爆破震动对岩质高边坡的影响及控制措施研究.pdf

【 水利水电工程 】 爆破震动对岩质高边坡的影响及控制措施研究 杨 聃 紧水滩水力发电厂,浙江 丽水323000 摘 要分析了爆破振动对岩质高边坡的作用机理,总结了边坡施工过程中的减震控制措施,根据岩质高边坡稳定的影 响因素及爆破震动对岩质高边坡的作用机理,讨论了边坡工程的控制爆破技术。结合三峡工程实例,探讨了减震措施的 应用。结果表明,采取一定的减震措施,可以降低爆破震动对边坡的影响,保证边坡的安全。 关 键 词爆破震动;岩质高边坡;控制爆破 中图分类号TU542 文献标识码A 文章编号 1000 13792006 10 0068 02 大型水利水电工程、 露天开采工程及交通工程等的建设逐 渐向复杂环境、 复杂地质条件场地推进,与之相关的自然斜坡 和人工高边坡稳定性问题显得越发突出。某些水电工程人工 高边坡已高达200～400 m。在工程建设中,爆破作为一种经 济、 快速、 有效的边坡岩体开挖手段,已获得了广泛应用。爆破 开挖时对边坡岩体产生动力扰动破坏,造成局部岩体结构受损 和岩石破碎脱落,既弱化分解岩体的抗力,又引起岩石应力重 分布和渗流场的改变,削弱了边坡稳定条件,有可能引起岩质 高边坡失稳,产生重大安全事故。因此,有必要研究爆破震动 对岩质高边坡的影响。 1 对高边坡稳定的影响 岩质高边坡的安全稳定性不仅与地形地质条件有关,而且 与施工方案有关,特别是与采用的爆破技术和爆破方案密切相 关,但起决定作用的是边坡本身所具有的内部特性 [1]。爆破开 挖不仅改变了原地形、 覆盖层和坡脚的约束条件,随着时空条 件的变化,边坡结构及相互间力学关系发生变化,而且爆破动 荷载的振动作用产生的地震惯性力对边坡稳定也产生不利影 响。邻近边坡爆破的危害,主要是一种远距离的间接破坏,其 作用媒介是由爆破产生、 沿边坡传播的爆破地震波。 爆破地震波对边坡的破坏作用主要表现在① 使边坡围岩 中的剪应力增大,使原生结构面、 构造结构面、 原有的裂纹裂隙 扩展和延伸,甚至产生新的爆破裂纹和微裂纹,从而影响了边 坡的整体稳定性;② 使地下水状态发生改变,直接或间接地影 响到滑移处的阻滑能力,同时震动惯性力也对边坡形成了一个 致滑力;③ 对远区的边坡岩体施加的动荷载,虽然已衰减到不 足以直接造成岩石破裂,但对于比岩石强度低得多的节理、 层 理、 裂隙等原有应力破坏区的软弱面而言,则可能引起这些软 弱面部分松裂,裂隙扩展延伸,造成岩体“ 内伤 ”,形成一定范围 的爆破松动区,从而大大降低边坡的承载能力和稳定性。生产 爆破长年反复对边坡产生的动载冲击作用,将使上述破坏效应 得到不断的加强和延续,产生近似材料的蠕变或岩石内部的损 伤累积,当这种蠕变或损伤积累超过边坡稳定的临界值,则发 生边坡的失稳 [2]。 实际工程中,不加控制的爆破施工将导致边坡外形粗糙, 过分破碎,悬垂倒坡突出,过度震裂,并且边坡顶部易产生延伸 的张裂纹,从而显著增加边坡的整治和养护费用。此外,因爆 破压力作用,使结构面松散、 开裂,地表水沿断层、 节理、 层面和 不连续结构面更容易渗入,而水的渗入将产生不利的地下水压 和不良的冻结作用,这将对边坡稳定性产生直接危害 [3]。 2 对岩质高边坡的作用机理 爆破地震波对边坡的作用机理已由单纯的动应力效应研 究,发展到研究爆破波致裂、 开裂累积、 爆破损伤与渗流耦合、 爆破触发水膜化、 高地应力区的爆破卸载等 [1,4]。 2. 1 爆破动力效应破坏岩体 岩体破坏不仅决定于介质力学性质差异,而且还与加荷性 质、 加荷速率明显相关。