震損高陡邊坡爆破開挖振動監(jiān)測與分析

李 萬 洲，張 雨 游

(中國水利水電第七工程局有限公司 第一分局，四川 彭山 620860)

1 概 述

高陡巖質(zhì)邊坡爆破開挖產(chǎn)生一系列震動效應(yīng)，當(dāng)爆破帶來的動力響應(yīng)超過巖體承受極限時可能會引起巖體沿潛在滑動面失穩(wěn)，而且，隨著爆破開挖梯段不斷推進(jìn)，巖體在多次循環(huán)爆破沖擊荷載的激勵下引起原生結(jié)構(gòu)面不斷弱化，增加了邊坡失穩(wěn)的風(fēng)險。因此，如何在爆破過程中對沖擊荷載引起的振動效應(yīng)進(jìn)行評價，從而不斷優(yōu)化爆破參數(shù)，減少非開挖部分巖體的損傷十分重要。

最常用的評價方法是通過現(xiàn)場振動監(jiān)測、聲波監(jiān)測和數(shù)值模擬確定由爆破引起的質(zhì)點(diǎn)振動速度、加速度、位移以及巖體的波速變化情況，結(jié)合邊坡巖體地質(zhì)特征，探明爆破振動衰減的規(guī)律，確定爆破引起的振動是否合理，是否會導(dǎo)致巖體發(fā)生較大的損傷，從而對爆破參數(shù)進(jìn)行反饋。僅爆破振動監(jiān)測而言，主要是探明爆破振動速率衰減規(guī)律，分析在當(dāng)前爆破參數(shù)下的振動評估和振動安全控制。這些問題在常規(guī)邊坡中均有較好的研究成果，但對于震損邊坡而言，尚未見相關(guān)報導(dǎo)。

根據(jù)紅石巖堰塞湖改建工程右岸“三洞合一”震損高邊坡的實(shí)際情況開展了現(xiàn)場振動監(jiān)測，研究了震損邊坡在爆破作用下巖體的響應(yīng)情況、振動波的衰減規(guī)律，在此基礎(chǔ)上研究并優(yōu)化了所使用的爆破參數(shù)，控制了爆破振動，從而為保證施工安全、優(yōu)化爆破參數(shù)提供了依據(jù)。

2014年魯?shù)椤?.5級”地震誘發(fā)了大量的滑坡，其規(guī)模達(dá)到1 200萬m3，形成了近百米高的堰塞壩，堵塞了牛欄江，庫容近2.3億m3。應(yīng)急處理完成后，堰塞壩后續(xù)的處理成為一個值得深思的問題。根據(jù)紅石巖滑坡堰塞湖物質(zhì)組成、區(qū)域地質(zhì)環(huán)境，經(jīng)過論證后最終采用了“變廢為寶”的處理方案。以加固后的堰塞壩作為擋水建筑物在其右岸形成了一套引水發(fā)電系統(tǒng)，將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，并且成為我國首座將堰塞湖改建成水庫的案例，具有巨大的實(shí)踐和展望意義。

紅石巖堰塞湖改建工程中，“三洞合一”震損高邊坡開挖受到不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響，面臨極大的挑戰(zhàn)。在地震崩滑體的下部開挖“三洞合一”高邊坡，分成7級馬道(實(shí)際為大裂隙，無馬道)，每一級臺階面的高差為20 m，在最底部高程1 210 m處開挖形成平臺。開挖邊坡上部殘留的崩滑體受到地震卸荷損傷作用形成了大量極其發(fā)育的結(jié)構(gòu)面，在外界擾動作用下，巖體非常容易沿著優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面組合滑移。此外，下部開挖邊坡受三組結(jié)構(gòu)面控制，分別為緩傾下游偏山里的層面、順河向陡傾的結(jié)構(gòu)面以及橫河向陡傾的結(jié)構(gòu)面，這三組結(jié)構(gòu)面在魯?shù)榈卣鹱饔孟虏粩嗟財U(kuò)張、貫通，邊坡被切割成很多松動的塊體，存在極大的危險隱患，給邊坡施工的效率和安全帶來了極大的挑戰(zhàn)。因此，必須采取系統(tǒng)的措施避免危巖體失穩(wěn)帶來的影響，其中對爆破振動實(shí)時監(jiān)測、評估爆破振動以及研究爆破振動波的衰減規(guī)律是一項重要的控制措施，并且面對如此脆弱的地質(zhì)環(huán)境，實(shí)施爆破振動的監(jiān)測也是非常必要的。

