第２７卷第２期 爆破 Ｖ０１．２７ Ｎｏ．２ ２０１０年６月 ＢＬＡＳＴＩＮＧ Ｊｕｎ．２０１０ ＤＯＩ：１０．３９６３／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—４８７Ｘ．２０１０．０２．０２５ 混凝土纵向围堰拆除爆破减振措施及效果研究 朱学贤 ，王秀Ⅲ、２，熊新宇’，张春燕 （Ｉ．长江水利委员会长江勘测规划设计研究院，武汉４３００１０；２．长江水利委员会长江科学院，武汉４３００１０） 摘要：提出了混凝土纵向围堰拆除爆破一种新的减振措施，即“预先形成减振带、靠近保护对象区域的 炮孔底部设置柔性垫层”的减振措施。通过理论分析和数值仿真计算表明，减振带的设置，增强了对爆破应 力波的反射作用，从而产生隔振效果，减振效果达到７５％以上。研究成果成功运用于东坪水电站和株溪口 水电站混凝土纵向围堰拆除爆破工程中。 关键词：拆除爆破；爆破振动；混凝土纵向围堰；减振带 中图分类号：ＴＵ７４６．５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—４８７Ｘ（２０１０）０２—００９２—０４ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｄａｍｐｉｎｇ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ Ｄｅｍｏｌｉｔｉｏｎ ｏｆ Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｃｏｆｆｅｒｄａｍ ＺＨＵ Ｘｕｅ－ｘｉａｎ ，ＷＡＮＧ Ｘｉｕ－ｊｉｅ ，ＸＩＯＮＧ Ｘｉｎ—ｙｕ ，ＺＨＡＮＧ Ｃｈｕｎ—ｙａｎ （１．Ｃｈａｎｇｊｉａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｕｒｖｅｙ Ｐｌａｎｎｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｒｅｓｅａｒｃｈ，ＣＷＲＣ，Ｗｕｈａｎ ４３００１０，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｙａｎｇｔｚｅ Ｒｉｖｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｉｆｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＣＷＲＣ，Ｗｕｈａｎ ４３００１０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａ ｎｅｗ ｍｅａｓｕｒｅｓ，ｐｒｅｓｈａｐｉｎｇ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｄａｍｐｉｎｇ ｚｏｎｅ ａｎｄ ｉｎｓｔａｌｌｉｎｇ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｌａｙｅｒ ｏｎ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｆｏｏｔ ｎｅａｒ ｔｏ ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ ｏｂｊｅｃｔｓ，ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｄｅｍｏｌｉｓｈｉｎｇ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｃｏｆｆｅｒｄａｍ Ｗ８８ ｐｒｏ－ ｐｏｓｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｄａｍｐｉｎｇ ｚ０ｎｅ ｅｎ－ ｈａｎｃｅｓ ｔｈｅ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｓｔｒｅｓｓ ｗａｖｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｄａｍｐｉｎｇ ｅｘｃｅｅｄ ７５ ｐｅｒｃｅｎｔ，ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ａｐ一 ｅｄ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ｔｏ ｄｅｍｏｌｉｓｈ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｏｆ Ｄｏｎｇｐｉｎｇ ａｎｄ Ｚｈｕｘｉｋｏｕ ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｄｅｍｏｉｌｔｉｏｎ；ｂｌａｓｔｉｎｇ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ；ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｃｏｆｅｒｄａｍ；ｖｉｂｒａｉｔｏｎ ｄａｍｐｉｎｇ ｚｏｎｅ ０ 引言 在水利水电工程中，｝昆凝土纵向围堰是导流工 程的主要组成部分，其布置的位置一般与大坝或闸 墩相连，与大坝基础的帷幕灌浆区、混凝土铺盖、闸 门、发电厂房及设备等相邻，见图１。因此在围堰拆 除爆破时必须采取相应的控制爆破措施，如设置减 振孔或预裂（光面）爆破、预留保护层等，以确保保 护对象的安全。这些措施对降低爆破振动有一定的 作用，但均存在一定问题，如预裂爆破或光面爆破本 身产生的爆破振动效应就有可能超过保护对象安全 允许范围；预留保护层再分层拆除的方法则延长工 程施工工期、增加工程投资等。 收稿日期：２００９—１２—３１ 作者简介：朱学贤（１９７７一），男，工程师，硕士，研究方向：工程爆破， Ｅ—ｍａｒｌ：ｚｈｕｘｘ５８＠１６３．ｃｏｎｌｏ 图１某水电站混凝土纵向围堰布置图 第２７卷第２期 朱学贤，王秀杰，熊新宇，等混凝土纵向围堰拆除爆破减振措施及效果研究 ９３ 针对混凝土纵向围堰的布置特点，提出了在围 堰与相连的保护对象之间设置减振带、在靠近保护 对象的炮孔底部设置柔性垫层的减振措施，通过 １．３减振效果研究 １．３．１计算模型 以东坪水电站混凝土纵向围堰拆除爆破工程为 依托，选取围堰与导墙连接段作为计算模型，为简化 ＡＮＳＹＳ／ＬＳ—ＤＹＮＡ软件对减振措施的减振效果进行 模拟计算分析，得出具体的减振率，并将研究成果成 功运用于湖南资水东坪水电站和株溪口水电站混凝 计算，只计算单个炮孔的爆破工况。计算模型范围： 堰底以下岩石范围５０ ｍ，导墙长度５０ ｍ，围堰长度 土纵向围堰拆除爆破工程中。 １减振措施和减振效果研究 １．１减振措施 １）主体围堰爆破拆除前，在与永久建筑物连接 处的围堰部位预先形成１条减振带，阻止围堰主体 爆破时应力波直接传人闸墩和导墙。 减振带长１．５ ｍ，采用大布孔密集系数，小直径 药卷，松动爆破的方式，在混凝土纵向围堰实施爆破 前先爆破。由于是松动爆破，减振带单耗和单段药 量都不大，通过采用单孔单段的爆破方式，远小于预 留爆破或光面爆破对相邻保护对象的损害。 ２）在靠近保护对象的炮孔底部设置柔性垫层， 有效地降低爆破振动。 