白鹤滩水电站坝肩边坡爆破振动对周边民房影响评价及控制

邹玉君， 严 鹏， 刘 琳， 周天刚， 卢文波， 陈 明

(1. 武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072；2. 武汉大学 水工岩石力学教育部重点实验室，武汉 430072；3. 湖北城市建设职业技术学院，武汉 430205；4. 中国长江三峡集团公司，北京 100000)

爆破是水利水电工程中常用的开挖手段之一。随着我国水电工程开发进程的进一步深入和居民环保意识、安全意识的提高，水电工程开挖爆破对当地群众生产生活的影响日益受到关注。其中爆破振动是爆破公害之首，其对当地建筑物带来的破坏会引发民事纠纷，需要严格控制爆破振动[1-3]。国外对工程爆破地震效应问题的研究主要包括爆破地震波的传播规律、影响爆破振动强度的因素、爆破振动的破坏准则等，并对不同的建筑物制定了一系列区域性的破坏标准[4-8]。随着国内水电工程开发的兴起，水电工程料场开采、高坝坝肩边坡开挖及大型地下洞室的开挖等皆采用爆破方法，大规模大装药密集的爆破对周围建筑物的振动影响较大，尤其是对周边民房的破坏影响显著[9]。

针对不同类型的建(构)筑物，需要提出不同的爆破振动安全控制标准。在水电工程领域，三峡工程、小湾水电站和溪洛渡水电站施工期对其周围的建(构)筑物附近的控制爆破进行了分类，提出了基于峰值振速的爆破振动安全控制标准，采用控制爆破技术降低了爆破振动效应，确保了爆破周围被保护建筑物的安全[10-12]；向家坝水电站的建设制定了严格的爆破振动控制标准，并对爆破施工进行全程跟踪监控，以保证被保护物的安全[13]。基于上述科研实践和工程应用，张正宇等[14]探讨了爆破振动的破坏标准，分析了爆破引起建(构)筑物的破坏表现，指出地震波对不同的爆破地震作用区被保护物的作用形式不同，应采取不同的分析方式来确定相应的爆破安全允许标准；吴新霞等[15]以水布垭工区采石场的爆破开挖为例，确定了爆破振动控制标准，并阐述了爆破振动对民房破坏影响范围的鉴定方法；李新平等[16]对溪洛渡电站地下洞室群爆破振动进行测试研究，分析得到了爆破地震波在相邻导流洞的传播衰减规律，得出水平向质点振动速度可以作为相邻导流洞的爆破振动安全判据；唐海等[17]以岭澳核电站采石爆破为背景，通过分析采石场爆破对核电站、水库的振动效应及安全影响，确定了核电站、水库的爆破振动安全阈值；董陇军等[18]从爆破振动特征参量和砌体结构自身特性出发，建立了爆破振动对砌体结构破坏效应预测的分析模型，并结合实际工程分析出质点峰值振动速度可作为最重要的安全判别指标，为同类工程的判别指标选取方面提供参考。

另外，在矿山领域，邢东升[19]根据张沟采场周围民房等建筑结构的情况，确定了以地震速度作为平房的容许安全判据，并总结出有效的严格控制装药量的降震措施；史秀全等[20]基于Bayes判别分析理论对爆破振动的民房破坏效应进行了预测；谢承煜等[21]运用动力响应数值分析和现场监测验证法研究了露天爆破振动对临近建筑的动力响应，并提出了相应的降振措施。在交通领域，陈德志[22]建立了民房安全性模糊多层次评价模型，来评价高速公路建设中爆破有害因素对邻近民房的安全，并提出了控制民房安全性的措施；近年来，随着交通隧道和地铁的快速建设，爆破开挖振动对地表建筑物影响的研究也越来越多[23]。

综上所述，爆破对周边建筑物的影响基本上均采取振动跟踪监测的方法来进行全程控制，而对振动影响评价，其核心是爆破影响分区及评价，并制定合理可行爆破振动控制措施，确保爆区建筑物安全。

