鄒玉君， 嚴 鵬， 劉 琳， 周天剛， 盧文波， 陳 明

(1. 武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武漢 430072；2. 武漢大學(xué) 水工巖石力學(xué)教育部重點實驗室，武漢 430072；3. 湖北城市建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430205；4. 中國長江三峽集團公司，北京 100000)

爆破是水利水電工程中常用的開挖手段之一。隨著我國水電工程開發(fā)進程的進一步深入和居民環(huán)保意識、安全意識的提高，水電工程開挖爆破對當?shù)厝罕娚a(chǎn)生活的影響日益受到關(guān)注。其中爆破振動是爆破公害之首，其對當?shù)亟ㄖ飵淼钠茐臅l(fā)民事糾紛，需要嚴格控制爆破振動[1-3]。國外對工程爆破地震效應(yīng)問題的研究主要包括爆破地震波的傳播規(guī)律、影響爆破振動強度的因素、爆破振動的破壞準則等，并對不同的建筑物制定了一系列區(qū)域性的破壞標準[4-8]。隨著國內(nèi)水電工程開發(fā)的興起，水電工程料場開采、高壩壩肩邊坡開挖及大型地下洞室的開挖等皆采用爆破方法，大規(guī)模大裝藥密集的爆破對周圍建筑物的振動影響較大，尤其是對周邊民房的破壞影響顯著[9]。

針對不同類型的建(構(gòu))筑物，需要提出不同的爆破振動安全控制標準。在水電工程領(lǐng)域，三峽工程、小灣水電站和溪洛渡水電站施工期對其周圍的建(構(gòu))筑物附近的控制爆破進行了分類，提出了基于峰值振速的爆破振動安全控制標準，采用控制爆破技術(shù)降低了爆破振動效應(yīng)，確保了爆破周圍被保護建筑物的安全[10-12]；向家壩水電站的建設(shè)制定了嚴格的爆破振動控制標準，并對爆破施工進行全程跟蹤監(jiān)控，以保證被保護物的安全[13]?；谏鲜隹蒲袑嵺`和工程應(yīng)用，張正宇等[14]探討了爆破振動的破壞標準，分析了爆破引起建(構(gòu))筑物的破壞表現(xiàn)，指出地震波對不同的爆破地震作用區(qū)被保護物的作用形式不同，應(yīng)采取不同的分析方式來確定相應(yīng)的爆破安全允許標準；吳新霞等[15]以水布埡工區(qū)采石場的爆破開挖為例，確定了爆破振動控制標準，并闡述了爆破振動對民房破壞影響范圍的鑒定方法；李新平等[16]對溪洛渡電站地下洞室群爆破振動進行測試研究，分析得到了爆破地震波在相鄰導(dǎo)流洞的傳播衰減規(guī)律，得出水平向質(zhì)點振動速度可以作為相鄰導(dǎo)流洞的爆破振動安全判據(jù)；唐海等[17]以嶺澳核電站采石爆破為背景，通過分析采石場爆破對核電站、水庫的振動效應(yīng)及安全影響，確定了核電站、水庫的爆破振動安全閾值；董隴軍等[18]從爆破振動特征參量和砌體結(jié)構(gòu)自身特性出發(fā)，建立了爆破振動對砌體結(jié)構(gòu)破壞效應(yīng)預(yù)測的分析模型，并結(jié)合實際工程分析出質(zhì)點峰值振動速度可作為最重要的安全判別指標，為同類工程的判別指標選取方面提供參考。

另外，在礦山領(lǐng)域，邢東升[19]根據(jù)張溝采場周圍民房等建筑結(jié)構(gòu)的情況，確定了以地震速度作為平房的容許安全判據(jù)，并總結(jié)出有效的嚴格控制裝藥量的降震措施；史秀全等[20]基于Bayes判別分析理論對爆破振動的民房破壞效應(yīng)進行了預(yù)測；謝承煜等[21]運用動力響應(yīng)數(shù)值分析和現(xiàn)場監(jiān)測驗證法研究了露天爆破振動對臨近建筑的動力響應(yīng)，并提出了相應(yīng)的降振措施。在交通領(lǐng)域，陳德志[22]建立了民房安全性模糊多層次評價模型，來評價高速公路建設(shè)中爆破有害因素對鄰近民房的安全，并提出了控制民房安全性的措施；近年來，隨著交通隧道和地鐵的快速建設(shè)，爆破開挖振動對地表建筑物影響的研究也越來越多[23]。

綜上所述，爆破對周邊建筑物的影響基本上均采取振動跟蹤監(jiān)測的方法來進行全程控制，而對振動影響評價，其核心是爆破影響分區(qū)及評價，并制定合理可行爆破振動控制措施，確保爆區(qū)建筑物安全。

白鶴灘水電站裝機容量16 000 MW，建成后將僅次于三峽水電站成為我國第二大水電站，壩址區(qū)兩岸邊坡谷坡高陡，高程均在800 m以上，自然斜坡高達600 m，左、右岸開挖邊坡均在300 m以上，施工區(qū)均聚集有大量的居民。本文在對白鶴灘壩肩以上邊坡爆破開挖對民房的影響進行長達18個月的跟蹤監(jiān)測的基礎(chǔ)上，結(jié)合國家爆破振動安全控制標準及爆前爆后民房狀態(tài)調(diào)查，劃定了并通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析爆破影響范圍及程度，為合理評價邊坡爆破影響、減少糾紛打下了基礎(chǔ)，并建議了相關(guān)的工程控制措施。

