爆破開挖對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響研究

唐雪江

（赫章縣水務(wù)局，貴州 畢節(jié) 553200）

1 引言

邊坡工程是工程建設(shè)過程中經(jīng)常遇到的問題，開挖邊坡將會(huì)對(duì)原有地形地貌造成擾動(dòng)，改變邊坡的穩(wěn)定性情況。影響邊坡穩(wěn)定性的因素眾多，也有較多的專家、學(xué)者對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了較為深入的研究，并取得豐碩的成果。馮忠居等[1]認(rèn)為影響邊坡穩(wěn)定性的因素包括：巖體質(zhì)量、開挖方式、邊坡高度等，并建立熵權(quán)-灰關(guān)聯(lián)法評(píng)價(jià)巖質(zhì)邊坡安全情況。數(shù)值模擬方法[2-4]在巖土工程領(lǐng)域是一種極為常用的研究方法，通過建立數(shù)值模擬模型，分析巖土工程變形、應(yīng)力及穩(wěn)定性情況，具有計(jì)算速度快、結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)勢。物理模型試驗(yàn)[5-7]是利用相似原理，將現(xiàn)場原型按比例縮小后在室內(nèi)完成開挖等操作，可直觀查明邊坡開挖后的變形情況，指導(dǎo)邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)及現(xiàn)場施工作業(yè)方案。巖質(zhì)邊坡強(qiáng)度高，在開挖過程中往往需要采用爆破開挖，結(jié)合某邊坡爆破開挖工程，研究邊坡相應(yīng)規(guī)律及穩(wěn)定性情況。

2 工程概況

和平水庫位于貴州省畢節(jié)市赫章縣古達(dá)鄉(xiāng)和平村境內(nèi)，工程壩址以上集水面積為17.1 m2，主河道長6.26 km，多年平均年徑流量872 萬m3；水庫正常蓄水位1747.00 m，相應(yīng)庫容164.0萬m3；校核洪水位1749.74m（P=0.2%，推薦方案為面板堆石壩方案），總庫容217 萬m3；死水位1738.50 m，死庫容58.8 萬m3，興利庫容105.2 萬m3。在工程修建過程中，為了保證進(jìn)出場順利，對(duì)沿線邊坡進(jìn)行了開挖，以修建臨時(shí)道路。廠區(qū)地質(zhì)情況良好，基巖強(qiáng)度較高。為了滿足施工進(jìn)度，采用爆破開挖的方式施工。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，邊坡最大坡高約為61.0m，表層主要為強(qiáng)風(fēng)化基巖，坡體內(nèi)部為中風(fēng)化基巖。結(jié)合臨近工程經(jīng)驗(yàn)，工程主要采取放坡法進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，每級(jí)坡高為10.0m，中間預(yù)留寬度為2.0m 的平臺(tái)（馬道）。

3 開挖邊坡概況

為了提高邊坡開挖工作效率，采用爆破開挖的方式進(jìn)行開挖。為了保證邊坡爆破后具有良好的平整性，并在一定程度上降低對(duì)邊坡穩(wěn)定性的擾動(dòng)，工程采用預(yù)裂爆破的方式進(jìn)行開挖。爆破邊線參照邊坡預(yù)留平臺(tái)（馬道）邊線進(jìn)行控制，兩級(jí)平臺(tái)間邊坡高度為10.0 m，因此設(shè)置每5 m 爆破一次。同時(shí)，在馬道處設(shè)置厚度為2.0 m 的緩沖區(qū)，從而降低炸藥爆破對(duì)工程邊坡的擾動(dòng)。爆破緩沖區(qū)主要采用多孔少藥量的爆破方法，其他區(qū)域采用深孔梯段微差爆破方式，采用此方法可控制殘?jiān)?，減少震動(dòng)，有利于邊坡的穩(wěn)定性，同時(shí)，可在一定程度上提升爆破開挖效果。爆破開挖鉆孔主要采用液壓鉆機(jī)成孔，炸藥選用乳化炸藥，采用非電毫秒雷管起爆方式。

邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)

4 爆破開挖邊坡穩(wěn)定性分析

4.1 數(shù)值模擬模型建立

數(shù)值模擬采用FLAC 數(shù)值模擬計(jì)算軟件，模型底部及兩側(cè)采用固定邊界，模型表面為自由邊界。FLAC 有限元計(jì)算主要是基于采用的顯式拉格朗日法進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況較為吻合。典型開挖斷面及數(shù)值模擬模型圖見圖1。邊坡開挖坡度約為61.0 m，邊坡采用6 級(jí)開挖方式。從上至下每級(jí)邊坡高度分別為10.0 m、10.0 m、10.0 m、10.0 m、10.0 m、11.0 m，從上至下邊坡坡比分別為1∶1.50、1∶1.50、1∶0.50、1∶0.50、1∶0.50、1∶0.50。在每級(jí)邊坡的坡腳及坡肩位置均設(shè)置一個(gè)變形及位移監(jiān)測點(diǎn)，從上至下監(jiān)測點(diǎn)編號(hào)分比為JC1～JC12。數(shù)值模擬計(jì)算斷面見圖1。

