西大洋水庫除險加固臨近土石壩的控制爆破

劉治峰

（河北省水利工程局，石家莊 050021）

工程管理

西大洋水庫除險加固臨近土石壩的控制爆破

劉治峰

（河北省水利工程局，石家莊 050021）

為確保溢洪道開挖爆破施工中土石壩的安全，爆破產(chǎn)生的振動不能危及土壩粘土斜墻的穩(wěn)定，不能產(chǎn)生任何裂縫。在西大洋水庫除險加固工程臨近土壩的控制爆破前，根據(jù)工程狀況、地質(zhì)情況、爆破方案及爆破參數(shù)，專門進行了前期爆破試驗、模擬爆破試驗，通過試驗得出了可靠的安全判據(jù)和控制標(biāo)準，為確保正在運行蓄水的壩體及整個大壩的安全、穩(wěn)定提供了依據(jù)。

控制爆破；溢洪道開挖；塊度控制；試驗壩；爆破參數(shù)；土石壩穩(wěn)定

1 問題的提出

1.1 工程概況

西大洋水庫位于河北省唐縣境內(nèi)大清河南支唐河出山口處，其控制流域面積4420km2，總庫容11.37億m3，是一座以防洪為主，兼顧城市供水、灌溉、發(fā)電等綜合利用的大（Ⅰ）型水庫，是唐河上重要的控制性樞紐工程，對下游保定市和京廣鐵路及以東人口稠密的河北平原，以及京、津兩市的防洪起著重要作用。

現(xiàn)狀水庫樞紐由一座主壩、四座副壩、正常溢洪道、非常溢洪道、泄洪洞、輸水洞、發(fā)電站等建（構(gòu)）筑物組成。主壩為均質(zhì)土壩，壩頂長1799.55m，最大壩高54.3m，壩頂寬5.0m，壩頂高程151.15m，防浪墻頂高程152.35m。正常溢洪道位于主壩右側(cè)，設(shè)8孔閘，每孔寬9m，進口為實用堰，堰頂高程133.25m，平板升臥式閘門擋水，固定卷揚式啟閉機控制。

1.2 工程地質(zhì)

西大洋水庫庫區(qū)及附近地區(qū)山脈多呈NE~SW，與本區(qū)地質(zhì)構(gòu)造線一致，庫區(qū)最高點高程為450m，最低點為96.8m，相對高差100~350m，除局部河谷外，一般山脈較為平緩，地貌單元主要為低山丘陵、臺地、河間盆地等。

1.3 工程難點

西大洋水庫主壩安全系數(shù)偏低，防洪標(biāo)準偏低，經(jīng)安全鑒定為三類壩。除險加固工程有改建、擴建正常溢洪道、增大正常溢洪道泄洪能力，在改建溢洪道同時，利用溢洪道開采的石渣加高大壩，將下游壩坡放緩加厚。并將正常溢洪道堰型改建為駝峰堰，堰頂高程為130.45m，單孔凈寬15m，共6孔，閘室長32m，閘墩厚2.8m，底板厚3.0m，底板高程127.95m，駝峰堰高2.5m。以弧形閘門擋水，液壓啟閉機控制。

1.3.1 溢洪道開挖

溢洪道土石方開挖量48.4萬m3，主壩堆石填筑工程量為124.9萬m3，折合自然方95.3萬m3。石料不足部分另選料場爆破采石。

溢洪道開挖總長874m，最大開挖深度47m，平均38m。溢洪道兩岸由底部向上每隔10m設(shè)一條馬道，馬道寬度1.0m。溢洪道右岸開挖主要集中在樁號0+275上游至閘室段，開挖厚度較薄，僅為3~6m，大部分開挖工程量在左岸，厚度10~22m。