1 工程概況及監(jiān)測方案

1.1 工程概況

白鶴灘水電站位于金沙江下游四川省寧南縣和云南省巧家縣境內(nèi)，屬中山峽谷地貌，地勢北高南低，向東側(cè)傾斜。金沙江該段總體由南向北流，左岸為大涼山山脈東南坡，山峰高程2 600 m，整體上呈向金沙江傾斜的斜坡地形；右岸為藥山山脈西坡，山峰高程3 000 m以上，主要為陡坡與緩坡相間的地形，河谷呈一典型不對稱的“V”字型河谷。右岸壩肩槽邊坡由峨眉山玄武巖第3至第6巖流層構(gòu)成，地層反傾坡內(nèi)偏上游。上覆玄武巖第7至第11巖流層及飛仙關(guān)組砂泥巖。壩址區(qū)兩岸基巖裸露、山體雄厚，巖性主要為峨眉山組P2β2～P2β6的玄武巖，右岸高程920～1 100 m出露P2β7～P2β11，1 100 m以上見飛仙關(guān)組泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及少量細砂巖；玄武巖以隱晶玄武巖、杏仁玄武巖及變玄武質(zhì)角礫熔巖為主，巖性堅硬，部分巖性段內(nèi)柱狀節(jié)理發(fā)育。

施工區(qū)分布有大量的居民，尤其是上紅巖和延吉溝，開挖區(qū)附近有自然形成的村莊(大部分在征地紅線以外)，開挖爆破可能對居民的房屋及其他生產(chǎn)生活基礎(chǔ)設(shè)施等造成不利影響?？傮w來講，右岸壩肩及以上邊坡巖性較為均勻，坡表覆蓋層較淺。該水電站壩肩邊坡開挖典型爆破設(shè)計參數(shù)，如表1所示。

表1 典型爆破參數(shù)表

1.2 監(jiān)測方案

白鶴灘水電站右岸壩肩邊坡的民房數(shù)量較多，現(xiàn)以民房分布較為集中的右岸壩肩以上邊坡上紅巖開挖區(qū)為例，介紹實測爆破振動特征。右岸壩肩上紅巖開挖區(qū)緊鄰民房(最近處約15 m)，因而爆破振動和噪聲的影響較為突出，征地紅線外的民房為重點監(jiān)測對象。以開挖區(qū)中心為圓心，初步選擇爆心距100 m、150 m和200 m三個距離層次的民房進行重點跟蹤監(jiān)測。

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)[24]，監(jiān)測物理量為爆破質(zhì)點振動速度和地震波主頻，監(jiān)測時段為整個右岸邊坡的開挖施工期。隨著開挖的推進，監(jiān)測點的爆心距也隨之增大。

由于民房數(shù)量較多，無法對每一處房屋進行監(jiān)測，只能選取典型房屋，進行重點長期監(jiān)測，在上紅巖選取典型測點位置7處，如圖1所示。

圖1 典型民房測點布置圖

典型測點的選取需綜合考慮以下幾點原則：

(1)根據(jù)爆區(qū)位置和征地紅線，所選民房測點在空間距離上有層次性，保證距離爆源200 m以內(nèi)、200～300 m范圍、300～400 m范圍以及400 m以外均有測點分布；

(2)根據(jù)房屋結(jié)構(gòu)標準，所選民房測點要包含土坯房、磚瓦房；所選測點，要征得村民小組同意，并認為所選測點能夠代表對整個民房的監(jiān)測結(jié)果；

(3)對每次爆破振動的監(jiān)測，在同一爆心距處，測點應(yīng)包含各類型的房屋(土坯房、磚瓦房)；

(4)根據(jù)民房調(diào)查結(jié)果，房屋裂紋擴大，石膏橋有斷裂的房屋，作為重點監(jiān)測測點。

2 振動破壞機理及安全控制標準

振動是爆破的首要公害。爆破振動作用下，建筑物動力響應(yīng)的程度取決于如下因素[25-26]：爆破振動的類型和大小，振動脈沖，入射波的頻率，建筑物的結(jié)構(gòu)特征，能量的傳播等。針對特定情況需要具體分析爆炸效應(yīng)下建筑物的振動特性，制定相應(yīng)的安全控制標準和采取合理的監(jiān)測手段來保證建筑物的安全[27]。

2.1 爆破振動破壞機理

在炸藥起爆后，一部分釋放的爆炸能轉(zhuǎn)換為波能并以P波、S波和表面R波的型式向各個方向傳播。從爆源射出的P波、S波在一定距離處形成R波，其沿二維自由表面擴展，在距波源較遠處，其摧毀力比沿空間各方向擴展的P波和S波大得多。而且由于它的質(zhì)點以橢圓軌跡運動并且沿著地表傳播，從而對建筑物的損害最大[28]。而表面質(zhì)點振動速度可認為是直接與位于爆區(qū)附近的建筑物損傷大小相關(guān)的參數(shù)，工程實踐表明，建(構(gòu))筑物因爆破振動而造成的破壞與質(zhì)點峰值振動速度具有良好的相關(guān)性，因此國內(nèi)外普遍以質(zhì)點峰值振動速度作為爆破振動控制的判據(jù)。

在監(jiān)測房屋距離爆源至少在100 m(或者房屋長度的20倍距離)以外，可以近似認為振動應(yīng)力波造成的房屋擾動效應(yīng)符合一維應(yīng)力波理論，如圖2所示。因此，在R波的波陣面上有

σ=ρCRV

(1)

式中：σ為應(yīng)力，Pa；ρ、CR分別為應(yīng)力波傳播場地的平均密度，kg/m3和平均面波波速，m/s；V為質(zhì)點峰值振動速度(在一定距離以外可認為是由面波誘發(fā))，m/s。

圖2 爆炸應(yīng)力波傳播示意圖

在給定地面保護對象基礎(chǔ)的動抗拉強度[σt]條件下，易得

(2)

