壩肩順層巖邊坡開(kāi)挖預(yù)裂爆破參數(shù)優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

張由夫

(遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司，遼寧 鞍山 114000)

1 研究背景

雙龍水電站位于太平哨鎮(zhèn)二龍渡村境內(nèi)半拉江干流上，是半拉江梯級(jí)開(kāi)發(fā)的重要工程，屬于典型的河床式水電站設(shè)計(jì)[1]。電站大壩為瀝青混凝土心墻土石壩壩型，最大壩高56.0 m，壩頂高程160.0 m，壩頂寬8.0 m，正常蓄水位為157.50 m，校核水位為158.50 m。按照大壩選址，在其右側(cè)壩肩存在橫向長(zhǎng)度約150 m，縱向長(zhǎng)度55～85 m的順層巖邊坡，其巖體主要是砂巖和泥巖，強(qiáng)度低、抗風(fēng)化能力弱。為了保證工程建設(shè)的順利進(jìn)行，需要對(duì)該段邊坡進(jìn)行開(kāi)挖放坡進(jìn)而加固[2]。

預(yù)裂爆破技術(shù)最早由光面爆破技術(shù)發(fā)展而來(lái)，并在工程實(shí)踐中得到了滿意的效果，因此獲得了廣泛的應(yīng)用[3]。在20世紀(jì)70年代中期引入我國(guó)以來(lái)，該技術(shù)在邊坡開(kāi)挖和礦山開(kāi)采中應(yīng)用較多。結(jié)合工程實(shí)際和爆破開(kāi)挖要求，擬采用預(yù)裂爆破技術(shù)對(duì)該段邊坡進(jìn)行爆破開(kāi)挖。但是，針對(duì)結(jié)構(gòu)面較發(fā)育的破碎帶進(jìn)行爆破過(guò)程中，還需要對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以便達(dá)到理想的爆破效果[4]?；诖耍舜窝芯客ㄟ^(guò)工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方式對(duì)預(yù)裂爆破參數(shù)優(yōu)化，以便為工程設(shè)計(jì)提供必要的支持。

2 原始設(shè)計(jì)方案與工藝

2.1 原始設(shè)計(jì)方案

根據(jù)壩肩邊坡預(yù)裂爆破的初始工程設(shè)計(jì)，主爆孔的孔徑為90 mm，采用潛孔鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔。臺(tái)階高度是影響爆破效果的重要因素，需要結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際地形、技術(shù)要求、鉆孔和挖裝性能確定。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，一般確定為5～10 m，工程初始設(shè)計(jì)為7 m；底盤(pán)抵抗線也是預(yù)裂爆破的重要參數(shù)，在工程設(shè)計(jì)中采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算獲取，初始設(shè)計(jì)為3 m；孔距和排間距根據(jù)底盤(pán)抵抗線計(jì)算獲取，分別為4 m和3 m；合理的超深可以有效防止底板的超欠挖，保持底板的平整性，其原始設(shè)計(jì)值為0.75 m[5]；預(yù)裂孔的孔深為8.00 m，超深為0.75 m，與主炮孔的間距為1.5 m。裝藥采用耦合間距的裝藥方式，預(yù)裂孔裝藥量為8 kg左右，主孔的單孔裝藥量為38 kg左右；預(yù)裂孔和主孔堵塞分別為1.0 m和2.5 m，其具體的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

2.2 試驗(yàn)流程和要求

在進(jìn)行試驗(yàn)之前，首先根據(jù)試驗(yàn)需要選定試驗(yàn)區(qū)，并對(duì)試驗(yàn)鉆孔部位的覆蓋層以及上次爆破產(chǎn)生的石渣進(jìn)行清理[6]。如果清理過(guò)程中出現(xiàn)較大的凸起石塊，則需要利用小炮進(jìn)行清理。在清理完畢之后，利用設(shè)備和人工結(jié)合的方式對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行整平，為鉆機(jī)的鉆孔作業(yè)提供良好的環(huán)境。在鉆機(jī)平臺(tái)的搭建和移動(dòng)過(guò)程中要使平臺(tái)本身相對(duì)平整，以保證鉆孔的精度和施工安全[7]。邊坡定位線偏大會(huì)造成爆破石方量的大幅增加，過(guò)小會(huì)造成基面不達(dá)標(biāo)。因此，邊坡測(cè)量和放線要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行并保證其精度，嚴(yán)禁出現(xiàn)操作偏差。

表1 預(yù)裂爆破原始設(shè)計(jì)方案參數(shù)

鉆孔作業(yè)是試驗(yàn)和大面積施工的關(guān)鍵流程，因此必須要按照設(shè)定為孔位實(shí)施鉆孔，同時(shí)保證鉆孔的精度，將孔位偏差控制在3 cm以?xún)?nèi)，將孔深偏差控制在10 cm以?xún)?nèi)。在鉆孔完畢之后要用草團(tuán)進(jìn)行臨時(shí)封堵，避免水流或雜物進(jìn)入造成堵塞[8]。如果鉆孔中存在積水就需要進(jìn)行排水作業(yè)。

預(yù)裂爆破需要在爆破現(xiàn)場(chǎng)將藥包加工成“藥串”的架構(gòu)形式，并用導(dǎo)爆索進(jìn)行引爆。試驗(yàn)中要將加工好的藥串放入鉆好的炮孔，直至底端。然后用草團(tuán)或破布團(tuán)等較為柔軟的東西遮蓋，然后再用沙或巖粉等較為松軟的顆粒物堵塞密實(shí)。其具體的裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 裝藥結(jié)構(gòu)圖示