1.3.2 開采石料的塊度控制

主壩下游壩坡加高加厚采用爆破開挖溢洪道的Ⅵ類及以上巖石，Ⅴ類巖石不允許上壩，不足部分由副壩左側(cè)料場提供。上壩石渣最大粒徑不得大于0.8m，且應(yīng)有較好的連續(xù)級配。粒徑0.1mm以下的沙、土、石粉等顆粒含量不得超過5%，不得含有草、木等有機物質(zhì)。填筑層厚度每次不宜超過120cm，填筑時不得發(fā)生粗料集中及架空現(xiàn)象。石渣碾壓后要求孔隙率不大于25%，干容重應(yīng)不小于20kN/m3。

1.3.3 原閘室的爆破拆除

溢洪道原閘室共8孔閘，9個閘墩，每孔凈寬9.0m，頂部為工作橋和檢修橋。閘墩底寬2.0m，頂寬1.15m，順河長25m，高度24m，高寬比達20倍，因無傾倒空間，前后左右均不能倒塌，只能原地坍塌。其形狀上小下大，形狀特殊，作為水工建筑物含鋼筋量很高，對拆除工藝提出很高要求。

2 臨近土石壩的溢洪道開挖爆破

因原溢洪道擴挖，涉及到與溢洪道緊密相連的土壩的安全。首先溢洪道開挖的爆破施工必須確保土壩的穩(wěn)定，不能產(chǎn)生坍塌、滑動和裂縫。其次爆破產(chǎn)生的振動不能危及土壩中心粘土斜墻的穩(wěn)定，不能產(chǎn)生任何裂縫，否則會造成正在運行蓄水的壩體產(chǎn)生滲漏，危及整個大壩的安全，因此必須正確進行爆破方案的設(shè)計，合理選擇爆破參數(shù)，嚴格限制單響藥量，準確控制爆破振動影響范圍和影響程度，確保工程安全。如何確保正在運行蓄水的土壩的安全，我國國家安全規(guī)程和行業(yè)相關(guān)規(guī)范都沒有資料可參照，無章可循，為此專門進行了前期爆破試驗，并進行專門的模擬破壞試驗，給出可靠的安全判據(jù)和控制標(biāo)準，為確保工程安全給出了科學(xué)依據(jù)，可為其他土石壩的抗振安全提供重要的參考實例，這一經(jīng)驗數(shù)據(jù)對同類工程實踐有著重要指導(dǎo)意義。

2.1 溢洪道開挖爆破對土壩安全影響的試驗研究

2.1.1 試驗條件和觀測布置

為了近似模擬開挖爆破對土壩接頭的破壞影響，在溢洪道開挖區(qū)臺階巖坡處，按碾壓土壩的要求用人工填筑了一座高4.5m、頂寬10m、長15m的試驗小土壩進行觀測。該試驗土壩的平均干容重1.64g/cm3，平均含水量28.6%，根據(jù)土料分類標(biāo)準屬粉質(zhì)粘土。觀測儀器布置如下：

（1）在土壩接頭處，布置動土壓力計共6個，以測定巖體與土體界面處爆炸動應(yīng)力情況和土體中的動應(yīng)力衰減情況。

（2）在相應(yīng)地點布置了2臺速度傳感器，觀測徑向水平振動速度，與動應(yīng)力觀測資料相對照，以檢測應(yīng)力波參數(shù)的準確性。

（3）在試驗壩與巖體交界面兩側(cè)不同距離處布置三分量的振速傳感器18臺，以觀測通過兩種不同介質(zhì)交界面的振波參數(shù)變化。

（4）利用改裝后的隧洞變形儀測定土壩接頭處爆破作用時的變形情況，與宏觀情況相對照，以了解壩頭的變形特性和破壞準則。

試驗炮炮孔沿試驗壩軸方向由遠至近布置，孔內(nèi)用耦合裝藥，逐一放炮進行觀測。炮孔及測點儀器布置情況見圖1所示。

圖1 測點埋設(shè)示意圖

2.1.2 主要觀測結(jié)果及分析

2.1.2.1 巖土界面應(yīng)力波參數(shù)和特性

根據(jù)巖土界面附近應(yīng)力波參數(shù)，從波形圖中得知界面應(yīng)力波參數(shù)有以下特點：

（1）所有應(yīng)力波具有一個明顯的壓力峰值，其值與一維應(yīng)力波σ=ρcV計算值相吻合，壓力峰的平均升壓時間約為11ms，峰值過后壓力迅速下降為零，該壓力波的正壓作用時間τ+與爆破的折算距離r和壓力峰值大小有關(guān)。本試驗場區(qū)=2.0～6.0），正壓作用時間τ+隨的增大而減小。

