高寒地區(qū)高拱壩基礎(chǔ)保護(hù)性開(kāi)挖技術(shù)研究

洪 松，王 偉，陳 端，暴艷利

(中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

1 工程特性

某高拱壩壩址位于高寒地區(qū)，為混凝土雙曲拱壩，最大壩高240m，壩頂寬10m，最大拱冠厚度65m，工程施工總工期9年。

壩址處河谷呈“V”字型，左岸地形坡度約35°，右岸地形坡度約40°。工程區(qū)巖性以黑云母石英片巖為主，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度94.1～122.7MPa。

工程區(qū)絕對(duì)最高溫度36.6℃，絕對(duì)最低溫度-45.0℃，最大溫差81.6℃。

拱壩混凝土澆筑采用30t平移式纜式起重機(jī)入倉(cāng)，澆筑時(shí)間為每年4月15—10月15日，每年混凝土澆筑時(shí)段為6個(gè)月，其他項(xiàng)目施工時(shí)間為每年4月1日—10月31日，施工時(shí)段為7個(gè)月。11月1日—次年3月31日為冬季停工時(shí)間。

2 工程特性對(duì)基礎(chǔ)開(kāi)挖的要求

工程區(qū)最大溫差達(dá)81.6℃，環(huán)境絕對(duì)溫差大，溫度應(yīng)力復(fù)雜；每年冬季停工長(zhǎng)達(dá)5個(gè)月，壩體混凝土澆筑時(shí)間僅6個(gè)月，壩體澆筑工期長(zhǎng)達(dá)6～7年，先期開(kāi)挖的拱肩槽建基面暴露時(shí)間長(zhǎng)，其爆破過(guò)程中產(chǎn)生的裂隙經(jīng)多年凍融循環(huán)將被進(jìn)一步損傷。同時(shí)，因每年有效施工工期短，若基礎(chǔ)開(kāi)挖質(zhì)量未達(dá)標(biāo)，即使對(duì)其進(jìn)行處理也不可能達(dá)到嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)挖所形成的建基面的質(zhì)量，施工工期也將延長(zhǎng)。因此，應(yīng)對(duì)高寒地區(qū)高拱壩的開(kāi)挖技術(shù)提出更嚴(yán)格的要求。

3 拱肩槽開(kāi)挖

3.1 預(yù)裂爆破

3.1.1安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度確定

預(yù)裂爆破先于主爆孔起爆，并形成預(yù)裂縫，對(duì)主爆孔的爆破振動(dòng)起到隔離減振作用。但是，預(yù)裂爆破沖擊波直接作用于巖面，同樣會(huì)對(duì)建基面造成破壞，因此，預(yù)裂爆破參數(shù)設(shè)計(jì)是拱肩槽開(kāi)挖質(zhì)量的關(guān)鍵。GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》未對(duì)大壩基礎(chǔ)的安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度做出規(guī)定，對(duì)永久性巖石邊坡的規(guī)定為：當(dāng)10 Hz

白鶴灘水電站工程總裝機(jī)容量16000MW，雙曲拱壩壩高289m；烏東德水電站工程總裝機(jī)容量10200MW，雙曲拱壩壩高270m，其振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)均可作為參考。白鶴灘水電站工程塊狀玄武巖的振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)為10cm/s，柱狀節(jié)理玄武巖的振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)為5cm/s，預(yù)裂爆破實(shí)際振速為7.3～8.2cm/s；烏東德水電站工程振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)10cm/s，振速值均指距爆破孔頂10m處的振速，預(yù)裂爆破實(shí)際振速為7.0cm/s。

鑒于壩址區(qū)惡劣的自然條件，爆破振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)更為嚴(yán)格，參考白鶴灘、烏東德水電站工程案例，本工程拱肩槽預(yù)裂爆破振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)取7.0cm/s。

3.1.2單段(響)藥量計(jì)算

壩肩開(kāi)挖每15m設(shè)一級(jí)馬道，梯段高度可取15m或7.5m，孔底超深50cm(30cm)，以預(yù)裂面傾角60°為例，分別計(jì)算單段最大藥量和單段孔數(shù)。