动应力破坏不受岩体中最薄弱部位控 制,破坏可瞬间在多处发生。爆破地震波对岩体的加荷速率可 高达107kg/ cm2s ,地 下 工 程 敏 感 范围 为103～104 kg/ cm2 s 。 此速率时岩体动态强度为静态强度的1. 30～ 1. 40倍。岩体受动荷载破坏时,其抗拉强度σp、 抗拉弹模Ep受 加荷速率vH影响的经验公式为 σpσp v 1[0.12lgvH 1 ] 1 Ep - Ep v 1[0.02lgvH 2 0.15 lgvH1]2 式中σp v 1、Ep v 1分别为加荷速率为1 kg/ cm 2 s 时的抗 拉强度与抗拉弹模。 对于高边坡开挖工程爆破等,其主振相振动周期多在10～ 60 Hz,振幅则决定于爆破相应药量,其对工程岩体作用之动、 静效应可按相应计算方法来确定。岩体介质中相应点在爆破地 收稿日期 2006 01 24 作者简介杨聃1977 ,男,浙江丽水人,助理工程师。 第28卷第10期 人 民 黄 河 Vol. 28,No. 10 2006年10月 YELLOW R I VER Oct . , 2006 震波作用下,动、 静应力之和大于相应固相强度时,岩体中产生 新裂隙,或裂隙延伸、 扩展与贯通,甚至掉块、 崩塌、 滑移,使边 坡体破坏。 2. 2 爆破损伤与渗流耦合的边坡弱化 从工程实践看, 95以上边坡失稳都与水影响直接有关。 随着边坡深凹化趋势加剧,地下水对边坡影响更突出。一般硬 岩边坡,上部强风化带渗透系数K 1.4～1.610- 3 cm /s, 向深部随节理裂隙化程度减弱主渗透系数可减至K1 1.8～ 2.010- 7 cm /s,在断层带通常可达K 2. 010 - 4 cm /s。具 体边坡工程应首先建立渗流地质概化模型。渗水及水密度对 边坡岩体稳定的作用通常只局限于两类效应使岩体强度减弱 的软化与减强效应;影响边坡安全系数的浮托力、 水平推力、 减 少有效孔隙压力的坡体效应。渗流场在于研究动水压力,渗流 与爆破损伤的耦合作用方式为损伤 渗流 损伤,耦合作用过 程也是边坡岩体弱化加剧过程。 2. 3 爆破开挖促成高地应力边坡体卸载 在水利工程建设中,边坡体同样应考虑爆破作用导致边坡 体卸载。如龙滩的进水口高边坡,经实测岩体残留有构造应 力。为分析地应力场对边坡稳定影响程度,进行了自重应力场 与构造应力场的比较计算。计算结果表明两种应力场的主要 差异是水平应力,而垂直应力差别较小,按实测应力场计算的 坡脚应力集中程度明显高于自重应力场计算结果。边坡开挖 后,两种地应力场条件的计算位移差别甚大,位移分布特征明 显不同,构造应力对边坡稳定的影响显著一是造成局部应力 集中值过高,可能引起岩体的强度破坏;二是引起开挖面附近 岩体松动变形较大,易产生开裂、 倾倒变形破坏 [5]。 2. 4 爆破震动促成边坡体中泥化夹层水膜化 泥化夹层是特殊地质体,在我国各类地质结构中广泛存 在,是过去一直被忽视的边坡稳定隐患。我国已发现存在泥化 夹层的工程有黄河小浪底、 广西大藤峡、 河北张坊、 湖南五强 溪、 葛洲坝水利枢纽工程。爆破触发泥化夹层水膜化,最优含 水量发生变化,将导致大滑坡。 3 减震控制爆破技术 控制爆破技术是减少爆破震动对岩质高边坡影响的关键 措施,主要从减小震源的爆炸能量与阻断或减弱爆破地震波的 传播两方面来考虑。具体采用何种方法、 如何选取合理的爆破 设计参数,国内外学者进行了大量的理论研究和方法探索,并 取得了丰硕的成果,所依据的基本原理如下。 1爆震波的分离阻隔。