（2）第一個壓力峰值過后部分波形出現(xiàn)微弱負壓，其值一般小于壓力峰值的5%～10%，然后出現(xiàn)明顯的周期性衰減振動，其平均振動周期約為20.5Hz，與一般估算土壩自振頻率的關(guān)系式F=（H為壩高，m）的計算結(jié)果相近，而振動衰減的阻尼比為0.197，似略偏大。

（3）每次爆破之后，界面上的壓力波曲線大部分不回零，尚有1～3N/cm2的殘余壓應(yīng)力。

（4）離界面0.5和1.0m的土壩中的測點壓力峰值與折算距離成反比，如圖2所示，回歸的經(jīng)驗式為：

離土壩與巖體交界面0.5m處，Pr=0.34（11-）；

離土壩與巖體交界面1.0m處，Pr=0.36（11-）。

圖 2 Pr～關(guān)系曲線

2.1.2.2 試驗壩壩肩接頭爆破變形

該項觀測時利用改裝的隧洞變形儀測定交界面附近壩肩的殘余變形情況，儀器的一端固定在巖石的混凝土基礎(chǔ)上，另一端則固定在土壩壩面預(yù)埋的混凝土基礎(chǔ)上，同一地點布置了兩種不同跨距的儀器（1#～5#儀器跨距為 2.0m，6#～10#跨距為 3.5m）以資比較。其主要觀測結(jié)果如圖3所示，從圖3可知：

圖3 壩肩殘余變形觀測成果

（1）在每次爆破后，各測點都有不同程度的殘余變形出現(xiàn)，該值隨折算距離的減小而增加。

（2）所有同地點而跨距不相同的測點所記錄到的殘余變形量幾乎一樣，此點可說明土壩接頭部位在爆炸應(yīng)力波作用下變形區(qū)域范圍很窄。

（3）在爆炸動力作用下，土壩接頭有明顯的蠕變性質(zhì)，每次爆破后的殘余變形量隨時間逐漸減少。產(chǎn)生最大殘余變形的3#測點，在一次爆破最大變形量達2.4mm，而多次爆破的累計變形量達4.1mm情況下尚未發(fā)現(xiàn)宏觀破裂現(xiàn)象。

圖4 δ～關(guān)系曲線

2.1.2.3 爆破振動效應(yīng)

爆破振動效應(yīng)觀測主要集中于試驗土壩壩肩巖土交界面兩側(cè)，以了解巖體內(nèi)爆破振動波進入土體時的性狀及參數(shù)變化規(guī)律，為此在交界面兩側(cè)分別布置了三分量振速傳感器。

圖5 V～關(guān)系曲線

（2）在振動頻率方面，交界面后試驗土壩接頭處的振動頻率較界面前巖石一側(cè)的頻率普遍降低，這說明土體有明顯的高頻濾波作用。

（3）對典型振動波進行了富氏譜分析，從結(jié)果中看到，在巖石一側(cè)，各測點振動的卓越頻率在25Hz以上，最大達50Hz，而在試驗土壩一側(cè)，卓越頻率在25Hz以下，最低為十幾個Hz，富氏譜基本上只有一個（最多兩個）明顯的峰值，而在其他頻率下的振幅譜值都很小，說明在單個小藥量、近距離爆破時，測點振動具有頻率較高、頻帶較窄和衰減較快等特點。

