楊房溝水電站建基面先鋒槽爆破開挖實驗研究

周 強，徐建軍，嚴 鵬，曾新華，謝 斌，羅 笙，殷 亮，劉明生，段偉鋒，鄢江平

(1.中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213；2.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 310014；3.武漢大學(xué)水資源與水電工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430072；4.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610051)

水利水電工程建設(shè)中涉及建基面的開挖，現(xiàn)階段，建基面開挖的主要手段仍然是鉆孔爆破[1]。但在巖體爆破開挖過程中不可避免的會對壩基等保留結(jié)構(gòu)造成一定的動力擾動形成損傷區(qū)，進而使保留結(jié)構(gòu)的完整性及物理參數(shù)等產(chǎn)生一定的劣化，若處置不當，則可能對工程質(zhì)量造成一定的影響[2-7]。

現(xiàn)有的水工建筑物水平建基面爆破開挖施工技術(shù)中，傳統(tǒng)的淺孔分層爆破開挖，采用的是一種“層層剝皮”的施工方法，施工效率往往很低[8]；取消保護層的水平預(yù)裂法或保護層一次爆除的水平光面爆破法，開挖效果及效率均優(yōu)于淺孔分層爆破開挖方法，但需開挖先鋒槽創(chuàng)造工作面[9]。且先鋒槽的開挖過程中由于沒有臨空面，夾制作用強，往往需要通過加強裝藥加大超深來保證開挖成型效果，而大藥量會加大底部保留巖體的劣化程度及范圍，不利于建基面保留巖體性態(tài)的保護。為了有效減小損傷區(qū)，吳新霞等[10]提出了在保護層爆破中采用大孔徑復(fù)合墊層爆破，采用向上反射爆轟能量的剛性罩和柔性墊層的方法減小爆破對孔底的影響；趙根等[11]提出采用楔形槽的環(huán)向聚能爆破，通過在孔底設(shè)置環(huán)向聚能藥包，利用金屬聚能罩的環(huán)向聚能達到水平切割巖體的效果，但是由于聚能藥包藥量有限，亦難以取得理想結(jié)果。盧文波、胡浩然[12-13]等，提出在豎直炮孔中設(shè)置聚-消能復(fù)合墊層結(jié)構(gòu)的方案，該結(jié)構(gòu)由以鑄鐵或高波阻抗混凝土為材料的圓錐形聚-消能結(jié)構(gòu)和以松砂為材料的柔性墊層組合而成。通過圓錐形聚-消能結(jié)構(gòu)，將向豎直炮孔底部傳播的爆轟能量反射到水平方向，加強了相鄰炮孔間巖石的破碎效果，減小了炮孔間保留巖體的起伏差，同時柔性墊層進一步降低爆破對孔底的影響，在白鶴灘等工程中得到實際應(yīng)用。

本文以楊房溝水電站壩基開挖為背景，針對前期壩肩槽生產(chǎn)性爆破試驗所揭示出的爆破損傷較大、爆破振動難以控制等問題，開展實驗研究，對比分析不同炮孔結(jié)構(gòu)條件下爆破的宏觀效果、損傷分布及平整度等因素，優(yōu)選炮孔裝藥結(jié)構(gòu)，為壩基先鋒槽開挖方案的選擇提供參考。

1 工程背景

楊房溝水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內(nèi)的雅礱江中游河段上，是雅礱江中游河段一庫七級開發(fā)的第六級，壩址上距孟底溝水電站37 km，下距卡拉水電站33 km。楊房溝水電站為一等工程，工程規(guī)模為大(Ⅰ)型，工程樞紐主要建筑物由擋水建筑物、泄洪消能建筑物及引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。擋水建筑物采用混凝土雙曲拱壩，壩頂高程2 102.00 m，正常蓄水位2 094 m，最大壩高155.00 m，左右岸邊坡開挖高度約為385 m。

壩址區(qū)河床地形不規(guī)則，兩側(cè)較陡，中間為狹谷。河床表層為混合土卵石覆蓋，主要由卵石、漂石及塊石、局部夾砂層等組成，厚18.7～32.1 m。下伏基巖為花崗閃長巖，巖質(zhì)堅硬，呈弱～微風(fēng)化狀。河床無斷層分布，但下伏基巖節(jié)理較發(fā)育，表層巖體以Ⅲ類巖體為主，一般厚1.0～7.5，局部達12.6 m，其下以Ⅱ類巖體為主，抗沖刷能力較強。

2 試驗爆破參數(shù)

為了驗證孔底能量調(diào)控技術(shù)用于建基面開挖的實際可行性，于2018-07-15日在左岸進水口2 064.0～2 059.0 m，樁號進右0-31.0～樁號進右0+36.8處進行了深孔爆破試驗。試驗區(qū)被細分為試驗區(qū)Ⅰ、試驗區(qū)Ⅱ和對比區(qū)3個小區(qū)，如圖1所示，其中試驗區(qū)I爆破孔內(nèi)能量調(diào)控墊塊位于建基面高程；試驗區(qū)Ⅱ爆破孔內(nèi)能量調(diào)控墊塊位于建基面下10 cm處，對比區(qū)為孔底不含能量調(diào)控墊塊的常規(guī)裝藥區(qū)，如圖2所示。