白鹤滩水电站装机容量16 000 MW，建成后将仅次于三峡水电站成为我国第二大水电站，坝址区两岸边坡谷坡高陡，高程均在800 m以上，自然斜坡高达600 m，左、右岸开挖边坡均在300 m以上，施工区均聚集有大量的居民。本文在对白鹤滩坝肩以上边坡爆破开挖对民房的影响进行长达18个月的跟踪监测的基础上，结合国家爆破振动安全控制标准及爆前爆后民房状态调查，划定了并通过监测数据分析爆破影响范围及程度，为合理评价边坡爆破影响、减少纠纷打下了基础，并建议了相关的工程控制措施。

1 工程概况及监测方案

1.1 工程概况

白鹤滩水电站位于金沙江下游四川省宁南县和云南省巧家县境内，属中山峡谷地貌，地势北高南低，向东侧倾斜。金沙江该段总体由南向北流，左岸为大凉山山脉东南坡，山峰高程2 600 m，整体上呈向金沙江倾斜的斜坡地形；右岸为药山山脉西坡，山峰高程3 000 m以上，主要为陡坡与缓坡相间的地形，河谷呈一典型不对称的“V”字型河谷。右岸坝肩槽边坡由峨眉山玄武岩第3至第6岩流层构成，地层反倾坡内偏上游。上覆玄武岩第7至第11岩流层及飞仙关组砂泥岩。坝址区两岸基岩裸露、山体雄厚，岩性主要为峨眉山组P2β2～P2β6的玄武岩，右岸高程920～1 100 m出露P2β7～P2β11，1 100 m以上见飞仙关组泥质粉砂岩、粉砂质泥岩及少量细砂岩；玄武岩以隐晶玄武岩、杏仁玄武岩及变玄武质角砾熔岩为主，岩性坚硬，部分岩性段内柱状节理发育。

施工区分布有大量的居民，尤其是上红岩和延吉沟，开挖区附近有自然形成的村庄(大部分在征地红线以外)，开挖爆破可能对居民的房屋及其他生产生活基础设施等造成不利影响。总体来讲，右岸坝肩及以上边坡岩性较为均匀，坡表覆盖层较浅。该水电站坝肩边坡开挖典型爆破设计参数，如表1所示。

表1 典型爆破参数表

1.2 监测方案

白鹤滩水电站右岸坝肩边坡的民房数量较多，现以民房分布较为集中的右岸坝肩以上边坡上红岩开挖区为例，介绍实测爆破振动特征。右岸坝肩上红岩开挖区紧邻民房(最近处约15 m)，因而爆破振动和噪声的影响较为突出，征地红线外的民房为重点监测对象。以开挖区中心为圆心，初步选择爆心距100 m、150 m和200 m三个距离层次的民房进行重点跟踪监测。

根据《爆破安全规程》(GB 6722—2014)[24]，监测物理量为爆破质点振动速度和地震波主频，监测时段为整个右岸边坡的开挖施工期。随着开挖的推进，监测点的爆心距也随之增大。

由于民房数量较多，无法对每一处房屋进行监测，只能选取典型房屋，进行重点长期监测，在上红岩选取典型测点位置7处，如图1所示。

图1 典型民房测点布置图

典型测点的选取需综合考虑以下几点原则：

(1)根据爆区位置和征地红线，所选民房测点在空间距离上有层次性，保证距离爆源200 m以内、200～300 m范围、300～400 m范围以及400 m以外均有测点分布；

(2)根据房屋结构标准，所选民房测点要包含土坯房、砖瓦房；所选测点，要征得村民小组同意，并认为所选测点能够代表对整个民房的监测结果；

(3)对每次爆破振动的监测，在同一爆心距处，测点应包含各类型的房屋(土坯房、砖瓦房)；

(4)根据民房调查结果，房屋裂纹扩大，石膏桥有断裂的房屋，作为重点监测测点。

2 振动破坏机理及安全控制标准

振动是爆破的首要公害。爆破振动作用下，建筑物动力响应的程度取决于如下因素[25-26]：爆破振动的类型和大小，振动脉冲，入射波的频率，建筑物的结构特征，能量的传播等。针对特定情况需要具体分析爆炸效应下建筑物的振动特性，制定相应的安全控制标准和采取合理的监测手段来保证建筑物的安全[27]。

