不同坡高条件下河道水下礁石爆破对库岸构筑物的振动效应

丁安娜

（铅山县水利局，上饶 铅山 334500）

0 引言

随着我国水利水运事业的蓬勃发展，紧邻城镇的航道整治、码头等工程越来越多。水下钻孔爆破是航道整治工程的主要手段之一，也是码头港口港池开挖、桥墩基坑开挖、过江管线管沟开挖、取水头泵房开挖的重要施工方法[1，2]。这类爆破工程大都位于城镇周边，爆破区周边环境复杂，涉及到居民区、厂房、桥梁、码头、电力塔架、古建筑、箱涵、道路等，随之而来的爆破危害也将不容忽视，控制不当，水下爆破产生的爆破有害效应就将危及周围建筑物和重要设施的安全。这就对水下控制爆破技术提出了更高的要求，如何有效地控制爆破有害效应，保障建（构）筑物和附属设施的安全，已成为当前水下爆破工程界亟待解决的一项重要课题[3]。

在三峡库区，许多河道存在的水下礁石已经严重影响河道的正常航运要求，为了改善航道水深，满足大型船舶的双向通航要求，有必要对水下礁石进行清除处理。就目前而言，爆破是礁石清除最为有效的方式，在爆破过程中，炸药在炮孔中爆炸后会释放大量能量，在应力波和爆生气体的共同作用下造成岩石破碎，达到破除礁石的目的[4]。然而，炸药爆炸会在岩层中形成地震波，对临近库岸构筑物存在一定影响。在爆破工程中，通常仅考虑爆源对被保护对象的水平距离，水平距离越大，振动效应越小。实质上，由于库岸高度、坡度的影响，同一水平距离的水下礁石爆破对库岸构筑物的振动影响是不同的。

鉴于此，针对河道水下礁石爆破对临近库岸桥墩的振动效应，采用有限元三维动力分析手段，考虑岸坡地形条件等因素开展了一系列分析研究，拟查明不同岸坡高度情况下水下礁石爆破对库岸构筑物的振动影响规律。

1 有限元模型计算

1.1 水下礁石爆破对库岸构筑物影响分析简图

为研究水下礁石爆破对库岸构筑物的振动影响，本文建立了礁石-岸坡-桥墩的概化模型，如图1所示。其中，岸坡坡度为45°，礁石与桥墩中心水平距离L为50.0 m，桥墩高度为15.0 m，炸礁深度为4.5 m。由于库岸构筑物位于坡顶地表面，因此，就需要考虑通过岩土体传播至桥墩的地震波影响，水中冲击波的影响可忽略。

图1 炸礁区域地形概化示意图

在以上参数的基础上，建立了4种坡高的礁石-岸坡-桥墩-模型，坡高分别为0，10.0，20.0，30.0 m（控制边坡坡顶点位置不变），开展了有限元动力分析。计算模型简化图见图2。

图2 计算模型简化示意图

1.2 礁石爆破计算参数及有限元计算模型

根据三峡库区航道JTS 204-2008《水运工程爆破技术规范》及炸礁工程的工程经验，炮孔直径D取80.0 mm，钻孔超深△h取1.5 m，炮孔深度h1则由炸礁深度和钻孔超深共同决定，为4.5+1.5=6.0 m，炮孔堵塞长度h0取1.5m。炮孔布置采用梅花形布置，结合以往经验选取孔距和排距，取炮孔排间距为1.7 m×1.6 m。考虑爆破的最不利影响，所设置的3排共27孔单次齐发，根据岩石硬度、孔排距等因素，炸药单耗q取为1.72 kg/m3。

此次计算中，基岩和礁石为砂岩，桥墩为C50混凝土，取饱和力学参数如表1所示。

表1 岩体抗剪断（抗剪）试验成果

表1 材料物理力学参数（饱和）

岩体爆破作用过程非常复杂，很难通过实测的手段获得爆炸荷载随时间变化的时程曲线，因此，在数值计算中，对爆炸荷载的处理采用等效的三角形脉冲荷载时程曲线（图3）。通常认为，爆炸荷载的持续时间为毫秒量级，t1为升压时间，t2为总作用时间，取t1=3.0 ms，t2=12.0 ms。