为了使有破坏作用的爆破地震波 不能到达需保护的边坡或减弱其作用强度,通常采取在保护边 坡附近的一定区域进行减弱爆破,形成一裂缝或破碎带,将保 护区和爆破破碎区分隔开,有效地阻隔或减弱后续生产爆破的 震动效应。 2分散装药减小震源能量。爆破在矿岩介质中形成的震 动效应无法消除,震动的强弱取决于震源能量的大小。而震动 强度达到一定值时才会发生边坡破坏和失稳,分散装药可减小 震源能量,从而减少爆破震动对岩质高边坡的影响。 3多段延时减小单响药量。实测表明,在爆源近区震动 的大小与单孔药量大小有关,而在爆源的中远区,震动的强弱 主要取决于实际的单响药量。生产爆破往往一次爆破少则十 几个孔,多则上百个孔,即使单孔药量不会危害边坡,但多孔的 共同作用会在中远区产生很大的震动破坏效应。高陡边坡正 是处于爆破的中远区作用范围,因此要有效控制爆破震动强 度,必须减小单响药量。为此通常采用多段延时起爆技术,以 增加起爆段数来降低单响药量 [2]。 4 工程实例 三峡工程临时船闸与升船机修建在深开挖的花岗岩山体 中,深开挖形成的岩石高边坡最大高度达140 m。施工期岩石 开挖爆破所引发的地震动力效应是边坡稳定的重要影响因素。 爆破震动强度的有效控制与允许单响最大药量及合理的 微差起爆网路密切相关。在实际施工中,一般将深孔梯段爆破 的最大单响药量控制在300 kg、 预裂爆破最大单响药量控制在 100 kg时,不会造成震动超标问题。微差起爆网路的设计及现 场敷设,应能够切实保证各段药量按设计的时序分隔开来,各 相邻段之间的时间间隔不宜小于50 ms,应尽可能跳段选配毫 秒雷管。如图1为采取1～5段雷管作段间微差的梯段爆破典 型振动波形,波形出现明显的叠加,从而导致振动量成倍增加。 由此可见段间名义25 ms微差是远远不够的。图2则为选用高 段位毫秒雷管起爆网路的爆破振动波形,由于段间的间隔时间较 长,因此段间波形没有出现叠加,各段有明显的振动衰减期 [7]。 图1 段间名义25 m s微差的振动波形 图2 高段位毫秒雷管起爆的振动波形 另外在临时船闸与升船机开挖过程中,通过爆破方案的优 化设计,及时调整爆破开挖程序及爆破方案。首先在升船机深 槽左侧进行抽槽爆破以形成临空面,然后逐步往中隔墩方向扩 挖,当扩挖至所剩岩体的厚度为8～10 m,即达到中隔墩厚度的 1/3左右时,再在中隔墩直立边墙部位进行预裂爆破,最后再用 常规的梯段爆破技术将所剩岩体爆除 [8]。 5 结 语 1优化爆破参数,降低爆破震动负面影响。采用预裂爆 破和毫秒梯段爆破技术进行开挖,在坡面开挖和坡脚附近基坑 开挖中可获得明显的减震效果,同时使坡面和台阶面平整 光滑。下转第83页 96 第10期 杨聃爆破震动对岩质高边坡的影响及控制措施研究 的通行,道路修好后仍采取了各种各样的限制通行措施,这虽 有利于维持道路的完整和延长其使用寿命,但也带来了明显的 负面影响,尤其是沿黄群众对此很不理解。 鉴于以上情况,可考虑将防汛道路设置在大堤背河护堤地 外缘,这虽然可能增加初始投资,但可以通过将防汛道路与交 通公路结合而争取加大国家投资或发挥当地积极性,由当地政 府增加配套资金来解决。采取这种方案有以下好处① 有效避 免因堤顶过多行车而引发的对防洪工程的震动破坏或因堤顶 道路设卡而带来的负面影响;② 便于防汛抢险交通调度,通过 合理设置上堤道口,可以将抢险所需要的人员、 工具、 料物快速 直接地运送到指定地点,避免因堤顶既是交通要道又是抢险场 地而带来的相互干扰;③ 以沿堤防汛公路为界,使黄河工程的 管理分界以沿公路修建的排水沟为分界更加清楚、 明了,使 黄河工程更加完整,也更便于黄河工程的管理、 维修、 养护及开 发利用,从而消除背河淤背区及护堤地因不便于管理而形成的 管理死角,避免沿黄村民对背河护堤地及淤背区的蚕食性开垦 种植;④ 更易于塑造黄河沿岸生态景观线,也能让更多的人直 观地了解黄河工程的壮观及地上悬河的险要。 