近坝区爆破对土石坝安全的影响分析

俞毅, 胡亮

(1.嵊泗县水利技术推广服务站,浙江 嵊泗 316200; 2.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

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KC=[1/(1+tanβtanφ′/K)]。



近坝区爆破对土石坝安全的影响分析

俞毅, 胡亮

(1.嵊泗县水利技术推广服务站,浙江 嵊泗 316200; 2.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

近坝区爆破施工产生的爆破振动将会对土石坝产生一定的影响。结合爆破理论与工程实际,通过Geo-Studio建立大坝有限元分析模型,分别从坝坡稳定、坝基液化等方面分析了爆破振动对大坝的影响效应,对爆破方案及施工期大坝安全监测、设施防护提出了合理的建议。

爆破振动;土石坝;影响分析;质点振动速度

土石坝是我国应用最广泛的坝型之一,其填筑技术自20世纪50年代得到了快速发展。随着时间的推移,很多工程面临诸如库区山体扩容爆破,水库附近修建公路、桥梁或隧洞,老坝拆除重建等问题。爆破开挖是一种有效、经济、快捷的施工手段，已得到了广泛应用。爆破产生的诸多危害效应尤其是振动对土石坝坝体的影响越来越受到各方的重视[1-4];然而，由于爆破振动的复杂性和传播介质的多样性,爆破的安全控制标准、振动在不同介质中的传播规律、对大坝周边建筑物的影响及安全判据等问题的研究仍然不够成熟[5-8]。本文结合浙江省某小型水库库区的山体爆破工程对土石坝坝体的影响展开分析,并提出了相应的建议及控制措施。

1 工程概况

1.1 水库概况

某水库工程位于低山丘陵位置,竹木茂盛,植被良好，是一座以灌溉、供水为主的小(2)型水库。该工程始建于1995 年10月,1998年12月完成一期工程,一期工程大坝坝顶高程为71.0 m(1985国家高程基准,下同)。1999年实施二期工程,大坝加固加高2 m至坝顶高程73.0 m,总库容达到21 万m3,坝址以上集雨面积为0.74 km2,主河流长度为1.4 km,主流平均坡降为0.083,枢纽建筑物有大坝、溢洪道及输水涵管等。校核洪水位为72.18 m,相应库容为21.0万m3；正常蓄水位为70.50 m,相应库容为18.0万m3。

大坝为黏土心墙坝,坝顶高程73.0 m,最大坝高17.0 m,坝顶长115.0 m、宽5.0 m。大坝迎水坡一级坝坡为1∶2.0,二级坝坡为1∶2.86,马道宽2.50 m,顶高程68.0 m;背水坡一级坝坡为1∶2.0,二级坝坡为1∶2.29,坝脚设排水棱体,一级马道宽2.0 m,顶高程68.0 m,二级马道宽8.0 m,顶高程61.0 m,基础为弱风化花岗岩。坝壳土主要为黏性土及砂土,坝基为层厚1.2～5.6 m的含砂粉质黏土层,基岩为强—弱风化花岗岩。

溢洪道位于大坝左岸,为开敞式溢洪道,控制段长度达7.0 m,为实用堰。堰顶高程70.5 m，净宽7.0 m,最大泄洪流量为26.01 m3/s,下游无消能防冲设施。

输水涵管为坝埋式混凝土圆管,位于大坝右岸,洞长84 m,进口底高程61.0 m,洞径0.20 m，最大输水能力为0.28 m3/s,闸门为插板斜拉式铸铁门,启闭机为手摇螺杆。

1.2 爆破工程概况

爆破工程位于大坝上游左侧200 m的山坳处。将爆破区域划分为两个区域：A区，距坝体边界大于150 m;B区，距坝体边界100～150 m。爆破方案采用深孔台阶爆破,施工遵循自上而下的顺序,分区域台阶式爆破开采,辅以破碎锤破碎、挖机装车、汽车短驳的总体方案。A区拟定台阶高度为15 m,B区台阶高度为8 m。为了尽量减少对保留山体的扰动,确保坡面岩体的整体性,拟对边坡部分采用光面预裂爆破。炸药量控制方案为A区单响药量不超过96.0 kg,B区单响药量不超过37.8 kg。待爆破山体布置情况如图1所示。

图1 水库大坝及爆破山体平面布置图

1.3 存在的问题

为实现工程所需的破岩目的而进行的爆破施工,对岩体引起的强烈扰动会由近及远地传播,将伴生一系列有害的爆破振动效应。爆破地震波经岩土介质在岩体内传播,并到达地表形成地面震动,由近及远逐步衰减。由于爆破地点离大坝仅200 m以内,势必会对大坝造成一定的影响,甚至当爆破强度超过一定程度时,将对大坝造成严重的影响或破坏。