2.1 爆破振动破坏机理

在炸药起爆后，一部分释放的爆炸能转换为波能并以P波、S波和表面R波的型式向各个方向传播。从爆源射出的P波、S波在一定距离处形成R波，其沿二维自由表面扩展，在距波源较远处，其摧毁力比沿空间各方向扩展的P波和S波大得多。而且由于它的质点以椭圆轨迹运动并且沿着地表传播，从而对建筑物的损害最大[28]。而表面质点振动速度可认为是直接与位于爆区附近的建筑物损伤大小相关的参数，工程实践表明，建(构)筑物因爆破振动而造成的破坏与质点峰值振动速度具有良好的相关性，因此国内外普遍以质点峰值振动速度作为爆破振动控制的判据。

在监测房屋距离爆源至少在100 m(或者房屋长度的20倍距离)以外，可以近似认为振动应力波造成的房屋扰动效应符合一维应力波理论，如图2所示。因此，在R波的波阵面上有

σ=ρCRV

(1)

式中：σ为应力，Pa；ρ、CR分别为应力波传播场地的平均密度，kg/m3和平均面波波速，m/s；V为质点峰值振动速度(在一定距离以外可认为是由面波诱发)，m/s。

图2 爆炸应力波传播示意图

在给定地面保护对象基础的动抗拉强度[σt]条件下，易得

(2)

可见，如果已知房屋砖墙或基础的动抗拉强度[σt]，那么理论上就可由式(2)即可估算出房屋基础的允许爆破质点峰值振动速度阈值[V]。

岩体的纵波速度、横波速度与其动态弹性模量E和动态泊松比μ存在如下关系

(3)

(4)

通过式(3)和(4)可以得到

(5)

R波的波速与频率无关，只与介质的弹性常数有关，可用式(6)大致计算

CR≈0.9CS

(6)

根据现场调查，白鹤滩水电站坝肩边坡上分布的民房多以土坯房为主，一般宽约7～10 m，单层高度5 m左右，两层砖房高约8～9 m，建成时间一般在10～15年以上(如图3所示)；间杂少量砖房，一般为砖混结构，未经严格的地基处理，所以抗震能力较差。

(a)土坯房(b)砖房

图3 坝肩边坡上分布的典型民房

Fig.3 Typical residences above the right abutment slope

若假设μ=0.23，取泥质地基的抗拉强度为一般岩体抗拉强度的1/10～1/20(0.05～0.1 MPa)，应力波传播场地的平均密度2 500 kg/m3，表层岩体的纵波波速取为3 000～3 500 m/s，由式(1)～(6)估算，土坯房地基的允许振速为1.17～2.35 cm/s。

2.2 爆破振动安全控制标准

我国的《爆破安全规程》(GB 6722—2014)明确指出，评价爆破对不同类型建(构)筑物、设施设备和其他保护对象的振动影响，应采用不同的安全判据和允许标准。美国、欧洲、印度、澳大利亚等国也均根据各自国内的实际情况，制订了相应的控制标准[29-32]。

当一个振动脉冲传播经过建筑物时，应力波的能量传入建筑物内，使之在输入脉冲的振动频率段内产生受迫振动。当振动脉冲完全经过建筑物后，建筑物将以其自振频率进行自由振动。建筑物的自振频率可采用其自振波形得到，Newmark和Hall(1982)建议了如下所示的简单公式来估算结构的自振频率[33]

(7)

式中：L为建筑物的宽度；h为建筑物的高度。

据式(7)可估算其自振频率约在20～40 Hz之间。将几个为工程界广泛接受标准绘于图4中，可以发现，除美国在高频段(>40 Hz)时的标准稍高(5 cm/s)外，其它各国的标准相差不大，而我国标准中土坯房和毛石房屋的振动安全控制标准最严，均低于各国标准的下限。由于白鹤滩边坡分布的民居建筑质量较差，且自振频率较低(20～40 Hz之间)，因此，在振动跟踪监测过程中采用较为严格的控制标准来进行数据分析和处理，如表2所示。

图4 各国爆破振动安全标准对比

序号房屋类型质点峰值振动速度建议值/(cm·s-1)DF≤10Hz10Hz50Hz1土坯房0.15～0.450.45～0.900.90～1.102毛石房、砖房0.45～0.900.90～1.501.50～2.00

