CN104390537B - 一种基于爆破振动测试的边坡预裂爆破开挖损伤控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于爆破振动测试的边坡预裂爆破开挖损伤控制方法，利用前几个台阶的爆破开挖，在边坡爆破开挖损伤区声波检测和相应的爆破振动监测的基础上，建立不同高差条件下数个爆心距的爆破质点峰值振动速度与损伤深度间的统计关系，再利用边坡梯段爆破时诱发的质点峰值振动速度来对开挖损伤区深度进行预测，并提出单响药量控制建议。通过前几个台阶的爆破振动测试成果与损伤区的声波检测建立起质点峰值振动速度与边坡开挖损伤区之间的关系后，只需对后续台阶进行爆破振动监测，结合地质资料进行综合分析调整，即可判定边坡开挖损伤区深度，方便快捷、高效经济；可通过控制最大单响药量来控制岩质边坡爆破开挖损伤，具有很好工程推广应用价值。

Description

一种基于爆破振动测试的边坡预裂爆破开挖损伤控制方法

技术领域

本发明涉及水利水电和岩土工程领域，具体的说是一种基于爆破振动测试的边坡预裂爆破开挖损伤控制方法，适用于水利水电工程、交通、露天矿山开采等领域边坡预裂爆破开挖的损伤控制。

背景技术

岩体爆破开挖过程中，由于爆炸荷载的作用，在完成岩石爆破破碎的同时，不可避免地对保留岩体产生动力损伤；同时随着新的自由面的形成，保留岩体的物理力学性能发生扰动和劣化，形成所谓的开挖扰动区或开挖损伤区。开挖扰动区或开挖损伤区将对保留岩体及工程建筑的安全造成不利影响。合理准确地控制岩体开挖爆破影响范围，并对开挖扰动区或开挖损伤区的范围进行预测，能有效地确保施工安全，满足施工工艺的要求，并减少工程投资。

岩质边坡的开挖步骤通常是：首先在保留岩体附近形成预裂面，然后再由远及近分别进行主爆孔和缓冲孔起爆。预裂缝形成之后，由主爆孔和缓冲孔产生的应力波不能直接穿过预裂缝对保留岩体产生损伤效应，因此，靠近保留岩体的预裂爆破是形成损伤区的主要原因。

目前，对于岩石边坡爆破开挖损伤范围的判定主要依靠开挖完成后的现场测试来完成，工作量大、效率较低，常用的检测方法主要可以分为以下三类：1)用金相学的方法直接观测岩体中微缺陷的数目、形状、大小、取向、分布形态、裂纹的性质以及各类损伤表观的现象，包括光学显微镜和电镜的观察和扫描、X射线成像、CT扫描、红外和紫外摄像以及半孔率的测定等方法；2)利用钻孔电视，钻孔孔壁经LED光源照亮，CCD摄像机摄取由锥形镜反射的孔壁图象，图象信息经电缆传送至控制器和电脑，整个采集过程由图象采集控制软件系统完成，此系统把采集的图象展开和合并，记录在电脑上，通过图像处理和分析得到损伤深度；3)通过测量岩体宏观物理和力学行为的变化，间接确定岩体损伤范围，包括岩体弹性模量测试、声发射、声波测试、地震波测试、电阻测试及压水试验等方法。声波测试由于测试方便和成果易判读等优点在岩体工程中得到了普遍的应用，另外在条件允许的情况下也会引入钻孔电视的方法。

我国正在兴建或待建的一大批大型或特大型水电工程，如金沙江上的溪洛渡、白鹤滩、乌东德和向家坝及雅砻江上的锦屏一级、二级等工程，均分布在我国西南地区的崇山峻岭、深山峡谷之中，这些地区的边坡一般高而陡，坡角一般超过45°，大多在70°到90°之间；工程边坡高，可达300～600m以上；地势险峻，地质条件差，开挖技术要求高。另外，随着开挖台阶的不断下降，边坡越来越高陡，需要严格控制开挖爆破对高边坡稳定的影响，对每级边坡开挖的损伤区进行检测。当前的岩质边坡开挖损伤区声波检测方法需要在坡面钻设一定数量(分组)的声波孔，每组声波孔测试次数一般不少于3次，原则是直到波速衰减基本稳定时为止。测试时间尽量靠近爆破时间，大部分测区爆前初测在主爆前1～2天，爆后1～2天内进行第2次和第3次测试。

声波钻孔工作量大，而且声波钻孔与爆破钻孔交错在一起，存在冲突；爆前爆后声波检测历时长，工作量大；测试时，首先要往孔中灌满水进行耦合，对于与节理裂隙相通而不能灌满水的钻孔，测试时保证有流动水，从而导致现场声波检测时水耦合难以保证，测试误差较大；尤其是当边坡高度很大时，为了检测的顺利进行，可能需要在声波孔周围搭建临时支架，声波检测的难度和成本成倍增加。

