池潭水電站擴建工程爆破對已建大壩安全影響分析

陳念輝，鄭 碩,2，徐德芳

（1.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州，311122；2.國家水電站大壩安全和應(yīng)急工程技術(shù)中心，浙江杭州，311122）

0 引言

爆破被廣泛應(yīng)用于各種巖土工程領(lǐng)域。爆破時，爆炸能將對周圍的建筑產(chǎn)生不利的影響。如何避免這種不利影響是爆破施工的一個重要問題[1-6]。池潭水電站擴建工程引水發(fā)電系統(tǒng)緊鄰池潭水電站大壩、發(fā)電廠房及開關(guān)站，爆破施工可能對運行電站產(chǎn)生不利影響。采用三維動力有限元計算，研究各開挖部位典型爆破振動荷載作用下原大壩及大壩進水口建筑物、廠房、中控室、開關(guān)站、尾水平臺等保護對象的動力響應(yīng)；對擴建工程進水口基坑道路、廠房及尾水出口開挖、引水隧洞等關(guān)鍵爆破部位的爆破振動影響做出評價，得到關(guān)鍵爆破部位的爆破振動衰減特性及關(guān)鍵控制保護對象，為全面分析擴建工程爆破施工對既有建筑物的安全影響評價提供基礎(chǔ)。

1 工程概況

池潭水電站位于福建省西北部泰寧縣境內(nèi)的金溪上，屬梯級電站的龍頭水電站，以發(fā)電為主，兼顧防洪等綜合利用。樞紐建筑物主要包括混凝土寬縫重力壩、壩后溢流廠房、壩內(nèi)輸水系統(tǒng)及泄水底孔、開關(guān)站等，為二等大（2）型工程。水庫正常蓄水位高程275.00 m，水庫調(diào)節(jié)庫容6.26億m3。池潭水電站擴建的水電站位于池潭水庫的左岸，利用池潭大壩擋水發(fā)電。新建樞紐建筑物主要包括輸水系統(tǒng)、地面廠房及升壓開關(guān)站等。廠房位于左岸壩軸線下游約300 m處，引水發(fā)電系統(tǒng)由岸坡豎井式進水口、引水隧洞、壓力鋼管等組成，廠區(qū)建筑物主要由主廠房、副廠房、220 kV開關(guān)站、進廠公路、廠前區(qū)及尾水渠等組成。主副廠房位于左岸且沿江布置。圖1為池潭水電站擴建工程總布置。

圖1 池潭水電站擴建工程總布置Fig.1 Layout of the expansion of Chitan hydropower station

2 鄰近建筑物的爆破振動響應(yīng)三維動力有限元數(shù)值模擬

新建的水電站引水發(fā)電系統(tǒng)緊鄰池潭水電站大壩、發(fā)電廠房及開關(guān)站，基本將原大壩及廠房左岸側(cè)三面包圍。爆源點距原有建筑物60～200 m不等，擴建工程施工將存在大范圍、多次反復(fù)爆破影響問題。采用三維動力有限元計算，研究各開挖部位典型爆破振動荷載作用下原大壩及大壩進水口建筑物、廠房、中控室、開關(guān)站、尾水平臺等保護對象的動力響應(yīng)。

2.1 基本控制方程

確定結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)最終歸結(jié)為求解結(jié)構(gòu)的三大基本方程問題。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動力方程為：

式中，σij為柯西應(yīng)力；fi為體力密度；x¨為加速度。

其邊界條件如下：

（1）受力邊界（?b1）條件：

（2）位移邊界（?b2）條件：

（3）接觸邊界（?b3）條件：

結(jié)構(gòu)的質(zhì)量守恒方程為：

式中，ρ0為初始密度；v為相對體積，

結(jié)構(gòu)的能量守恒方程為：

其中，ε˙ij為應(yīng)變率張量。

將動量方程和邊界條件寫成以下Galerkin弱形式的平衡方程：

其中，δxi滿足位移邊界條件。

應(yīng)用散度定理和分部積分：

則Galerkin弱形式平衡方程（8）可改寫成虛功原理的積分形式：

相對于靜力學(xué)問題而言，彈性動力學(xué)問題由于引入了慣性力和阻尼力，其有限元解法要復(fù)雜許多，彈性動力有限元方法的任務(wù)就是對上述基本方程進行數(shù)值求解。其單元動力平衡方程式為：