圖1 爆破試驗分區(qū)示意圖

圖2 深孔爆破試驗?zāi)芰空{(diào)控墊塊放置示意圖

本次試驗共布置3排炮孔，其中試驗區(qū)I主爆孔18個，試驗區(qū)Ⅱ主爆孔18個，對比區(qū)炮孔24個，爆破參數(shù)見表1，裝藥結(jié)構(gòu)見圖3。主爆孔間采用數(shù)碼雷管進行孔間延時，延遲時間30 ms，分3排起爆，起爆網(wǎng)路見圖4。

表1 深孔試驗爆破參數(shù)表

圖3 深孔試驗裝藥結(jié)構(gòu)圖

圖4 深孔試驗起爆網(wǎng)絡(luò)圖

3 爆破效果評價

3.1 爆破宏觀效果

利用機械清基將爆堆主要塊石清除，在通過人工清理將爆區(qū)清至基巖面，試驗區(qū)整體成型效果如圖5所示。

圖5 試驗區(qū)整體開挖成型效果圖

孔底布置有能量調(diào)控結(jié)構(gòu)的試驗區(qū)平整度相較于常規(guī)裝藥結(jié)構(gòu)的對比區(qū)要好，不過總體而言，開挖面成型效果比較一般，起伏差較大。

在人工清渣的過程中，仍可找到布置在孔底的能量調(diào)控結(jié)構(gòu)，如圖6所示?？梢钥闯觯芰空{(diào)控結(jié)構(gòu)附近的巖面較為平整，無明顯爆生裂紋，最后一排炮孔處尚可見清晰的殘留半孔，說明能量調(diào)控結(jié)構(gòu)能誘導(dǎo)能量向四周集聚，對孔底有較好的保護效果。

圖6 爆后殘留半孔圖

現(xiàn)場觀測可知，布有孔底能量調(diào)控結(jié)構(gòu)的炮孔處并未出現(xiàn)明顯爆坑，坑洼或凸起處多見于節(jié)理面切割部位，說明試驗區(qū)較為發(fā)育的節(jié)理裂隙(圖7(a))是控制此次建基面成型的重要因素，而非由爆破破碎過程主導(dǎo)；同時軟弱結(jié)構(gòu)面(圖7(b))處巖體也較為破碎，人工敲擊即可將其剝離，不良地質(zhì)條件亦是造成此次開挖成型效果不理想的主要原因之一。

圖7 現(xiàn)場不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)圖

3.2 爆破損傷深度

本次試驗共布置4個聲波孔，試驗區(qū)Ⅰ、試驗區(qū)Ⅱ和對比區(qū)分別布置1、2、1個聲波孔。每個炮孔均在爆前爆后進行單孔聲波測試，聲波測試結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，試驗區(qū)Ⅰ的爆破影響深度約0.96 m，試驗區(qū)II的爆破影響深度約0.84 m，對比區(qū)的爆破影響深度約1.07 m，試驗區(qū)Ⅰ和試驗區(qū)Ⅱ的爆破損傷深度較之對比區(qū)有明顯減小，可見能量調(diào)控結(jié)構(gòu)對孔底巖體的保護效果顯著。

表2 聲波測試結(jié)果表

3.3 平整度

爆后現(xiàn)場對試驗區(qū)Ⅰ、試驗區(qū)Ⅱ和對比區(qū)分別進行了平整度檢測，結(jié)果如表3所示。由于現(xiàn)場巖體較為破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，試驗區(qū)域總體平整度欠理想，但相較于對比區(qū)，試驗區(qū)Ⅰ和試驗區(qū)Ⅱ的平整度有一定的改善。

表3 平整度檢測結(jié)果表 cm

4 結(jié) 語

通過楊房溝水電站建基面先鋒槽開挖實驗研究，對比分析了試驗區(qū)和對比區(qū)的宏觀爆破效果、損傷深度及平整度，本文可初步得出以下結(jié)論：

孔底能量調(diào)控爆破技術(shù)通過在炮孔底部安裝高波阻抗球形墊塊和鋪設(shè)松砂墊層形成復(fù)合消能結(jié)構(gòu)，利用沖擊波在高波阻抗墊座的反射和松沙墊層的緩沖作用降低爆破對建基面巖體的沖擊影響。這項技術(shù)首次在楊房溝工程地質(zhì)條件下應(yīng)用，通過實踐表明在開挖特定區(qū)域時，相比于常規(guī)方法，該技術(shù)能夠有效控制損傷和保證開挖平整度。