在炮孔底部设置柔性垫层是水利水电工程保护 层开挖爆破的常见的措施。柔性垫层可用锯末等低 密度、高孔隙率的材料，或直接用竹筒。 １．２减振原理分析 爆炸应力波是造成建（构）筑物破坏的主要能 源。当主爆孑Ｌ爆破产生的应力波传到减振带后，波 的一部分能量反射回去，另一部分能量透过减振带 中的介质继续传播。此时，减振带界面上的应力的 转换可由下式确定： Ｐ２Ｃ２一Ｐｌ Ｃ】 ，．、 反 入 折 人 ２ｐ２Ｃ２ ，一 ｚ 式中，仃 为界面上的反射波应力； 为界面上的 入射波应力；Ｏｒ折为界面上的折射波应力；ｐ 、Ｃ 为分 别为人射波通过介质的密度与波速；｜ｐ 、Ｃ：为分别为 折射波通过介质的密度与波速。 减振带在实施松动爆破后，区内由空气和碎混 凝土填充，且有一定的宽度，由于空气的波阻值 ｐ：ｃ 对于岩石的波阻抗值Ｐ。Ｃ。而言可忽略不计。 由于上式可知： 反＝一 人 （３） 折＝０ （４） 因此，由于减振带的设置，增强了对爆破应力波 的反射作用，从而产生隔振效果。 ３０ ｍ。由于模型属半无限体，为消除人为边界处的 反射波对结构动力响应的影响，将围堰上、下游两侧 以及岩石底部和四周设定为非反射边界，其余界面 为自由界面。计算分有减振措施和无减振措施２种 工况，计算分析减振措施设置前后爆破振动传播规 律，确定具体的减振率。计算分析程序采用国际通 用程序ＡＮＳＹＳ／ＬＳ—ＤＹＮＡ。三维网格划分见图２、无 减振带网格见图３（局部）、设置减振带网格见图４ （局部）。 图２三维网格划分图 围堰Ｃ１５砼 导墙ｃｚｏｒ￣： 图３无减振带网格图（局部） １．３．２计算参数 堰底基岩取Ⅱ级岩石；导墙混凝土为Ｃ２０；减振 爆破 ２０１０年６月 带的混凝土经过爆破后，除其内部产生众多裂缝外， 表２中， 。为材料密度，ｋｇ／ｍ ；Ｄ为爆速度， 其强度等级大大降低，为简化计算，采用降低其材料 参数按Ⅳ类岩来考虑，其计算结果偏安全。计算采 用的材料力学参数见表１。 ｍ／ｓ；ＰＣＪ为Ｃｈａｐｍａｎ－Ｊｏｕｇｅｔ压力，ＧＰａ；Ｇ为体积模 量，ＧＰａ；ＳＩＧＹ为屈服应力，ＧＰａ。 表３中，Ａ， ，Ｒ ，Ｒ２，ＯＭＥＧ为常数；Ｖｏ为体积； 为能量。 １．３．３计算结果 目前，爆破振动安全监测大都以质点振动速度 的峰值作为爆破振动效应的标准。取导墙顶部距减 振带５ ｍ、１０ ｍ、１５ ｍ、２０ ｍ距离处质点在设置减振 图４设置减振带网格图（局部） 表１计算采用的材料力学参数 材料 ， 泊 比 堰底基岩 ２６．０ ３０．０ ０．３５０ ３．５０ 围堰混凝土（Ｃ１５）２４．５ ２２．０ ０．１６７ ０．９１ 导墙混凝土（ｃ２０）２４．５ ２５．５ ０．１６７ １．１０ 减振带混凝土 ２４．５ ３．０ ０．３００ ０．５０ 爆源模拟单孔爆破情况，炮孔深１０ ｍ，堵塞２．０ ｍ，装药长８．０ ｍ，孑Ｌ径９０ ｍｍ，药径７０ ｍｍ，采用不 藕合装药结构。本文采用了ＬＳ—ＤＹＮＡ内建的高性 能炸药材料和状态方程来模拟炸药的爆轰过程。爆 轰产物的状态方程反映了压力与体积应变（或密度 变化）之间的关系，是材料的重要特性之一，计算中 采用ＪＷＬ状态方程，其表达式为 Ｐ＝Ａ（ 一 ）ｅ （－一 ）ｅ－Ｒ２ （５） 式中， 是体积变化，Ａ，Ｂ，∞，Ｒ ，Ｒ２，Ｓｏ是材料常数。 计算炸药材料参数见表２ＪＷＬ状态方程参数见表３。 表２炸药材料参数表 ２．１４Ｅ＋９ １．８２Ｅ＋９ ４．２０ ０．９０ ０．３０ ４．１９Ｅ＋９ １．００ 前后的振动速度时程曲线，见图５一图１２，最大振动 速度对比见表４。 ２ ６ 。ｍ ４ ｆ ３ ＾ｌ一＾ ．…一 ． 二 ０－● ‘ｙ ｏ． 一０．１０ ０．１５ ｏ． 一６ － －８ 图５距减振带５ ｍ处振动速度时程曲线 （减振措施设置前） ２．