为确保检测成果的可靠性，声波检测前，对所采用的仪器设备按规范要求进行校验，并对声波仪和换能器系统的零延时进行测定；声波测试过程中，按照0.2m的间隔进行读数；对每一测点应测读两次，取其平均值为读数值；对异常测段和测点，必须读数三次，读数差不宜大于3％，以最接近的两次测值平均值作为读数值；读数时经常会遇到读数不稳定的情况，需要耗费大量时间，获取声波波速的效率较低。

此外，爆破开挖时往往还会对爆破振动进行监测，通过监测获得爆破所分别诱发的三个方向的质点峰值振动速度(PPV)，并对爆破振动监测结果进行回归分析，建立开挖爆破振动传播的数学模型，确立其传播衰减规律。仅利用此传播衰减规律只能由得到的一定爆心距的质点峰值速度是否超过允许的限定值来判断是否存在损伤，而无法确定爆破损伤深度。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种基于爆破振动测试的边坡预裂爆破开挖损伤控制方法，利用前几个台阶的爆破开挖，在边坡爆破开挖损伤区声波检测和相应的爆破振动监测的基础上，建立不同高差条件下数个爆心距的爆破质点峰值振动速度与损伤深度间的统计关系，再利用本次边坡梯段爆破时诱发的质点峰值振动速度来对开挖损伤区深度进行预测，并提出单响药量控制建议。

一种基于爆破振动测试的边坡预裂爆破开挖损伤控制方法，包括如下步骤：

步骤1，利用爆破振动监测系统，根据地形条件及现场场地条件，在边坡爆破开挖区后方合理布置多个测点，同一测点布置一台三向振动速度传感器，然后将振动信号自记仪与其相联；爆后将振动信号自记仪采集到的振动信号输入电脑中，对振动信号进行存储与分析处理；

采用萨道夫斯基公式预测爆破地震波衰减规律

$v=K{\left(\frac{Q^{1/3}}{r}\right)}^{\mathrm{\α}}={\mathrm{K\ρ}}^{\mathrm{\α}}---\left(1\right)$

式中：v为峰值质点振动速度，cm/s；Q为单响药量，kg；r为爆心距，m；ρ表示比例药量；K、α是与爆破方法、场地条件相关的系数，与爆破方式、装药结构、爆破点至计算点间的地形、地质条件密切相关；通过回归分析，得到不同梯段的爆破振动的衰减规律；

回归分析方法如下

根据式(1)，其方程两边取常用对数得到：

lgv＝lgK+αlgρ(2)

令y＝lgv，x＝lgρ，b＝lgK，则有：

Y＝αx+b(3)

则式(1)由非线性关系转化为一元线性关系，利用Matlab软件编程求出K、α值，从而确定式(1)；R²是方程的相关性系数，取值在0到1之间，越接近1，表明方程中X对Y的解释能力越强，当R²大于0.8时可以认为回归公式可信；否则，需将测得的数据中较突兀的点舍去再进行回归分析，直到满足相关性要求为止。

步骤2，利用声波检测系统，爆破前后分别进行声波测试，包括单孔和跨孔；爆破前从爆区表面钻斜向的声波孔，穿过爆区到达保留预裂面一定深度，爆破前1～2天进行第一次声波测试，测试时，首先往孔中灌满水(对于因钻孔与节理裂隙相通而不能灌满水的钻孔，测试时保证有流动水)进行耦合，然后根据不同情况进行单孔和双孔穿透试验，测试完后将孔内灌满沙子，对炮孔进行保护；爆破后待爆渣清理到合适高程，将炮孔中的细沙用高压风吹出，同爆破前测试一样进行爆破后的声波测试(包括单孔和跨孔)；

将采集到的声波信号输入电脑中，进行存储与分析处理；根据爆孔下爆后声波波速与爆前波速的差距随孔深逐渐减小的变化特点，以爆后波速下降率作为判定基岩松动的依据，其量化标准为：

$\mathrm{\η}=1-\frac{V_{P1}}{V_{P2}}---\left(4\right)$

式中，V_P1为爆破前所测岩体纵波波速，V_P2爆破后所测岩体纵波波速；η≤10％，认为无影响或影响甚微；10％＜η＜15％，认为影响轻微；η≥15％，认为爆破对岩体开挖有影响或基础岩体开挖质量差；10％波速下降率所对应的岩体深度即为爆破影响深度；绘出不同梯段的爆前、爆后平均声波波速随孔深变化的对比曲线，选定合理的声波波速降低率，由曲线确定岩体损伤区深度；