2 爆破振動監(jiān)測及分析

2.1 爆破振動監(jiān)測過程

“三洞合一”高邊坡高程1 330 m平臺爆破的炸藥總量為600 kg，主要監(jiān)測點(diǎn)布置在高邊坡高程1 350 m馬道內(nèi)外側(cè)、高程1 350～1 360 m上、下通道及危巖塊、下游背坡面、邊坡坡腳、江底、江對岸及位于高處的高程1 760 m平臺等監(jiān)測點(diǎn)。爆破后，對各測點(diǎn)利用TC-4850型便攜式振動測試記錄儀進(jìn)行振動監(jiān)測，獲取監(jiān)測斷面質(zhì)點(diǎn)各個方向的瞬時速度或加速度。

2.2 爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

(1)基于上述監(jiān)測點(diǎn)取得的數(shù)據(jù)，采用前蘇聯(lián)科學(xué)家薩道夫斯基模型，分析了爆破振動速度在震損邊坡下的衰減規(guī)律。該模型見式(1)：

(1)

式中V為質(zhì)點(diǎn)振動速度峰值，cm·s-1；Q為最大單響藥量，kg，本次爆破炸藥最大單響藥量為96 kg；R為監(jiān)測(計算)點(diǎn)到爆源的距離，m；K，α為與爆源至監(jiān)測點(diǎn)間的地形和地質(zhì)條件等有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，可通過實(shí)測數(shù)據(jù)分析計算得出。通過回歸分析，得出此次爆破的兩個系數(shù)，即K= 385.190 4，α= 1.745 5，則本次爆破的峰值質(zhì)點(diǎn)振動速度衰減傳播規(guī)律見式(2)：

(2)

(2)根據(jù)該公式繪制了此次爆破的質(zhì)點(diǎn)振動速度衰減規(guī)律曲線(圖1)。此次爆破造成的振動其各測點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)振動頻率均不超過50 Hz，爆破安全規(guī)程規(guī)定，永久性巖石高邊坡的安全允許質(zhì)點(diǎn)振動速度范圍為8～12 cm/s。計算并繪制出在允許振動速度為8 cm/s和12 cm/s狀況下不同距離的最大單響藥量曲線圖(圖2)。

圖1 爆破的質(zhì)點(diǎn)振動速度規(guī)律曲線

圖2 不同距離的允許單響藥量計算結(jié)果

從圖2中可以看出，按照25 m距離處8 cm/s的允許振速，允許單響藥量值為20 kg；按照25 m距離處12 cm/s的允許振速，允許單響藥量值為40.2 kg?？紤]到此次開挖的情況，最終確定按照25 m距離處12 cm/s的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制，則該工程光面爆破最大允許單響藥量為40.2 kg。在后續(xù)施工過程中，按照此最大允許單響藥量，邊坡各個測點(diǎn)沒有發(fā)生振動速度超限的狀況。

3 結(jié) 語

紅石巖堰塞湖改建工程 “三洞合一”震損高邊坡受魯?shù)榈卣鸬挠绊?，邊坡?jié)理裂隙十分發(fā)育，形成了很多危巖體，施工期間極易在爆破振動的作用下發(fā)生失穩(wěn)。因此，開展爆破振動監(jiān)測、評估及反饋爆破參數(shù)，對保證施工安全和進(jìn)度十分關(guān)鍵。在現(xiàn)場監(jiān)測的基礎(chǔ)上，通過采用薩道夫斯基模型研究并確定了不同單響藥量爆破振動速率的衰減規(guī)律，同時，基于最大允許速率，將最大允許單響藥量從96 kg優(yōu)化至40.2 kg，在后期臺階開挖爆破中保證了爆破振動的安全。