爆破振动无线监测系统在丰满近距离重建坝基开挖中的应用.pdf

罗 安，刘振宇，李 达（中国水利水电第十六工程局有限公司，福建 福州 350000）摘 要物联网技术已经被广泛应用于水利水电工程的建设。丰满大坝重建工程在进行坝基爆破开挖施工时，爆破振动监测采用YBJ-III远程微型动态记录仪与其他传感器相连，通过3G网络实时传输，形成一个物联网无线传感器网络。将采集到的信号无线传输到计算机数据中心，实现对爆破作业的监测管控。基于物联网技术的爆破振动无线监测系统具有高度的安全性和网络的灵活性，总体成本较低，可在水利大坝坝基开挖爆破振动监测中推广使用。关键词丰满大坝；爆破；物联网；振动监测中图分类号 TV542文献标识码B文章编号 10020624（2023）08005704爆破振动无线监测系统在丰满近距离重建坝基开挖中的应用1 工程概况吉林丰满水电站全面治理（重建）工程以发电为主，兼有防洪、灌溉、城市及工业供水、生态环境保护、水产养殖和旅游等综合利用。新建大坝坝轴线位于原丰满大坝坝轴线下游120 m。利用的原三期发电厂房位于新建大坝坝轴线下游200 m处。工程为等大（1）型工程，拦河坝、泄洪兼导流洞、新建发电厂房等主要永久性建筑物为1级。水库正常蓄水位263.50 m，汛限水位260.50 m，死水位242.00 m，校核洪水位268.50 m，水库总库容103.77亿 m31。丰满重建工程属于国内首个近距离重建的大型水利枢纽工程，新建大坝坝轴线位于原丰满大坝坝轴线下游120 m，最近部位紧临老坝下游消力池及老厂房尾水墩，且需要跨越严寒的冬季进行爆破施工，是典型的严寒地区近坝开挖爆破。该工程土石方开挖工程量约 200 万 m3（其中石方开挖约 100 万 m3），工程于 2014 年 7 月开工，土石方工程在大坝混凝土开浇前全部完成。新坝建设期间利用原大坝作为上游围堰，原一、二期厂房将在开挖前期停止运行，但原一期厂房的部分水轮发电机组需要进行保护性拆除，在原一期厂房停运后仍需要保证桥式起重机的正常运行、厂房结构稳定及厂房门窗玻璃的完整性，而三期厂房将一直正常运行2。基于丰满重建工程是在原坝址极近距离（最近距离处仅约30 m）处新建一座大坝，坝基爆破开挖工程量大、强度高、工期紧，同时需防护的对象点多面广，不同对象防护标准也各尽不同，因准备工作量大，采用传统的有线监测无法满足工程建设需要。为解决以上问题，工程施工中有针对地选用了爆破振动无线监测系统进行坝基开挖爆破振动监测工作，对需重点保护对象进行全过程爆破振动安全监测，以指导施工，确保原有大坝及电站安全运行。2 爆破振动监测目的通过针对性设计的爆破振动无线监测系统，能够及时发现和记录丰满大坝各个测点的爆破振动，从而更好地了解其影响范围，并为后续的施工提供准确的参考依据。2023年第8期工程建设与管理东北水利水电 57了解和掌握坝基开挖区域爆破地震波的基本传播规律，以及被保护建筑物和发电厂设备对爆破地震波的动力响应特性。监测被保护建筑物的安全；验证爆破工艺试验参数设计，指导爆破工艺试验有效进行，如保证试验安全、控制试验质量、改进试验工艺等。通过评估和优化爆破试验参数，以提高其适用性。为有效防止爆破振动造成的破坏，应当采取有效的控制手段，以便有效维持建筑物的稳定性与完整性。提出适应坝基开挖的施工方案和钻、爆参数。3 爆破振动无线监测系统通过物联网技术开发一个能够监测爆破振动的无线监测系统。该系统由一系列无线设备组成，包括监测爆破振动的检测仪、记录爆破过程的记录仪及用于监测的中央服务器，该系统能够进行远程监测，对不同地区的爆破活动进行全面的监控，以确保爆破的准确性。根据不同的地质条件，在各地的爆破点上都配备了检波仪，以便将爆破产生的振动变化及其相应的电信号发送到爆破记录仪。记录仪能够对这些信息进行双向的采样和分析。通过无线传输模块，爆破信息被快速、准确地发送至中央服务器，经过解码处理，最后被安全地保存起来。此外，服务器还支持远程访问，使用者能够通过互联网访问最新的爆破信息，从而更好地掌握爆破过程的实时情况。