水下巖塞爆破技術(shù)及在塘寨電廠取水工程中的應用

劉美山，童克強，余 強，趙 根，張正宇

(長江科學院a.水利部巖土力學與工程重點實驗室;b.武漢長科工程建設監(jiān)理有限責任公司;c.武漢長江科創(chuàng)科技發(fā)展有限公司，武漢 430010)

當引水或泄水隧洞的進口處于水庫或湖泊的深水之下時，需要使進水口貫通，通常的做法是圍繞這個進口建一個圍堰，把里面的水抽掉后進行洞內(nèi)及洞口施工?？墒?，這個方法成本高、工期長，后期圍堰拆除的難度很大。另外一種方法則是采用巖塞擋水，先把后部的隧洞建好，僅在進口留下一塊巖體，這個處于較深水下貌似瓶塞子的巖體被稱為巖塞，在完成擋水使命后，采用爆破法將巖塞炸開，這種爆破方式被稱為水下巖塞爆破［1］。對于水下引水和泄水工程，采用巖塞爆破是一個簡單經(jīng)濟的好辦法。

1 概述

巖塞爆破是國外先創(chuàng)的，實施最多的國家是挪威，已進行了500多例。我國從1971年在清河211工程取水口采用之后，至上個世紀90年代初期，已實施了數(shù)十個工程。這些巖塞的功能不甚相同，有引水發(fā)電、灌溉與泄洪的，也有專為放空水庫的。國內(nèi)外巖塞爆破時作用水頭不等，低者數(shù)米，高者達上百米。從地質(zhì)情況與巖體特征而論，在火成巖、沉積巖和變質(zhì)巖中都進行過成功的巖塞爆破。巖塞的幾何尺寸，就厚度(H)與直徑(D)之比，有的小于1.0，大部分在1.0 ～2.0之間，個別也有大于2.0的［2］。爆破方法方面，有采用硐室爆破、鉆孔(深孔或炮孔)爆破的，也有是硐室和鉆孔爆破相結(jié)合的。為了使巖塞爆破的周邊輪廓較好，一般周邊都采用預裂或光爆等控制爆破技術(shù)。

爆破石渣的處置方式基本上分2類:一類為聚渣;一類為泄渣。國外的巖塞爆破幾乎都采用聚渣方式，有單坑聚渣和雙坑聚渣之別。國內(nèi)的幾個工程，從清河211工程取水口巖塞爆破開始，也多為聚渣方式。渣坑分別有矩形、靴形或聚渣坑與平洞相結(jié)合的形式等。后來，發(fā)展了泄渣方案，即爆破的石渣借水流將其排至下游河床中去。采用泄渣方式，爆渣要隨水流通過隧洞，不能對隧洞混凝土襯砌面造成磨損，又不能破壞隧洞內(nèi)其他保護物的安全，還不能影響將來的運行;如果是發(fā)電引水，還不能對發(fā)電的尾水有抬高。巖塞爆破特別適用于中小型水庫工程，也非常適合于大型水電站的擴機工程。

2 巖塞爆破的一般設計方法

2.1 巖塞爆破的設計原則與要求

巖塞爆破形成的進水口常年在水下運行，需要有良好的運行條件。因此，巖塞爆破的設計原則與要求如下:①必須一次爆破成型，不允許出現(xiàn)拒爆或爆破不完全;②爆破后巖塞四周的圍巖應當有一定的完整性和穩(wěn)定性，不遺留可能發(fā)生滑坡坍塌等隱患;③巖塞頂部和底部的開口應滿足進水流態(tài)的要求，具有良好的水力學條件;④巖塞爆破時必須確保周圍保護物的安全;⑤巖塞厚度應滿足巖塞體在水壓力作用下的穩(wěn)定，保證爆破施工安全;⑥泄渣時應盡力減輕巖渣對隧洞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磨損;⑦巖塞體底部集渣坑的容積應滿足爆落巖渣順暢下泄，不允許巖渣在洞內(nèi)發(fā)生瞬時堵塞事故［1］。

