水电站新浇混凝土爆破振动安全控制技术

王贤光，刘义佳，柯昌佳，陈 明，冯俊领，卢文波，刘志鹏

(1.中国水利电力对外有限公司，北京 100000；2.武汉大学水利水电学院，武汉 430072)

水电工程建设中，爆破施工与混凝土浇筑交叉并行施工将引起爆破振动对临近新浇混凝土的扰动问题[1-3]，如消力池爆破开挖与闸室段混凝土浇筑。工程资料与试验数据均表明，爆破振动对新浇混凝土产生不利影响。因此严格控制爆破振动速度在安全标准范围内以降低爆破振动对新浇混凝土的影响，成为水电工程建设过程中的重要技术问题之一。

针对爆破振动对新浇混凝土的影响研究始于20世纪70年代，早期国内外的研究集中于新浇混凝土爆破振动控制速度上，Hulshizer等[4-5]开展了系列试验，在爆破振动峰值不超过5 cm/s时新浇混凝土不会损伤。朱传统等[1]结合现场观测及试验资料分析，提出了以质点峰值振动速度为判据的新浇大体积混凝土的爆破振动控制标准。卢文波等[6]建立新浇混凝土在爆破Rayleigh波作用下的理论计算模型，由数值方法得到不同龄期混凝土的爆破安全振速。陈明等[7-9]讨论了新浇基础混凝土爆破安全标准的影响因素，并研究了温度应力对新浇混凝土爆破安全控制标准的影响。戴思南等[10]采用数值计算方法，分析了结构尺寸与龄期对混凝土爆破振动响应的影响。吴帅峰[11]等在除振动峰值外，还分析振动持续时间和频率对新浇混凝土的影响。褚怀保[12-13]等通过混凝土试块试验分析振动荷载对新浇混凝土强度和耐久性的影响。夏晨曦[14]，邵东辉[15]分析了爆破振动对于隧道工程中新浇混凝土的影响及其安全控制。在多个水电工程[16-19]爆破施工过程中，均对临近新浇混凝土进行爆破振动监测，以保证新浇混凝土结构的安全。

本文将针对老挝南公1水电站溢洪道中消力池爆破开挖对闸室段新浇混凝土的影响问题，进行多次爆破振动监测试验，研究爆破振动传播与衰减规律，并评价爆破振动对闸室段新浇混凝土的影响。

1 工程概况

南公1水电站位于老挝南部的阿速坡省内的南公河上，为老挝、越南、柬埔寨3个国家的交界区域。南公1水电站工程等别为二等大(2)型，总库容6.3×108m3，装机容量160 MW，主要任务是发电，兼顾防洪、灌溉、交通、航运、旅游、促进当地社会经济发展。本工程主挡水建筑物为混凝土面板堆石坝，布置于主河床，坝顶长400 m，坝顶宽8.8 m，坝顶高程325.0 m，最大坝高为90 m。电站的溢洪道布置于大坝左岸，主要由引渠段、闸室段和泄槽段(共设三级消力池)等组成。溢洪道的总开挖长度为800 m，开挖宽度为140 m，土石方开挖量达260万 m3，具有开挖强度大，工期任务紧等特点。同时溢洪道的设计泄洪流量为8 000 m3/s，溢洪道共布置5孔露顶式弧门。

根据溢洪道开挖设计规划，当开挖二、三级消力池时，溢洪道闸室段混凝土在同步浇筑，闸室段与二、三级消力池水平距离140.0～400.0 m(见图1)。溢洪道开挖采取自上而下分层开挖方式，土方分层梯段高度为3～5 m，石方为8～10 m。闸室段高程303.0 m以下大体积混凝土约束区按1.5～2.0 m分层浇筑，约束区以上按1.5～3.0 m分层浇筑，共计分为11层。

图1 闸室段与消力池的相对位置Fig.1 Relative position of gate chamber section and stilling pool

2 爆破振动传播与衰减规律

2.1 试验概况

结合施工进度和试验需要，共进行5次现场试验，试验场地如图2所示。

图2 试验场地Fig.2 Test site

试验爆区均采用孔内MS15、孔间MS3、排间MS5延时导爆管的延时起爆网路，炮孔直径均为120 mm，主爆孔孔深为6.0～9.0 m、孔排距为3.0 m×3.0 m，单孔药量40.0～70.0 kg，两孔一响，单响药量为80～140 kg，主爆孔钻爆参数如表1所示。