根据大量的实际数据，当受到爆破压力时，建筑物地面的振动频率通常介于1100 Hz之间。这就意味着，使用普通的传感器来检测爆炸时，其覆盖的频段非常有限，无法准确地检测出真正的爆炸波。尽管已经采取了严格的措施，但仍然难以实现科学、安全、可靠的控制。另外，当前实施的国家标准GB 67222003 爆破安全规程 对于爆炸物质的安全性进行了严格限制，其中包括低频、中频及高频等，这就需要迅速识别并确认出各种不同频段物质的最大振幅。3.1 基于物联网的爆破振动无线监测系统3.1.1 系统描述YBJ-III 远程微型动态记录仪和多种传感器组成的物联网网络，可以通过GPRS或3G网络传输采集到信号，并将其传输至爆破管理信息平台的数据中心3，从而实现爆破的实时监测、振动传播规律的统计分析及爆破安全的评估。通过物联网技术可以实现远程实时传输。通过对监测数据的自动统计分析，可以推断出爆炸物的振动传播特征，并将其作为爆炸安全管理的依据。根据爆破安全控制规范和实际测量数据，对爆破活动进行安全性评估，并将相关监测结果上传。3.1.2 工作原理及要求爆破振动无线监测系统工作原理见图1。图1 爆破振动无线监测系统工作原理爆破振动监控，收集和记录各个测量点的振动情况，如时间、设备号、3个通道的最大速度、波形图和传感器的性能；监测爆破简报，包括对爆破管理系统的操作、发布日期、发布者及简报的在线查看和下载；爆破监测分析，通过对爆破振动的监测来评估爆破的效果，如果振速正常，会上传相关的数据和简报，一旦振速超标，会立即发出警告；爆破振动传播规律，收集需要的测点数据，统计中出现异常点将自动提醒，统计者根据需要进行剔除。为了保证安全，爆破监测工作必须按照指定的标准进行，包括记录仪的参数、传感器的参数、当前的电厂振动情况，并且按照指定的标准进行信息的发送。在信息被接收并经过监测负责人的审核之后，方可进行信息的发送。通过使用爆破管理信息系统，用户可以设定不同的爆破振动监测阈值，并根据阈值的不同对爆破活动进行分级预警，如达到爆破安全控制标准允许值的80%时给爆破设计人员预警。开发技术人员为该工程设计了专用的爆破安全检测管理信息系统，该信息系统能够实时上传实际测量数据，并允许项目相关人员根据需要设定权限，以便在手机或电脑上快速查看监测简报爆破安全控制标准爆破信息管理系统采集数据自动上传数据传输装置自动监测仪器自动分析自动评价自动预警振速超过标准服务器GPRS或3G东北水利水电工程建设与管理2023年第8期 58和实际测量数据。开始监测30 d即可上线运行，并可根据要求进行适当调整。3.2 MiniMatePlus爆破微型测试系统为了更好地检验中远区的爆炸情况，该工程选择目前国际领先的MiniMatePlus爆破检测仪，能够同步检测3个方向的爆炸速度（包括时间序列）和爆炸噪音，并且能够提供峰值加速度、位移和频率-速度序列的数值。仪器能够捕捉 300 次不同时间的爆炸情况，主要技术指标见表1。表1 MiniMatePlus爆破微型记录系统主要技术指标测点将依据爆源位置不同而不同，确定选用MiniMatePlus爆破微型检测仪，实测数据手动上传至信息管理系统。4 实际应用4.1 被保护建筑物地表质点振速控制指标根据GB 67222003，DL/T 53892007 水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范 及招标文件相关规定，丰满水电站三期厂房（新坝坝基开挖施工中仍在正常运行）中心控制室设备开挖爆破振动允许振速为0.5 cm/s，主坝帷幕为1.5 cm/s，开关站为2.5 cm/s，上游坝踵、坝基允许振速为3.0 cm/s，厂房基础及高压线塔为5.0 cm/s，坝顶为6.0 cm/s。4.2 现场实际测点布置现场共布置14个监测点，主要布置在原大坝坝顶坝脚、一二期老厂房、三期厂房、开关站、老坝帷幕灌浆廊道及最近的高压线塔等重点监测部位，各测点均监测水平径向（测点与爆区连线的水平方向）、水平切向、竖直3个正交方向爆破振动。