按GB 6722—2014中13.2.4公式計(jì)算如下：

(1)

可變形后為：

(2)

式中，R—爆破振動(dòng)安全允許距離，m，取10m；V—保護(hù)對(duì)象所在地安全允許質(zhì)點(diǎn)振速，cm/s，取7cm/s；Q—炸藥量，kg，齊發(fā)爆破為總藥量，延時(shí)爆破為最大單段藥量；K、α—與爆破點(diǎn)至保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)。

壩址區(qū)巖性以黑云母石英片巖為主，巖石平均堅(jiān)固系數(shù)12.8，參考《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)手冊(cè)》表5-5-11選取，K取120，α取2.0。

計(jì)算得Q=14.09kg。

3.1.3其他爆破參數(shù)確定

(1)藥卷直徑

工程區(qū)炸藥管制嚴(yán)格，一般僅提供直徑80mm和32mm藥卷，預(yù)裂爆破采用直徑32mm藥卷。

(2)鉆孔直徑

白鶴灘水電站工程基礎(chǔ)開(kāi)挖預(yù)裂孔孔徑為76mm，藥卷直徑為32mm；烏東德水電站工程基礎(chǔ)開(kāi)挖預(yù)裂孔孔徑為90mm，藥卷直徑為25mm。根據(jù)《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)手冊(cè)》，預(yù)裂孔的裝藥不偶合系數(shù)一般為2～5，松軟巖石取小值，堅(jiān)硬巖石取大值。本工程預(yù)裂爆破采用直徑32mm藥卷，若采用76mm鉆孔，不耦合系數(shù)僅為2.4，壩基巖石為堅(jiān)硬巖，該值應(yīng)取較大值，鉆孔直徑取90mm，相應(yīng)不耦合系數(shù)為2.8。

(3)預(yù)裂孔間距

根據(jù)《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)手冊(cè)》，預(yù)裂孔鉆孔直徑為炮孔直徑的7～12倍，即間距為63～108cm，孔徑大者取小值，孔徑小者取大值。白鶴灘水電站工程預(yù)裂孔間距為60cm，烏東德水電站工程預(yù)裂孔間距為51～82cm。本工程預(yù)裂孔孔徑90mm，孔距宜取7倍孔徑，即63cm。

(4)線裝藥密度

白鶴灘水電站工程預(yù)裂孔線裝藥密度為220～230g/m；烏東德水電站工程預(yù)裂孔線裝藥密度為250g/m，參考白鶴灘及烏東德水電站工程，預(yù)裂孔線裝藥密度取中值230g/m。

(5)梯段高度

梯段高度15m時(shí)炮孔堵塞長(zhǎng)度取1.5m，梯段設(shè)度7.5m時(shí)，炮孔堵塞長(zhǎng)度取1.0m，超鉆深度分別為0.5和0.3m，超鉆部分不裝藥，建基面傾角60°時(shí)，單孔藥量分為3.59kg和1.73kg。若梯段高度采用15m，宜4孔一響；若梯段高度采用7.5m，則宜8孔一響。雖兩種梯段高度均為可行，但梯段高度為15m時(shí)，預(yù)裂孔底部加強(qiáng)裝量相對(duì)較大，對(duì)底部的破壞深度也較大，故宜采用7.5m梯段高度。

3.2 主爆孔爆破

3.2.1主爆孔減振技術(shù)

盡管有預(yù)裂孔的隔離減振作用，主爆孔依然會(huì)將部分振動(dòng)傳遞到建基面一側(cè)，因此，對(duì)主爆孔也應(yīng)采用相應(yīng)減振技術(shù)。主爆孔的減振采用水介質(zhì)換能爆破技術(shù)。