3 爆破影响评价

3.1 质点峰值振动速度分布

针对白鹤滩水电站右岸上红岩区域坝肩及坝肩以上边坡开挖爆破振动对周围民房的影响进行了92次监测，获得有效的建筑基础的振动监测数据326点次(每点次3个方向)。监测仪器采用由四川拓普测控科技有限公司生产的智能野外测试设备NUBOX-6016爆破测振仪，测试精度为0.001 cm/s，振动幅值测试范围为0～150 cm/s，数字信号采用频率为5 000 Hz，所用三向振动传感器频响范围为1～1 000 Hz。结合2.2节中确定的爆破振动安全控制标准，对距离爆源不同距离范围内的不同主频的实测峰值振动速度按低于允许标准下限、允许标准阈值范围、高于允许标准上限三个区间进行了统计。

在开挖初期(爆心距小于200 m)，由于爆区距民房较近，单响药量的控制更为严格，超标比例反而较爆心距200～400 m的少，因而振动峰值的衰减变化不仅与爆心距有关，还和单响药量相关，可采用比例距离D来综合反映爆心距和单响药量对振动峰值的影响。爆破地震波衰减与爆源参数和场地条件有关，目前国内普遍采用萨道夫斯基公式预测爆破地震波衰减规律

(8)

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；D为比例距离，m/kg1/3；K、α是与爆破方法、场地条件相关系数，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。

由于预裂孔爆破诱发的振动响应大于主爆孔爆破(具体分析见本文4.2节)，故采用预裂孔的单响药量(18.0～30.0 kg)来计算各次爆破下的比例距离D，利用式(8)来回归分析不同主频范围下的爆破地震波衰减规律(主频大于50 Hz时，振速均小于允许值，不进行回归分析)，图5为不同主频段建筑基础的振动峰值与比例距离的统计分布结果。

(a)主频小于10 Hz的爆破振动峰值与比例距离的统计分布

(b)主频介于10～50 Hz的爆破振动峰值与比例距离统计分布

(c)主频大于50 Hz的爆破振动峰值与比例距离的统计分布

图5 爆破振动峰值与比例距离的统计分布

Fig.5 Statistical distribution of PPV and scaled distance

各主频范围下爆破振动衰减规律如表3所示。

表3 各频率范围下爆破振动衰减规律

如图5所示，各振动衰减回归拟合曲线与允许振速阈值相交，分别计算出各交点所对应的比例距离，如表4所示。

表4 各允许振速阈值对应的比例距离D

从图5(a)主频小于10 Hz的数据统计中可以得到，超过相应的标准阈值0.45 cm/s的数据点集中在比例距离小于90 m/kg1/3区域，在比例距离90～150 m/kg1/3内也有少量分布；从图5(b)主频介于10～50 Hz的数据统计中可得，超过相应的标准阈值0.90 cm/s的数据点和达到相应的标准阈值0.45～0.90 cm/s的数据点集中在比例距离小于90 m/kg1/3区域；从图5(c)主频大于50 Hz的数据统计中可以得到，所有数据点都低于相应的标准阈值0.90 cm/s。表4中各允许振速阈值对应的比例距离可作为振速统计的依据，0.15 cm/s阈值线对应的最大比例距离为156.0 m/kg1/3，0.45 cm/s阈值线对应的最大比例距离为82.5 m/kg1/3。

结合图5和表4分析，确定两个临界比例距离来定量分析爆破振动对民房的影响程度，分别取D1=90 m/kg1/3，D2=150 m/kg1/3。为进一步分析和评价各频率下的振动超标水平，统计了各个比例距离处不同频率下质点峰值振动速度的测点百分比，如表5所示。

由表5可知：从总体上看，大部分测点的频率低于50 Hz。在比例距离小于90 m/kg1/3范围内，30.1%的测点振动峰值低于允许标准下限，52.8%的测点振动峰值介于允许标准下限和允许标准上限之间，17.1%的测点振动峰值高于允许标准上限，该区域内的建筑物会受到较大影响；在比例距离90～150 m/kg1/3范围内，允许标准阈值范围内和高于允许标准上限的测点比例都较比例距离小于90 m/kg1/3范围的有较大减少(介于允许标准阈值范围内的测点比例减少15.5%，高于允许标准上限的测点比例减少14.3%)，爆破振动对该区域内的建筑物的影响有较大减小；在比例距离大于150 m/kg1/3范围内，只有8.8%的测点振动峰值介于允许标准阈值范围内，而且不存在测点高于允许标准上限，爆破振动对民房的影响显著降低。