可見，如果已知房屋磚墻或基礎(chǔ)的動抗拉強度[σt]，那么理論上就可由式(2)即可估算出房屋基礎(chǔ)的允許爆破質(zhì)點峰值振動速度閾值[V]。

巖體的縱波速度、橫波速度與其動態(tài)彈性模量E和動態(tài)泊松比μ存在如下關(guān)系

(3)

(4)

通過式(3)和(4)可以得到

(5)

R波的波速與頻率無關(guān)，只與介質(zhì)的彈性常數(shù)有關(guān)，可用式(6)大致計算

CR≈0.9CS

(6)

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，白鶴灘水電站壩肩邊坡上分布的民房多以土坯房為主，一般寬約7～10 m，單層高度5 m左右，兩層磚房高約8～9 m，建成時間一般在10～15年以上(如圖3所示)；間雜少量磚房，一般為磚混結(jié)構(gòu)，未經(jīng)嚴格的地基處理，所以抗震能力較差。

(a)土坯房(b)磚房

圖3 壩肩邊坡上分布的典型民房

Fig.3 Typical residences above the right abutment slope

若假設(shè)μ=0.23，取泥質(zhì)地基的抗拉強度為一般巖體抗拉強度的1/10～1/20(0.05～0.1 MPa)，應(yīng)力波傳播場地的平均密度2 500 kg/m3，表層巖體的縱波波速取為3 000～3 500 m/s，由式(1)～(6)估算，土坯房地基的允許振速為1.17～2.35 cm/s。

2.2 爆破振動安全控制標準

我國的《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)明確指出，評價爆破對不同類型建(構(gòu))筑物、設(shè)施設(shè)備和其他保護對象的振動影響，應(yīng)采用不同的安全判據(jù)和允許標準。美國、歐洲、印度、澳大利亞等國也均根據(jù)各自國內(nèi)的實際情況，制訂了相應(yīng)的控制標準[29-32]。

當一個振動脈沖傳播經(jīng)過建筑物時，應(yīng)力波的能量傳入建筑物內(nèi)，使之在輸入脈沖的振動頻率段內(nèi)產(chǎn)生受迫振動。當振動脈沖完全經(jīng)過建筑物后，建筑物將以其自振頻率進行自由振動。建筑物的自振頻率可采用其自振波形得到，Newmark和Hall(1982)建議了如下所示的簡單公式來估算結(jié)構(gòu)的自振頻率[33]

(7)

式中：L為建筑物的寬度；h為建筑物的高度。

據(jù)式(7)可估算其自振頻率約在20～40 Hz之間。將幾個為工程界廣泛接受標準繪于圖4中，可以發(fā)現(xiàn)，除美國在高頻段(>40 Hz)時的標準稍高(5 cm/s)外，其它各國的標準相差不大，而我國標準中土坯房和毛石房屋的振動安全控制標準最嚴，均低于各國標準的下限。由于白鶴灘邊坡分布的民居建筑質(zhì)量較差，且自振頻率較低(20～40 Hz之間)，因此，在振動跟蹤監(jiān)測過程中采用較為嚴格的控制標準來進行數(shù)據(jù)分析和處理，如表2所示。

圖4 各國爆破振動安全標準對比

序號房屋類型質(zhì)點峰值振動速度建議值/(cm·s-1)DF≤10Hz10Hz50Hz1土坯房0.15～0.450.45～0.900.90～1.102毛石房、磚房0.45～0.900.90～1.501.50～2.00

3 爆破影響評價

3.1 質(zhì)點峰值振動速度分布

針對白鶴灘水電站右岸上紅巖區(qū)域壩肩及壩肩以上邊坡開挖爆破振動對周圍民房的影響進行了92次監(jiān)測，獲得有效的建筑基礎(chǔ)的振動監(jiān)測數(shù)據(jù)326點次(每點次3個方向)。監(jiān)測儀器采用由四川拓普測控科技有限公司生產(chǎn)的智能野外測試設(shè)備NUBOX-6016爆破測振儀，測試精度為0.001 cm/s，振動幅值測試范圍為0～150 cm/s，數(shù)字信號采用頻率為5 000 Hz，所用三向振動傳感器頻響范圍為1～1 000 Hz。結(jié)合2.2節(jié)中確定的爆破振動安全控制標準，對距離爆源不同距離范圍內(nèi)的不同主頻的實測峰值振動速度按低于允許標準下限、允許標準閾值范圍、高于允許標準上限三個區(qū)間進行了統(tǒng)計。

在開挖初期(爆心距小于200 m)，由于爆區(qū)距民房較近，單響藥量的控制更為嚴格，超標比例反而較爆心距200～400 m的少，因而振動峰值的衰減變化不僅與爆心距有關(guān)，還和單響藥量相關(guān)，可采用比例距離D來綜合反映爆心距和單響藥量對振動峰值的影響。爆破地震波衰減與爆源參數(shù)和場地條件有關(guān)，目前國內(nèi)普遍采用薩道夫斯基公式預(yù)測爆破地震波衰減規(guī)律

(8)

式中：v為峰值質(zhì)點振動速度，cm/s；Q為單響藥量，kg；r為爆心距，m；D為比例距離，m/kg1/3；K、α是與爆破方法、場地條件相關(guān)系數(shù)，與爆破方式、裝藥結(jié)構(gòu)、爆破點至計算點間的地形、地質(zhì)條件密切相關(guān)。

由于預(yù)裂孔爆破誘發(fā)的振動響應(yīng)大于主爆孔爆破(具體分析見本文4.2節(jié))，故采用預(yù)裂孔的單響藥量(18.0～30.0 kg)來計算各次爆破下的比例距離D，利用式(8)來回歸分析不同主頻范圍下的爆破地震波衰減規(guī)律(主頻大于50 Hz時，振速均小于允許值，不進行回歸分析)，圖5為不同主頻段建筑基礎(chǔ)的振動峰值與比例距離的統(tǒng)計分布結(jié)果。