Ｏ １．５ ｆ １．０ ０．５ ｇ ０．０ ｖｏ．１－０ ０１５— ０－０． ● Ｏ Ｖ＼＼＾ ．八．＾／ｏ、ｖ ．一 一．一 ． ．． － －１．５ － －２．Ｏ 图６距减振带５ ｍ处振动速度时程曲线 （减振措施设置后） ８ ６ ＿ ４ － ２ ０ ．＾ Ｉ． ． ｒ＼．．， 一 ． —２ 一ｄ ．０１ ｖＶ＂Ｖ ＂ｏ．ｏ－ｖ５＇一Ｏ．．１０ ｏ．１５ ０． 一６ －８ ： 图７距减振带１０ ｉｎ处振动速度时程曲线 （减振措施设置前） １．５ １．０ ● ， ‘∞０．５ ｇ ０．０ ＿Ｊ 饥 Ｉ ，、、．一一 ．一 －０．５ ● Ｏ Ｕ ～ ０． １．０ ● —一１．５ １ 图８距减振带１０ ｍ处振动速度时程曲线 （减振措施设置后） 第２７卷４ ３ ● 第２期 朱学贤，王秀杰，熊新字，等混凝土纵向围堰拆除爆破减振措施及效果研究 ９５ 工程预裂爆破试验得出了预裂缝的减振率由近及远 达到４８．２％一７０．８％。一些学者的研究也表明“爆 一一＼，， 、２ １ ：／ Ｉ ｈ ＾＾ ０ ’Ｉ＾ｆ ＿ 茸０ ＾ｆ、＾ Ｖ 一 破地振波在传播至预裂缝时，由于预裂缝间空气帷 ０． 二 一—Ｗ Ｖ ０．Ｏ５ ０．１０ ０．１５ ● 幕的阻隔，会形成地振波屏蔽区，屏蔽区越大，隔振 效果越好，而屏蔽区的大小与预裂缝参数（即长度、 厚度、深度）密切相关” ；“断层对爆破振动的平均 减振率是随着断层厚度的增加而变大” Ｊ。本文的 ３ ’１ ４ Ｔ／ｓ 图９距减振带１５ ＩＴＩ处振动速度时程曲线 （减振措施设置前） 计算结果也验证了这些结论，并通过计算得到出具 ０．６ ０．４ ０．２ ・ Ｏ ：／、 １ 一．√＼… …一 ｇ一０．２ 一ｏ．４ －０．６ ；＼ ＼／ ． 、／ｏｖ。。 ：． 。． ０ 一Ｏ．８ 图１Ｏ距减振带１５ ｍ处振动速度时程曲线 （减振措施设置后） ２．５ ２．Ｏ —１．５ ６：２ 目０ 一一 －０Ｌ．５ ～ｄ５ ０． 一１．５ －２．０ －２．５ ，ｓ 图１１距减振带２０ ｍ处振动速度时程曲线 （减振措施设置前） Ｏ．６ Ｏ．５ ＿ Ｏ．４ Ｏ．２ Ｏ．１ Ｏ ＾＾ｒ＼ ＾八 ，、八＾，、．一 —Ｏ．１ 一Ｏ．２ －０．３ 一Ｏ．４ 。Ｕ ．。 ～ 一０ ＿Ｏ －０．５ Ｔ／ｓ 图ｌ２距减振带２０ ｍ处振动速度时程曲线 （减振措施设置后） 表４不同距离处最大振动速度对比表 １．３．４减振效果分析 １）由表４可知 川，在设置减振措施后减振效果 明显，减振率达到７５％以上。张正宇等人在葛洲坝 体的减振率。 ２）从质点振动速度时程曲线还可以看出，在设 置减振带前，振动频率高，主振相持续时间短；而在 设置减振带后，振动频率也较低，振动周期和主振相 持续时间变长。这也符合一般工程的认识：减振带 的设置，使得地振波中的高频成分急剧衰减，越到远 区，振动波频率越低，振动周期因而变长。 ３）在靠近保护对象的炮孔底部设置柔性垫层 的减振作用有２个。首先，围堰炮孔内炸药爆炸时， 部分应力波由堰底的基岩出入保护对象，从而产生 爆破振动效应引起破坏，柔性垫层的设置，增强对爆 破应力波的反射；其次，围堰炮孔内炸药爆炸后所产 生的冲击波和爆破气体作用于孔壁产生径向裂隙和 环状裂隙同时，通过柔性垫层的可压缩性及对冲击 波的阻滞作用，大大减少了对炮孔底部的冲击压力， 从而起到了对保护对象的保护作用。 ２实际工程应用 东坪水电站和株溪口水电站混凝土纵向围堰拆 除爆破工程均位于资水干流的中游湖南省安化县城 关附近，围堰体形为梯形构造物，围堰均与闸墩、导 墙连接，与闸门、帷幕灌浆区、厂房及民房相邻，拆除 方量分别为２．２万ｍ 、１．２万ｍ 。