劉占超

(遼寧省水利水電勘測設計有限責任公司，遼寧 沈陽 110006)

在水利水電爆破施工過程中，爆破振動影響是安全監(jiān)測的重點，一般水利水電工程爆破安全監(jiān)測的主要對象是水工建(構)筑物及其基礎。對爆破區(qū)域重點部位進行振動監(jiān)測可以有效反應工程爆破的影響，還可以通過監(jiān)測數據進行資料對比分析優(yōu)化爆破設計。本文以遼寧某重點引水工程進水口巖坎爆破為研究對象，簡述該工程爆破振動監(jiān)測設計及數據分析情況。

1 工程概況

遼寧某重點引水工程進水口由取水邊坡與取水控制豎井及有壓引水洞、輸水隧洞等組成。取水口后145m樁號處為檢修閘門控制室，控制室采用豎井式結構，檢修豎井高50.0m，長7.82m，寬5.70m，豎井內布置一道檢修閘門(2.5m寬×2.0m高)、一道攔污柵(2.5m寬×2.0m高)，輸水隧洞長4.39km，隧洞為有壓隧洞，襯砌斷面為圓形，襯砌洞徑為2.0m。

監(jiān)測工作主要包括監(jiān)測儀器和設備的采購、保管、率定、安裝；巖坎爆破時閘門、閘墩所受動水壓力、表面應變、振動位移觀測等；整理、分析觀測資料。

2 監(jiān)測內容和方法

2.1 動水壓力

動水壓力和時均壓力反映了相關部位的主要水力特性，是分析動水荷載的重要參量，利用壓力傳感器同時進行動水壓力和時均壓力的測量，其信號經放大后由專門的計算機采集系統(tǒng)記錄和分析。

2.2 涌浪

涌浪反映了對應部位的水位變幅，通過壓力傳感器測量，其信號經放大后由專門的計算機采集系統(tǒng)記錄和分析。

2.3 振動位移

通過布置在進口閘墩和工作門墻上振動位移監(jiān)測儀，監(jiān)測爆破時閘室震動。利用振動位移傳感器進行測量，其信號經放大后由專門的計算機采集系統(tǒng)記錄和分析。

2.4 動應力(變)

通過布置在豎井兩側邊墻及取水進口胸墻處的應變計，監(jiān)測其在爆破沖擊力作動應(變)力。

3 儀器選取

3.1 壓力傳感器

用于動水壓力(含時均壓力及脈動壓力)觀測。

(1)壓力傳感變送器應根據測量部位在各種運行工況下可能發(fā)生的最大動水壓強合理選擇傳感器的量程，確保滿足在各種運行工況下的監(jiān)測需要。

(2)壓力傳感變送器除應考慮其量程和精度外，要確保其防水性，壓阻式傳感器的測頭宜選用不銹鋼雙隔離膜形式。

(3)傳感器的正常工作溫度范圍應覆蓋過流測量的環(huán)境溫度。

(4)傳感器的外殼應有足夠的強度，正常安裝不改變傳感器的初始狀態(tài)。

(5)脈動壓力傳感器的頻響范圍應滿足脈動壓力信號監(jiān)測的需要，一般情況下其響應頻率應大于60Hz，水流紊動劇烈或摻氣時應適當增大壓力傳感器的頻響范圍。

3.2 振動傳感器

用于建筑物的振動測量，采用位移傳感器，頻率范圍0.2～200Hz，靈敏度根據測點位置選定。

(1)傳感器質量應小于測試對象有效質量的1/10，以避免增加質量負荷，改變結構的動態(tài)特性。

(2)測試前應對測試對象的頻率、可能產生的最大振動位移進行預估，選擇合適頻率范圍及靈敏度的傳感器。

(3)對傳感器的工作環(huán)境有充分了解，如溫度、磁場、濕度等，特別是是否有防水要求等，并檢查所采用的傳感器能否滿足要求。

4 測點布置

取水口巖坎拆除水下爆破監(jiān)測項目共布置3個動水壓力測點、一個涌浪測點、4套振動位移測點及3個動應(變)力測點。詳見表1。

表1 爆破振動監(jiān)測測點布置表

5 監(jiān)測成果

本次監(jiān)測共對取水口巖坎拆除爆破進行了2次爆破監(jiān)測，監(jiān)測統(tǒng)計概況如下。

5.1 振動位移

通過監(jiān)測數據統(tǒng)計，觀測到振動位移幅值因沖擊波快速增加，達到峰值，受建筑物約束而衰減，經過近5s時間，建筑物振動結束。第一次爆破觀測到閘門控制室振動最大位移約1.99mm，位于胸墻頂順水流方向DS02(1)測點。第二次水下部分爆破監(jiān)測，爆破時的水位為293.0m。觀測到閘室處振動最大位移約2mm。

5.2 振動頻率

通過監(jiān)測數據統(tǒng)計，成果表明：第一爆破各測點的主頻均未超過5Hz，優(yōu)勢頻率未超過10Hz，其中測點DS02(1)的主頻約為5Hz，其它測點的主頻率約為1Hz；第二次各測點主頻基本均為0.5Hz。

5.3 振動速度

觀測采用振動位移傳感器，再通過分析計算各測點的振動速度。結果表明：第一次爆破閘門控制室閘墩墻頂DS03(1)測點順水流方向的振動速度最大，最大達到3.06cm/s；第二次爆破DS04(1)最大達到8.58cm/s從各測點振動速度看，振動速度超過DL/T 5135—2013《水電水利工程爆破施工技術規(guī)范》規(guī)定的上限。各測點爆破振動速度過程線見表2。