2.2 巖塞的設計

2.2.1 巖塞位置的選擇

對于巖塞的位置，既要水力學條件好，又要具有良好的爆破條件。因此巖塞位置要求選擇在巖性單一、整體性好、構(gòu)造簡單、裂隙不大發(fā)育的地方，且?guī)r面平順，岸坡坡度在30°～60°為宜。另外，還要考慮與已成建筑物的關(guān)系，盡可能遠離已建成的建筑物。

2.2.2 巖塞形狀

巖塞的形狀有馬蹄型、圓形、橢圓形、矩形等等，包括內(nèi)口形狀和外口形狀，一般外端呈喇叭狀，里端開口尺寸小于外端開口尺寸。巖塞的形狀一般是根據(jù)隧洞的形狀和功能選擇，要求滿足進水的流態(tài)要求。從理論上說，巖塞形狀可以任意選擇，但實際工程中的巖塞一般為圓形，巖塞軸線與巖塞外的水下地形基本垂直。國內(nèi)外成功實施的巖塞爆破，也大部分選擇圓形巖塞，針對圓形巖塞國內(nèi)外進行了大量的模型試驗和數(shù)值計算，屬于比較成熟的巖塞體型。

2.2.3 巖塞傾角

巖塞的傾角有上傾角、水平和下傾角3種。3種傾角的爆渣處理方式是不一樣的:上傾角巖塞的爆渣一般以集渣或泄渣的方式進入隧洞;下傾角巖塞的爆渣以進入庫區(qū)水中為主;水平巖塞的爆渣一般部分進入庫區(qū)，部分進入隧洞。

由于水平巖塞和下傾角巖塞的爆渣要往庫區(qū)中去，受水壓的作用，實現(xiàn)起來有很多不確定因素，因此選擇這2種巖塞傾角的工程實例不多，一般還是以上傾角巖塞為主。對于上傾角巖塞方案，上傾角度越陡，越有利于巖渣進入集渣坑，但角度越大，施工難度越大;而坡度越緩，則巖渣滑入集渣坑的難度就越大。

2.2.4 巖塞開口尺寸

巖塞開口尺寸要滿足過水斷面要求。對于聚渣方案，在巖塞段后方的過渡段斷面要適當擴大，使聚渣坑滿足積渣容積要求，且過渡平順，以保證水流順暢。在滿足以上條件的情況下盡量減小巖塞尺寸，以減少爆破振動破壞和貫通難度。

2.2.5 巖塞厚度和體型

巖塞厚度的選定是確保施工安全與設計合理的主要影響因素。巖塞厚度的選取與地質(zhì)條件、巖塞尺寸、上覆水深度等因素有關(guān)，巖層結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定、越完整，則選擇的巖塞厚度就可以適當減小。國內(nèi)幾個工程巖塞厚度H與巖塞直徑(或跨度)D之比在1.0 ～1.4之間，國外工程的比值一般也在1.0 ～1.5之間，個別的也有在2.0之上的。當巖塞采用藥室爆破方案時，在塞體內(nèi)開挖導洞和藥室具有一定的危險性，為了施工安全，故所選的H值較大;對于鉆孔爆破的巖塞，施工相對安全，H值可以適當減小。

2.2.6 集渣坑的設計

對于上傾角巖塞，巖塞體爆破后產(chǎn)生的石渣必隨水沖流入隧洞，如果不能通過隧洞泄渣，為保證水流暢通和過水斷面，必須在巖塞后方取水洞段挖一集渣坑。集渣坑的容積根據(jù)巖塞體體積計算確定，松散系數(shù)按1.6倍計算，集渣坑體積按松散體的2倍計算，同時還必須考慮巖塞外的松渣和巖塞爆破時的超挖因素。

2.3 巖塞爆破方法的設計

巖塞的位置和幾何形狀確定后，才能進行爆破設計。巖塞爆破一般有2類方法:硐室爆破法和鉆孔爆破法。其中硐室爆破法又分為集中藥室硐室爆破法和條形藥室硐室爆破法;而鉆孔爆破法又包括大孔徑深孔爆破法和小孔徑炮眼爆破法;還有就是上述方法的組合。這里需要強調(diào)一點，巖塞不能采用水下裸露藥包爆破，這種爆破辦法是不能爆通巖塞的，充其量僅使巖塞體表面產(chǎn)生一些裂縫和零星破碎而已，原因是爆炸能量大部分轉(zhuǎn)化為水中沖擊波了。因此，只能將藥包置于巖體內(nèi)部去實現(xiàn)“爆通”和“成型”。

