台山核电站取水明渠爆破振动监测与分析

曾永庆+王长柏+赵海龙

摘要：针对台山核电厂一期工程取水明渠工程段陆上爆破挖岩对取水闸门的影响，根据实际开挖中的爆破振动监测数据，分析了取水闸门爆破振动特性，指出就所测数据而言，在垂直方向爆破振动速度峰值一般具有大于水平径向、水平切向的特点。回归分析了取水闸门地面质点振动速度在水平径向、水平切向和垂直方向的传播衰减规律，提出了为保证建筑物安全而控制不同爆心距下的单段最大段药量，对取水闸门上的实测爆破振动信号进行频谱分析，可知爆破地震波的主振频率主要集中在10～50 Hz，高于取水闸门自振频率5.26 Hz，一般不会产生较大的共振效应。研究对于以后爆破设计、施工有一定的参考意义。

关键词：爆破工程；取水明渠；爆破控制；衰减规律；振动监测

中图分类号：TD2351 文献标志码：A文章编号：1672-1098（2016）01-0000-00

Abstract：The blasting for rock excavation on land to open channel project has a great influence on lock gate in Taishan Nuclear Power Station， therefore， based on blasting vibration monitoring data， the Characteristic of Blasting Vibration has been studied， as for those monitoring data， the results of blast vibration velocity to vertical direction are generally larger than horizontal radial and horizontal tangential direction. At the same time， the attenuation laws of different directional vibration velocity induced by rock blasting are obtained through regression analysis of practical test data. To ensure the safety of buildings， it is of great significance to control maximum charging weight in advance for different distance from monitoring point to center of blasting. Through vibration frequency spectrum analysis of blasting seismic wave， their main vibration frequency is obtained， which mostly vary from 10 Hz to 50 Hz and are much higher than natural frequency of lock gate； so resonance effect will not happen generally， The results from the analysis can be for reference to blasting design and blasting construction.

Key words：blasting engineering； open channel； blasting control； attenuation law； vibration monitoring

前随着我国经济的迅猛发展，能源保障问题显得日益重要，核能和水能作为一种清洁、高效能源具有巨大的开发利用价值。核电站及水坝建设过程中，就当前技术条件而言，爆破方法作为一种可采用而又相对经济的方法，在各种岩体开挖方法中仍占有重要作用，这必然牵涉到爆破振动监测与灾害主动控制问题。

近年来，国内外学者针对工程建设过程中爆破地震波的传播规律及爆破地震危害控制的问题，进行了现场监测、室内试验以及数值计算等多种方面的研究。文献[1]通过现场爆破振动监测，分析了爆破开挖时边坡的振动速度衰减规律，发现爆区上方马道内侧质点振动速度随高程增加存在放大效应，通过结合三维离散元数值软件（3DEC）进行数值模拟与现场监测结果进行比较，确定了边坡整体稳定性。文献[2]通过测试爆区后方测爆连线与层理走向不同夹角方向的一系列测点的振动速度值，求出了与层理走向不同夹角方向的爆破振动衰减规律。文献[3-5]对核电厂场地的爆破振动衰减规律及岩石损伤区域进行了试验测试和数值模拟，针对不同岩质、地质情况，提出了不同的爆破控制标准，然后按照这一标准对同一场地的开挖爆破进行控制。文献[6]针对台山核电海底泥水盾构隧洞存在大量基岩及风化孤石地层，提出了采用深孔爆破技术预处理高强度岩土，结合盾构施工法成功实现了国内最长的海底泥水盾构隧道。但针对取水明渠爆破振动监测的研究涉及较少，本文以台山核电站取水明渠陆上爆破挖岩对取水隧洞1～2号竖井新浇混凝土坝体闸门影响的实际监测为例，通过对爆破振动速度、爆破振动频率和爆破振动安全判据综合分析，回归分析振动速度和爆破药量及地震波传播距离的关系，并运用FFT快速傅氏变换法对爆破振动信号的频谱特性进行分析。

1工程概况及地层岩性

11工程概况

广东台山核电站位于江门市管辖的台山市赤溪镇腰古村，距台山约445 km。地理位置为东经112°59′，北纬21°54′。厂址东面为黄茅海，其余三面环山，东南约5 km处为大襟岛。工程建设规模初步确定为6×1750 MW（EPR），分三期建设，一期规划两台EPR堆型核电机组。

根据设计要求，台山核电站一期工程取水明渠工程0+000～0+200 m 里程段渠内挖泥分项需进行陆上爆破挖岩及水下炸礁施工（见图1）。爆炸挖岩共约257 36135 m3，其中陆上爆破挖岩约53 95425 m3，水下炸礁约203 4071 m3。由于爆破开挖过程中产生的爆炸应力波可能造成取水隧洞1～2号竖井新浇混凝土坝体闸门不同程度的损伤，影响工程安全，因此必须对岩体爆破开挖进行必要的控制。监测的主要目的是，验证爆破方案的可行性及爆破设计参数的合理性，和爆破对周围建筑物振动影响范围和程度，并利用监测结果正确指导施工。

