水电工程围堰拆除爆破对邻近大体积混凝土结构的振动影响研究

水电工程围堰拆除爆破对邻近大体积混凝土结构的振动影响研究

白雪

中国水利水电第一工程局有限公司 吉林长春 130033

摘要：本研究针对水电工程围堰拆除爆破对邻近大体积混凝土结构的振动影响问题，系统分析了爆破振动产生机理、传播规律及其对大体积混凝土结构的潜在危害。通过理论分析、数值模拟和现场监测相结合的方法，研究了爆破振动波的衰减特性、频率特征及其与混凝土结构的相互作用机制。研究结果表明，爆破振动对大体积混凝土结构的影响主要表现为瞬时冲击效应和累积损伤效应，其危害程度与爆破参数、地质条件、传播距离及结构特性密切相关。

关键词：水电工程；围堰拆除；爆破振动；大体积混凝土结构；振动控制

1引言

随着我国水电建设的快速发展，大量水电工程进入施工后期阶段，围堰拆除作为水电工程施工的重要环节，其爆破作业产生的振动效应对邻近大体积混凝土结构的安全性和耐久性构成潜在威胁。围堰拆除爆破通常具有装药量大、爆破规模大、与永久建筑物距离近等特点，使得爆破振动影响问题尤为突出。大体积混凝土结构如大坝、厂房等对振动较为敏感，过大的爆破振动可能导致混凝土开裂、强度降低甚至结构失稳，严重影响工程安全和正常运行。本研究旨在深入分析围堰拆除爆破振动产生机理和传播特性，探讨爆破振动与大体积混凝土结构的相互作用机制，建立适用于水电工程的爆破振动安全评价方法和控制标准，为围堰拆除爆破设计和施工提供科学依据，保障邻近大体积混凝土结构的安全稳定。

2爆破振动产生机理与传播特性

爆破振动是炸药爆炸能量释放产生的力学效应，其机理涉及冲击波在岩土介质中的传播与衰减过程。炸药引爆产生的高压气体形成冲击波，随距离增加逐渐衰减为应力波和地震波。振动波传播特性受地质条件（岩体物理力学参数、节理裂隙、波阻抗差异）、爆破参数（炸药量、装药结构、起爆方式）和传播路径（几何扩散、介质摩擦）三方面因素影响。衰减规律常用萨道夫斯基经验公式描述，该公式建立了振动速度与比例距离的关系，其参数需通过试验确定。此外，岩土介质的粘弹性特性会导致高频成分的快速衰减，这种能量吸收效应也是振动衰减的重要原因。

3爆破振动对大体积混凝土结构的影响机制

3.1瞬时动力响应机理分析

爆破振动对大体积混凝土结构的瞬时动力响应主要表现为动态应力应变场的形成与传播。当爆破振动波抵达混凝土结构时，会在结构内部产生复杂的应力波传播现象，包括压缩波、剪切波和表面波的相互作用。由于混凝土材料具有明显的应变率效应，其动态力学性能与静态工况存在显著差异。振动引起的动态拉应力是导致混凝土损伤的关键因素，特别是在结构几何突变处和材料不连续区域容易形成应力集中。研究表明，当振动峰值速度超过临界值时，混凝土内部将产生不可逆的微裂纹损伤。此外，结构边界条件对动力响应有重要影响，固定约束部位往往出现较高的应力幅值。

3.2共振效应与频率特性影响

爆破振动频率特性与结构动力特性的匹配程度决定了共振风险的大小。当振动主频接近结构固有频率时，将引发显著的共振放大效应，可能导致振动响应放大数倍。大体积混凝土结构通常具有多个固有频率，对应不同的振动模态。低频振动（通常<20Hz）易引起结构整体振动，而高频振动则可能导致局部构件剧烈响应。新浇筑混凝土由于材料性能尚未稳定，其固有频率会随龄期变化，这种时变特性增加了共振风险控制的难度。工程实践中需通过频谱分析识别危险频率成分，并采取针对性措施避免共振发生，如调整爆破参数改变振动主频或通过结构加固改变固有频率。

3.3累积损伤演化过程研究

多次爆破振动作用引发的累积损伤是一个渐进式的材料劣化过程。每次振动荷载都会在混凝土内部产生新的微裂纹或促使既有裂纹扩展，这些微观损伤的累积最终导致宏观力学性能的退化。损伤演化具有明显的非线性特征，初期损伤发展缓慢，当达到临界状态后损伤将快速扩展。环境因素如温度、湿度会与振动荷载产生耦合作用，加速损伤进程。值得注意的是，损伤累积存在"记忆效应"，即前期振动历史会影响后续损伤发展速率。建立准确的累积损伤模型需要考虑加载顺序效应和恢复效应，这为振动安全控制标准的制定提出了更高要求。