圖1 典型開挖斷面及數(shù)值模擬模型

4.2 爆破開挖荷載研究

4.2.1 加速度時(shí)程曲線

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘察成果，及相關(guān)研究結(jié)果[8]。在數(shù)值模擬分析過程中，可以使用加速度表達(dá)邊坡爆破開挖過程中的爆破荷載，爆破開挖加速度與時(shí)間關(guān)系見圖2。爆破開挖荷載作用于開挖邊坡坡表位置，可傳輸至邊坡上的計(jì)算單位。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，爆破荷載（加速度）在坡表處的作用時(shí)間約為1.6 s，最大加速度為9.67 m/s2。本次模擬結(jié)果為第四級(jí)邊坡開挖施工效果。

圖2 加速度時(shí)程曲線

4.2.2 等效荷載研究

為了減少FLAC 軟件計(jì)算過程中輸入的數(shù)據(jù)量，采用等效荷載代替原爆破加速度時(shí)程曲線。假設(shè)爆破荷載的上升時(shí)間為2 ms，衰減時(shí)長為4 ms，等效爆破荷載曲線見圖3。

圖3 爆破等效荷載曲線

4.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.3.1 未考慮爆破荷載邊坡穩(wěn)定性分析

在不考慮爆破荷載影響下，根據(jù)建立的數(shù)值模擬計(jì)算模型，分析開挖后邊坡的穩(wěn)定性情況，獲取邊坡安全系數(shù)。本次計(jì)算主要采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行計(jì)算，邊坡開挖完成后，其安全系數(shù)Fs=1.32＞1.20；邊坡安全情況較好。根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可知，現(xiàn)狀邊坡在不考慮爆破荷載影響的情況下，處于較安全的狀態(tài)。

4.3.2 爆破荷載影響下邊坡安全系數(shù)分析

將爆破荷載加速度時(shí)程曲線輸入計(jì)算模型中，設(shè)計(jì)爆破位置位于第4 級(jí)邊坡，統(tǒng)計(jì)安全系數(shù)隨爆破荷載變化的結(jié)果，如圖4 所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，爆破荷載影響下，邊坡平均安全系數(shù)有所下降，F(xiàn)s=1.202＞1.20，從平均結(jié)果來看，邊坡整體安全性仍滿足相關(guān)規(guī)范要求。但在整個(gè)安全系數(shù)變化過程中，邊坡安全系數(shù)在[0.52，2.83]范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)變化。在部分時(shí)間段邊坡安全系數(shù)較小，是一個(gè)隨爆破荷載作用而不斷變化的過程。當(dāng)邊坡安全系數(shù)在瞬時(shí)小于1.20 時(shí)，則表明此時(shí)邊坡安全系數(shù)較低，很有可能出現(xiàn)局部垮塌的現(xiàn)象。

圖4 Fs 隨時(shí)間變化曲線

4.3.3 爆破荷載影響下邊坡位移響應(yīng)

當(dāng)爆破荷載位于第4 級(jí)邊坡位置時(shí)，邊坡各監(jiān)測點(diǎn)的最大變形量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2 所示。根據(jù)表2 的位移統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，水平方向位移和距離爆破點(diǎn)的距離關(guān)系密切，與爆破點(diǎn)距離越近，水平方向位移逐漸增大。

表2 各監(jiān)測點(diǎn)位移

4.3.4 爆破荷載影響下邊坡變形速度分析

邊坡變形速率和爆破點(diǎn)距離關(guān)系與邊坡位移和爆破點(diǎn)關(guān)系基本一致。各監(jiān)測點(diǎn)的最大變形速率基本保持一致，最小變形速率隨著與爆破點(diǎn)距離減小而逐漸減小。爆破荷載作用完成后，變形速率不是突然下降至0，而是持續(xù)變形約1.0 s 后，緩慢下降至0.0。

4.3.5 爆破荷載影響下邊坡塑性區(qū)分析

邊坡爆破開挖后，塑性區(qū)主要位于已經(jīng)開挖的邊坡范圍內(nèi)。隨著開挖過程的進(jìn)行，爆破擾動(dòng)的邊坡塑性區(qū)范圍也逐漸擴(kuò)大。采用預(yù)裂法爆破開挖后，邊坡整體穩(wěn)定性仍較好，但對(duì)邊坡的擾動(dòng)是不可忽視的。在爆破開挖過程中，需要嚴(yán)格控制施放炸藥用量，以免炸藥劑量過大造成邊坡發(fā)生破壞，從而誘發(fā)安全事故。

5 結(jié)論

（1）以實(shí)際工程為研究對(duì)象，數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，不考慮爆破荷載影響，邊坡開挖后整體穩(wěn)定性情況良好。

（2）考慮爆破荷載影響時(shí)，在部分時(shí)間段內(nèi)邊坡安全系數(shù)降低，此時(shí)，邊坡可能出現(xiàn)局部的垮塌現(xiàn)象。施工過程中需嚴(yán)格控制炸藥用量，減少對(duì)邊坡的擾動(dòng)。

（3）根據(jù)邊坡布置的監(jiān)測點(diǎn)檢測數(shù)據(jù)可知。與爆破點(diǎn)距離越近，邊坡變形響應(yīng)越劇烈。