12地层岩性

取水明渠爆破挖岩的处理对象主要是基岩，包括全风化、强风化砂岩，全风化、强风化泥岩及中等风化粉砂岩等。岩层节理裂隙较发育、岩芯较破碎，主要矿物成份为石英、长石。岩面覆盖物有碎石、鹅卵石及淤泥等。基岩以砂岩和泥岩为主。

2爆破振动监测及分析

21监测量的选择

由于介质质点振动时可以作为一种简谐运动，则质点的谐振速度可表示如下[7]：

v=2πAf （1）

当结构物受到扰动开始振动时， 弹性力学理论有：

σ=Eε （2）

又根据波动理论有：

ε=vc （3）

可知：σm=Evmc （4）

式（1～4，）：σm为建筑物在爆破振动作用下产生的最大应力；vm为质点峰值振速；E为建筑物的弹性模量；c为爆破振动波在建筑物中的传播速度；f为质点振动频率。

由此可知，建筑物体上产生的最大应力σm与爆破振动质点峰值速度vm成正比。

爆破振动测试的内容包括：质点振动速度测试、振动位移测试、振动加速度测试、振动反应谱测试。在评估结构物承受振动破坏等级的标准中，许多爆破专家认为采用爆破峰值振动速度描述具有较好的代表性和便易性，工程上应用最普遍的也仍然是振动速度监测。由于爆破振动危害不仅与振动强度有关，还与振动持续时间、振动频率有关，随着对爆破振动危害机理的深入研究，人们人发现采用振动速度单一强度标准作为爆破振动安全判据在理论和工程实际中都存在一定程度上的不足。依据文献[8]56，为了更好地运用监测结果指导工程实际的实施，在本次工程监测中选用爆破振动速度和振动频率作为监测的物理量，每次均测试质点竖向、切向、径向3个分量振速并进行频谱特征分析，以峰值振动速度和主振频率作为监测判据。22监侧仪器和测点布置

由于TC-4850爆破测振仪系统具有体积小、质量轻、灵敏度高、自动化程度高、应用范围广等众多优点，可较好地适应台山取水闸门附近陆上爆破挖岩现场的工程量大、地质复杂、监测时周期长等现实特性，故采用TC-4850爆破测振仪系统，配合三矢量传感器、vib-sys动与动数值振动信号采集与分析系统，实现振动信号采集、分析等多种功能的目的（见图2）。

图2爆炸振动监测系统现场爆破振动监测测点布置在爆区上方坝体闸门近侧（见图3）。在每个测点布置可监测水平径向、水平切向和垂直方向的三矢量传感器监测

23爆破振动衰减规律的回归分析

爆破监测代表性振动速度波形及相应频谱分析如图4～图5所示，爆破振动安全允许标准如表1所示，表2为爆破振动部分监测数据。t/s

图4代表性监测速度曲线

t/s

对于取水隧洞1～2号竖井新浇混凝土坝体闸门（龄期超过28d），基于表1中新浇大体积混凝土控制标准并结合国内外已有的研究成果和实际应用情况，并通过对实际监控各部位爆破振动特性的分析，取坝体闸门混凝土结构质点振速控制标准[9]为[v]=50 cm/s。

由于建筑物的爆破振动速度是爆破本身、场地条件、场地特性等的综合反映，不仅与振动强度、频率、持续时间有关，也与传播介质、场地特性、建筑物的动态响应特性、爆破累计损伤程度有关，影响爆破振动速度的因素极为复杂，要完全考虑这些变量来确定函数形式非常困难。爆破振动监测资料表明，影响爆破振动强度的主要因素为最大段药量Q、爆心距R。

在工程应用中，前苏联的M.A萨道夫斯基经验公式[8]58为

v=K（Q1/3R）α=Kρα（5）

式中：v为保护对象所在点的振动最大速度；Q为装药量，瞬时爆破时为总装药量，延期爆破时为最大一段装药量；R为爆心距；ρ=3QR为比例药量；K、α为与爆破点至计算保护对象间的地质条件有关的系数和衰减指数。

现选取共1组爆区内取水明渠闸门的台阶爆破和控制爆破数据，运用origin 80工程绘图软件对实测数据采用公式幂函数形式按式（5） 进行数据拟合分析，得到参数K、α。

