水利水電工程爆破技術(shù)研究進(jìn)展

吳新霞，胡英國(guó)，劉美山，趙 根，楊招偉

(長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

1 研究背景

我國(guó)水能理論蘊(yùn)藏量超過6.94億kW，技術(shù)可開發(fā)量接近5.42億kW，居世界首位，其中近2/3的水能資源分布在西南川、滇、藏三省。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，加快水能資源開發(fā)速度，已成為發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、改善能源結(jié)構(gòu)、推進(jìn)節(jié)能減排的重要戰(zhàn)略方針。過去的幾十年，我國(guó)處于水電工程建設(shè)的高峰期，爆破作為工程建設(shè)期的重要施工技術(shù)，迎來了珍貴的發(fā)展契機(jī)[1-3]。

巖體爆破破碎，其背后問題的實(shí)質(zhì)是巖石動(dòng)力學(xué)問題。巖石動(dòng)力學(xué)主要研究巖石(體)在動(dòng)荷載如爆炸、沖擊、地震、振動(dòng)等作用下其表現(xiàn)出的動(dòng)態(tài)力學(xué)性質(zhì)、破巖效應(yīng)與機(jī)理的學(xué)科分支[4-6]，工程應(yīng)用背景較強(qiáng)。實(shí)際工程中，動(dòng)荷載作用下巖體節(jié)理裂隙等結(jié)構(gòu)面、巖石性質(zhì)等因素都會(huì)對(duì)巖體工程的運(yùn)行安全產(chǎn)生一定的影響[7-9]。在水工巖石動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域，研究者們圍繞巖石力學(xué)特性的率相關(guān)效應(yīng)[10-13]、巖體爆破損傷機(jī)理與計(jì)算模型[14-16]、巖體爆破過程的數(shù)值仿真[17-20]以及巖體開挖爆破擾動(dòng)效應(yīng)[21-24]等方面開展了卓有成效的工作，相關(guān)理論和技術(shù)已應(yīng)用于我國(guó)西南地區(qū)重大水電工程的開挖爆破控制中[25-26]。

由于開挖目的和設(shè)計(jì)要求的不同，水電工程爆破技術(shù)有其獨(dú)特之處。相比礦山、交通或核電領(lǐng)域的爆破技術(shù)要求，水電工程的控制要求更加精細(xì)，一方面體現(xiàn)在在水工結(jié)構(gòu)的開挖過程中，由于很多建筑物將來作為永久建筑物，其成型與保護(hù)的開挖特征更加鮮明[27-28]；另一方面，在水工級(jí)配料料場(chǎng)爆破開采中，爆破開挖上壩料必須達(dá)到設(shè)計(jì)相關(guān)要求，即篩分后得到的級(jí)配曲線需處于設(shè)計(jì)級(jí)配包絡(luò)線范圍之內(nèi)，這一特性明顯不同于礦山領(lǐng)域爆破開采[29-30]。伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與先進(jìn)數(shù)學(xué)計(jì)算方法的發(fā)展，無論從爆破設(shè)計(jì)的智能化以及鉆爆裝備的精準(zhǔn)化，均迎來了良好的發(fā)展契機(jī)。但綜合目前的智能爆破研究，往往是從爆破施工的一個(gè)環(huán)節(jié)或細(xì)節(jié)進(jìn)行智慧化改造，整體的智慧爆破系統(tǒng)建設(shè)仍是國(guó)家和行業(yè)面臨的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

本文在查閱大量文獻(xiàn)資料基礎(chǔ)上，結(jié)合參與的大型工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和研究成果，針對(duì)我國(guó)特高拱壩基礎(chǔ)開挖精細(xì)爆破控制技術(shù)、水工地下洞室群開挖爆破控制關(guān)鍵技術(shù)、水工級(jí)配料爆破開采控制關(guān)鍵技術(shù)以及水電工程智能化爆破技術(shù)等方面進(jìn)行了綜述，以工程案例的形式重點(diǎn)介紹了上述技術(shù)領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展。研究成果可為土木工程、礦山工程、交通工程以及核電工程等領(lǐng)域的開挖爆破控制技術(shù)提供參考。

2 特高拱壩邊坡及基礎(chǔ)開挖精細(xì)爆破控制技術(shù)

2.1 壩肩槽開挖精細(xì)控制爆破技術(shù)

混凝土雙曲拱壩是高山峽谷電站最常用的一種壩型，壩肩槽邊坡不僅是水工建筑物的運(yùn)行環(huán)境，更是其重要的組成部分。拱壩承受的荷載由拱座直接傳遞到壩肩槽，它起到布置水工建筑物、承擔(dān)大壩推力與防滲等作用，因此，壩肩槽的開挖質(zhì)量直接決定工程運(yùn)行期的長(zhǎng)期安全。由于拱肩槽開挖成型的質(zhì)量要求很高，需要形成復(fù)雜的拱肩槽空間曲面，其開挖成型的要求極為嚴(yán)格。