表5 右岸坝肩上红岩爆破振动统计表

3.2 爆破影响分区

爆破振动对地表建筑物的损伤主要是由于建筑物对振动的响应或者结构各部分的差异响应造成表面裂缝扩展。所有的建筑物或房屋都会因地面沉降和湿度、温度和风速的周期性变化等自然因素而产生裂缝。众所周知，土壤水分的变化会使基础开裂，裂缝的宽度也会有季节性或日常性的变化。裂缝的数量会随着建筑物的使用年限的增长而持续增加，这与爆破振动的影响无关。因此，为准确分析由爆破振动造成的损伤，必须要在爆破振动跟踪监测的基础上，结合爆破前、后对临近建筑物仔细调查进行判断。

爆破振动监测在地表进行，但由于振动在民房建筑的上部具有放大效应(即上部的振动会大于地表的振动)，所以需要对此放大效应进行分析。如图6所示，房屋结构可简化为刚架结构，由爆破振动导致的全部民房结构的损伤直接与屋顶和地板之间的墙体发生面内扭曲变形相关，这一变形通常用墙体剪切应变γ表示，当主拉应变大于墙体材料的抗拉强度时，墙体将发生破裂。

图6 墙体面内剪切变形示意图

(9)

(10)

(11)

式中：Vg为地表振速峰值；λ为振速放大系数；f为结构自振主频；H为地板与屋顶之间的距离。

墙体全部的主拉应变ε可用如下固体力学法则进行简单估算

ε=0.5γ

(12)

白鹤滩房屋的建筑质量较差，同时考虑到房屋自重在墙体内产生微应变，可取振速放大系数λ为4；根据Gad和Wilson的现场监测，土坯房和毛坯房的开裂微应变阈值可取为100个微应变。不同地表振速峰值对墙体主拉应变ε的计算结果如表6所示。

表6 不同地表振速峰值引起的墙体主拉应变ε

由表6可知，在30 Hz的自振频率基础上，可求得引起白鹤滩民房开裂的地表振动峰值为1.0～2.5 cm/s，该值与基于一维应力波理论所得到的房屋基础开裂阈值(1.17～2.35 cm/s)相近，并未明显大于爆破振动控制标准规定的阈值，但是后者未考虑振动频率对房屋结构的影响，而每次爆破产生的振动都不尽相同，所以对民房建筑的结构进行爆破振动影响跟踪监测是十分必要的。

白鹤滩水电站右岸边坡爆破施工正式开始前，对重点监测民房采用拍照、裂缝量测(如图7(a)所示)、“石膏桥”(如图7(b)所示)等宏观调查方法，以便在开挖过程中对民房进行动态监测及对比。

裂缝监测内容主要包括裂缝的位置、形态、分布特征、宽度、长度、深度、走向、裂缝发生及开展的时间过程、是否有进一步扩展而影响民房使用等，可以通过观测石膏桥是否断裂来判断爆破是否会引起房屋裂缝扩展。

(a)裂纹宽度量测(b)石膏桥

图7 裂缝调查方法

Fig.7 Investigation methods of crack

距离爆源最近的房屋建筑在300 m范围内(比例距离小于100 m/kg1/3)，这一区域的测点数据超标比例较大，数据结果显示，爆破振动达到允许标准阈值范围的测点占45.1%，高于允许标准上限的测点振动峰值占12.2%，并且这一区域的房屋普遍有一定程度的受损。调查结果发现某些测点房屋有裂纹扩展，裂缝上做的石膏桥出现断裂，砖瓦房的屋面有裂纹出现，土坯墙有掉泥块现象，如图8所示。