從本次試驗實測標(biāo)準加速度反應(yīng)譜圖中可以看到，單個炮孔爆破反應(yīng)譜曲線β值較峒室爆破為小，當(dāng)T＞0.1s后，相應(yīng)的β值僅為0.1，這說明了小藥量、近距離對于自振周期在0.1s以上的建筑物來說，振動反應(yīng)都很微小，與通常由于地震引起頂部破壞的情況不同，建筑物的破壞主要發(fā)生在基礎(chǔ)下部，并由應(yīng)力波參數(shù)控制。

2.1.2.4 土體內(nèi)部深層變形

土體內(nèi)部深層變形觀測是用伺服加速計式測斜儀進行的。先用鉆機在試驗土壩上鉆孔，埋入斜管，周圍用中砂回填，并用電動振搗器振密實，每次爆破前后進行觀測，以了解每次爆破時不同深度土層的變形情況，從觀測成果中可以看到：

（1）第10炮之前，每次爆破后測斜管的變形量不大，一般都在0.5mm以內(nèi)，總的累計變形量在2mm左右，4個測斜管的變形量大同小異，配合宏觀觀察，測斜管周圍砂子無下沉現(xiàn)象，試驗土壩上也未出現(xiàn)裂縫。

（2）從4個測斜管的變形趨勢可以明顯看到，SN向變形大，E-W向變形小。分析認為這是由于土壩的東面與巖體交接，受到約束所致。

（3）從每一測點沿深度變形情況看，一般都是表面變形大，深層變形小，愈往深處變形愈小，這和土壩易在表面出現(xiàn)裂縫而往深層逐漸尖滅的現(xiàn)象是一致的。

（4）第 11炮爆破后，測斜管變形驟大，達 4～8mm，爆后發(fā)現(xiàn)測斜管周圍的砂子明顯下沉，試驗土壩表面出現(xiàn)了多條大小裂縫。

2.1.3 爆破振動的安全判斷與控制標(biāo)準

2.1.3.1 近區(qū)爆破

試驗資料表明，爆破對土壩的安全影響主要是壩肩接頭處受應(yīng)力波和振動波作用。當(dāng)爆破折算距離＞5.0時，土巖界面附近的壓力峰值Pr≈20N/cm2；相應(yīng)的最大豎直向振速≤7.5cm/s；水平徑向振速rr≤11.0cm/s，此時試驗壩接頭處2.0m范圍內(nèi)爆后產(chǎn)生的殘余變形δ≤0.63mm，仍屬安全范圍。當(dāng)r≤4.0時，最大振速約為12～14cm/s；土巖界面壓力峰值Pr為25N/cm2；而殘余變形δ=0.8mm，則處于臨界狀態(tài)。當(dāng) r≤2.5～3.0 時，最大振速達 18～20cm/s；土巖界面壓力峰值 Pr≤30N/cm2；殘余變形 δ=1.2～1.6mm，試驗壩接頭部位碾壓較差的表面地方有微小裂縫出現(xiàn)。最后作破壞試驗時，=1.5（實際距離R=3.5m）最大振速達20cm/s以上，試驗壩接頭和壩肩都發(fā)生了十分嚴重的破壞，多條縱向裂縫寬達1.5cm，深度達20cm以上，延伸長度達10m以上。此時試驗土壩接頭部位已屬爆破破裂區(qū)范圍。

考慮到水庫工程的重要性，施工安全應(yīng)留有足夠的余地；也考慮到多次重復(fù)爆破對建筑物的影響及試驗?zāi)M方法和量測手段仍不夠理想，可能存在誤差。采用一定的安全系數(shù)是完全必要的。但也不應(yīng)控制過嚴，為此，采用土壩接頭巖石一側(cè)的最大振速控制在Vmax=5～6cm/s是可行的。

2.1.3.2 遠區(qū)爆破

應(yīng)根據(jù)爆破振動的波譜特性，結(jié)合到土壩本身的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，進行動力分析，求出壩體所能容許承受的振動量值。作為初步的判斷，本著從嚴要求并留有余地的精神，采用控制地面（壩基）振動速度不超過2～3cm/s，也是可行的。