(a)主頻小于10 Hz的爆破振動峰值與比例距離的統(tǒng)計分布

(b)主頻介于10～50 Hz的爆破振動峰值與比例距離統(tǒng)計分布

(c)主頻大于50 Hz的爆破振動峰值與比例距離的統(tǒng)計分布

圖5 爆破振動峰值與比例距離的統(tǒng)計分布

Fig.5 Statistical distribution of PPV and scaled distance

各主頻范圍下爆破振動衰減規(guī)律如表3所示。

表3 各頻率范圍下爆破振動衰減規(guī)律

如圖5所示，各振動衰減回歸擬合曲線與允許振速閾值相交，分別計算出各交點所對應(yīng)的比例距離，如表4所示。

表4 各允許振速閾值對應(yīng)的比例距離D

從圖5(a)主頻小于10 Hz的數(shù)據(jù)統(tǒng)計中可以得到，超過相應(yīng)的標準閾值0.45 cm/s的數(shù)據(jù)點集中在比例距離小于90 m/kg1/3區(qū)域，在比例距離90～150 m/kg1/3內(nèi)也有少量分布；從圖5(b)主頻介于10～50 Hz的數(shù)據(jù)統(tǒng)計中可得，超過相應(yīng)的標準閾值0.90 cm/s的數(shù)據(jù)點和達到相應(yīng)的標準閾值0.45～0.90 cm/s的數(shù)據(jù)點集中在比例距離小于90 m/kg1/3區(qū)域；從圖5(c)主頻大于50 Hz的數(shù)據(jù)統(tǒng)計中可以得到，所有數(shù)據(jù)點都低于相應(yīng)的標準閾值0.90 cm/s。表4中各允許振速閾值對應(yīng)的比例距離可作為振速統(tǒng)計的依據(jù)，0.15 cm/s閾值線對應(yīng)的最大比例距離為156.0 m/kg1/3，0.45 cm/s閾值線對應(yīng)的最大比例距離為82.5 m/kg1/3。

結(jié)合圖5和表4分析，確定兩個臨界比例距離來定量分析爆破振動對民房的影響程度，分別取D1=90 m/kg1/3，D2=150 m/kg1/3。為進一步分析和評價各頻率下的振動超標水平，統(tǒng)計了各個比例距離處不同頻率下質(zhì)點峰值振動速度的測點百分比，如表5所示。

由表5可知：從總體上看，大部分測點的頻率低于50 Hz。在比例距離小于90 m/kg1/3范圍內(nèi)，30.1%的測點振動峰值低于允許標準下限，52.8%的測點振動峰值介于允許標準下限和允許標準上限之間，17.1%的測點振動峰值高于允許標準上限，該區(qū)域內(nèi)的建筑物會受到較大影響；在比例距離90～150 m/kg1/3范圍內(nèi)，允許標準閾值范圍內(nèi)和高于允許標準上限的測點比例都較比例距離小于90 m/kg1/3范圍的有較大減少(介于允許標準閾值范圍內(nèi)的測點比例減少15.5%，高于允許標準上限的測點比例減少14.3%)，爆破振動對該區(qū)域內(nèi)的建筑物的影響有較大減??；在比例距離大于150 m/kg1/3范圍內(nèi)，只有8.8%的測點振動峰值介于允許標準閾值范圍內(nèi)，而且不存在測點高于允許標準上限，爆破振動對民房的影響顯著降低。

表5 右岸壩肩上紅巖爆破振動統(tǒng)計表

3.2 爆破影響分區(qū)

爆破振動對地表建筑物的損傷主要是由于建筑物對振動的響應(yīng)或者結(jié)構(gòu)各部分的差異響應(yīng)造成表面裂縫擴展。所有的建筑物或房屋都會因地面沉降和濕度、溫度和風(fēng)速的周期性變化等自然因素而產(chǎn)生裂縫。眾所周知，土壤水分的變化會使基礎(chǔ)開裂，裂縫的寬度也會有季節(jié)性或日常性的變化。裂縫的數(shù)量會隨著建筑物的使用年限的增長而持續(xù)增加，這與爆破振動的影響無關(guān)。因此，為準確分析由爆破振動造成的損傷，必須要在爆破振動跟蹤監(jiān)測的基礎(chǔ)上，結(jié)合爆破前、后對臨近建筑物仔細調(diào)查進行判斷。

爆破振動監(jiān)測在地表進行，但由于振動在民房建筑的上部具有放大效應(yīng)(即上部的振動會大于地表的振動)，所以需要對此放大效應(yīng)進行分析。如圖6所示，房屋結(jié)構(gòu)可簡化為剛架結(jié)構(gòu)，由爆破振動導(dǎo)致的全部民房結(jié)構(gòu)的損傷直接與屋頂和地板之間的墻體發(fā)生面內(nèi)扭曲變形相關(guān)，這一變形通常用墻體剪切應(yīng)變γ表示，當主拉應(yīng)變大于墻體材料的抗拉強度時，墻體將發(fā)生破裂。

圖6 墻體面內(nèi)剪切變形示意圖

(9)

(10)

(11)

式中：Vg為地表振速峰值；λ為振速放大系數(shù)；f為結(jié)構(gòu)自振主頻；H為地板與屋頂之間的距離。

墻體全部的主拉應(yīng)變ε可用如下固體力學(xué)法則進行簡單估算

ε=0.5γ

(12)