在水電工程特高拱壩拱肩槽開挖爆破技術(shù)的發(fā)展過程中，溪洛渡水電站的拱肩槽開挖爆破是一個(gè)里程碑式的標(biāo)志。溪洛渡水電站壩肩槽開挖總方量約400萬m3、開挖高度210 m，開挖輪廓面約4.4萬m2，工程規(guī)模大；壩肩槽巖體巖性復(fù)雜、節(jié)理等結(jié)構(gòu)面較為發(fā)育，層間層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶對(duì)鉆孔過程影響較大、成孔困難，開挖輪廓自上而下呈呈扇形擴(kuò)散分布，爆破成型難度大。

圍繞溪洛渡水電站大壩壩肩槽開挖，以長(zhǎng)江科學(xué)院為代表的爆破技術(shù)團(tuán)隊(duì)在水電工程領(lǐng)域率先貫徹精細(xì)爆破理念，初步創(chuàng)立了水電工程開挖精細(xì)爆破技術(shù)體系[31]，構(gòu)建了對(duì)爆破效果進(jìn)行定量評(píng)估的評(píng)價(jià)體系，建立了定量化的精細(xì)爆破設(shè)計(jì)方法，形成了壩肩槽開挖的精細(xì)爆破施工工藝，初步建立了水電工程精細(xì)爆破管理體系，同時(shí)開創(chuàng)了水電工程大規(guī)模開挖的水霧降塵環(huán)保爆破?？梢哉J(rèn)為，我國(guó)特高拱壩的拱肩槽開挖爆破控制核心技術(shù)體系自溪洛渡水電站起逐漸形成，如圖1所示，這套技術(shù)和體系在后來的白鶴灘水電站與烏東德水電站被廣泛采用。

圖1 典型的拱肩槽爆破孔位布置Fig.1 Typical arrangement of blasting hole on archshoulder groove

基于上述技術(shù)，溪洛渡大壩壩肩槽開挖取得了巨大成功。梯段爆破清渣工作完成后，均對(duì)建基面法線方向進(jìn)行超欠挖、平整度及半孔率進(jìn)行檢測(cè)，其中超欠挖合格率為97.2%、平整度合格率為98.8%、半孔率為99.8%，爆破開挖過程中通過聲波測(cè)試孔爆前爆后聲波波速測(cè)試，確定爆破影響深度，其值均在1.0 m以內(nèi)。上述質(zhì)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，溪洛渡水電站壩肩槽開挖質(zhì)量達(dá)到優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)，整體開挖效果如圖2所示。

圖2 溪洛渡拱肩槽爆破開挖效果Fig.2 Blasting excavation effect for shoulder grooveof Xiluodu arch

2.2 壩基巖體保護(hù)層開挖技術(shù)

水電工程建設(shè)中，壩基保護(hù)層開挖一直是開挖控制的焦點(diǎn)問題。工程實(shí)踐表明，爆破開挖形成的壩基是大壩-庫(kù)水-基巖系統(tǒng)的受力承載面，其開挖質(zhì)量關(guān)系到水電工程運(yùn)行過程中的安全與穩(wěn)定，因此壩基保護(hù)層的快速開挖成為了水電工程領(lǐng)域的重要課題之一?！端そㄖ飵r石基礎(chǔ)開挖工程施工技術(shù)規(guī)范》(DLT 5389—2007)指出，大壩應(yīng)建在堅(jiān)硬完整的巖體上，且爆破開挖時(shí)壩基巖體完整性不應(yīng)在爆炸應(yīng)力波作用下受到破壞，以確保壩基巖體的完整性及抗?jié)B性能滿足設(shè)計(jì)要求。早期，保護(hù)層開挖方法主要為層層剝離，這種控制方法雖較為精細(xì)，但效率太低，無法滿足施工強(qiáng)度的要求。隨著爆破技術(shù)的發(fā)展，各類保護(hù)層一次爆除技術(shù)逐步出現(xiàn)，并在不同工程條件下得到應(yīng)用。

2.2.1 孔底設(shè)墊層的保護(hù)層一次爆除法

孔底設(shè)柔性墊層的保護(hù)層一次爆除法指的是對(duì)預(yù)留的保護(hù)層采取一次鉆至建基面，在炮孔底部設(shè)置不同結(jié)構(gòu)的墊層[32]，通過孔間微差有序爆破起爆方式，按規(guī)定的順序逐序一次爆除保護(hù)層。圖3給出了該技術(shù)的設(shè)計(jì)示意圖。