4淤背区包边。大堤淤背加固工程完成淤沙后要进行黏 土包边、 盖顶。现行的包边厚度垂直边坡为0. 3 m,笔者认 为该值偏小,建议增至0. 5 m,主要原因有① 包边厚度过小不 易于覆盖淤沙,易造成局部包边尺度不足,再加斜坡上易形成 水土流失,进而造成局部淤沙裸露,久而久之,易形成工程残 缺;② 包边厚度过小不能保持植被生长所需要的水分、 养分。 对于包边黏土层的厚度,可能存在这样一种顾虑 即渗 水或淤背区积水的渗出问题。实际上,即便是有水渗出,其出 逸点也不会很高,况且人们也不希望有较高的出逸点,对此,如 果确实需要考虑排水问题,仍可以采用加厚包边黏土、 而在边 坡低部坡脚设置沙石棱柱体排水或埋设集滤水、 汇水于一体 的排水管的方法来解决,以有效降低浸润线和出逸点高度。 5植树绿化与景观建设。建设标准化堤防工程除了追求 “ 防洪保障线、 抢险交通线 ” 的目标外,另一个目标就是实现 “ 生态景观线 ”,但现行的植树绿化标准与这一目标在一定程度 上有点不相吻合。在防浪林植树中,那种“ 保持原形、 能植则 植 ” 相对宽松的原则,可能使林带不够完整、 整齐、 美观;低档树 种及低标准的投入可能使堤防行道林的美观效果不足;淤背区 开发投入的不足,也不可能使淤区整理标准更高、 树株种植规 格更高、 生长效果及景观效果更好;另外,还缺少必要的景观设 计。在今后的设计中,是否可以考虑植树区域的整理、 必要的 基础设施建设、 植树投入标准的提高、 重点区域堤防、 险工及 重点段落如黄河“ 三口 ” 、 城市近郊等的绿化和景观设计,努 力做到“ 建设为管理创造条件 ” 。 6增加必要的标志性设施。如临背河边界处的排水沟就 很有必要,这不仅使界属清楚、 工程完整,也可防止因侵占种植 而破坏工程和因工程排水而造成对农田的淹没损害。 2. 2 工期管理有待强化 标准化堤防建设项目多、 任务重、 战线长、 涉及面广、 相互 影响大,工期管理存在较大困难。结合第一期工程建设情况, 笔者认为在工期管理上可以实行分阶段控制的原则,即①对 于涉及迁占工作的工程,将迁占工期和施工建设工期分别加以 确定和控制;② 相衔接的不同建设项目之间要有尽可能确保后 续工程质量的工期间隔,如在新加高的堤顶上修做防汛道路, 在确定总工期时要尽可能地留出比较长的间隔,不至于因赶工 期而影响后续工程质量如使本来就很难避免的不均匀沉陷裂 缝更加明显、 加剧。 3 结 语 标准化堤防建设涉及到很多方面,需要得到更多的关注、 支持,并不断完善管理措施,在确保工程质量的前提下,加快工 程建设速度,以发挥投资效益、 尽快实现工程的整体效能,为实 现下游河道的科学治理和维持黄河健康生命创造条件。 【 责任编辑 翟戌亮 】 上接第69页 2控制单段药量,降低坡脚震动速度。利用控制边坡坡 脚的爆破震动速度来控制爆破震动对边坡稳定的影响,被认为 是最直观又简单易行的方法。 3对爆破方案进行优化设计,根据地形地势条件及时调 整爆破开挖程序。 参考文献 [1] 张永哲,甑胜利.漫湾电站开挖爆破对高边坡动力稳定影 响的分析研究[J ].工程爆破. 1996, 1. 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