(a)裂纹扩展(b)墙面泥块掉落

图8 房屋破坏现象

Fig.8 The damages of residential structures

结合不同比例距离范围内的测点振动峰值分布和实际民房损伤的调查结果，通过分析，将爆破振动对民房的影响范围进行分类，如表7所示。

表7 爆破振动对民房的影响范围分类表

3.3 不同类型房屋的振动响应

对于不同类型的房屋，其对爆破振动的响应也存在一定的差异，主要体现在抗震能力的不同上。表8统计了不同主频段的爆破振动对土坯房和砖瓦房的破坏特征。

从表8可知，对于同一类型的房屋，实测振速超过表2建议的振动建议标准时，房屋的破坏较严重，且振速超标越多，破坏程度越重；振速在振动建议标准以内时，房屋基本不发生破坏，只有少量石膏桥断裂；振速超出振动建议标准时，主频段较小的振动对房屋的破坏大于主频段较大的，例如对于砖瓦房，主频<10 Hz的破坏程度大于主频10～50 Hz。对于同一主频段的振动，在相同振速下，土坯房和砖瓦房的破坏特征不同，土坯房的破坏程度大于砖瓦房，例如主频<10 Hz，振速为0.45～0.8 cm/s时，土坯房的破坏特征表现为石膏桥断裂，墙体产生裂纹，既有裂纹扩展变宽，墙面掉块，部分土坯墙发生倒塌；而砖瓦房无明显破坏。

4 振动影响控制及讨论

白鹤滩水电站右岸坝肩以上边坡开挖对周边民房的影响监测历时长、爆源多、地形地貌及地质构造复杂，爆破振动控制难度较大。

表8 不同类型房屋的振动响应及破坏特征

4.1 控制爆破振动能量

对于大规模的边坡露天爆破开挖，爆破持续的时间越长，振动的破坏也就越大。爆破诱发振动的持续时间越长，则爆破振动的能量越大；同时，振动的持续时间越长，也越容易造成结构的疲劳破坏。对比爆破诱发的振动和地震诱发的振动，可以发现，当其振动峰值速度和频率都相当时，地震诱发的振动产生危害比爆破诱发的振动的危害要大得多；从振动波形上来看，地震诱发的振动和爆破诱发的振动，其最大的区别就是前者的振动持续时间要大得多。

以下将从爆破振动能量的角度对爆破规模进行讨论。主频和振动峰值速度反映了爆破振动波的能量大小和传播速度，而对建筑物的破坏起主导作用的为爆炸地震波输送到建筑物的能量。这种能量通过建筑物的运动表现为振幅与频率，并通过振幅与频率相结合造成的加速度表现为推动建筑物的力或以运动速度为定义的动能本身。Rockwell[34]于1927年首先提出这一点，后来Crandell[35]利用这种关系以定义“能量比值(ER)”

(13)

其中a与f分别为受振物体的加速度与频率，又有

amax=(4π2)(f2A)

(14)

v=2π(fA)

(15)

将式(14)代入式(13)中，得到

ER∝f2A2

(16)

将式(15)代入式(16)中，得到

ER∝v2

(17)

利用上述关系，我们对监测中出现的实例，包括振速超标、房屋受损，个别方向振速超标、房屋受损，振速未超标、房屋未受损等情况进行了分析。为方便测点能量的比较分析，应选取出不同主频段振动的参照动能点，测点各向振动速度略高于振动控制临界阈值，而且房屋结构发生损坏。以主频段10～50 Hz为例，选取20130316-23#测点(满足动能参照点选取要求)水平径向的动能为参考值1.00来计算其余能量比值，结果如表9所示。

动能由于综合体现了振动速度和频率的关系，可以较为直观地反映建筑物破坏的内在原因。由表9可知，20130316-23#测点与20130417-20#测点的能量都较高，所以导致了房屋受损，而20130818-13#测点振速未超标，房屋未受损，这说明前文中的爆破振动控制标准是合理的。

在监测区域，普遍采用了毫秒延时起爆技术。当爆破规模较小时，起爆网络总的延时时间一般较小，爆

表9 典型测点能量分析

破诱发的振动的持续时间就短；反之，当爆破规模较大时，起爆网络总的延时时间一般较大，爆破诱发的振动的持续时间就长。在监测区域，由于爆源众多，且各不一致，爆破诱发振动的持续时间各不相同；然而，现行的国家规范中并没有考虑到持续时间这一参数，因此在监测中会出现峰值速度相当的两次振动，民用建筑物对其响应程度不一样的现象。

4.2 适当增大预裂爆破线密度

边坡爆破开挖之所以采用预裂爆破技术，就是因为预裂孔爆破在主爆孔起爆前起爆，会在主爆区和保护区之间形成一条具有一定深度和宽度的预裂缝，以阻挡主爆孔和缓冲孔爆破产生的应力波向保留岩体传播，而且主爆孔的装药一般较预裂孔大很多，如果预裂爆破的效果没法保证，那么主爆孔爆破诱发的振动便会大量传入保留岩体，从而传递给周围建筑物，此振动远大于预裂孔爆破产生的振动，对建筑物的损害较大，因此必须在控制开挖边坡质量的基础上，适当增大预裂爆破线密度，以保证预裂爆破效果。