白鶴灘房屋的建筑質(zhì)量較差，同時考慮到房屋自重在墻體內(nèi)產(chǎn)生微應(yīng)變，可取振速放大系數(shù)λ為4；根據(jù)Gad和Wilson的現(xiàn)場監(jiān)測，土坯房和毛坯房的開裂微應(yīng)變閾值可取為100個微應(yīng)變。不同地表振速峰值對墻體主拉應(yīng)變ε的計算結(jié)果如表6所示。

表6 不同地表振速峰值引起的墻體主拉應(yīng)變ε

由表6可知，在30 Hz的自振頻率基礎(chǔ)上，可求得引起白鶴灘民房開裂的地表振動峰值為1.0～2.5 cm/s，該值與基于一維應(yīng)力波理論所得到的房屋基礎(chǔ)開裂閾值(1.17～2.35 cm/s)相近，并未明顯大于爆破振動控制標準規(guī)定的閾值，但是后者未考慮振動頻率對房屋結(jié)構(gòu)的影響，而每次爆破產(chǎn)生的振動都不盡相同，所以對民房建筑的結(jié)構(gòu)進行爆破振動影響跟蹤監(jiān)測是十分必要的。

白鶴灘水電站右岸邊坡爆破施工正式開始前，對重點監(jiān)測民房采用拍照、裂縫量測(如圖7(a)所示)、“石膏橋”(如圖7(b)所示)等宏觀調(diào)查方法，以便在開挖過程中對民房進行動態(tài)監(jiān)測及對比。

裂縫監(jiān)測內(nèi)容主要包括裂縫的位置、形態(tài)、分布特征、寬度、長度、深度、走向、裂縫發(fā)生及開展的時間過程、是否有進一步擴展而影響民房使用等，可以通過觀測石膏橋是否斷裂來判斷爆破是否會引起房屋裂縫擴展。

(a)裂紋寬度量測(b)石膏橋

圖7 裂縫調(diào)查方法

Fig.7 Investigation methods of crack

距離爆源最近的房屋建筑在300 m范圍內(nèi)(比例距離小于100 m/kg1/3)，這一區(qū)域的測點數(shù)據(jù)超標比例較大，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，爆破振動達到允許標準閾值范圍的測點占45.1%，高于允許標準上限的測點振動峰值占12.2%，并且這一區(qū)域的房屋普遍有一定程度的受損。調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)某些測點房屋有裂紋擴展，裂縫上做的石膏橋出現(xiàn)斷裂，磚瓦房的屋面有裂紋出現(xiàn)，土坯墻有掉泥塊現(xiàn)象，如圖8所示。

(a)裂紋擴展(b)墻面泥塊掉落

圖8 房屋破壞現(xiàn)象

Fig.8 The damages of residential structures

結(jié)合不同比例距離范圍內(nèi)的測點振動峰值分布和實際民房損傷的調(diào)查結(jié)果，通過分析，將爆破振動對民房的影響范圍進行分類，如表7所示。

表7 爆破振動對民房的影響范圍分類表

3.3 不同類型房屋的振動響應(yīng)

對于不同類型的房屋，其對爆破振動的響應(yīng)也存在一定的差異，主要體現(xiàn)在抗震能力的不同上。表8統(tǒng)計了不同主頻段的爆破振動對土坯房和磚瓦房的破壞特征。

從表8可知，對于同一類型的房屋，實測振速超過表2建議的振動建議標準時，房屋的破壞較嚴重，且振速超標越多，破壞程度越重；振速在振動建議標準以內(nèi)時，房屋基本不發(fā)生破壞，只有少量石膏橋斷裂；振速超出振動建議標準時，主頻段較小的振動對房屋的破壞大于主頻段較大的，例如對于磚瓦房，主頻<10 Hz的破壞程度大于主頻10～50 Hz。對于同一主頻段的振動，在相同振速下，土坯房和磚瓦房的破壞特征不同，土坯房的破壞程度大于磚瓦房，例如主頻<10 Hz，振速為0.45～0.8 cm/s時，土坯房的破壞特征表現(xiàn)為石膏橋斷裂，墻體產(chǎn)生裂紋，既有裂紋擴展變寬，墻面掉塊，部分土坯墻發(fā)生倒塌；而磚瓦房無明顯破壞。

4 振動影響控制及討論

白鶴灘水電站右岸壩肩以上邊坡開挖對周邊民房的影響監(jiān)測歷時長、爆源多、地形地貌及地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，爆破振動控制難度較大。

表8 不同類型房屋的振動響應(yīng)及破壞特征

4.1 控制爆破振動能量

對于大規(guī)模的邊坡露天爆破開挖，爆破持續(xù)的時間越長，振動的破壞也就越大。爆破誘發(fā)振動的持續(xù)時間越長，則爆破振動的能量越大；同時，振動的持續(xù)時間越長，也越容易造成結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。對比爆破誘發(fā)的振動和地震誘發(fā)的振動，可以發(fā)現(xiàn)，當其振動峰值速度和頻率都相當時，地震誘發(fā)的振動產(chǎn)生危害比爆破誘發(fā)的振動的危害要大得多；從振動波形上來看，地震誘發(fā)的振動和爆破誘發(fā)的振動，其最大的區(qū)別就是前者的振動持續(xù)時間要大得多。

以下將從爆破振動能量的角度對爆破規(guī)模進行討論。主頻和振動峰值速度反映了爆破振動波的能量大小和傳播速度，而對建筑物的破壞起主導(dǎo)作用的為爆炸地震波輸送到建筑物的能量。這種能量通過建筑物的運動表現(xiàn)為振幅與頻率，并通過振幅與頻率相結(jié)合造成的加速度表現(xiàn)為推動建筑物的力或以運動速度為定義的動能本身。Rockwell[34]于1927年首先提出這一點，后來Crandell[35]利用這種關(guān)系以定義“能量比值(ER)”