(1)硐室爆破法。在巖塞體內(nèi)開挖硐室，裝藥爆破，根據(jù)裝藥的集中程度，分為集中藥室硐室爆破法和條形藥室硐室爆破法。硐室爆破的優(yōu)點是裝藥集中，拋擲能力強，相應的計算公式也較多，起爆網(wǎng)路簡單。缺點是開挖藥室安全性差，爆破漏斗破裂線不易控制，爆破振動影響較大。硐室爆破適用于直徑較大的巖塞工程，如國內(nèi)211工程、310工程及250工程及汾河水庫等巖塞爆破工程。

(2)鉆孔爆破法。包括深孔和炮孔爆破法2種(孔徑D≥75 mm、孔深h≥4 m的稱為深孔，小于以上數(shù)值的稱為炮孔)。鉆孔爆破優(yōu)點是:施工安全，機械操作施工方便，藥量分散，爆破振動影響小，爆破的巖石塊度均勻［3］;同時，它還可以通過試探鉆孔打穿巖塞，更清楚地確定巖塞真實厚度。但是鉆孔爆破法的孔位布置、炮孔裝藥、網(wǎng)路連接等工作量較大，施工技術(shù)要求高。

(3)硐室和鉆孔爆破相結(jié)合的方法。有的設計將巖塞體分為2部分，前部分用硐室爆破，后部分用鉆孔爆破。有的很明確，以硐室爆破為主，鉆孔裝藥僅作為輔助手段。

除了上述3種方法外，就硐室爆破而言，還有集中藥室硐室爆破和條形藥室硐室爆破的組合，鉆孔爆破里面也有大孔徑深孔爆破和小孔徑炮眼爆破的組合。上述大部分方法在國內(nèi)外工程中均有實施，在實際設計中應根據(jù)工程規(guī)模大小、施工設備條件和人員開挖經(jīng)驗等各種因素，經(jīng)過綜合比較確定具體的爆破方法。

3 工程實例

3.1 塘寨電廠工程概況

塘寨電廠取水口位于烏江索風營水電站庫區(qū)，設計有2條取水洞。取水洞與連通洞垂直相交，方位為N71.01°E，設計斷面為城門洞型，其中平直段尺寸為高4 m、寬3 m。進口段斷面尺寸為高5.5 m，寬3.5 m。1#，2#洞在同一高程，平行布置，中線距11 m，其中 1#洞全長37.3 m，平直段長21.5 m，進口段長15.8 m;2#洞全長39.4 m，平直段長21.5 m，進口段長度為17.9 m。取水洞、連通洞及豎井平面布置見圖1。取水洞口地形坡度較陡，其中1#洞口地形坡度在41°～65°間，2#洞口地形坡度44°～62°間，巖層產(chǎn)狀為N35°～40°E/NW∠40°～52°。巖石為深灰色灰?guī)r，裂隙中等發(fā)育，充填方解石及泥質(zhì)，巖芯較完整，多呈長柱狀，少呈短柱狀、碎塊狀。取水口區(qū)域水面寬闊，死水位822 m，正常水位837 m，每日水位漲落不規(guī)則。1#巖塞口有近2 m的松渣淤積，2#巖塞口基本無淤積，2個巖塞上部均有不同程度的堆渣。

圖1 取水洞、連通洞及豎井平面布置圖Fig.1 Layout plan of the water intake pipe，connecting pipes and the shaft

3.2 巖塞爆破存在的困難

塘寨電廠取水口早期設計為城門洞型水平巖塞，存在的困難主要有:①塞口位于陡傾角部位，使塞子近于水平布置，對聚渣不利;②豎井平洞開挖高程不到位，死水位822 m，豎井平洞底板高程僅818.5 m，比死水位僅低3.5 m，給后續(xù)的巖塞設計帶來極大的困難;③上部灌漿平臺及其它附屬工程開挖時，在巖塞口的正上方聚積了大量堆渣，這些堆渣有可能因爆破振動而下滑進入巖塞口，增大巖塞的聚渣體積;④巖塞外地形不明，巖塞體地質(zhì)結(jié)構(gòu)復雜。