爆破振动是否对周围环境构成安全影响,与爆源、传播路径及特定保护物的抗震性能3个要素密切相关。相关规范[9]一般采用建筑物的质点允许振动速度对爆破的影响进行控制,但对土石坝未做明确规定。且坝体填土力学机理较为复杂,采用单一的控制参数不能准确地反映爆破振动对坝体结构的影响。因此，需要结合工程大坝的实际情况,从多方面对爆破施工的影响进行分析评价。

2 爆破影响分析

爆破产生的冲击荷载与自然地震相似,都是一种能量波,但爆破冲击荷载具有震源浅、荷载强度大、振动频率较高、持续时间较短等特点。爆破对地面建筑物影响的安全允许距离是以爆破振动安全允许标准来确定的,即以在某一段主振频率下的安全允许振速来控制。下面将结合Geo-Studio软件中的SEEP、SLOPE及QUAKE等模块,从爆破荷载、坝坡稳定及坝基液化等几个方面进行分析评价。

2.1 爆破荷载分析

根据有关规范规程[9-10]及施工方案，爆破时大坝部位的质点振动速度按下列公式计算:

式中:V0为质点振动速度,cm/s;R0为爆破点至大坝的距离,m;Q为炸药量,kg;K0、α为与地形、地质条件有关的系数和衰减系数,且岩石越硬,取值越小,中硬岩体的K0为150～250,α为1.5～1.8。本工程按最不利情况考虑,K0取150,α取1.5。

根据上式计算可知,A区最大质点振动速度为0.80 cm/s,B区最大质点振动速度为0.92 cm/s。当质点振动速度的峰值为1.0 cm/s时,对应的地震加速度应取为0.01g[2],但鉴于爆破量大、次数多等特点,本次模型适当放大其荷载效应,取为0.02g,持续时间取0.8 s。爆破冲击荷载随时间变化的过程如图2所示。

图2 爆破冲击荷载时间过程线

2.2 坝坡稳定分析

根据规范要求[11],小型土石坝坝坡稳定计算一般采用推荐的计及条块间作用力的简化毕肖普法进行分析计算,具体计算公式如下:

KC=[1/(1+tanβtanφ′/K)]。

式中:K为抗滑稳定安全系数；W为土条重量;V为垂直地震惯性力;u为作用于土条底面的孔隙压力;β为条块重力线与通过此条块底面中点的半径间的夹角;b、R分别为土条宽度及滑动圆弧半径;c′、φ′为有效应力抗剪强度指标;MC为水平地震惯性力对圆心的力矩。

爆破振动效应采用相当地震工况模拟,即用相应的水平向地震加速度来反映振动大小,从而得出对坝坡稳定的影响。其对坝坡稳定的影响主要表现为：在爆破振动荷载作用下,土体中孔隙水压力升高,导致有效应力降低,土的强度被削弱,可能造成坝体开裂和坝坡失稳。

根据水库可能的运行工况,并考虑到分析对比的需要,本次建模分析主要考虑正常蓄水位、1/3库水位和空库3种情况,见表1。计算结果分别如图3—6所示及见表2。

表1 分析计算工况表

图3 正常蓄水位下游坡抗滑稳定计算结果

图4 1/3库水位上游坡抗滑稳定计算结果

图5 空库上游坡抗滑稳定计算结果

图6 空库下游坡抗滑稳定计算结果

水位计算位置非爆破工况滑弧半径R/m安全系数K爆破工况滑弧半径R/m安全系数K正常蓄水位背水坡52.081.54648.691.4171/3库水位迎水坡32.211.73432.971.513空库迎水坡40.841.78741.471.542空库背水坡56.401.65954.081.496

上述结果表明：在爆破荷载作用下,振动产生的横向滑动荷载增加,在抗滑力不变的情况下，坝坡抗滑稳定性将会降低。具体表现为不同工况对应的上、下游坝坡抗滑稳定安全系数均有所降低:①正常蓄水位下游坡安全系数由1.546降低至1.417;②1/3库水位上游坡安全系数由1.734降低至1.513;③空库时上游坡安全系数由1.787降低至1.542,下游坡安全系数由1.659降低至1.496。降低后的抗滑稳定安全系数均大于规范要求的坝坡抗滑稳定最小安全系数(正常运用条件下,取1.25;非常运用条件下,取1.10),表明爆破荷载下大坝坝坡抗滑稳定,且库水位越低,坝坡安全系数越高。

由于受爆破产生的振动效应的影响,上、下游坝坡表面及浅层局部可能存在松动、掏空等缺陷,爆破振动时,局部小范围内可能产生塌陷、滑动等现象,进而影响大坝的安全。

2.3 坝基液化分析

爆破荷载作用下，库区内超孔隙水压力分布如图7所示。由图7可知,在爆破荷载作用下,坝体上游库区内将会产生一定区域的超孔隙水压力现象,且库水位越高,超孔隙水压力范围越大,最大值也越高。