2.2 爆破方案與爆破參數(shù)

2.2.1 爆破方案

采用預(yù)留側(cè)向保護層，分別進行預(yù)裂爆破加光面爆破的控制爆破方案。在距離設(shè)計開挖邊線3.0m處設(shè)置預(yù)裂爆破孔，主爆孔起爆前先進行預(yù)裂爆破，先形成一條較為規(guī)整的開挖邊線，為下一步光面爆破創(chuàng)造良好的臨界面條件，使抵抗線基本均勻一致。這條預(yù)裂縫的形成可以有效地降低主爆孔爆破造成的振動影響，確保保留巖體的安全穩(wěn)定。同時主爆孔起爆造成巖體后緣的裂縫擴延到預(yù)裂縫處，動態(tài)拉應(yīng)力衰減為零造成裂縫尖滅，防止裂縫向保留巖體延伸。該預(yù)裂縫形成位置距開挖邊線為3.0m，可以有效地防止主爆孔或預(yù)裂孔對保留巖體造成的任何不良影響。在設(shè)計開挖邊線位置，設(shè)置光面爆破孔，距光爆孔1.2m處設(shè)置爆破孔，爆破孔的孔網(wǎng)參數(shù)均小于主爆孔，產(chǎn)生的振動影響遠小于主爆孔。光面爆破孔的抵抗線僅為1.2m，而且都比較均勻，炮孔間隔略小于此值為1.0m，二者之比為0.8，故將光爆孔之間爆通形成規(guī)整邊線的同時，抵抗線方向巖體也被拉裂、推出。即保證開挖邊線整齊又大大降低了對保留巖體的影響。這種施工方案雖然成本增加，但對后邊土石壩的保護是非常有效而可靠的。

2.2.2 爆破方案設(shè)計和參數(shù)選取

（1）布孔方案及起爆順序。為減小爆破振動，布孔時在光爆孔前方設(shè)置一道預(yù)裂孔。起爆順序分兩次爆破，首先爆破預(yù)裂孔及前部主爆孔，第二次起爆光面爆破孔，第一次爆破時此排孔兼起防震孔作用。

（2）鉆孔設(shè)備。采用KQJ-B100潛孔鉆。

（3）鉆孔傾角。溢洪道閘室段設(shè)計坡比為1∶0.3，為保證邊坡穩(wěn)定，所以預(yù)裂孔鉆孔傾角選為1∶0.2，光面爆破孔鉆孔傾角為1∶0.3，緩沖孔鉆孔傾角同預(yù)裂孔鉆孔傾角，臨空面主爆孔鉆孔傾角根據(jù)臨空面邊坡確定，其他主爆孔鉆孔傾角為1∶0.3。光面爆破孔孔距為1.0m，爆破孔孔距為3.0m，光面爆破孔與爆破孔排距為1.2m，爆破孔與預(yù)裂孔排距為2.0m。預(yù)裂孔孔距為1.0m，緩沖孔孔距為3.0m，預(yù)裂孔與緩沖孔排距為1.2m，緩沖孔與主爆孔排距為3.0m，主爆孔孔距為3.8m。

（4）孔深?？咨钣蓭r面線鉆至高程136.0m，并鉆孔超深60cm。

（5）預(yù)裂、光面爆破線裝藥密度及結(jié)構(gòu)。預(yù)裂及光面孔線裝藥密度q線=420g/m。預(yù)裂及光面孔底部采取加強裝藥，每3卷標(biāo)準卷為1捆，共5捆，正常裝藥段為每隔30cm連續(xù)裝2卷標(biāo)準藥卷，堵塞長1.5m，先堵編織袋，后用粘土堵塞，分次夯實。