3.4薄弱环节与长期性能影响

施工缝、冷缝等构造薄弱环节在爆破振动作用下表现出特殊的响应特征。这些部位由于材料不连续性和应力集中现象，往往成为裂缝萌生和扩展的起始点。振动荷载可能引起缝面相对滑移，导致止水结构失效或钢筋应力重分布。对于预应力混凝土结构，振动引起的应力波动可能导致预应力筋松弛或锚固失效，严重影响结构承载能力。长期性能方面，振动损伤会降低混凝土的抗渗性和抗冻性，加速钢筋锈蚀进程。这种性能退化具有时滞性，可能在振动作用后数月甚至数年才显现出来，因此需要建立长期的健康监测机制来评估振动影响的时变特征。

4爆破振动控制标准与减振措施

4.1分级控制标准体系的建立与优化

针对水电工程围堰拆除爆破的特殊要求，需要构建基于混凝土龄期和结构部位的分级控制标准体系。现行国家标准《爆破安全规程》中的通用标准难以满足大体积混凝土结构的保护需求，必须考虑混凝土强度发展规律和结构动力特性。对于龄期小于7天的早期混凝土，建议采用1.0cm/s的严格限值，此时混凝土处于初凝至终凝阶段，内部结构最为脆弱。龄期7-28天的混凝土强度快速发展期，可适当放宽至2.0cm/s，但仍需严格控制振动持续时间。成熟混凝土（龄期>28天）可参考5.0cm/s的一般标准，但需特别注意结构薄弱部位和预应力区域的保护。此外，应建立频率加权修正系数，对主频在结构固有频率±20%范围内的振动采取额外折减措施。

4.2多维度减振技术体系的构建

有效的振动控制需要建立爆破参数优化、传播路径控制和结构防护三位一体的技术体系。爆破参数优化方面，重点开发毫秒延期精确控制技术，实现单段药量的精准控制；推广使用低爆速、低密度炸药，延长爆炸能量释放时间；创新装药结构设计，如采用径向不耦合系数1.5-2.0的装药方式。传播路径控制方面，除常规减振沟外，可探索泡沫混凝土屏障、多排微差预裂爆破等新技术；充分利用地质勘探数据，识别天然振动屏障并优化爆源位置。结构防护方面，研发新型缓冲材料（如聚氨酯泡沫层）用于新浇混凝土保护；建立基于物联网的智能监测系统，实现振动响应的实时预警和反馈控制。

4.3数字化智能控制技术的创新应用

现代数字技术为爆破振动控制带来了革命性突破。通过建立包含地质构造、结构特性的三维精细化数值模型，可准确模拟振动波传播全过程，预测不同方案下的结构响应。采用机器学习算法分析历史爆破数据，优化延期时间和装药参数组合。智能爆破系统整合振动传感器网络、北斗定位和5G通信技术，实现装药量、起爆时序的实时动态调整。开发基于BIM的爆破管理平台，集成地质数据、结构信息、监测结果和数值模拟，为决策提供全方位支持。这些技术创新不仅提高了控制精度，还实现了从经验爆破向科学爆破的转变，为水电工程安全建设提供有力保障。

5结语

本研究系统揭示了水电工程围堰拆除爆破对大体积混凝土结构的振动影响机理，爆破振动影响具有瞬时动力响应和累积损伤双重特性，其危害程度取决于振动参数、结构状态及环境因素。研究提出了基于混凝土龄期的分级控制标准（7天内≤1.0cm/s，7-28天≤2.0cm/s，28天以上≤5.0cm/s），建立了爆破参数优化、传播路径控制和结构防护相结合的减振技术体系，并创新应用数字化智能控制技术。研究成果为围堰爆破安全施工提供了重要理论支撑和技术指导。未来需重点研究复杂地质条件下的振动传播规律、损伤演化模型及精准预测方法，进一步提升工程安全保障水平。

参考文献：

[1] 李治军.关于水利水电建筑工程大体积混凝土的 施工及养护要点分析[J].大科技,2018,(5).129-130.

[2] 白丽萍,柳芳旭.浅谈水利水电工程大体积混凝土温控措施[J].环球市场,2016,(16).253.