3.3 巖塞設計

3.3.1 巖塞傾角

塘寨電廠選擇上傾角巖塞方案。類似工程經(jīng)驗表明，巖塞中心線與水平線的夾角一般大于30°。根據(jù)塘寨巖塞的實際情況，分別比較了30°夾角、37.5°夾角、45°夾角等方案，最終選定巖塞中軸線與水平線呈30°夾角方案，該角度也是保證巖渣滑入集渣坑的最小傾角。

3.3.2 巖塞形狀和開口尺寸

原設計的巖塞里端開口尺寸為3 m×5.5 m，外端呈喇叭狀，斷面為馬蹄形。由于本巖塞施工時間緊張，不具備進行模型試驗和數(shù)值計算驗證的條件。采用成熟的巖塞體型有利于成功爆破，因此選擇圓形巖塞。根據(jù)本巖塞的實際情況和要求，巖塞的外口直徑按大于6 m，內(nèi)口直徑按3.5 m設計。

3.3.3 巖塞厚度和體型

塘寨電廠巖塞的外側(cè)風化層巖體質(zhì)量較差，受到索風營水電站庫區(qū)水位的影響，外側(cè)灌漿質(zhì)量很難保證，厚度不宜過小，所以巖塞厚度H的選取范圍為(1～1.5)D。當巖塞內(nèi)口直徑為3.5 m時，厚度范圍H值應該在3.5～5.25 m之間，由于水壓較大，為安全起見，巖塞厚度最薄位置不小于3.5 m，平均厚度大于4.0 m。據(jù)此確定的巖塞體型為:

(1)1#巖塞內(nèi)口直徑 3.5 m，外口直徑 6.17 m，上沿厚度 3.63 m;下沿厚度 4.56 m，平均厚度4.095 m。巖塞方量81 m3。巖塞平均厚度與直徑比值為1.17。

(2)2#巖塞內(nèi)口直徑 3.5 m，外口直徑 6.02 m，上沿厚度 3.97 m;下沿厚度 4.31 m，平均厚度4.14 m。巖塞方量82 m3。巖塞平均厚度與直徑比值為1.18。

3.3.4 集渣坑的確定

巖塞體體積82 m3，則集渣坑的容積為82 m×1.6 m×2.0 m=262.4 m3，相應的集渣坑尺寸為寬×深×長=3.5 m×3.5 m×20 m，實際開挖體型是根據(jù)施工機械和現(xiàn)場條件確定的，但保證容積不得小于260 m3。2#取水口巖塞及集渣坑布置見圖2。

圖2 巖塞及集渣坑布置斷面圖(2#)Fig.2 Sectional view of the layout of rock plug and residue gathering pit(2#)

3.4 爆破設計

3.4.1 爆破方案選擇

考慮本工程隧洞進口高程低，塞體較小，巖塞厚度較薄，節(jié)理發(fā)育、滲透性不均勻的特點，選擇大孔徑深孔和淺孔組合的巖塞爆破方法，掏槽和貫通采用大孔徑炮孔、周邊采用小孔徑炮眼預裂爆破，集渣坑聚渣。

3.4.2 炮孔布置

孔位布置主要與巖塞斷面、塞體形狀、爆破方量、巖石性質(zhì)和炸藥性能等因素有關(guān)，本工程貫通爆破孔采用直徑90 mm的潛孔鉆機造孔，貫通爆破孔包括掏槽孔和輔助孔，周邊預裂孔采用孔徑50 mm的手風鉆鉆孔。1#，2#巖塞的炮孔布置基本相同。

(1)掏槽孔布置參數(shù):以巖塞中心為基準，在直徑為1m的區(qū)域內(nèi)共布置12個炮孔，孔徑90 mm，其中半徑0.25 m圓周上布置4孔，每90°布置1孔，半徑0.5 m圓周布置8孔，每45°布置1孔，孔底距離迎水面為0.8 m。為了保證掏槽爆破的效果，在巖塞中心部位布置一個空孔，孔底距離迎水面0.5 m。