水介質(zhì)換能爆破是指在爆破孔內(nèi)裝藥的同時(shí)裝入一定數(shù)量的密封袋裝水，爆破過(guò)程炸藥爆炸熱能轉(zhuǎn)換為水介質(zhì)的內(nèi)能或勢(shì)能，勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能做功。在水介質(zhì)換能爆破系統(tǒng)這個(gè)絕熱系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)換效率高，因此能夠有效提高炸藥的能量利用率，同時(shí)也相對(duì)延長(zhǎng)了瞬時(shí)爆轟的時(shí)程，大大減小各種爆破危害。

工程實(shí)踐證明，采用水介質(zhì)換能爆破炸藥量可減少20%以上。而式(1)中炸藥量Q每減小1%，爆破振速V降低0.5%～0.6%，即采用水介質(zhì)換能爆破質(zhì)點(diǎn)振速將減小10%以上；同時(shí)，因爆轟時(shí)程延長(zhǎng)，水介質(zhì)換能爆破自身的減振作用大于30%。因此，采用水介質(zhì)換能爆破技術(shù)與普通爆破技術(shù)相比，總體的爆破振動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)振速將降低40%以上。

3.2.2爆破參數(shù)

(1)單段藥量

主爆孔的單段藥量應(yīng)考慮預(yù)裂縫的隔離減振作用。福建省水電工程局、武漢大學(xué)的張新民、舒大強(qiáng)等人通過(guò)對(duì)普通爆破技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和振速回歸分析，提出了經(jīng)預(yù)裂面隔離減振后的主爆破振速衰減公式如下：

V=87d2.17

(3)

式中，V—爆破振速，cm/s；d—振強(qiáng)，kg1/3/m，d=Q1/3/R，適用范圍：0.8≤d≤0.38。

經(jīng)試算，當(dāng)單段藥量為54kg時(shí)，d為0.38，適用于本公式，考慮水質(zhì)換能爆破效應(yīng)后，主爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為6.3cm/s，滿(mǎn)足前述振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)。

(2)其他參數(shù)

水介質(zhì)換能爆破除需裝入封密水袋外，其他都與普通爆破技術(shù)相同。主爆孔采用80mm藥卷，炮孔直徑105mm，水袋規(guī)格φ75×600×0.125(直徑×長(zhǎng)度×厚度)，裝入個(gè)數(shù)通過(guò)試驗(yàn)確定，以獲得最佳效果。

4 壩基開(kāi)挖

4.1 保護(hù)層頂面以上部分開(kāi)挖

采用水介質(zhì)換能爆破，其爆破參數(shù)同主爆孔，不再贅述。

4.2 保護(hù)層開(kāi)挖

4.2.1保護(hù)層開(kāi)挖方法選擇

(1)分層淺孔爆破

淺孔爆破指孔深小于4m，孔徑小于75mm的爆破。淺孔爆破通過(guò)小孔深、小孔徑、小裝藥量的分層開(kāi)挖減少對(duì)壩基開(kāi)挖的爆破危害。本工程壩基設(shè)5m厚保護(hù)層，分2～3層開(kāi)挖。

(2)水平預(yù)裂+小梯段爆破

爆破是先在基礎(chǔ)中部附近形成順河床方向的先鋒槽，然后沿建基面鉆設(shè)垂直于先鋒槽方向的水平預(yù)裂孔，上部鉆設(shè)小梯段垂直孔，預(yù)裂孔先爆，垂直孔后爆，通過(guò)預(yù)裂縫的隔離減振作用減小梯段爆破對(duì)建基面的危害，如圖1所示。

圖1 水平預(yù)裂+小梯段爆破布孔示意圖

(3)水平光爆

水平光爆是先在基礎(chǔ)中部附近形成順河床方向的先鋒槽，然后自上而下平行或沿建基面鉆設(shè)垂直于先鋒槽方向的水平主爆孔、緩沖孔和光爆孔，自上而下依次起爆，通過(guò)光爆孔的小藥量、密間距減小對(duì)建基面的爆破危害，如圖2所示。