步骤3，建立起每一次边坡梯段爆破时预裂爆破所诱发的质点峰值振动速度与相应的边坡开挖损伤区深度间的关系；损伤区深度由爆前爆后单孔和跨孔声波检测共同确定，可以采用单孔和跨孔检测的平均值；为了提高精度，还应建立不同高程差和不同爆心距条件下，至少4～5个测点位置的质点峰值振动速度与边坡开挖损伤区之间的关系，绘出平均损伤深度与不同爆心距处的振动速度的关系曲线，并用经验公式拟合；

基岩损伤深度随质点峰值震动速度增加而呈指数增加，用以下公式表示：

v＝Ce^βh(5)

式中：v为峰值质点振动速度，cm/s；h为损伤深度，m；C、β为拟合系数；

回归分析方法如下：

根据式(5)，其方程两边取常用对数得到：

lgv＝lgC+βh(6)

令y＝lgv，x＝h，b＝lgC，则有：

Y＝βx+b(7)

则式(5)由非线性关系转化为一元线性关系，利用Matlab编程求出C、β值，从而确定式(5)；R²是方程的相关性系数，取值在0到1之间，越接近1，表明方程中X对Y的解释能力越强，当R²大于0.8时认为回归公式可信；否则，需将测得的数据中较突兀的点舍去再进行回归分析，直到满足相关性要求为止；

步骤4，由所需预测损伤深度的梯段的爆破地震波衰减规律公式计算出不同爆心距处的质点峰值振动速度，代入步骤3中得到的相应的不同高差和不同爆心距条件下拟合的经验公式，计算得到预测的损伤区深度，综合确定本次梯段爆破时边坡损伤区深度；

步骤5，由台阶保留岩体损伤深度的限定值算出对应的高差和爆心距处的质点峰值振动速度(PPV)，再通过已得到的该梯段的质点峰值振动速度衰减规律，求得单响药量，并对每次爆破的装药量进行优化，达到控制岩体损伤深度的目的。

所述爆破振动监测系统，包括用于检测垂直向振动速度的垂直检波仪、用于检测水平径向和水平切向振动速度的水平检波仪、振动信号自记仪、终端处理器，所述垂直检波仪、水平检波仪与振动信号自记仪相连，继而振动信号自记仪与终端处理器相连。

本发明一种基于爆破振动测试的边坡预裂爆破开挖损伤控制方法的优点是：

(1)通过前几个台阶的爆破振动测试成果与损伤区的声波检测建立起质点峰值振动速度与边坡开挖损伤区之间的关系后，只需对后续台阶进行爆破振动监测，结合地质资料进行综合分析调整，即可判定边坡开挖损伤区深度，方便快捷、高效经济；

(2)本发明方法可通过控制最大单响药量来控制岩质边坡爆破开挖损伤，具有很好工程推广应用价值。

附图说明

图1为本发明的工作原理示意图。

图2为爆破振动监测系统的方框示意图。

图3为声波检测系统的方框示意图。

图4a为爆破振动效应试验测点布置平面图；

图4b为爆破振动效应试验测点布置剖视图。

图5a为声波测试方案剖面示意图；

图5b为声波测试方案平面示意图。

图6为振动实测波形示意图。

图7为爆前爆后声波速度对比曲线图。

图8为高差ΔH下平均损伤深度d与爆心距r处的振动速度v的关系曲线图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合图1-8，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。本发明一种基于爆破振动测试的边坡预裂爆破开挖损伤控制方法，包括如下步骤：

(1)监测采用三向振动速度传感器。在具体监测过程中，重点监测部位同一测点布置一台三向速度传感器(可同时测量竖直向、水平径向和水平切向的振动)，用石膏或其它粘合剂固定在所需监测的部位，然后将振动信号自记仪与其相联。爆破振动信号传递到测点时，振动信号自记仪自动记录信号。爆后利用振动信号自记仪自带的爆破振动分析软件将振动信号自记仪采集到的振动信号输入电脑中，进行存储与分析处理。根据地形条件及现场场地条件，在爆区后方布置10个测点，测点布置位置如图4所示，方框中的数字分别代表测点编号及爆心距。

(2)从爆区表面钻斜向的声波孔，穿过爆区到达保留预裂面，穿过预裂面7m，全孔深约9～10m(如图5所示)，孔径90mm。爆破试验区钻设两组声波测试孔，每组声波孔包含3支相互平行的钻孔。爆破前1～2天进行第一次声波测试(包括单孔和跨孔)，测试时，首先往孔中灌满水(对于因钻孔与节理裂隙相通而不能灌满水的钻孔，测试时保证有流动水)进行耦合，然后根据不同情况进行单孔和双孔穿透试验。测试完后将孔内灌满沙子，对炮孔进行保护。爆破后待爆渣清理结到合适高程，将炮孔中的细沙用高压风吹出，进行爆破后的声波测试(包括单孔和跨孔)。