(2)輔助孔布置參數(shù):在中心掏槽孔之外，再布置一圈輔助爆破孔，孔徑90 mm，沿著半徑為1.25 m的圓周共布置12個，每30°布置1孔，炮孔距離迎水面0.8 m。

(3)預裂孔爆破參數(shù):為減少爆破振動對圍巖的破壞，控制成型斷面，在巖塞設計輪廓上布置一圈預裂孔，共布孔36個，在半徑1.75圓周上每10°布置1孔，炮孔距離迎水面0.5 m。采用 ? 3.2 cm藥卷，不偶合裝藥，線裝藥密度為250～300 g/m。1#取水系統(tǒng)巖塞爆炮孔布置斷面見圖3。

3.4.3 裝藥量計算

掏槽孔和輔助孔裝藥采用下式計算

式中:q為單位炸藥消耗量，kg/m3;a為孔距，m;W底為最小抵抗線，m;L為孔深，m。1#取水口巖塞共需要炸藥320 kg，2#取水口巖塞共需要炸藥310 kg。

圖3 取水系統(tǒng)巖塞爆炮孔布置斷面圖(1#)Fig.3 Sectional view of the blast holes of rock plug blasting for the water intake system(1#)

3.5 起爆網(wǎng)路設計和爆破器材選擇

3.5.1 起爆系統(tǒng)選擇

起爆網(wǎng)路是巖塞爆破成敗的關(guān)鍵，必須保證能按設計的起爆順序、起爆時間安全準爆。塘寨巖塞爆破采用電子雷管起爆系統(tǒng)，該系統(tǒng)每發(fā)雷管的延期時間可以任意設置，雷管精度也較傳統(tǒng)的非電雷管大大提高。

起爆方案為周邊預裂孔首先起爆，形成預裂縫，而后中間掏槽排孔起爆，中間貫通，輔助爆破孔最后起爆，使巖塞爆通成型。爆破孔每孔均下1根導爆索，裝2發(fā)電子雷管;預裂孔每孔下2根導爆索，裝2發(fā)電子雷管。每個巖塞均分4段起爆，其中預裂孔為1段，掏槽孔分2段，輔助爆破孔分1段。各段的起爆時間為0，98，108，173 ms。為減少爆破振動，1#洞比2#洞滯后250 ms，用一臺起爆器同時擊發(fā)起爆［4］，見圖 4。

3.5.2 其他爆破器材

巖塞爆破屬于水下或半水下爆破，因此，選擇的炸藥應能在水壓力下完全爆炸。對炸藥的基本要求是:炸藥密度大于1 100 kg/m3，炸藥爆速應大于3 700 m/s，作功能力大于320 ml，猛度大于16 mm，殉爆距離大于2倍的藥徑。藥卷采用塑料膜包裝的乳化炸藥。導爆索采用防水型導爆索［5］。

3.6 其他施工問題

3.6.1 地形復核

塘寨取水口巖塞地形陡峭，長期處于15 m水深以下，地形比較復雜。巖塞爆破設計對地形精度要求極高，若地形測量誤差過大，有可能導致鉆孔與水庫相通，影響施工安全。因此爆破設計前采用多波束水下三維測量系統(tǒng)對巖塞外地形進行了復測。

3.6.2 巖塞探孔施工

圖4 裝藥結(jié)構(gòu)與起爆網(wǎng)路示意圖(1#)Fig.4 The powder charging structure and the blasting circuit(1#)

正式鉆孔前在巖塞中心線及巖塞周邊輪廓上布置若干探孔，全面了解巖塞厚度和巖塞巖體結(jié)構(gòu)情況。每個巖塞探孔布置4～5個，逐個施工，鉆探一個封堵一個。

3.6.3 巖塞口的支護和固結(jié)灌漿

為了保證巖塞爆破施工的安全，對巖塞口的圍巖進行了錨桿支護和固結(jié)灌漿處理。錨桿孔深入基巖3 ～6 m，間距 1.5 m，排距 2.0 m，梅花形布設。固結(jié)灌漿孔深入基巖3 m，間距1.5 m，排距2.0 m，梅花形布設。