圖2 水平光爆布孔示意圖

(4)消-聚能爆破

采用垂直孔，依靠孔底材料波阻抗的不同，在界面發(fā)生透射和反射，減小對(duì)建基面的爆破危害。波阻抗是指使質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生單位振動(dòng)速度所必須的應(yīng)力。波阻抗越大，產(chǎn)生單位振動(dòng)速度所需應(yīng)力就大；波阻抗越小，產(chǎn)生單位振動(dòng)速度所需的應(yīng)力就小?？椎诇p振材料鐵砂混凝土波阻抗為(18～20)×106(MPa·s)/m、細(xì)砂波阻抗為(2.9～3.6)×106(MPa·s)/m。

當(dāng)應(yīng)力波從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，將在兩種介質(zhì)的分界面上發(fā)生波的反射和透射，大部分應(yīng)力波透射或反射進(jìn)入波阻抗大的一側(cè)。因此，爆破產(chǎn)生應(yīng)力波在向建基面?zhèn)鞑ミ^(guò)種中將在爆破氣體和鐵球(鐵砂混凝土制成)界面、鐵球和細(xì)砂界面各發(fā)生一次反射和透射，兩次均為大部分應(yīng)力波被反射，小部分應(yīng)力波發(fā)生透射，使炮孔內(nèi)水平方向沖擊波強(qiáng)度增大60%～70%，垂直方向沖擊波強(qiáng)度減小70%～80%，在增強(qiáng)破巖能力的同時(shí)，大大減小了對(duì)孔底建基面的破壞作用。

(5)消-聚能爆破+液壓劈裂機(jī)開(kāi)挖

上述各種方法均會(huì)在孔底造成一定深度的破壞(可控制在1m以?xún)?nèi))，本方法的目的是基本實(shí)現(xiàn)壩基的無(wú)損開(kāi)挖。其具體做法是保護(hù)層上部4m采用消-聚能爆破，下部1m采用液壓劈裂機(jī)開(kāi)挖。

液壓劈裂開(kāi)挖是利用巖石抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于其抗壓強(qiáng)度的特性(抗拉強(qiáng)度為其抗壓強(qiáng)度的1/4～1/25)，在鉆孔內(nèi)插入劈裂棒，以液壓泵為動(dòng)力通過(guò)液壓油管向劈裂棒供給超高壓液壓油，劈裂棒的活塞以巨大的劈裂力向外伸出、張拉巖石，使其產(chǎn)生裂縫，然后采用液壓挖掘機(jī)撬挖，完成底層巖石的開(kāi)挖。

液壓劈裂機(jī)一般一機(jī)6棒或一機(jī)8棒，即一個(gè)液壓油泵可使6～8根劈裂棒同時(shí)工作。

液壓劈裂開(kāi)挖采用豎向鉆孔，孔徑90mm，排距、孔距均為50cm，基本與預(yù)裂孔相當(dāng)。

(6)保護(hù)層開(kāi)挖方法選擇

本工程開(kāi)挖工期每年只有7個(gè)月，保護(hù)層開(kāi)挖方法選擇應(yīng)兼顧開(kāi)挖質(zhì)量與效率。分層淺孔爆破鉆孔數(shù)量多、工序復(fù)雜，效率較低，且無(wú)預(yù)裂、光爆孔減振，開(kāi)挖質(zhì)量相對(duì)較差；水平預(yù)裂+小梯段爆破需先形成先鋒槽，水平鉆孔效率低，且每次只能推進(jìn)一個(gè)水平鉆孔孔深的距離(3～4m)，施工效率較低，其開(kāi)挖質(zhì)量也較水平光爆差；水平光爆也需先形成先鋒槽，并需鉆設(shè)水平孔，鉆孔效率低，每次也只能推進(jìn)一個(gè)水平鉆孔孔深的距離(3～4m)，雖開(kāi)挖質(zhì)量相對(duì)較好，但施工效率也較低；消-聚能爆破鉆設(shè)垂直孔，垂直孔鉆進(jìn)速度快，一次推進(jìn)長(zhǎng)度為5～6排炮孔排距，施工綜合效率較水平預(yù)裂或光面爆破提高3～4倍，而其開(kāi)挖質(zhì)量與水平光爆相當(dāng)。消-聚能爆破同時(shí)能滿(mǎn)足開(kāi)挖質(zhì)量和效率的要求，該技術(shù)在烏東德水電站壩基開(kāi)挖中大規(guī)模應(yīng)用，效果良好。本工程壩基開(kāi)挖選用此方法。