圖3 傳統(tǒng)的柔性墊層爆破技術(shù)Fig.3 Traditional flexible cushion blasting technology

近年來圍繞白鶴灘水電站建基面的開挖，盧文波等[33-34]研發(fā)了巖石基礎(chǔ)開挖成型消能-聚能聯(lián)合控制爆破技術(shù)。其技術(shù)原理是巖石基礎(chǔ)開挖消能-聚能聯(lián)合控制爆破技術(shù)在垂直(或豎直)炮孔底部安裝高波阻抗消聚能結(jié)構(gòu)、鋪設(shè)松砂墊層形成復(fù)合消聚能結(jié)構(gòu)(見圖4)，利用沖擊波在消能結(jié)構(gòu)表面和底面的兩次反射降低垂直孔爆破對(duì)孔底的沖擊影響。當(dāng)消能-聚能結(jié)構(gòu)采用高波阻抗材料時(shí)，在消聚能結(jié)構(gòu)與柔性墊層結(jié)構(gòu)的交界面處發(fā)生的強(qiáng)烈二次反射，使通過消聚能結(jié)構(gòu)中的沖擊波能量?jī)H有少量傳入柔性墊層中，從而能有效地保護(hù)孔底巖體。

圖4 消能-聚能墊層爆破技術(shù)Fig.4 Blasting technology with energy dissipating andenergy gathering cushion

2.2.2 保護(hù)層一次爆除的水平預(yù)裂/光面爆破法

保護(hù)層一次爆除的水平光面爆破法是指對(duì)主體部位的巖體進(jìn)行爆除時(shí)，光爆面以上的巖體作為保護(hù)層，在設(shè)計(jì)的輪廓線上密集鉆光爆孔并進(jìn)行不耦合裝藥，形成平整的開挖面。典型的鉆爆設(shè)計(jì)和炮孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖5所示。水平預(yù)裂取消保護(hù)層開挖法是指在開挖區(qū)域形成先鋒槽后，采用水平預(yù)裂輔助以淺孔梯段爆破的方式開挖最后一層巖體。

圖5 保護(hù)層一次爆除的水平光面爆破法Fig.5 Horizontal light explosion method for one-timeblast of protective layer

實(shí)際上，水平預(yù)裂取消保護(hù)層開挖法早在20世紀(jì)70年代開始被探索，在溪洛渡水電站壩基保護(hù)層開挖的推廣應(yīng)用表明這項(xiàng)技術(shù)已完全成熟，并發(fā)揮其實(shí)用價(jià)值，目前在條件適宜的情況下，從控制效果和技術(shù)成熟度的角度，它仍是首選方法。該技術(shù)在溪洛渡與烏東德等大型水電站的建基面開挖中被廣泛采用。

2.3 復(fù)雜節(jié)理分布的拱壩建基面爆破控制技術(shù)

在我國(guó)已建或在建的多座高拱壩基礎(chǔ)開挖爆破控制實(shí)踐中，大多數(shù)建基面的巖體巖性與完整性較為理想，但在白鶴灘水電站大壩基礎(chǔ)的開挖過程中，在左、右岸壩肩槽邊坡均分布有不同發(fā)育程度的柱狀節(jié)理(見圖6)，這是白鶴灘大壩工程建基面的獨(dú)特之處，在世界范圍內(nèi)獨(dú)一無二。柱狀節(jié)理玄武巖成巖過程中，大量原生節(jié)理、構(gòu)造節(jié)理、卸荷裂隙等結(jié)構(gòu)面伴隨著巖石的形成而生，圖7給出了應(yīng)力波在柱狀節(jié)理玄武巖中的傳播力學(xué)示意圖。