围堰拆除爆破 时，要求爆破振动效应不得对闸墩、导墙、大坝基础 的帷幕灌浆等保护对象造成破坏，因此爆破拆除难 度大。 为减小爆破振动的有害效应，采用在围堰与闸 墩、导墙连接的堰块部位通过松动爆破的方式预先 形成减振带，以及在上、下游靠近保护对象的堰块炮 孔底部设置柔性垫层的减振措施；此外，为将爆破振 动效应降至最低，还采用了毫秒微差起爆网路来控 制每一段起爆药量都小于最大允许一段起爆药量等 措施。减振带钻孔布置见图１３；爆破后效果见图 １４；爆破参数见表５。 （下转第１０５页） 第２７卷第２期 谭卫华，林临勇，庄建康拆除爆破的飞石防护 １０５ 管道的破坏，在这２个构（建）筑物前方搭设排栅， 排栅挂竹笆等防护材料。冷却塔防护长度为４０ ｍ （烟囱倒塌方向中心线左右各２０ ｍ），防护高度为 １０ ｍ；西侧架空管线防护长度为４０ ｍ（烟囱倒塌方 向中心线左右各２０ ｍ），防护高度为６ ｍ。 ３．５安全警戒范围 算，烟囱向东倒塌长度为２８ ｍ，向西倒塌长度为 ２２．５ ｍ，简体破碎充分；飞石控制在设计范围内，四 周厂房的所有设备和生产线安全运行，周边各类建 （构）筑物及地下管线安然无恙。 参考文献 ［１］杨宝全，卢 琦．控制爆破产生飞石的原因及其防治 ［Ｊ］．采矿技术，２００３，３（４）：７６－７７． ［２］ 康 宁．工程爆破中的飞石预防和控制［Ｊ］．爆破， １９９９，１６（１）：８１－８８． 本次控制爆破，爆破振动、冲击波、噪音比较容 易得到有效控制。由于爆破部位高，要对爆破飞石 作重点加强防护、使爆破飞石控制在２０ ｍ左右。按 照《爆破安全规程》要求，本次爆破警戒范围确定为 烟囱四周２００ ｍ。 ３．６爆破效果 ［３］ 邵必林，惠鸿斌．拆除爆破飞石产生的原因与防护措 施［Ｊ］．西安矿业学院学报，１９９８，１８（３），２８０－２８６． ［４］范磊，郭涛，李裕春，等．复杂环境中连体楼房控 制拆除技术研究［Ｊ］．爆破，２００９，２６（４）：５３－５６． 爆破后，烟囱按设计呈“之”字形倒塌，经爆后 检查，倒地后爆堆最大高度４．５ ｍ；自烟囱中心线计 （上接第９５页） 两围堰分别于２００７年８月１５日、２００８年９月 ３０ Ｆｔ成功拆除爆破，通过各种安全监测手段及爆后 宏观调查取得的资料均表明：拆除爆破产生的爆破 振动等有害效应对周围建筑物没有造成不利影响， 建筑物均处于安全状态，电厂机电设备运行正常，居 民区生产生活正常。 图１４减振带爆后效果图 ２）将研究成果成功应用于东坪水电站和株溪 口水电站混凝土纵向围堰拆除爆破工程中。从爆破 振动安全监测及爆后宏观调查结果看，各保护对象 未受爆破振动破坏，爆破减振措施对减低爆破振动 效应行之有效。 图１３减振带钻孑Ｌ布置图（单位：ｅｍ） 表５减振带爆破参数表 ． 根据我国水资源开发规划，陆续将有大量水利 水电工程投人建设，纵向混凝土围堰拆除爆破减振 措施的研究成果和成功经验，可应用于国内外类似 工程围堰的拆除设计与施工，其应用前景非常广阔。 参考文献 ［１］张正宇，张文煊，吴新霞，等．现代水利水电工程爆破 ３ 结论 １）提出了混凝土纵向围堰拆除爆破新的减振 ［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，２００３． ［２］罗毓，刘雁鹰，易长平．预裂缝参数对减振效果影响 的数值分析［Ｊ］．爆破，２００７，２４（２）：２５－２７． ［３］李瑞青，许红涛，陈占军，等．含断层高边坡在爆破振 措施，即“预先形成减振带、靠近保护对象区域的炮 孑Ｌ底部设置柔性垫层”的减振措施，并通过理论分 析和数值仿真计算减振效果能达到７５％以上； 动作用下的动力响应特性研究［Ｊ］．中国农村水利水 电，２００７（１２）：６７－７０．