(13)

其中a與f分別為受振物體的加速度與頻率，又有

amax=(4π2)(f2A)

(14)

v=2π(fA)

(15)

將式(14)代入式(13)中，得到

ER∝f2A2

(16)

將式(15)代入式(16)中，得到

ER∝v2

(17)

利用上述關(guān)系，我們對監(jiān)測中出現(xiàn)的實例，包括振速超標、房屋受損，個別方向振速超標、房屋受損，振速未超標、房屋未受損等情況進行了分析。為方便測點能量的比較分析，應(yīng)選取出不同主頻段振動的參照動能點，測點各向振動速度略高于振動控制臨界閾值，而且房屋結(jié)構(gòu)發(fā)生損壞。以主頻段10～50 Hz為例，選取20130316-23#測點(滿足動能參照點選取要求)水平徑向的動能為參考值1.00來計算其余能量比值，結(jié)果如表9所示。

動能由于綜合體現(xiàn)了振動速度和頻率的關(guān)系，可以較為直觀地反映建筑物破壞的內(nèi)在原因。由表9可知，20130316-23#測點與20130417-20#測點的能量都較高，所以導(dǎo)致了房屋受損，而20130818-13#測點振速未超標，房屋未受損，這說明前文中的爆破振動控制標準是合理的。

在監(jiān)測區(qū)域，普遍采用了毫秒延時起爆技術(shù)。當爆破規(guī)模較小時，起爆網(wǎng)絡(luò)總的延時時間一般較小，爆

表9 典型測點能量分析

破誘發(fā)的振動的持續(xù)時間就短；反之，當爆破規(guī)模較大時，起爆網(wǎng)絡(luò)總的延時時間一般較大，爆破誘發(fā)的振動的持續(xù)時間就長。在監(jiān)測區(qū)域，由于爆源眾多，且各不一致，爆破誘發(fā)振動的持續(xù)時間各不相同；然而，現(xiàn)行的國家規(guī)范中并沒有考慮到持續(xù)時間這一參數(shù)，因此在監(jiān)測中會出現(xiàn)峰值速度相當?shù)膬纱握駝?，民用建筑物對其響?yīng)程度不一樣的現(xiàn)象。

4.2 適當增大預(yù)裂爆破線密度

邊坡爆破開挖之所以采用預(yù)裂爆破技術(shù)，就是因為預(yù)裂孔爆破在主爆孔起爆前起爆，會在主爆區(qū)和保護區(qū)之間形成一條具有一定深度和寬度的預(yù)裂縫，以阻擋主爆孔和緩沖孔爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波向保留巖體傳播，而且主爆孔的裝藥一般較預(yù)裂孔大很多，如果預(yù)裂爆破的效果沒法保證，那么主爆孔爆破誘發(fā)的振動便會大量傳入保留巖體，從而傳遞給周圍建筑物，此振動遠大于預(yù)裂孔爆破產(chǎn)生的振動，對建筑物的損害較大，因此必須在控制開挖邊坡質(zhì)量的基礎(chǔ)上，適當增大預(yù)裂爆破線密度，以保證預(yù)裂爆破效果。

通過對右岸上紅巖施工區(qū)爆破振動為期一年半的實測振動數(shù)據(jù)進行分析，得到爆破振動峰值與爆心距的統(tǒng)計關(guān)系。施工現(xiàn)場常用的單響藥量為預(yù)裂爆破18.0～30.0 kg，主爆孔爆破54.0～90.0 kg，結(jié)合現(xiàn)場情況，選取了小藥量、中等藥量、大藥量(分別對應(yīng)三種不同的線密度)等三種參數(shù)組合，如表10所示。

表10 預(yù)裂爆破和主爆孔爆破藥量組合

分別分析和對比不同藥量下在爆心距100 m、200 m、300 m和400 m處預(yù)裂爆破與主爆孔爆破誘發(fā)水平徑向振速峰值的平均值，如圖9所示。從圖9中可以看到，在相同爆心距處，水平徑向預(yù)裂爆破和主爆孔爆破誘發(fā)的振動峰值速度隨藥量參數(shù)的增大而增大。在同一藥量組合情況下，水平徑向預(yù)裂爆破和主爆孔爆破誘發(fā)的振動峰值速度隨爆心距的增大而減小，對比水平徑向預(yù)裂爆破和主爆孔爆破誘發(fā)的振速，在上述各個爆心距條件下，主爆孔爆破誘發(fā)的振動的均值均要小于預(yù)裂爆破。

圖9 不同藥量情況下預(yù)裂爆破與主爆孔爆破誘發(fā)的振速比較

Fig.9 The comparison between the PPV which is induced by pre-splitting holes detonation and that by main blast holes detonation in different charge groups

上述規(guī)律與一般認識相符，對于同一起爆方法，單響藥量越大，相同爆心距處的振動峰值越大；由于預(yù)裂爆破抵抗線較大，夾制作用較強，故誘發(fā)振動較大。適當增大預(yù)裂爆破的線密度，可增大預(yù)裂縫寬度，提高預(yù)裂爆破的隔震作用；在主爆孔起爆前，預(yù)裂縫已經(jīng)形成，由于預(yù)裂縫的隔振作用，雖然主爆孔爆破單響藥量較大，誘發(fā)的振動反而要?。粓D10為典型測點三向振動波形圖，由圖可知主爆孔爆破誘發(fā)的振動要小于預(yù)裂孔的。此外，相關(guān)研究[36-37]也表明預(yù)裂孔爆破產(chǎn)生的預(yù)裂縫有很好的隔振效果。主爆孔爆破誘發(fā)的地震波透過預(yù)裂縫時，預(yù)裂縫能起到一定的濾波作用，地震波高頻成分減少，頻譜區(qū)間減小，衰減更加穩(wěn)定。因此對于控制開挖爆破對周邊民用建筑物的影響而言，預(yù)裂爆破誘發(fā)的振動是更為關(guān)鍵的因素，相比于控制主爆孔單響藥量，預(yù)裂孔的單響藥量控制應(yīng)更為嚴格。