（6）主爆孔單耗及裝藥結(jié)構(gòu)。主爆孔單耗根據(jù)實際地質(zhì)情況取0.42kg/m3，裝藥采取耦合裝藥結(jié)構(gòu)，堵塞長度為3.0～3.5m，先堵一編織袋，后用粘土堵塞，分次夯實。

（7）爆破網(wǎng)路。主爆孔內(nèi)采用2發(fā)10段毫秒導(dǎo)爆雷管起爆，孔外采用2發(fā)2段毫秒導(dǎo)爆雷管接力起爆，排間采用2發(fā)5段毫秒導(dǎo)爆雷管接力起爆，第一道預(yù)裂孔3孔一響，用2段毫秒導(dǎo)爆雷管分段連接。

（8）單響藥量及爆破規(guī)模?？刂谱畲髥雾懰幜繛?0.9kg，控制爆破規(guī)模不超過3.0t。

2.2.3 技術(shù)措施

為減小爆破振動對土壩的影響及盡量控制飛石影響，順利完成溢洪道鉆爆任務(wù)，在裝藥爆破過程中采取以下措施：①采用粘土堵塞，分段夯實，堵塞由專人負責(zé)，保證堵塞質(zhì)量，保證堵塞長度≧最小抵抗線；②臨空面位置抵抗線較大部位適當(dāng)加孔，減小單孔藥量；③爆破作業(yè)面孔口進行覆蓋防護，用荊笆相互搭接，砂袋壓重；④采取空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)，減小初始壓力；⑤嚴格控制單孔單響藥量，保證主爆孔一孔一響；⑥對整個網(wǎng)路的每個結(jié)點進行逐個檢查，保證整個網(wǎng)路完全起爆。

3 結(jié)語

為觀測爆破對主壩的影響，判斷它們的安全性，并為調(diào)整爆破參數(shù)和控制爆破規(guī)模提供依據(jù)。施工中采用T0PBOX508S振動信號自記儀進行振動監(jiān)測，經(jīng)過4次爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，最大爆破振速為3.26cm/s，小于控制標(biāo)準5~6cm/s；爆破后經(jīng)過對土壩觀察，土壩沒有出現(xiàn)裂縫等不良現(xiàn)象。可見采取的爆破參數(shù)是合理的，爆破對土壩沒有造成影響。

［1］姜鳳海，徐文林，牛運華，等.水布埡混凝土面板堆石壩填筑料開采爆破試驗 ［J］. 長江科學(xué)院院報，2003，20（S0）：48-52.

［2］（南非）Cunningham，長沙巖石力學(xué)技術(shù)公司編譯.預(yù)估爆破破碎的Kuz-ram模型［A］.第一屆爆破破巖國際會議論文集［C］.1985.

［3］吳新霞，彭朝輝，張正宇.Kuz-ram模型在堆石壩級配開采爆破中的應(yīng)用 ［J］. 長江科學(xué)院院報，1998，15 （4）：39-41，45.

［4］DL47—94，水工建筑物巖石基礎(chǔ)開挖工程施工技術(shù)［S］.

［5］SL203—97，水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范［S］.

Controlled Blasting of Xi Dayang Reservoir Reinforcement Next to Earth-Rock Dam

LIU Zhi-feng
（Hebei Water Conservancy Engineering Bureau，Shijiazhuang 050021，China）

To ensure the safety of earth-rock dam during the spillway excavation and blasting works， blasting vibration should not endanger the stability of the damwall，and no cracks then shall be allowed.Before starting the blasting of Xi Dayang reservoir reinforcement project，a number of blasting tests have been donein accordance with the projectstatus，geology and blasting parameters，which has provided reliabledata and controlling standards to ensure the safety and stability of the dam under operation.

controlled blasting；spillway excavation；lumpiness controlling；testing dam；blasting parameters；earth-rock dam stability

TV641

B

1672-9900（2014）04-0089-05

2014-05-05

劉治峰（1963-），男（漢族），河北鹽山人，正高級工程師，主要從事工程技術(shù)、施工項目及爆破項目管理工作，（Tel）13803346754。