消-聚能爆破+液壓劈裂機(jī)開(kāi)挖為筆者首次提出，出發(fā)點(diǎn)是真正實(shí)現(xiàn)壩基的無(wú)損開(kāi)挖。盡管目前尚無(wú)實(shí)際工程案例，但可做為一個(gè)研究方向。液壓劈裂適用于強(qiáng)度高、完整性好的脆性巖體開(kāi)挖，是否適用于開(kāi)挖消-聚能爆破孔底被損傷的巖體尚待驗(yàn)證。但從理論上而言，輔助液壓破碎錘即可適用各種巖體的開(kāi)挖，因兩者性能互補(bǔ)，液壓劈裂機(jī)不適用的損傷嚴(yán)重的較破碎巖體非常適用于液壓破碎錘鑿?fù)?，且其不?huì)對(duì)巖體造成振動(dòng)損傷；反之亦然。因此，作為可實(shí)現(xiàn)壩基無(wú)損開(kāi)挖的方向，有必要進(jìn)行研究。

4.2.2保護(hù)層開(kāi)挖參數(shù)選擇

4.2.2.1 消-聚能爆破參數(shù)

(1)最大單段藥量?？紤]到保護(hù)層爆破會(huì)對(duì)已揭露建基面產(chǎn)生影響，其最大單段藥量仍按預(yù)裂爆破控制，即14.09kg。

(2)梯段高度。梯段高度即為保護(hù)層厚度，即5m。

(3)其他爆破參數(shù)。參考烏東德水電站壩基保護(hù)層消-聚能爆破開(kāi)挖，孔徑取75mm，孔距取60cm，藥卷直徑取32mm。線裝藥密度同前，取230g/m。

4.2.2.2 消-聚能爆破+液壓劈裂機(jī)開(kāi)挖試驗(yàn)參數(shù)

(1)最大單段藥量。與壩基保護(hù)層消-聚能爆破開(kāi)挖一致，仍取14.09kg。

(2)梯段高度。底層1m由液壓劈裂機(jī)開(kāi)挖，梯段高度取4.0m。

(3)其他爆破參數(shù)。其他爆破參數(shù)同壩基保護(hù)層消-聚能爆破開(kāi)挖。

(4)液壓劈裂開(kāi)挖參數(shù)。劈裂孔直徑90mm，孔深取95cm，孔距50cm。確定孔深時(shí)，需考慮液壓劈裂機(jī)施工的特性，因巖石的脆硬性，在液壓劈裂機(jī)張裂過(guò)程中一般會(huì)在孔底產(chǎn)生10cm左右的超裂深度，即孔深95cm時(shí)，一般會(huì)產(chǎn)生5cm的超挖。劈裂機(jī)采用一機(jī)8棒劈裂機(jī)，輔以液壓破碎錘。

5 結(jié)語(yǔ)

高寒地區(qū)高拱壩基礎(chǔ)開(kāi)挖應(yīng)有更高的要求，本文提出了嚴(yán)格的拱壩基礎(chǔ)爆破振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)，并選擇了相應(yīng)的爆破方法、擬定相應(yīng)的爆破參數(shù)。經(jīng)研究表明，通過(guò)水介質(zhì)換能爆破、消-聚能爆破等新的爆破技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)上述控制標(biāo)準(zhǔn)，并兼顧了施工效率，對(duì)保證高寒地區(qū)高拱壩基礎(chǔ)開(kāi)挖質(zhì)量和工期有重要意義。本文還對(duì)壩基的無(wú)損開(kāi)挖進(jìn)行了探討，并提出了相關(guān)試驗(yàn)參數(shù),該試驗(yàn)有較大的實(shí)踐意義。