表1 主爆孔典型参数

共布置爆破振动监测点18点次，其中直接布置在闸室段新浇混凝土上6点次，爆破振动监测点布置如图3所示。振动传感器为三轴传感器，可同时监测水平径向、水平切向和垂直向的振动速度，采用TC-4580来记录振动时程。爆破振动速度时程如图4所示。

图3 测点布置Fig.3 Layout of monitoring point

图4 典型爆破振动时程Fig.4 Typical blasting vibration time-history

2.2 振动衰减

在二、三级消力池开挖时，爆区与闸室段新浇混凝土之间除水平距离外，还存在一定的高程差(见图1)。5次试验中各振动监测点峰值振速如表2所示，其中，二级消力池开挖时，高差大约为10.0～20.0 m；三级消力池开挖时，高差大约为20.0～30.0 m。这相比于水平距离而言，高差并不大，爆破振动在高边坡等高差巨大的传播路径上存在显著高程效应[20]。在研究溢洪道内部爆破振动传播衰减规律时，可认为水平距离为距离上主要因素，即爆心距取水平距离。

表2 各试验峰值振速

由表2可知，在最大单响药量相同的情况下，随着爆心距的增加，峰值振速减小。闸室段新浇混凝土上峰值振速分布在0.2～1.3 cm/s，其余处测点峰值振速分布在0.2～12.3 cm/s。

根据萨达夫斯基公式，测点峰值振速受爆心距、最大单响药量、爆区地质、爆破方法等因素影响。利用该公式对消力池爆破振动衰减规律进行拟合，得到峰值振速衰减规律(见图5)。

图5 峰值振速衰减规律Fig.5 Attenuation law of the PPV

(1)

式中：K为场地系权；α为衰减系数；Q为最大单响药量；R为爆心距。

由图5可知，水平径向、水平切向和垂直向上的振动速度拟合效果均较好。由振动衰减拟合公式(见表3)可知，爆破振动峰值随爆心距和最大单响药量的衰减拟合系数均在0.9以上，且水平径向上振动速度较另外两方向上较大。

表3 振动衰减拟合公式

3 新浇混凝土结构的爆破安全控制

水电工程领域，对新浇混凝土爆破振动安全允许标准，经历了从质点峰值振动速度单指标发展到振动频率和峰值双指标，现行《爆破安全规程》(GB 6722-2014)[21]中关于新浇大体积混凝土爆破振动安全允许标准如表4所示。

表4 新浇混凝土爆破振动安全允许标准

由闸室段新浇混凝土上爆破振动主频(见表5)可以看出，振动主频分布在20.1～56.2 Hz，根据新浇混凝土的性能指标、龄期和结构特征等信息，参照其他类似工程经验，确定其振动安全控制标准为龄期为初凝～3 d，振动速度不得高于2.0 cm/s；3～7 d，振动速度不得超过4.0 cm/s；7～28 d，振动速度不得超过8.0 cm/s。在试验监测中，对于二、三级消力池爆破开挖时，新浇混凝土上测点爆破振动峰值速度均小于2.0 cm/s，满足安全要求。

表5 实测新浇混凝土爆破振动主频

根据表3中振动衰减公式，选择3个方向中最大的水平径向振动速度作为标准，给出不同药量、不同爆心距下的振动速度的预测值(见图6)。可以看到，对于一级消力池开挖时，爆区离闸室段新浇混凝土爆心距小于100 m时，峰值振动速度大于2 cm/s，而龄期为初凝～3 d的新浇混凝土安全允许振速为2 cm/s，也即表明一级消力池开挖时，不进行闸室段混凝土的浇筑是有必要的；二、三级消力池爆破开挖离闸室段新浇混凝土在140 m以外，现有爆破设计最大单响药量在150 kg以内，振动速度在安全允许振速范围内，两施工工序可交叉进行，影响较小。

图6 爆破振动速度预测Fig.6 Prediction of blasting vibration velocities

4 结语

1) 溢洪道内消力池爆破开挖诱发的爆破振动传播3个方向均满足指数衰减规律，利用萨达夫斯基公式拟合具有较好的拟合效果，拟合衰减公式可作为爆破振动安全控制的依据。

2) 闸室段新浇混凝土爆破振动监测显示，振动主频在20 Hz以上，峰值振动速度在2 cm/s以下，满足新浇混凝土爆破振动安全允许振速。且利用拟合衰减公式，在一级消力池开挖时，闸室段新浇混凝土不应施工；在二、三级消力池爆破开挖中，现有最大单响药量150 kg满足要求，对新浇混凝土影响较小。