图7 爆破荷载下库区内超孔隙水压力分布示意图

坝基填土为含砂粉质黏土。其颗分平均含量:粒径20～40 mm为3.3%，粒径10～20 mm为2.2%，粒径2～10 mm为11.0%，粒径0.5～2 mm为15.9%，粒径0.25～0.50 mm为14.3%，粒径0.075～0.250 mm为3.2%，粒径0.005～0.075 mm为40.1%，粒径小于0.005 mm为9.9%,分选性差,中等压缩性。根据地震液化判断方法[12],本工程地基土料粒径d≤5 mm颗粒含量超过30%,粒径d≤0.005 mm颗粒含量为9.9%,小于16%,因此坝基填土存在液化的可能性。

图8为不同工况下得到的库区及上游坝坡可能液化区范围示意图,可知库水位越高,可能液化区范围越大,空库情况下坝基位置基本不存在液化区。

图8 不同工况下坝基液化区范围示意图(黄色为液化区)

3 工程建议

3.1 水库运行

施工前,该水库被认定为病险水库,依据《水库大坝安全评价导则》,水库加固前需进行放空处理。根据前文的计算结果可知,库水位越低,上、下游坝坡安全系数越高,坝基及上游坝坡可能液化区域的范围越小。因此,近坝区山体爆破施工时,水库宜做放空处理。

3.2 监测及保护设施

根据相关资料,坝体心墙土土质不均匀;两坝头和坝基清基不彻底,存在渗漏隐患;坝体、溢洪道和坝基接触部位等存在渗漏通道;大坝表面局部可能发生异常变形、塌落等现象,因此,在爆破施工时,应进行质点振动速度、大坝表面变形、坝体渗流等项目的监测,并在每次爆破前后对大坝进行巡视检查。

爆破施工时,水库管理设施应做好覆盖、隔离等防护措施,以避免飞石破坏,并应通知爆破安全范围以内的人及时撤离。另外，水库管理单位应做好相应的应急预案。

4 结 语

1)爆破振动波类似于地震荷载,将会给临近的建筑物带来有害影响。根据单次爆破炸药量及基岩特征,爆破产生的振动效应需按加速度为0.02g的地震考虑。因此，需要进行近坝区爆破对水库大坝安全影响的评价工作。

2)爆破振动对土石坝安全的影响主要反映在坝坡稳定和坝基液化两个方面。通过建立计算模型,施加水平向地震加速度模拟爆破振动荷载。结果表明,在爆破荷载作用下,坝坡抗滑稳定安全系数均有所降低,但仍满足规范要求,坝基将产生超孔隙水压力和可能液化区。库水位越高,抗滑稳定安全系数越低,超孔隙水压力值及范围越大,可能液化区范围也越大。

3)因爆破振动效应成因复杂,建议爆破施工在空库情况下进行,同时应结合坝体质点振动速度及加速度、坝体变形及渗流监测资料来综合评估大坝的安全性。

[1]张峰,郭晓霞,杨昕光,等.爆破地震波作用下尾矿坝的有限元动力分析[J].防灾减灾工程学报,2010,30(3):281-286.

[2]杨伟俊.近坝区爆破对土石坝安全影响分析[J].水利与建筑工程学报,2012,10(3):178-181.

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[4]王海峰.土石坝地震加速度反应特性与抗震措施研究[D].北京:中国水利水电科学研究院,2015:15-18.

[5]卢云香.大坝治理工程爆破振动对坝体安全的影响分析[D].大连:大连理工大学,2012:2-5.

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[10]长江水利委员会长江科学院,水利部岩土力学与工程重点实验室.水利水电工程爆破安全监测规程：DL/T 5333—2005[S].北京:中国电力出版社,2005:33-35.

[11]黄河水利委员会勘测规划设计研究院.碾压式土石坝设计规范：SL 274—2001[S].北京:中国水利水电出版社,2002:66-70.

[12]水利水电规划设计总院.水工设计手册:第11卷 水工安全监测[M].2版.北京:中国水利水电出版社,2013:135-142.

(责任编辑:陈海涛)

Effect Analysis of Blast at Near Dam Region on the Safety of Earth-rock Dam

YU Yi1, HU Liang2

(1.Shengsi Hydraulic Technology Promotion Service Station, Shengsi 316200, China;2.Zhejiang Institute of Hydraulics & Estuary, Hangzhou 310020, China)

Vibration caused by blast construction at near dam region will affect the safety of earth-rock dam. Combined with blast theory and practical projects, the finite element model of dam was formulated by Geo-Studio, The effect of blast vibration on earth-rock dam was analyzed from the aspects of slope stability, soil liquefaction in the foundation of earth-rock dam and so on, and some advices were proposed about monitoring the safety and the safety protection facilities during constructing earth-rock dam and blasting schemes.

blast vibration; earth-rock dam; effect analysis; particle vibration velocity

2016-03-16

俞毅(1976—),男,浙江衢州人,工程师,从事水利工程安全与管理方面的研究。E-mail:38600946@qq.com。

胡亮(1989—),男,河南信阳人,工程师,硕士,从事水利工程安全与管理方面的研究。E-mail:Huliangzzu@163.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.03.009

TV641;TV698

A

1002-5634(2016)03-0045-05