式中，[Me]、[Ce]、[Ke]、[Fe]分別是單元的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣和結(jié)點載荷向量。分別對四個單元的矩陣進行集成，形成整個系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣[M]、阻尼矩陣[C]、剛度矩陣[K]和結(jié)點荷載向量[F]，相應(yīng)得到整個系統(tǒng)的動力平衡方程為：

2.2 計算模型及方法

如圖2所示建立池潭水電站擴建工程三維模型，模型包括引水隧洞、擴機廠房、擴機電站進水口、池潭大壩和開關(guān)站等建筑物。計算模型采用六面體單元劃分，總單元數(shù)與節(jié)點數(shù)分別為199 449和203 119。

圖2 桐子林水庫蓄水初期不同壩前水位時二灘尾水水位-流量關(guān)系Fig.2 Fitted tail water levels and flow rates of Ertan hydropower station with different water levels upstream of Tongzilin hydropower station

圖2 池潭水電站擴建工程計算模型Fig.2 Three dimensional numerical model of expansion of Chitan hydropower station

模型四周及底面設(shè)置無反射邊界。計算中時間積分采用中心差分格式，采用分配參數(shù)法求解炸藥與巖體的接觸碰撞問題。由于本項目中關(guān)注的保護對象均距離爆源很遠，爆破振動對保護對象的動力響應(yīng)基本屬于彈性振動的范圍，因此考慮計算的可行性和實際的合理性，選用彈性材料來模擬巖石介質(zhì)可以滿足本項目的計算精度和要求。

2.3 計算工況及爆破振動考察點的選擇

根據(jù)引水隧洞和擴建工程廠房的平面總體布置方案，考慮到國內(nèi)巖體開挖爆破技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并參考類似工程的實踐經(jīng)驗，在動力有限元模擬中的總體開挖方法和方案確定上做了以下假定：進水口部位的邊坡及基坑爆破開挖和預(yù)留巖坎的爆破拆除主要采用深孔臺階爆破方式，邊坡及基坑爆破開挖孔深約6～8 m，巖坎拆除孔深最大30～40 m。爆破采用排孔起爆，臺階高度8 m，單孔藥量20 kg，孔間距2.5 m，排距2 m，最大單響藥量為80～120 kg。新建廠房基礎(chǔ)的開挖臺階高度6～8 m，單響藥量為40～80 kg，其他參數(shù)同進水口部位。對于引水隧洞的開挖，根據(jù)已有工程經(jīng)驗，掏槽孔的爆破振動效應(yīng)最為明顯，因此考慮引水隧洞掏槽爆破開挖對工程區(qū)域保護對象爆破振動的最不利影響。掏槽爆破的孔深3.5 m，4孔一響，最大單響藥量為15～20 kg。

根據(jù)工程總體開挖方案和爆破方法，結(jié)合工程區(qū)域內(nèi)不同保護對象與爆源的相對位置，并考慮到不同類型爆源的距離和實際影響，在三維動力有限元模擬中分析了以下3個部位的爆破施工影響：（1）進水口部位的深孔臺階爆破；（2）廠房部位的深孔臺階爆破；（3）引水隧洞部位（距大壩左岸壩肩最近處）的淺孔爆破。

各種計算工況的具體爆破參數(shù)見表1，基巖物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 各計算工況爆破參數(shù)Table 1 Blasting parameters under different calculation conditions

表2 巖石主要物理力學(xué)參數(shù)建議值Table 2 Suggested values of rock physical and mechanical parameters

為了準(zhǔn)確細致地對大壩等需要保護建筑物的振動響應(yīng)規(guī)律進行分析，在壩肩、中控室、開關(guān)站等關(guān)鍵部位設(shè)置爆破振動影響評價考察點，通過分析不同位置部位的振動速度響應(yīng)，分析擴建施工對需要保護建筑物的影響，考察點的布置如圖3所示。