水平径向、水平切向、垂直方向爆破振动速度vx、vy、vz回归分析结果如图6～8所示。

此次爆破的地面质点的水平径向、水平切向、垂直方向的爆破振动速度传播衰减规律回归分析结果分别如下：

vx=773（Q1/3R）131 （6）

vy=632（Q1/3R）140 （7）

vz=2418（Q1/3R）156 （8）

由式（6）～式（8）可知K值范围为632～2418，α值范围为131～156，属于中、坚硬岩石范围，这与先前勘测地层岩性相一致。

在萨道夫斯基经验公式中，α表示质点振动速度的衰减速度，α值越大，表示质点振动速度随爆心距的增大而衰减的越快。

通过对三向回归公式的K、α值的对比分析，垂直方向的K、α值最大，分别为 2418、156；而水平径向K、α值为773、131；水平切向K、α值为632、140，由于水平径向的K大于水平切向的K，水平径向的α小于水平切向的α，导致无论爆破近区还是远区，水平径向振动速度一般大于水平切向爆破振动速度。

对比分析后发现水平径向和切向的α均有一定程度的小于垂直方向的α，这说明虽然垂直方向在近区数值较大，但其爆破振动速度的衰减较快；水平径向的衰减速度最慢，水平切向爆破振动速度的衰减居中，说明虽然质点近区垂直方向的爆破振动速度最大，但随着距离的增加，其垂直爆破振动速度的值将小于水平径向爆破振动的数值，因此在评价爆破振动产生的破坏时，不应单一选取爆破振动速度的垂直分量作为评判标准。

式（6）～式（8）的相关系数R2分别为076、092、084，表明用于回归分析的实际监测数据的爆破振动速度具有一定的相关性，以将据此建立的预测公式用于爆破振动速度的预测，但其仍具有较大的离散型，实际过程中应以预测值为参考，适当增加安全系数，以确保周围环境的绝对安全。

24爆破振动频谱分析

当爆破地震波的频率等于或接近建（构）筑物结构的自振频率时，将发生共振，容易导致建（构）筑物结构的破坏；因此爆破振动频率偏离爆区周围建（构）筑物的自振频率越远，周围建（构）筑物结构的振动动力响应就越小；而爆破振动的持续时间与建（构）筑物结构是否安全也有较大的关系，但由于爆破地震波的持续时间一般都很短，因此其影响一般较小。不同类型结构的自振周期不同，其动力响应特性不同[10]。

岩石爆破开挖产生的地震波是由不同频率，不同能量的波形叠加形成的，通过vib-sys数值振动信号采集分析系统中的频谱分析模块，对监测信号波形进行频谱特性分析，可得主振频率主要集中在10～50 Hz之间，而监测坝体闸门的自振频率约为526 Hz[11]，可见此次岩土爆破开挖引起的主振频率远大于坝体闸门的自振频率，有利于降低共振效应，减少质点振动速度，保证了取水闸门的安全。

25安全最大段药量预测

从表2中可以看到，14组监测数据中，对于质点振动速度而言，垂直方向的一般大于水平径向和水平切向，而水平径向和切向数据较为接近，未出现明显规律。由此看来，垂直方向的振动速度是引起破坏的主要因素，在工程实践中需要重点进行考虑和控制。

质点振动速度存在超过质点振速控制标准 [v]=50 cm/s的情况， 故应根据回归式（6）～式（8），取质点振速控制标准值v=50 cm/s对不同爆心距处单段最大段药量进行预测控制（见表3）。

从表3中可以看出，所需控制的最大段药量一般由垂直方向的最大段药量控制。设爆破中心点与闸门监测测点的距离为100 m， 则控制最大段药量Q可取4433 kg，即当单段最大药量不大于4433 kg时，方能同时满足闸室混凝土结构质点振速控制标准的安全允许振速要求。为了确保安全，应严格控制最大段药量和一次起爆总药量，根据以上计算结果，随后的爆破过程中，严格满足表 3中安全数值，起到了较好的控制效果。

3结论

对台山核电站取水明渠陆上挖岩爆破振动的41组监测数据进行M.A萨道夫斯基经验公式回归分析，分别计算出其水平径向、水平切向和垂直方向的场地系数K和衰减指数α，得到了三维方向爆破振动速度传播衰减规律。

对于所测同一次爆破监测数据，就质点振动速度而言，垂直方向的一般大于水平径向和水平切向，但由于垂直方向衰减系数α值最大，故垂直方向爆破振动速度的衰减较快，随着距离的增加，其垂直爆破振动速度的值将小于水平径向和水平切向爆破振动的数值，因此在评价爆破振动产生的破坏时，不应单一选取爆破振动速度的垂直分量作为评判标准，而应选择所处测点位置振动速度分量中的最大值。

运用vib-sys数值振动信号采集与分析系统，基于FFT快速傅立叶变换原理，对爆破振动监测数据进行频谱特性分析，得到了爆破地震波的主振频率值集中在10～50 Hz，并与闸门结构自振频率526 Hz进行对比分析可知，在一定程度上减少了共振效应，降低了质点振动速度。

针对闸室混凝土结构质点振速控制标准取[v]=50 cm/s的要求，通过回归分析给出了对于不同爆心距的安全最大段药量，保证了爆破时结构物的安全。

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