通过对右岸上红岩施工区爆破振动为期一年半的实测振动数据进行分析，得到爆破振动峰值与爆心距的统计关系。施工现场常用的单响药量为预裂爆破18.0～30.0 kg，主爆孔爆破54.0～90.0 kg，结合现场情况，选取了小药量、中等药量、大药量(分别对应三种不同的线密度)等三种参数组合，如表10所示。

表10 预裂爆破和主爆孔爆破药量组合

分别分析和对比不同药量下在爆心距100 m、200 m、300 m和400 m处预裂爆破与主爆孔爆破诱发水平径向振速峰值的平均值，如图9所示。从图9中可以看到，在相同爆心距处，水平径向预裂爆破和主爆孔爆破诱发的振动峰值速度随药量参数的增大而增大。在同一药量组合情况下，水平径向预裂爆破和主爆孔爆破诱发的振动峰值速度随爆心距的增大而减小，对比水平径向预裂爆破和主爆孔爆破诱发的振速，在上述各个爆心距条件下，主爆孔爆破诱发的振动的均值均要小于预裂爆破。

图9 不同药量情况下预裂爆破与主爆孔爆破诱发的振速比较

Fig.9 The comparison between the PPV which is induced by pre-splitting holes detonation and that by main blast holes detonation in different charge groups

上述规律与一般认识相符，对于同一起爆方法，单响药量越大，相同爆心距处的振动峰值越大；由于预裂爆破抵抗线较大，夹制作用较强，故诱发振动较大。适当增大预裂爆破的线密度，可增大预裂缝宽度，提高预裂爆破的隔震作用；在主爆孔起爆前，预裂缝已经形成，由于预裂缝的隔振作用，虽然主爆孔爆破单响药量较大，诱发的振动反而要小；图10为典型测点三向振动波形图，由图可知主爆孔爆破诱发的振动要小于预裂孔的。此外，相关研究[36-37]也表明预裂孔爆破产生的预裂缝有很好的隔振效果。主爆孔爆破诱发的地震波透过预裂缝时，预裂缝能起到一定的滤波作用，地震波高频成分减少，频谱区间减小，衰减更加稳定。因此对于控制开挖爆破对周边民用建筑物的影响而言，预裂爆破诱发的振动是更为关键的因素，相比于控制主爆孔单响药量，预裂孔的单响药量控制应更为严格。

5 结 论

针对白鹤滩水电站右岸坝肩以上边坡的爆破开挖，对周围民房进行为期一年半的监测，采集了大量的数据。根据监测数据结果，对爆破振动对民房的影响范围进行了分类和分析，得到了如下结论：

(1)通过对房屋结构和现场勘测分析，并研究了房屋建筑的爆破振动破坏机理，结合比较国内外爆破振动控制标准，推荐了适合白鹤滩水电站坝肩边坡爆破对周边民房影响的爆破振动安全控制标准。

图10 典型测点三向振动波形

(2)通过对振动能量的分析，振动速度和频率可以较为直观地反映建筑物破坏的内在原因，结合爆破振动跟踪监测及地基开裂、墙体开裂的理论校核，将爆破振动对民房的影响范围进行分类：将比例距离小于90 m/kg1/3的范围定义为严重影响区，而90～150 m/kg1/3的范围定义为一般影响区，大于150 m/kg1/3的范围定义为轻微影响区。此影响分区方法已在白鹤滩水电站坝肩边坡爆破开挖工程中成功应用，对类似的爆破开挖工程具有一定参考意义。

(3)本文建议的标准，虽然较国标《爆破安全规程》(GB 6722—2014)中规定的土坯房的安全控制标准更为严格，但从控制爆破开挖对周围的环境影响及减少民事纠纷的角度，采用此偏于保守的安全控制标准是合适的。

(4)预裂爆破开挖中预裂孔爆炸所诱发的振动大于主爆孔爆炸所诱发的振动，在保证边坡开挖质量的基础上，适当增大预裂爆破线密度，但需同时更为严格控制预裂孔的最大单响药量。

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