隨著高精度非電導(dǎo)爆管雷管技術(shù)的迅速發(fā)展，逐孔起爆技術(shù)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展和進(jìn)步，為預(yù)裂爆破提供了必要的技術(shù)基礎(chǔ)。在此次試驗(yàn)中，主爆孔選擇清渣爆破的方式進(jìn)行，其孔間微差為25 ms，排間微差為65 ms。預(yù)裂孔要先于主孔起爆，鑒于預(yù)裂孔數(shù)量較多，因此試驗(yàn)中采用分組起爆的方式，其區(qū)域連線圖如圖2所示。

圖2 預(yù)裂爆破連線情況(單位:ms)

在試驗(yàn)過(guò)程中要做好安全和防護(hù)工作。首先，要建立現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)指揮中心，做好試驗(yàn)過(guò)程中的協(xié)調(diào)管控和領(lǐng)導(dǎo)，同時(shí)委派專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行安全和技術(shù)管控。在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)置3個(gè)起爆信號(hào)，第一個(gè)信號(hào)為告警信號(hào)，在裝藥和封堵作業(yè)完成之后，起爆之前30 min給出，當(dāng)接到這一信號(hào)后對(duì)警戒區(qū)進(jìn)行清場(chǎng)；第二個(gè)信號(hào)為起爆信號(hào)，在人員撤離和警戒崗到位之后給出，接到該信號(hào)后相關(guān)人員進(jìn)行起爆作業(yè)；第三個(gè)信號(hào)為解除信號(hào)，在起爆后25 min給出，檢查崗位人員在接到信號(hào)后進(jìn)入警戒區(qū)進(jìn)行檢查。在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中，其余安全事項(xiàng)均按照國(guó)標(biāo)爆破安全章程進(jìn)行處理。

3 優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 初始設(shè)計(jì)方案

在施工現(xiàn)場(chǎng)按照初始設(shè)計(jì)方案的參數(shù)進(jìn)行鉆孔、裝藥和爆破。試驗(yàn)結(jié)果顯示，雖然方案中的耦合裝藥預(yù)裂發(fā)揮了顯著的作用，但是炸藥在爆炸的瞬間釋放出巨大的能量，對(duì)需要保留的巖體產(chǎn)生了十分明顯的傷害，沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的爆破效果。因此需要改變耦合裝藥方式并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的調(diào)整，進(jìn)行第二次試驗(yàn)。

3.2 優(yōu)化方案一

針對(duì)初始設(shè)計(jì)方案存在的問(wèn)題，采用不耦合預(yù)裂爆破，并減小裝藥量的思路提出優(yōu)化方案一：試驗(yàn)預(yù)裂孔徑設(shè)置為68 mm，孔間距為1 m，和主炮孔的排距仍為1.5 m，孔深調(diào)整為7 m，超深仍舊為0.75 m，采用不耦合間隔裝藥，當(dāng)空藥量為3.4 kg左右，其裝藥設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 優(yōu)化方案一預(yù)裂孔裝藥設(shè)計(jì)

主爆孔的孔間距為4.0 m，排間距為3.0 m，孔深調(diào)整為7.0 m，超深仍舊為0.75 m，臺(tái)階高度為6 m，單孔裝藥量調(diào)整為32 kg，堵塞為2.0 m。該方案的具體參數(shù)設(shè)計(jì)如表1方案一所示。

優(yōu)化方案一的試驗(yàn)結(jié)果顯示，由于采用了不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，因此炸藥在爆炸后可以受到空氣墊層的緩沖，因此能量水平明顯降低，可以形成較好的預(yù)裂面，保留巖體的穩(wěn)定性也大為提升，半孔率達(dá)到了62.5%，但是預(yù)裂面平整度較差，需要進(jìn)一步優(yōu)化。

3.3 優(yōu)化方案二

針對(duì)優(yōu)化方案一存在的問(wèn)題，將孔深調(diào)整為10 m，同時(shí)對(duì)不耦合系數(shù)、孔間距以及裝藥量等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，獲得優(yōu)化方案二，其預(yù)裂孔的裝藥設(shè)計(jì)如表3所示，方案的具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表1方案二所示。

優(yōu)化方案的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果顯示，爆破后邊坡的平整度和被保留巖體的完整度明顯提升，半孔率達(dá)到了84.3%，杜絕了邊坡臺(tái)階發(fā)生松散試塊垮塌的工程問(wèn)題，試驗(yàn)效果良好。

表3 優(yōu)化方案二預(yù)裂孔裝藥設(shè)計(jì)

4 結(jié) 語(yǔ)

此次研究以具體工程為背景，利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方式對(duì)邊坡預(yù)裂爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究，并獲得最佳設(shè)計(jì)方案。在后續(xù)的工程施工中按照本文提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行爆破開(kāi)挖施工，取得了良好的工程效果，爆破開(kāi)挖后成型的邊坡坡面半孔率達(dá)到85%以上，坡面的平整度基本控制在±15 cm 以?xún)?nèi)，符合工程設(shè)計(jì)的預(yù)期要求，同時(shí)也保證作業(yè)人員和施工設(shè)備的安全。當(dāng)然，隨著工程技術(shù)的不斷發(fā)展，水利工程建設(shè)必將面臨更為復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境。目前使用的高精度毫秒雷管存在十分嚴(yán)格的段別限制，不同段別的微差時(shí)間和理論值之間仍存在一定的差別，并對(duì)爆破效果產(chǎn)生直接影響。相信隨著數(shù)碼電子雷管的大量使用，上述問(wèn)題終將得到有效解決。