圖6 典型的柱狀節(jié)理巖層Fig.6 Typical columnar jointed rock formations

圖7 柱狀節(jié)理應(yīng)力波傳輸模型Fig.7 Stress wave transport model for columnar joints

在拱肩槽柱狀節(jié)理的開挖過程中，為保證柱狀節(jié)理玄武巖的開挖爆破效果，采用了如下技術(shù)進(jìn)行精細(xì)控制：①預(yù)留雙保護(hù)層。雙保護(hù)層開挖將為最后一層巖體的爆破最優(yōu)的臨空面條件(如圖8所示)，夾制作用降低，使爆破能量向臨空面方向轉(zhuǎn)移，進(jìn)而起到保護(hù)巖體的作用；同時(shí)，保護(hù)層外巖體的精細(xì)控制爆破，可以有效降低其爆破的累積損傷，更好地保護(hù)建基巖體。②保護(hù)層預(yù)灌漿前處理技術(shù)。白鶴灘水電站在柱狀節(jié)理玄武巖邊坡開挖中使用了“先固結(jié)灌漿后爆破開挖”的爆破工藝。固結(jié)灌漿后節(jié)理面力學(xué)參數(shù)的改善，二者波阻抗差異減小，節(jié)理面產(chǎn)生的反射拉應(yīng)力波減少，同時(shí)固結(jié)灌漿改善了柱狀節(jié)理面的力學(xué)性質(zhì)[35]，如圖9所示。③基于反復(fù)試驗(yàn)的爆破參數(shù)優(yōu)化。由于柱狀節(jié)理玄武巖比較破碎，若要形成完整的輪廓，對(duì)預(yù)裂爆破參數(shù)的要求很高。在白鶴灘左右岸的陡坡柱狀節(jié)理開挖爆破控制中，預(yù)裂孔采用76 mm的孔徑，線裝藥密度為240 g/m，孔間距為70 mm，是我國(guó)近年來水工大壩基礎(chǔ)建基面開挖爆破控制中最為精細(xì)的。

圖8 雙保護(hù)層開挖示意圖Fig.8 Diagram of excavation of double protective layer

圖9 灌漿對(duì)柱狀節(jié)理?yè)p傷分布的影響Fig.9 Effect of grouting on damage distribution ofcolumnar joint

白鶴灘水電站河床壩基保護(hù)層的開挖特征鮮明，左岸設(shè)計(jì)要求爆除保護(hù)層的同時(shí)，盡量避免擾動(dòng)角礫熔巖，右岸則是要求在已固結(jié)灌漿柱狀節(jié)理玄武巖中開挖形成平整的建基面。由于開挖輪廓面傾角過緩且近乎水平，巖體的力學(xué)性質(zhì)較差，故無法采用常規(guī)的水平預(yù)裂或光面爆破開挖方式。

右岸的開挖要求與常規(guī)保護(hù)層開挖相同，要求平整，采取圖10中的方案即可。左岸為保護(hù)角礫熔巖，采取了垂直孔爆破與靜態(tài)機(jī)械組合的新型開挖方法(如圖11所示)，具體方案為：預(yù)留一定深度不鉆孔，孔底設(shè)置鐵球和石屑組成的剛?cè)嵝越M合墊層，爆破后清石渣，對(duì)于剩余深度采用挖機(jī)挖至建基面。爆破監(jiān)測(cè)效果表明，緩坡角礫熔巖段的單孔和跨孔平均爆破損傷深度分別為0.4 m和0.25 m左右。角礫熔巖區(qū)域的爆破損傷深度為水平段柱狀節(jié)理的40%～60%。由此可見在緩坡段采用垂直孔爆破與靜態(tài)機(jī)械組合開挖爆破方法對(duì)角礫熔巖的保護(hù)效果非常顯著。

圖10 右岸保護(hù)層開挖方案Fig.10 Excavation plan for protective layer onthe right bank

圖11 左岸角礫熔巖區(qū)開挖方案與開挖效果Fig.11 Plan and result of excavation of left bankbreccia lava zone

3 水工地下洞室群開挖爆破技術(shù)研究進(jìn)展

高山峽谷地區(qū)修建大型水電站，受地形地質(zhì)條件限制，需要開挖規(guī)模巨大的地下廠房洞室群，這些洞室群規(guī)模大、數(shù)量多，地下隧洞群縱橫交錯(cuò)，地質(zhì)條件復(fù)雜，施工期圍巖穩(wěn)定問題突出。復(fù)雜地下洞室群開挖爆破設(shè)計(jì)、施工和安全控制已成為大型水利水電工程建設(shè)過程中亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。近年來，依托龍灘、小灣、溪洛渡、白鶴灘和烏東德等國(guó)家重點(diǎn)工程，我國(guó)水電工程領(lǐng)域的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)大型水工地下洞室群開挖爆破相關(guān)的設(shè)計(jì)、施工及安全控制等問題進(jìn)行了全面系統(tǒng)的研究，已逐步形成大型水工地下洞室群開挖爆破關(guān)鍵技術(shù)體系。