圖3 監(jiān)測點布置圖Fig.3 Arrangement of monitoring points

2.4 爆破振動荷載及施加方式

計算時荷載分別施加在進水口、引水隧洞、新建廠房中央部位。為簡化數(shù)值模擬，可以將粉碎區(qū)和破碎區(qū)視為爆破振動源的一部分，將簡化的爆破荷載曲線施加在破碎區(qū)的外邊界上，即彈性邊界上。爆破荷載的作用形式簡化為三角形，如圖4（a）所示，其中荷載上升時間為1 ms，荷載持續(xù)時間為7 ms。不同部位的爆破荷載垂直施加于爆區(qū)等效彈性邊界巖體表面，如圖4（b）、（c）、（d）所示。

圖4 簡化的爆破振動荷載及爆破荷載的施加方式Fig.4 Simplified blasting vibration load and its loading mode

3 計算結(jié)果分析

以進水口深孔臺階爆破引起的大壩等的振動響應(yīng)為例，表3給出了進水口典型爆破振動荷載作用下的三維動力有限元計算結(jié)果。在單響藥量60 kg的爆破振動荷載作用下，保護對象中控室、開關(guān)站的質(zhì)點峰值振動速度分別為0.30 cm/s和0.39 cm/s，對應(yīng)的附加最大拉應(yīng)力分別為14.33 kPa和47.80 kPa；防滲帷幕處的質(zhì)點峰值振動速度為0.52 cm/s，附加最大拉應(yīng)力為64.43 kPa；進水口閘門和左岸壩肩處的質(zhì)點峰值振動速度分別為0.31 cm/s和1.39 cm/s，對應(yīng)的附加最大拉應(yīng)力分別為4.95 kPa和52.57 kPa。除進水口閘門外，其他關(guān)鍵位置質(zhì)點的峰值振動速度都出現(xiàn)在水平徑向。此外，雖然壩肩和防滲帷幕的爆心距均為145 m，但由于所處的方位和結(jié)構(gòu)本身性質(zhì)不同，導(dǎo)致質(zhì)點峰值速度相差一倍還多。計算沒有考慮結(jié)構(gòu)初始應(yīng)力作用，因此上述應(yīng)力為爆破振動引起的附加動應(yīng)力?？梢钥闯霰普駝赢a(chǎn)生附加動應(yīng)力較小，基本不會改變大壩及附屬結(jié)構(gòu)的總應(yīng)力狀態(tài)。爆破振動速度沿大壩和廠房結(jié)構(gòu)的高度方向存在一定的放大效應(yīng)：單響藥量為60 kg時，壩基面的質(zhì)點振動速度為0.41 cm/s，而同一壩段壩頂?shù)馁|(zhì)點振動速度為1.54cm/s。

表3 進水口典型爆破振動荷載作用下各考察點的振速峰值（單響藥量60 kg）Table 3 Peak vibration velocity of monitoring points with water inlet under typical blasting vibration load

表4為進水口部位深孔臺階爆破、新建廠房深孔臺階爆破和引水隧洞全斷面開挖爆破時各保護對象峰值響應(yīng)速度。進水口部位深孔臺階爆破施工的主要保護對象為防滲帷幕、左岸壩肩、開關(guān)站、中控室，其質(zhì)點峰值振速（單響藥量60 kg）分別為0.52 cm/s、1.39 cm/s、0.39 cm/s和0.30 cm/s；新建廠房部位深孔臺階爆破施工的主要保護對象為開關(guān)站、發(fā)電機層、中控室、尾水平臺，其質(zhì)點峰值振速（單響藥量80 kg）分別為0.41 cm/s、0.49 cm/s、0.28 cm/s和0.38 cm/s；引水隧洞淺孔掏槽爆破施工的主要保護對象為壩肩防滲帷幕和開關(guān)站，其質(zhì)點峰值振速（單響藥量10.8 kg）分別為0.23 cm/s和0.06 cm/s。各開挖部位的爆破振動三維動力有限元結(jié)果均表明，振動響應(yīng)沿高程有一定的放大效應(yīng)，如進水口深孔臺階爆破時，壩基面和壩頂?shù)恼駝臃逯捣謩e為0.41 cm/s和1.54 cm/s；新建廠房深孔臺階爆破時，壩基面和壩頂?shù)恼駝臃逯捣謩e為0.17 cm/s和0.50 cm/s；引水隧洞鉆孔爆破時，壩基面和壩頂?shù)恼駝臃逯捣謩e為0.07 cm/s和0.20 cm/s。

