段的坝体振速、应力以及建基面抗滑稳定性等几个方面的对比分析可知，通过药量敏感分析计算，拟定的最大单响爆破药量在施工时能满足爆破安全控制要求。

综上，分析复核结果表明，新坝基坑开挖爆破的动力反应是可以控制的，坝体运行安全性是可以得到保证的；并且通过生产性爆破试验，还可对爆破药量进行科学调整，能够做到对新坝、老坝建筑物的振动、飞石等影响控制在允许范围内。

6 结 语

新坝基础开挖爆破和老坝缺口拆除爆破振动会对老坝及新坝造成动态反应，通过爆破振动影响场计算分析得到的爆破参数能够满足新老坝的安全运行标准。控制爆破对老坝稳定影响程度很小，近似可以忽略。