表2 振動位移、主頻率、振動速度監(jiān)測匯總表

5.4 涌浪

涌浪測點SW布置在攔污柵上，測點高程290.6m，2次爆破觀測時水位為292.5和293.0m。從波形圖看，爆破開始后，儀器受沖擊波的影響，傳感器出現(xiàn)了較大壓力值，根據波浪傳播原理，波浪在沖擊波之后出現(xiàn)。從涌浪圖中可看出，波浪最大幅值為1.04及0.54m。

5.5 動水壓力

本次觀測由于受現(xiàn)場條件限制，測點位置未能達到設計要求的高程，且B03號測點在水面上，因而觀測到爆破水流沖擊波的影響。從測點B01和B02的觀測數據來看，第二次爆破的動水壓力明顯大于第一次爆破，最大為B01測點，達到383.9kPa。動水壓力監(jiān)測匯總見表3。

表3 動水壓力監(jiān)測匯總表 單位：kPa

5.6 動應(變)力

閘門動應變片在第一次爆破時沒有安裝，此處僅對第二次爆破進行分析：

爆破沖擊波作用下混凝土岸墻測點布置在連接岸墻的檢修豎井內側▽265.00m高程處，根據取水口左右岸墻結構力學特征，該部位動應力可以作為結構安全控制點。應力監(jiān)測點共選擇3點，分別位于豎井兩側邊墻及取水進口胸墻處，標號測點C、測點A、測點B。測點布置示意圖如圖1所示。

圖1 取水口爆破振動監(jiān)測布置圖(單位：m)

取水口左右岸連接岸墻為混凝土重力式結構，主材采用C35標號混凝土。根據混凝土材料特性表，混凝土軸心抗壓設計值(fc)為16.7N/mm2，混凝土軸心抗拉設計值(ft)為1.43N/mm2，混凝土彈性模量(Ec)為3.15×104N/mm2，泊松比(νc)為0.2。

根據爆破時程監(jiān)測曲線，可以獲得爆破沖擊力作用下閘墩混凝土各測點應力值，表4為應力監(jiān)測結果。根據監(jiān)測結果，測點A、測點B、測點C 3點的最大動應力單峰值分別為1.29、1.04、1.14MPa，兩側墻最大沖擊動應力較接近。

混凝土監(jiān)測點的控制應力為拉應力。根據C35混凝土材料特性，混凝土軸心抗拉設計值(ft)為1.43N/mm2，根據SL 677—2014《水工混凝土結構設計規(guī)范》承載能力極限狀態(tài)設計規(guī)定可知：

KS≤R

(1)

式中，K—承載力安全系數；S—荷載效應組合值；R—結構構件截面承載力設計值。

輸水工程安全系數可取1.1，則KS=1.1×1.29=1.42N/mm2，可見爆破沖擊波產生的振動應力接近混凝土軸心抗拉設計值。

表4 閘墩混凝土測點實測值與換算應力值

6 數據分析

6.1 爆破參數

本工程質點振動速度與單孔裝藥量的關系通過薩諾夫斯基經驗公式確定：

Q=R3([V]/K)3/a

(2)

式中，V—允許質點振動速度，cm/s；R—爆源中心至建筑物的距離，m；K，a—場地系數。

由于本工程沒有爆破振動傳播規(guī)律實測資料，K，a值通過類似圍堰拆除工程類比然后應用最小二乘法回歸計算來確定。

6.2 距離分析

從表2可以看出，質點振動速度及位移分別在近爆破點的DS03、DS04測點最高，向外迅速衰減，在40m距離附近的DS01，DS02點降至近起爆點的1/3以下，在120m以外的建筑物旁基本沒有明顯的震感，爆破振動不會對該范圍以外的建筑物結構造成損害。

6.3 頻譜分析

質點振動速度最大值對應的頻率即為爆破振動主頻。建筑物自振頻率與爆破引起的振動頻率越是接近，越會因為共振效應對建筑物造成破壞。第一次爆破中測點頻率均約為20～25Hz；第二次爆破中各測點頻率均約為10～15Hz。通過表2—3可以看出，各測點振動位移、振動速度及動水壓力第二次爆破均大于第一次爆破，在第二次爆破中部分測點振動頻率與建筑物自振頻率比值f/f0接近或小于5，有可能發(fā)生共振現(xiàn)象。DS04(1)點最大振動速度達到了8.58cm/s，超過了規(guī)范標準值，但建筑物沒有遭到破壞。由此可知，爆破頻率越低，越接近建筑物自振頻率，對建筑物破壞性越大。

7 結論

從監(jiān)測數據分析結論來看，當首先按照經驗公式及工程類比確定單孔最大裝藥量進行爆破設計時，附近建筑物的質點振動速度和對水工建筑物的混凝土抗拉強度指標已經接近或小幅超過了相關規(guī)范的技術要求。原因綜上分析主要是爆破主頻低所致，后續(xù)爆破工作中應該簡化起爆網絡，采用分段微差爆破等方法，減小共振對建筑物帶來的影響。同時繼續(xù)加強監(jiān)測，確保工程安全。

爆破振動監(jiān)測在水利工程施工領域具有十分重要的作用，本文通過這一工程實例，希望對爆破振動控制這一復雜課題帶來一個工程實例的分析與討論，對該問題的解決方案及標準制定還仍需提高。