表4 各保護對象振動峰值響應(yīng)Table 4 The maximum vibration response of each protected structure

為了分析不同單響藥量下各主要保護對象（包括防滲帷幕、大壩、開關(guān)站和廠房）振動速度的變化規(guī)律，根據(jù)爆破振動傳播規(guī)律，分別得到了進水口深孔臺階爆破、引水隧洞爆破和廠房深孔臺階爆破時各主要保護對象在不同單響藥量和爆心距條件下的峰值振動速度，如圖5所示。

由圖5（a）可知，當(dāng)擴建工程進水口在距開關(guān)站最近處（124 m）爆破施工時，開關(guān)站在單響藥量30 kg條件下的振動峰值速度為0.51 cm/s，可見開關(guān)站是進水口爆破施工的控制保護對象。當(dāng)擴建工程進水口在距防滲帷幕最近處（40 m）爆破施工時，開關(guān)站在單響藥量30 kg條件下的振動峰值速度為1.30 cm/s，可見防滲帷幕是進水口爆破施工的控制保護對象。因此，在距開關(guān)站和防滲帷幕最近處的進水口爆破施工過程中，需要針對爆破振動對開關(guān)站的影響開展跟蹤監(jiān)測，依據(jù)實測資料最終確定合理的振動控制標(biāo)準(zhǔn)；由圖5（c）可知，當(dāng)單響藥量達到120 kg時，各保護對象的振動速度均低于其振動安全控制標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)藥量增加到130 kg時，開關(guān)站的振動速度超過了控制標(biāo)準(zhǔn)，所以對于廠房基礎(chǔ)開挖，單響藥量須嚴(yán)格控制在120 kg以內(nèi)。

圖5 保護對象在不同爆心距和單響藥量下的峰值振動速度Fig.5 Peak vibration velocity of protected structures from different distances and explosive charges

圖5表明，各保護對象的最大振動速度隨單響藥量的增加而增大；相同藥量時，最大振動速度隨爆心距增加而減小。通過控制單響藥量，可以防止爆破振動對保護對象產(chǎn)生可見的有害影響。

4 結(jié)語

根據(jù)池潭水電站擴建工程地質(zhì)條件及設(shè)計方案，基于進水口、廠房基礎(chǔ)的深孔臺階爆破和引水隧洞全斷面開挖爆破對現(xiàn)有鄰近大壩和發(fā)電設(shè)施設(shè)備的影響分析，提出以下結(jié)論和建議：

（1）引水隧洞全斷面淺孔爆破引起的振動對保護對象的影響相對較小，但在距離大壩最近處爆破施工時，應(yīng)重點關(guān)注壩肩防滲帷幕的振動響應(yīng)；進水口開挖部位由于距原大壩、廠房、開關(guān)站等建（構(gòu)）筑物較近，對保護對象的影響較大，為關(guān)鍵控制爆源；新建廠房主體部位開挖時對原廠房建筑物及設(shè)備的影響較大，且新建副廠房和安裝間距原大壩更近，爆破施工時需要嚴(yán)格控制該部位引起的振動響應(yīng)。

（2）爆破振動影響三維動力有限元數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，保護對象的最大振動速度隨單響藥量的增加而增大；相同藥量時，最大振動速度隨爆心距增加而減小。針對池潭水電站擴建工程，通過控制最大單響藥量、優(yōu)化爆破參數(shù)及優(yōu)化起爆網(wǎng)絡(luò)等措施，能夠?qū)⒈普駝訉︵徑ǎ?gòu)）筑物的影響控制在允許范圍。對進水口爆源，在距離壩后開關(guān)站130.0～150.0 m以內(nèi)的部位爆破時，最大單響藥量應(yīng)控制在20.0 kg以內(nèi)，其他區(qū)域控制在40.0～60.0 kg；對引水隧洞的爆破開挖，距離防滲帷幕40.0～60.0 m范圍內(nèi)的部位，最大單響藥量應(yīng)控制在15.0～25.0 kg，其他區(qū)域控制在20.0～40.0 kg；對廠房基礎(chǔ)部位的爆破開挖，最大單響藥量應(yīng)控制在70.0～120.0 kg。