3.1 開挖爆破荷載對(duì)深埋洞室圍巖的擾動(dòng)機(jī)理

水工地下洞室群爆破開挖過程中，開挖面上地應(yīng)力卸荷伴隨著爆破破巖裂紋擴(kuò)展、爆生氣體逸出以及新自由面形成等過程而發(fā)生。盧文波等[36]、嚴(yán)鵬等[37]、楊建華等[38]針對(duì)開挖爆破荷載對(duì)深埋洞室圍巖的擾動(dòng)機(jī)理，采用理論分析、數(shù)值計(jì)算和工程驗(yàn)證相結(jié)合的方法，開展了系列研究。相關(guān)研究成果表明，當(dāng)炮孔內(nèi)爆炸荷載壓力衰減至與開挖面上的地應(yīng)力大小相等時(shí)，開挖面上宏觀卸荷效應(yīng)開始發(fā)生(如圖12所示,圖中σr為初始應(yīng)力水平)，隨著爆炸荷載壓力進(jìn)一步衰減至大氣壓時(shí)，開挖面上地應(yīng)力卸荷同步完成。對(duì)于深埋隧洞全斷面開挖淺孔爆破，地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷持續(xù)時(shí)間為2 ～ 5 ms；中、高地應(yīng)力條件下，地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷引起的圍巖應(yīng)變率達(dá)到10-1～ 101s-1，為一個(gè)動(dòng)態(tài)力學(xué)過程。

圖12 開挖爆破作用的力學(xué)模型Fig.12 Mechanical model of excavation blasting action

為了定量衡量爆破擾動(dòng)對(duì)水工地下洞室群的損傷與振動(dòng)特性，同時(shí)考慮爆破荷載的動(dòng)力特征與初始應(yīng)力的重分布的動(dòng)靜耦合分析方法成為研究的熱點(diǎn)。眾多研究表明，高地應(yīng)力條件下巖體爆破開挖振動(dòng)由爆炸荷載和開挖瞬態(tài)卸荷共同作用引起。相關(guān)研究結(jié)果表明開挖面上的地應(yīng)力越高，瞬態(tài)卸荷激發(fā)的振動(dòng)速度越大，如圖13所示。中、高地應(yīng)力條件下，開挖面上地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷會(huì)增大圍巖總體振動(dòng)響應(yīng)，甚至可能會(huì)超越爆炸荷載而成為圍巖爆破振動(dòng)主要影響因素。

圖13 高應(yīng)力下的爆破振動(dòng)成分分析對(duì)比Fig.13 Analysis and comparison of blasting vibrationcomponents under high stress

從巖體的損傷控制角度，研究者們建立了動(dòng)靜耦合損傷模型，揭示了深部巖體爆破開挖過程中的圍巖損傷由重分布的靜態(tài)二次應(yīng)力、爆炸荷載以及開挖面上應(yīng)力瞬態(tài)卸荷附加動(dòng)應(yīng)力共同作用引起[39-42]。爆炸荷載作用下，圍巖主要表現(xiàn)為張拉損傷破壞，地應(yīng)力相當(dāng)于提高了巖體抗拉強(qiáng)度，對(duì)爆破張拉效應(yīng)起抑制作用。上述研究成果揭示了一個(gè)統(tǒng)一的現(xiàn)象，在高應(yīng)力條件下，爆破荷載本身產(chǎn)生的損傷效應(yīng)只在表層或局部部位，伴隨開挖引起的應(yīng)力重分布可能是產(chǎn)生圍巖損傷的重要原因。

3.2 大型水工地下洞室群爆破安全控制標(biāo)準(zhǔn)與效果評(píng)價(jià)

地下洞室群的爆破安全控制標(biāo)準(zhǔn)問題一直是困擾爆破施工期開挖安全控制的核心問題。我國(guó)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)規(guī)定水工隧道的安全允許振速為7～15 cm/s，交通隧道的安全允許振速為10～20 cm/s，礦山巷道的安全允許振速為15～30 cm/s。質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度損傷判據(jù)雖然獲得了廣泛的運(yùn)用，但在使用過程發(fā)現(xiàn)其沒有區(qū)分爆破地震波傳播引起的振動(dòng)損傷和爆破地震作用下建(構(gòu))筑物動(dòng)力響應(yīng)誘發(fā)振動(dòng)損傷的不同力學(xué)機(jī)理。

基于白鶴灘、烏東德、錦屏以及龍灘等重大水電工程地下洞室群的開挖爆破控制，研究者們采用引用標(biāo)準(zhǔn)法、工程類比法、數(shù)值分析法以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法等多種方法綜合的手段確定了地下廠房分層的爆破振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)。以龍灘水電站為例，開挖爆破安全控制標(biāo)準(zhǔn)見表1。新噴混凝土安全控制標(biāo)準(zhǔn)，在距離爆區(qū)20 m，應(yīng)按5 cm/s的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制，在距離爆區(qū)3～5 m，應(yīng)按15～25 cm/s的校核標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

表1 龍灘地下廠房的爆破振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Safety control standard for vibration speedof underground powerhouse excavation

3.3 大跨度洞室群復(fù)雜結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)爆破成型控制技術(shù)

巨型水工地下洞室群開挖爆破的總體方案為：合理進(jìn)行立體分層和平面分區(qū)，建立“通道合理、立體分層、平面分區(qū)、支護(hù)有序”的開挖方案；針對(duì)各層的地質(zhì)條件與開挖特征，開展爆破試驗(yàn)，確定精細(xì)化的爆破開挖參數(shù)。