(3)实测出各个测点的振动数据，振动实测波形示意图如图6所示。采用萨道夫斯基公式预测爆破地震波衰减规律，进行回归分析，得到不同高差情况下的衰减规律的拟合公式，如ΔH高差下的水平径向的拟合公式。基于以上回归规律，对不同高差下不同爆心距(r)处的振动速度进行计算，如计算ΔH₁高差下r₁爆心距处的振动速度v₁₁，ΔH₁高差下r₂爆心距处的振动速度v₁₂，ΔH₂高差下r₁爆心距处的振动速度v₂₁，ΔH₂高差下r₂爆心距处的振动速度v₂₂等。

(4)图7为典型的爆前爆后声波速度对比曲线。按照发明内容中步骤2，根据测试结果对试验区每组6个炮孔(包括单孔和跨孔)下的影响深度取均值。

(5)绘出在高差ΔH下平均损伤深度d与爆心距r处振动速度的关系曲线(如图8所示)，如绘出ΔH₁高差下r₁爆心距处的振动速度v₁₁与d₁₁之间的关系，绘出ΔH₁高差下r₂爆心距处的振动速度v₁₂与d₁₂之间的关系，绘出ΔH₂高差下r₁爆心距处的振动速度v₂₁与d₂₁之间的关系，绘出ΔH₂高差下r₂爆心距处的振动速度v₂₂与d₂₂之间的关系曲线等，按发明内容步骤3中的方法拟合经验公式。

(6)预测本次爆破的损伤深度。由振动监测得到本次爆破在高差ΔH下的质点峰值振动速度衰减规律，由此计算出不同爆心距(如r₁和r₂)处水平径向振动峰值速度v，代入(5)中的相应的拟合经验公式，得到预测损伤深度d。

(7)由本次爆破保留岩体损伤深度的限定值(如1m)算出不同高差(如ΔH₁和ΔH₂)不同爆心距(如r₁和r₂)处的水平径向振动峰值速度v_限，再通过已得到的该台阶的质点峰值振动速度衰减规律，综合确定控制单响药量。

Claims (2)

1.一种基于爆破振动测试的边坡预裂爆破开挖损伤控制方法，其特征在于包括如下步骤：

㈠利用爆破振动监测系统，根据地形条件及现场场地条件，在边坡爆破开挖区后方合理布置多个测点，同一测点布置一台三向振动速度传感器，然后将振动信号自记仪与其相联；爆后将振动信号自记仪采集到的振动信号输入电脑中，对振动信号进行存储与分析处理；采用萨道夫斯基公式预测爆破地震波衰减规律，进行回归分析，得到不同高差情况下的衰减规律的拟合公式；基于回归规律，对不同高差下不同爆心距r处的振动速度进行计算；

㈡利用声波检测系统，爆破前后分别进行声波测试，包括单孔声波测试和跨孔声波测试；绘出不同梯段的爆前、爆后平均声波波速随孔深变化的对比曲线，选定合理的声波波速降低率，由曲线确定岩体损伤区深度；

㈢建立起每一次边坡梯段爆破时预裂爆破所诱发的质点峰值振动速度与相应的边坡开挖损伤区深度间的关系；所述的边坡开挖损伤区深度由爆前爆后单孔和跨孔声波检测共同确定，采用单孔和跨孔检测的平均值；建立不同高差和不同爆心距条件下，至少4个测点位置的质点峰值振动速度与边坡开挖损伤区之间的关系，绘出平均损伤深度与不同爆心距处的振动速度的关系曲线，并用经验公式拟合；

㈣由所需预测损伤深度的梯段的爆破地震波衰减规律公式计算出不同爆心距处的质点峰值振动速度，代入步骤㈢中得到的相应的不同高差和不同爆心距条件下拟合的经验公式，计算得到预测的损伤区深度，综合确定本次梯段爆破时边坡损伤区深度；

㈤由台阶保留岩体损伤深度的限定值算出对应的高差和爆心距处的质点峰值振动速度，再通过已得到的该梯段的质点峰值振动速度衰减规律，求得单响药量，并对每次爆破的装药量进行优化，达到控制岩体损伤深度的目的。

2.如权利要求1所述的基于爆破振动测试的边坡预裂爆破开挖损伤控制方法，其特征在于：步骤㈠所述的爆破振动监测系统，包括用于检测垂直向振动速度的垂直检波仪、用于检测水平径向和水平切向振动速度的水平检波仪、振动信号自记仪与终端处理器，所述垂直检波仪、水平检波仪与振动信号自记仪相连，继而振动信号自记仪与终端处理器相连。