图3 抗剪正应力-剪应力曲线

图3 三角形爆破荷载曲线

将CAD线框进行简化，确定分析区域和边界尺寸，导入有限元软件Midas GTS NX，建立岸坡-礁石-桥墩模型，划分实体网格单元，并赋予材料属性，如图4所示。

图4 模型网格划分示意图

2 计算结果分析

2.1 桥墩应力结果

沿桥墩高程方向每隔1.0 m设置一个监测点，获取不同坡高条件下桥墩迎爆面应力响应特征，如图5（a）所示。在不同坡高情况下，桥墩拉应力峰值从下至上均呈先增大后减小的趋势，最大拉应力峰值出现在桥墩-基岩交界面附近（桥墩高程6.0 m处）。从图5（b）可看出，随着岸坡高度增大，桥墩最大拉应力峰值逐渐减小，但减小幅度逐渐降低。

图5 不同坡高条件下桥墩迎爆面拉应力峰值结果

2.2 桥墩振速结果

由不同桥墩高程处合速度峰值分布情况图6（a）可知，当坡高为0 m时即水平场地情况下，桥墩迎爆面合速度峰值从下至上呈先增大后减小再增大的趋势，呈S型曲线分布，最大合速度峰值出现于顶部。随着岸坡坡高增大至一定程度，S型曲线逐渐变为单调递增型曲线，同时，最大合速度峰值随坡高增加呈逐渐减小趋势，但减小幅度逐渐降低，如图6（b）所示。

图6 不同坡高条件下桥墩迎爆面合速度峰值结果

2.3 地表、坡面振速衰减规律

为探究坡高对场地振速衰减规律的影响，于地表、坡面设置若干监测点（图7），获取了爆破整个时程中各测点的振动速度峰值。由于Y向振速相对于X向、Z向振速而言小得多，故后文对Y向振速不进行考虑。

图7 地表坡面监测点布置示意图

从图8（a）可看出，随着水平距离L的增加，不同坡高情况下的X向速度峰值均呈指数型函数衰减趋势，岸坡越高，X向振速衰减越快，图8（d）中合速度峰值衰减规律与其基本一致，振速大小也接近。图8（b）中Y向振速峰值在L＜5.0 m范围衰减较为剧烈，随着水平距离L继续增加，Y向振速峰值存在一定振荡现象。如图8（c）所示，Z向振速峰值随水平距离L增加整体上呈指数型函数衰减趋势，但曲线并不平衡且存在明显拐点。总体而言，岸坡的存在加快了地表、坡面振速的衰减，且坡高越高，衰减幅度越大。

图8 不同坡高情况下地表坡面振速衰减规律

现行爆破安全规程中常采用萨道夫斯基公式对爆破振速衰减规律进行预测，如下式所示：

式中：V为保护对象所在地安全允许质点振动速度，cm/s；K为与岩石性质、爆破参数、爆破方式等因素相关的场地影响系数；Q为爆破最大段药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大一段药量，kg；R为爆心距，通常指的是水平距离，m；α为爆破振动衰减系数。

对式（1）进行转换即得到二元一次函数：

根据前文分析可知，爆源产生的地震波对桥墩影响主要为X方向上的影响，因此，表2仅给出X向振速和合振速的衰减规律公式。

表2 不同坡高情况下的振速衰减规律公式拟合结果

从表2可知，X向振速衰减规律公式的拟合系数R2较合振速的大些，说明萨道夫斯基公式对于单向振速的拟合程度更高。随着坡高增加，振速衰减系数α数值逐渐增大，场地影响因素K则逐渐减小。由于各计算方案中岩土体参数和爆破荷载均不变，说明坡高直接影响了场地影响系数和爆破振动衰减系数。

3 结论

采用三维动力有限元计算分析，研究了4种坡高条件下水下礁石爆破对临近岸坡桥墩的影响，查明了爆破地震波传播规律，分析了桥墩动力响应规律，讨论了地表、坡面振速峰值的衰减规律，主要结论如下。

1）在爆破作用下，桥墩拉应力峰值从下至上均呈先增大后减小的趋势，最大拉应力峰值出现在桥墩-基岩交界面附近；桥墩最大拉应力峰值随着岸坡高度增大而逐渐减小，但减小幅度逐渐降低。

2）桥墩迎爆面合速度峰值呈S型曲线分布，且最大合速度峰值出现于顶部，同时随着岸坡坡高的增加，S型曲线逐渐变为单调递增型曲线；桥墩最大合速度峰值随着岸坡高度增大而逐渐减小，但减小幅度逐渐降低。

3）随着距爆心水平距离L的增加，不同坡高情况下的合振速峰值均呈指数型函数衰减趋势，其中岸坡越高，振速衰减越快。

4）随着岸坡坡高的增大，场地影响系数逐渐减小，爆破振动衰减系数逐渐增大，岸坡的存在会加快爆破所产生的地震波在地表和坡面的衰减，且坡高越高，衰减幅度越大。