巖壁梁是水工地下廠房開挖的核心控制部位。巖壁梁利用錨桿將鋼筋混凝土梁體錨固在巖石上，其承受的荷載通過錨桿和與巖石壁面之間的摩擦力傳到巖體上，形成巖壁梁和巖體共同受力的結(jié)構(gòu)，巖壁梁發(fā)揮作用需要充分利用圍巖自身的承載能力，如圖14所示。巖壁梁巖臺(tái)的開挖成型極為關(guān)鍵，不允許欠挖，同時(shí)也要嚴(yán)格控制超挖。

圖14 典型的巖壁梁開挖效果Fig.14 Result of excavating typical rock wall beamstructure

巖壁梁部位開挖是水電站地下廠房開挖質(zhì)量要求最高、工藝要求最嚴(yán)格、施工難度最大的開挖關(guān)鍵部位，是地下廠房開挖的重點(diǎn)和難點(diǎn)。巖壁梁爆破施工的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)包括：樣架導(dǎo)管定位；精確鉆孔，光爆孔間距偏差≤3 cm，開孔偏差≤1 cm，孔斜偏差≤2°，孔深偏差控制在3 cm以內(nèi)，光爆孔互相平行，上下一一對(duì)應(yīng)；保護(hù)層各區(qū)采用“雙層光面爆破技術(shù)”；采用“均勻微量化裝藥”技術(shù)。

3.4 引水工程巖塞爆破技術(shù)

為了合理配置水資源，引水及調(diào)水需求逐漸增大，這就需要在已經(jīng)正常運(yùn)行的水庫(kù)增建水工隧洞。這些增建的水工隧洞進(jìn)口常位于水面以下數(shù)十米甚至百米深處。采用常規(guī)的圍堰施工方法成本高、工期長(zhǎng)，而且還需要降低庫(kù)水位，水量損失大。

以長(zhǎng)江科學(xué)院為代表的爆破科研團(tuán)隊(duì)針對(duì)以上問題研發(fā)了“水下巖塞排孔法爆破技術(shù)”[43]，如圖15所示，該技術(shù)具有不受水位消漲和季節(jié)條件的影響，可省去工期長(zhǎng)、成本高的圍堰工程，施工與水庫(kù)的正常運(yùn)行互不干擾等優(yōu)點(diǎn)，主要核心技術(shù)包括：①揭示了深水條件下大斷面長(zhǎng)巖塞爆破貫穿機(jī)理，大直徑巖塞爆破中導(dǎo)洞全排孔巖塞爆破的孔網(wǎng)參數(shù)確定方法，針對(duì)該技術(shù)建立的中導(dǎo)洞全排孔爆破技術(shù)。②建立了微差爆破條件下氣墊式巖塞爆破堵頭壓力的修正計(jì)算公式，提出了氣墊式巖塞爆破閘門井水位的確定方法。③研發(fā)了深水條件下全套大直徑全排孔巖塞爆破施工工藝，包括排孔鉆孔施工樣架、藥卷加工及安裝方法、集碴坑充水及補(bǔ)氣工藝。④建立了巖塞爆破有害效應(yīng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，水擊波、爆破振動(dòng)及邊坡變形等多方位綜合的巖塞爆破效果評(píng)價(jià)方法。

圖15 水下巖塞爆破技術(shù)原理示意圖Fig.15 Schematic diagram of underwater rock plugblasting technology

4 水工級(jí)配料開采控制爆破技術(shù)

4.1 基于KUZ-RAM模型的爆破塊度控制方法

目前我國(guó)關(guān)于級(jí)配料爆破參數(shù)確定的主要方法為：在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行爆破試驗(yàn)，研究地質(zhì)構(gòu)造對(duì)爆破塊度和級(jí)配的影響，以及爆破諸參數(shù)對(duì)級(jí)配料的影響，使其通過很少的試驗(yàn)次數(shù)得到滿足工程要求的爆破參數(shù)，從中總結(jié)出規(guī)律，從而得到滿足設(shè)計(jì)要求的級(jí)配料。在此過程中，需要建立合理的爆破塊度預(yù)測(cè)模型。

20世紀(jì)90年代在面板堆石壩級(jí)配料開采爆破試驗(yàn)研究中總結(jié)出的KUZ-RAM模型目前是應(yīng)用最廣泛的模型之一[44]。以模型中反映巖體地質(zhì)條件影響的A值為例，已有的研究中巖石系數(shù)A的取值多依靠經(jīng)驗(yàn)估算。研究者們?yōu)楸ＷC預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果確定并動(dòng)態(tài)優(yōu)化的方法，即通過多次爆破的試驗(yàn)篩分結(jié)果，確定A值并進(jìn)行動(dòng)態(tài)復(fù)核?；贙UZ-RAM模型的相關(guān)表達(dá)，巖石系數(shù)A的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(1)