4.3 爆破振动速度参数选取在2014年9月的一次石方开挖爆破中，爆破区域X方向桩号为0+922.5210+964.505，Y方向为坝下31.089坝下24.380。主爆孔孔径为90 mm，角度为 70.7185，孔深为 3.406.90 m，堵塞长度为1.802.30 m，单孔药量为4.5011.50 kg；预裂孔孔径为90 mm，孔深为6.3011.99 m，堵塞长度为0.791.25 m，单孔药量为3.005.20 kg。采用雷管连接，非电毫秒延时雷管孔间微差爆破。总装药量为436.50 kg，设计主爆孔最大单响药量11.50 kg，设计预裂孔最大单响药量192.00 kg。根据前苏联萨道夫斯基提出的振动速度公式：v=kQmRa（1）式中：k，a为与爆破点地形、地质条件有关的系数和衰减指数；Q为炸药量，kg；m为药量指数，取1/3或1/2；R为炸源至测点间距离，m。其中，岩性为坚硬岩石时，k值取50.00150.00，a值取1.301.50；中硬岩石时，k值取150.00250.00，a值 取 1.501.80；软 岩 石 时，k值 取 250.00350.00，a值取 1.802.00。根据工程招标文件设计参数及现场实际地质、地形情况，k值取150.73，a值取1.52，m取1/3。将现场实际测得爆破区域与被保护建筑物的距离，代入公式（1）计算最大单响药量。根据公式（1）及实际参数计算得出允许最大单响药量为451.24 kg（根据9号测点允许振速和爆心距数据得出），设计最大单响药量占允许最大单响药量的43%。4.4 监测成果此次爆破共有7个测点获取了有效数据，其他测点由于距离较远，测点仪器未触发。振动监测成果见表2。4.5 资料分析由表2可知，各测点的爆破峰值振速均未超过新坝基础开挖各保护对象爆破振动的最大安全允许振速，其中，最大为7号测点（老坝44号坝段坝脚处）测试的0.57 cm/s（水平切向），不会对各保护对象造成有害影响。而在9号测点（三期厂房中心控制室设备处）测得最大振速为0.22 cm/s（水平切功能爆破地震爆破噪声频率响应全波形记录工作环境类别量程分辨率触发级别频率分析精度加速度、位移量程分辨率触发级别精度2300 Hz固定记录模式固定记录时间自动记录模式LCD电子线路储藏技术指标254.000 mm/s0.127 mm/s，带内置前放，可达0.016 mm/s0.127254.000 mm/s，步长0.010 mm/s国家标准和当地标准15 Hz时误差为3%由整条波形计算而不是在峰值估算50.0148.0 dB（峰值为500 Pa）0.1 dB100.0148.0 dB，步长0.1 dB30 Hz，127.0 dB时为0.2 dB地面及空气中，记录时间独立手动，单炮，连续和程序启/停1100，300 s或500 s加0.25 s预触发时间1100，300 s或500 s加0.25 s预触发时间-1050-2060-2070 2023年第8期工程建设与管理东北水利水电 59向），该点允许最大振速为0.50 cm/s，测得最大振速占允许最大振速为44%。爆破药量占比和振速占比两个数据非常相近，而在后续开挖爆破中，所测得两个占比数据仍非常相近，或者设计最大单响药量占比小于测得振速比值。经分析，小于的原因可能是由于爆破过程中冲击波（爆破地震波）相互抵消（干涉）和测点位置在爆破区域的下坡侧（地质条件的非均质、不连续影响了爆破地震波的传播特性）所造成。丰满电站开挖爆破监测实例表明，基于物联网的爆破振动无线监测系统效率及准确性能够满足工程要求，并且能够在严寒气候条件下，实现爆破振动数据实时传输和爆破数据系统化管理；同时具有RFID和GPS功能，用于爆破设备的认证和爆破时的卫星定位、精确定时，对每次爆破的时间地点、仪器设备都能够精确监控，保证了测量数据的真实性和有效性4。该爆破振动无线监测系统为丰满电站（重建）工程坝基开挖提供了准确有效的钻、爆参数。5 结 语与传统监测技