5 結(jié) 論

針對白鶴灘水電站右岸壩肩以上邊坡的爆破開挖，對周圍民房進行為期一年半的監(jiān)測，采集了大量的數(shù)據(jù)。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果，對爆破振動對民房的影響范圍進行了分類和分析，得到了如下結(jié)論：

(1)通過對房屋結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場勘測分析，并研究了房屋建筑的爆破振動破壞機理，結(jié)合比較國內(nèi)外爆破振動控制標準，推薦了適合白鶴灘水電站壩肩邊坡爆破對周邊民房影響的爆破振動安全控制標準。

圖10 典型測點三向振動波形

(2)通過對振動能量的分析，振動速度和頻率可以較為直觀地反映建筑物破壞的內(nèi)在原因，結(jié)合爆破振動跟蹤監(jiān)測及地基開裂、墻體開裂的理論校核，將爆破振動對民房的影響范圍進行分類：將比例距離小于90 m/kg1/3的范圍定義為嚴重影響區(qū)，而90～150 m/kg1/3的范圍定義為一般影響區(qū)，大于150 m/kg1/3的范圍定義為輕微影響區(qū)。此影響分區(qū)方法已在白鶴灘水電站壩肩邊坡爆破開挖工程中成功應(yīng)用，對類似的爆破開挖工程具有一定參考意義。

(3)本文建議的標準，雖然較國標《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)中規(guī)定的土坯房的安全控制標準更為嚴格，但從控制爆破開挖對周圍的環(huán)境影響及減少民事糾紛的角度，采用此偏于保守的安全控制標準是合適的。

(4)預(yù)裂爆破開挖中預(yù)裂孔爆炸所誘發(fā)的振動大于主爆孔爆炸所誘發(fā)的振動，在保證邊坡開挖質(zhì)量的基礎(chǔ)上，適當增大預(yù)裂爆破線密度，但需同時更為嚴格控制預(yù)裂孔的最大單響藥量。

[1] DOWDING C H. Blast vibration monitoring and control: A thirty year perspective[C]//37th US Symposium on Rock Mechanics. Taylor & Francis US, 1999, 1: 45.

[2] YAN G, CHEN C, GUO J. Study of blasting vibration safety security criterion method based on response spectrum[J]. Procedia Engineering, 2010(7): 247-250.

[3] MA J, LUAN L F, LI X H, et al. Monitoring and analysis of historic building vibration influenced by blasting in complex urban environment[J].Applied Mechanics and Materials. 2013, 423: 1558-1562.

[4] KAHRIMAN A, TUNCER G. Prediction of ground vibration produced from bench blasting[C]//Proceedings of the annual conference on explosives and blasting technique. International Society of Explosives Engineers, 1999, 1: 379-386.

[5] SISKIND D E, STAGG M. Vibration and structure response from Dade County quarry blasting[C]//Proceedings of the annual conference on explosives and blasting Technique. International Society of Explosives Engineers, 2001, 2: 185-198.

[6] SAXENA D, MURATI F. Rock characterization, blasting, and vibration control program in Southwest Florida[C]//Proceedings of the annual conference on explosives and blasting Technique. International Society of Explosives Engineers, 2002, 1: 209-218.

[7] SINGH P K, ROY M P. Damage to surface structures due to blast vibration[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2010, 47(6): 949-961.

[8] NATEGHI R. Evaluation of blast induced ground vibration for minimizing negative effects on surrounding structures[J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2012, 43: 133-138.

[9] 田運生，田會禮，于亞倫，等. 爆破地震波作用下民房破壞分析和破壞特征[J]. 爆破，2005, 22(1): 96-98.

TIAN Yunsheng, TIAN Huili, YU Yalun, et al. Damage characteristics and damage analysis of residential house caused by blasting vibration wave[J]. Blasting, 2005, 22(1): 96-98.

[10] 苗勝坤，趙峰. 三峽工程建 (構(gòu)) 筑物附近的控制爆破技術(shù)[J]. 人民長江, 2001, 32(10): 27-28.

MIAO Shengkun, ZHAO Feng. Controlling blasting technology near the structures of Three Gorges Hydroelectric Power Station[J]. Yangtze River, 2001, 32(10): 27-28.

[11] 張文煊，劉美山. 大型水電站圍堰及巖坎爆破拆除中的安全防護問題研究[J]. 工程爆破, 2009, 14(4): 76-81.

ZHANG Wenxuan, LIU Meishan. Research on safety protection problems in blasting demolition of cofferdam and rock ridge of large hydropower station[J]. Engineering Blasting, 2009, 14(4): 76-81.

[12] 胥元順. 溪洛渡水電站邊坡開挖爆破安全控制標準研究[D]. 西安：西安理工大學(xué), 2007.

[13] 王文輝，錢喜平，吳新霞. 向家壩水電站大規(guī)模石方爆破振動效應(yīng)安全監(jiān)控[C]. 中國爆破新技術(shù)Ⅲ, 2012.

[14] 張正宇，張文煊，吳新霞，等. 現(xiàn)代水利水電工程爆破[M]. 北京：中國水利水電出版社，2003.

[15] 吳新霞，任賢斌，王文輝. 采石場周邊民房爆破振動破壞范圍的鑒定方法[J]. 爆破, 2009, 26(4): 93-95.

WU Xinxia, REN Xianbin, WANG Wenhui. The identifying method of the blasting vibration destruction scope on the resident houses about the quarry[J]. Blasting, 2009, 26(4): 93-95.