4.2 數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法在爆破塊度預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

水電工程料場(chǎng)爆破開采過程中，爆破塊度直接關(guān)系到堆石體的穩(wěn)定性與滲透性，篩分后爆破塊度級(jí)配曲線需處于設(shè)計(jì)包絡(luò)線之間，因此爆破塊度預(yù)測(cè)是巖體爆破領(lǐng)域科研工作者關(guān)心的熱點(diǎn)問題之一。迄今為止，國(guó)內(nèi)外針對(duì)爆破塊度預(yù)測(cè)已取得較為豐富的成果，但是由于爆破塊度影響因素較多，受巖體特征、性質(zhì)及爆破等參數(shù)影響，導(dǎo)致已有預(yù)測(cè)模型大多只適用于特定的爆破現(xiàn)場(chǎng)，缺乏一定的普適性。鑒于此，如何建立多影響因素與多爆破控制指標(biāo)之間的映射關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)爆破塊度的快速、準(zhǔn)確預(yù)測(cè)是目前工程爆破領(lǐng)域亟需解決的熱點(diǎn)問題。目前較為成熟的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artifcial Neural Network，ANN)以其強(qiáng)大自學(xué)習(xí)能力及非線性特征和不許預(yù)設(shè)預(yù)測(cè)模型等優(yōu)點(diǎn)為爆破塊度準(zhǔn)確預(yù)測(cè)提供了可能。

因此在已有爆破塊度預(yù)測(cè)模型的基礎(chǔ)上，通過機(jī)器學(xué)習(xí)與統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論的引入，進(jìn)而建立綜合考慮多參數(shù)的時(shí)空動(dòng)態(tài)調(diào)整的爆破塊度預(yù)測(cè)模型是十分有必要的[45]。圖16給出了基于支持向量機(jī)算法基礎(chǔ)上改良的計(jì)算結(jié)構(gòu)示意圖。

圖16 爆破塊度預(yù)測(cè)機(jī)器學(xué)習(xí)算法示意圖Fig.16 Topological computing structure of machinestudy on blasting fragmentation

4.3 基于其他效果指標(biāo)預(yù)測(cè)的爆破塊度預(yù)測(cè)模型

基于其他爆破效果指標(biāo)建立爆破塊度預(yù)測(cè)模型并進(jìn)行控制是研究者們采用的另一種方法，爆炸振動(dòng)本質(zhì)上是爆炸應(yīng)力波在巖石或結(jié)構(gòu)中傳播造成的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)。一般而言，巖體介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)峰值速度越大，巖石材料受到的擾動(dòng)和損傷也越大。爆炸沖擊荷載作用下材料的斷裂體積分布可表示為[29,46]

Nc=N0exp(-Rv/Re) 。

(2)

式中：Nc表示半徑大于Re的空隙累計(jì)數(shù)量；N0表示裂紋總量；Rv表示空隙半徑；Re表示空隙半徑Rv的期望值。已有研究成果表明，爆破塊度分布可用R-R分布函數(shù)進(jìn)行表示，表達(dá)式為

R(x)=1-exp(-x/x0) 。

(3)

式中：R(x)表示粒徑

基于彈性力學(xué)的基本理論，可以得到基于PPV的塊度分布模型，即

4.4 基于天然塊度的爆破塊度控制技術(shù)

大量的爆破巖塊表面特征的統(tǒng)計(jì)資料表明，爆破形成的巖塊的大多數(shù)表面是原生地質(zhì)結(jié)構(gòu)弱面，其數(shù)量占形成巖塊表面總量的80%以上。要從根本上解決爆破塊度問題，必須將天然節(jié)理或結(jié)構(gòu)面等地質(zhì)構(gòu)造引入巖體爆破的物理力學(xué)過程，才能更為貼近實(shí)際地指導(dǎo)巖體爆破塊度的控制。

近年來，長(zhǎng)江科學(xué)院的爆破科研團(tuán)隊(duì)利用三維激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)爆區(qū)巖體自由面的快速掃描，實(shí)現(xiàn)巖體原生結(jié)構(gòu)面的快速統(tǒng)計(jì)與建模，實(shí)現(xiàn)巖體天然塊度空間分布特征的確定；結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)開挖試驗(yàn)實(shí)測(cè)篩分?jǐn)?shù)據(jù)及爆破塊度分區(qū)數(shù)值分析，建立一包含巖體天然塊度及爆破塊度數(shù)據(jù)庫(kù)；結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法理論，通過數(shù)據(jù)庫(kù)分析，建立基于巖體天然塊度的爆破塊度預(yù)測(cè)模型，最終實(shí)現(xiàn)考慮巖體原生結(jié)構(gòu)特征條件下的巖體爆破級(jí)配的主動(dòng)控制?；谔烊粔K度的爆破塊度控制實(shí)施的技術(shù)路線，以新疆玉龍喀什水利樞紐為例，得到巖體爆破塊度與天然塊度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖17所示。