3.6.4 巖塞體滲水處理

在鉆孔施工過程中，還進行了超前注漿堵漏。當巖塞面開挖至巖塞設計厚度時，對巖塞體進行了全面灌漿防止?jié)B漏。在爆破孔鉆孔過程中，如鉆孔深度沒有達到設計值即出現(xiàn)較大滲漏，即刻封堵再進行灌漿處理，處理后再重新鉆孔。

3.6.5 起爆網(wǎng)路模擬試驗

為了保證所采用起爆網(wǎng)路的可靠度，爆前抽取本次爆破所用的電子管雷管60發(fā)，分別在水下浸泡1天，然后取出按照1∶1的模型進行了網(wǎng)路模擬試驗［4］。試驗證明所采用的網(wǎng)路是可靠的。

3.6.6 鉆孔技術(shù)要求及質(zhì)量檢查

嚴格按設計要求進行布孔、造孔，控制好孔位、孔向和孔深。鉆孔精度要求:開孔誤差控制在±2 cm;孔底誤差控制在±3 cm;深度誤差控制在±3 cm。

4 結(jié)語

2011年5月18日傍晚，隨著指揮部一聲令下，巖塞爆破取得成功，巖塞順利貫通，索風營水庫清澈的江水順利地流進了取水洞。本次爆破的成功表明:采用大孔徑深孔和淺孔組合的巖塞爆破方法是可行的;采用高精度電子雷管對于確保巖塞爆破的成功起到了重要作用;巖塞施工前對巖塞體進行充分的固結(jié)灌漿和錨桿支護，有利于保證鉆孔施工過程的安全和施工質(zhì)量;對于巖塞爆破，進行精確的水下地形測量和探孔探測是必要的，也是必須的。

本次爆破的成功經(jīng)驗表明，利用水下巖塞爆破的施工方法，對于開發(fā)我國西南、西北天然湖泊或已建成湖泊的水力資源，增加已有工程的綜合能力，提供了有效的技術(shù)途徑。

［1］郝志信，趙宗棣.密云水庫水下巖塞爆破技術(shù)［M］.北京:水利部基建總局，1980.(HAO Zhi-xin，ZHAO Zong-di.Technology of Underwater Rock Plug Blasting for Miyun Reservoir［M］.Beijing:Infrastructure Administration Bureau of Ministry of Water Resources，1980.(in Chinese))

［2］黃紹鈞，郝志信.水下巖塞爆破技術(shù)［M］.北京:水利電力出版社，1993.(HUANG Shao-jun，HAO Zhi-xin.Technology of Underwater Rock Plug Blasting［M］.Beijing:Hydraulic and Electric Power Press，1993.(in Chinese))

［3］劉美山，吳從清，張正宇.小灣水電站高邊坡爆破震動安全判據(jù)試驗研究［J］.長江科學院院報，2007，(1):40－43.(LIU Mei-shan，WU Cong-qing，ZHANG Zhengyu.Experimentation on Judging Standard of Blasting Vibration Safety in High Slope Excavation of Xiaowan Hy-dropower Station［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2007，(1):40－43.(in Chinese))

［4］劉美山，楊文杰，張應剛，等.高精度非電起爆系統(tǒng)在圍堰爆破拆除中的應用［J］.貴州水力發(fā)電，2006，(6):49－52.(LIU Mei-shan，YANG Wen-jie，ZHANG Ying-gang，et al.Application of High Precision Non-electric Detonation System in Blasting Demolition of Cofferdam［J］.Guizhou Water Power，2006，(6):49－52.(in Chinese))

［5］趙 根，劉美山.水中爆炸水擊波及其多次脈動的觀測與分析［J］.長江科學院院報，2003，(增刊):56－57.(ZHAO Gen，LIU Mei-shan.Observation and Analysis on Shock Wave and Multiple Pulsating Caused by Underwater Blasting［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2003，(Sup.):56 － 57.(in Chinese ))