[16] 李新平，陳俊樺，李友華，等. 溪洛渡電站地下洞室群爆破地震效應(yīng)的研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2010, 29(3):493-501.

LI Xinping, CHEN Junhua, LI Youhua, et al. Study of blasting seismic effects of underground chamber group in Xiluodu hydropower station[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2010, 29(3): 493-501.

[17] 唐海，李海波，王斌. 嶺澳核電站采石爆破振動分析[J]. 礦業(yè)工程研究, 2009, 24(2): 58-62.

TANG Hai, LI Haibo, WANG bin. An analysis of vibration effect by blasting in exploiting stone at quarry in Ling’ao nuclear power station[J]. Mineral Engineering Research, 2009, 24(2): 58-62.

[18] 董隴軍，李夕兵，趙國彥，等. 露天采礦爆破振動對砌體結(jié)構(gòu)破壞效應(yīng)預(yù)測的Fisher判別模型及應(yīng)用[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2009, 28(4): 750-756.

DONG Longjun, LI Xibing, ZHAO Guoyan, et al. Fisher discriminant analysis model and its application to predicting destructive effect of masonry structure under blasting vibration of open-pit mine[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009, 28(4): 750-756.

[19] 邢東升. 露天采場爆破震動的監(jiān)測與控制[D]. 長沙：中南大學(xué), 2004.

[20] 史秀志，周健，杜坤，等. 爆破振動對民房破壞效應(yīng)預(yù)測的BDA模型及應(yīng)用[J]. 振動與沖擊, 2010, 29(7):60-65.

SHI Xiuzhi, ZHOU Jian, DU Kun, et al. BDA model for predicting destructive effect of blast vibration on housing[J]. Journal of Vibration and Shock, 2010, 29(7):60-65.

[21] 謝承煜，羅周全，賈楠，等. 露天爆破振動對臨近建筑的動力響應(yīng)及降振措施研究[J]. 振動與沖擊, 2013, 32(13):187-193.

XIE Chengyu, LUO Zhouquan, JIA Nan, et al. Dynamic effects of open blasting vibration on adjacent buildings and measures for vibration reduction[J]. Journal of Vibration and Shock, 2013, 32(13):187-193.

[22] 陳德志. 高速公路建設(shè)中爆破有害因素對民房影響的控制及安全評價[D]. 武漢：武漢理工大學(xué), 2002.

[23] WANG H L, GAO T W. Influences of tunnel excavation blasting vibration on surface high-rise building[C]//Advanced Materials Research, 2011, 163: 2613-2617.

[24] 中國工程爆破協(xié)會. 爆破安全規(guī)程：GB6722—2014[S]. 北京：中國標準出版社，2014.

[25] MA G W, HAO H, ZHOU Y X. Assessment of structure damage to Blasting induced ground motions[J]. Engineering structures. 2000, 16(22): 1378-1389.

[26] 李洪濤，舒大強，盧文波，等. 建筑物對爆破振動中不同頻率能量成分的響應(yīng)特征[J]. 振動與沖擊, 2010, 29(2):154-158.

LI Hongtao, SHU Daqiang, LU Wenbo, et al. Response characteristics of a structure to different frequency components in blasting vibration energy[J]. Journal of Vibration and Shock, 2010, 29(2):154-158.

[27] 羅憶，盧文波，陳明，等. 爆破振動安全判據(jù)研究綜述[J]. 爆破, 2010, 27(1): 14-22.

LUO Yi, LU Wenbo, CHEN Ming, et al. View of research on safety criterion of blasting vibration[J]. Blasting, 2010, 27(1): 14-22.

[28] GAD E F, WILSON J L, MOORE A J, Richards A B. Effects of mine blasting on residential structures[J]. Journal of Performance of Constructed Facilities, 2005, 19(3): 222-228.

[29] SISKIND D E, STAGG M S, KOPP J W, et al. Structure response and damage produced by ground vibration from surface mine blasting[R]. U.S. Bureau of Mines, Twin Cities, MN (USA). Twin Cities Research Center; Northwestern University, Evanston, IL (USA), 1980.

[30] DHAR B B, PALROY P, SINGH R B. Optimum blasting for Indian geomining conditions-suggestive standard and guidelines[M]. CMRI Publication, India, 1993.

[31] JUST G D, CHITOMBO G P. The economic and operational implications of blast vibration limit[J].Mining & Environment, The, 1987, 2001: 117-124.

[32] German Institute for Standardization. DIN 4150-3 Structural vibration-Effects of vibration on structures[S]. Berlin: Beuth Verlag GmbH, 1999.

[33] NEWMARK N M, HALL W J. Earthquake spectra and design[M]. Berkeley, CA: Earthquake Engineering Research Institute, USA, 1982.

[34] ROCKWELL E H. Vibrations caused by blasting and their effect on structures[M]. EI du Pont de Nemours & Company, Explosives Department, 1933.

[35] CRANDELL F J. Ground vibration due to blasting and its effect upon structures[M]. Boston Society of Civil Engineers, 1949.

[36] 唐海，李海波，周青春，等. 預(yù)裂爆破震動效應(yīng)試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2010, 29(11): 2277-2285.

TANG Hai, LI Haibo, ZHOU Qingchun, et al. Experimental study of vibration effect of presplit blasting[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2010, 29(11): 2277-2285.

[37] 胡英國，盧文波，陳明. 不同開挖方式下巖石高邊坡?lián)p傷演化過程比較[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2013, 32(6): 1176-1184.

HU Yingguo, LU Wenbo, CHEN Ming, et al. Comparison of damage evolution process of high rock slope excavated by different methods[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2013, 32(6): 1176-1184.