圖17 天然塊度與爆破塊度的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.17 Corresponding relation between naturalfragmentation and blasting fragmentation

5 水電工程智能爆破設(shè)計(jì)技術(shù)

在智慧建造對(duì)我國(guó)水電工程建設(shè)發(fā)展發(fā)揮重要引領(lǐng)作用的時(shí)代背景下，爆破作為重要的工程建設(shè)手段，唯有從設(shè)計(jì)方法、技術(shù)措施與決策方式等全方位加快智慧改造，才能滿足國(guó)家高質(zhì)量發(fā)展的建設(shè)需求。智能爆破的定義為采用5G、人工智能、大數(shù)據(jù)與云計(jì)算等新一代信息技術(shù)，將爆破的設(shè)計(jì)、施工、評(píng)估、管理與服務(wù)等各環(huán)節(jié)生產(chǎn)活動(dòng)相聯(lián)結(jié)與融合，建立具有信息深度自感知、智慧優(yōu)化自決策、精準(zhǔn)控制自執(zhí)行等功能綜合集成的智慧爆破系統(tǒng)。智能爆破系統(tǒng)的總體實(shí)施路線如圖18所示。

圖18 智慧爆破系統(tǒng)的總體實(shí)施路線Fig.18 Overall implementation route of intelligentblasting system

在水電工程領(lǐng)域，智能爆破的研究主要集中于設(shè)計(jì)和管理系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用。圍繞白鶴灘與兩河口等重大工程的建設(shè)，針對(duì)爆破設(shè)計(jì)校審、火工品管理以及爆破信息的電子存檔，以長(zhǎng)江科學(xué)院爆破科研團(tuán)隊(duì)為代表，開發(fā)了相關(guān)的爆破智能化信息管理系統(tǒng)。例如以兩河口水電站堆石壩壩殼料的開采為工程背景，建立了水電站級(jí)配料開采爆破智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)，總體包括基本資料、智能設(shè)計(jì)、反饋優(yōu)化以及施工信息管理4個(gè)部分，如圖19所示。系統(tǒng)針對(duì)工程爆破的環(huán)節(jié)，結(jié)合現(xiàn)代信息技術(shù)，形成一個(gè)人與智能技術(shù)相結(jié)合的閉環(huán)。

圖19 智能設(shè)計(jì)平臺(tái)設(shè)計(jì)界面Fig.19 Interface of intelligent design platform

在兩河口水電站壩殼料智能爆破設(shè)計(jì)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)人員只需在數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇地質(zhì)條件與爆破開采要求，計(jì)算機(jī)可根據(jù)前期的試驗(yàn)成果以及施工過程中不斷補(bǔ)充的篩分以及碾壓檢測(cè)數(shù)據(jù)修正預(yù)報(bào)分析模型并給出下一循環(huán)合理的爆破參數(shù)，智能輸出合理級(jí)配的爆破設(shè)計(jì)。需要說明的是，當(dāng)下水電工程領(lǐng)域智能爆破技術(shù)往往是針對(duì)某一個(gè)環(huán)節(jié)，距離全過程的智能控制，還有很長(zhǎng)的路要走。

6 結(jié) 語

本文在查閱大量文獻(xiàn)資料基礎(chǔ)上，結(jié)合參與的大型工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和研究成果，針對(duì)我國(guó)特高拱壩基礎(chǔ)開挖精細(xì)爆破控制技術(shù)、水工地下洞室群開挖爆破控制關(guān)鍵技術(shù)、水工級(jí)配料爆破開采控制關(guān)鍵技術(shù)以及水電工程智能化爆破技術(shù)等方面進(jìn)行了綜述，主要基于我國(guó)重大工程建設(shè)面臨的重要科學(xué)技術(shù)問題進(jìn)行論述，在中國(guó)水電工程建設(shè)高峰的數(shù)十年里，還有很多其他方面的爆破技術(shù)取得明顯進(jìn)展，限于篇幅原因，這里無法一一列舉。上述內(nèi)容一方面是我國(guó)水電工程爆破技術(shù)近10年來的簡(jiǎn)要總結(jié)，上述技術(shù)將作為重要基礎(chǔ)，為我國(guó)的智能爆破技術(shù)發(fā)展起到促進(jìn)作用。