塊度預(yù)報(bào)模型在南水北調(diào)中線工程渠首爆破開挖中的應(yīng)用

陳宗光，謝潔方

(1.中國(guó)電建集團(tuán) 中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014； 2.湖南勞動(dòng)人事職業(yè)學(xué)院 建工系，湖南 長(zhǎng)沙 400100)

0 引 言

南水北調(diào)工程是中國(guó)重大戰(zhàn)略性跨流域水資源配置工程，旨在解決北方地區(qū)水資源短缺問(wèn)題[1]。南水北調(diào)中線渠首樞紐工程地處丹江口水庫(kù)東部，位于湯山與禹山之間的埡口地帶，區(qū)內(nèi)主要地貌單元有：剝蝕殘山、壟崗、水系及人工地貌等。工程區(qū)內(nèi)地表多為第四系覆蓋，基巖主要出露奧陶系中統(tǒng)第二巖組(O22)、第三巖組(O23)及白堊—下第三系(K～E)。受多期構(gòu)造作用的影響，褶皺、斷裂較為發(fā)育。斷層主要發(fā)育北西西向和北北東向兩組，規(guī)模一般不大。裂隙以陡傾角為主，閘基巖體未發(fā)現(xiàn)傾緩角裂隙。南水北調(diào)中線渠首樞紐工程爆破開挖中，要求盡量減少鉆孔量和降低單耗，確定合理、高效的爆破孔網(wǎng)參數(shù)，盡量降低爆破呈現(xiàn)石塊的大塊率，減少孤石解炮的次數(shù)，以達(dá)到降低成本的要求。以往研究中，通常在有級(jí)配要求的規(guī)格石料生產(chǎn)(如堆石壩填筑料生產(chǎn))時(shí)，采用爆破塊度預(yù)報(bào)模型進(jìn)行爆破效果評(píng)估，以調(diào)整爆破方案，控制爆破效果[2-4]。然而，在水工建筑物巖石基礎(chǔ)或地下廠房爆破開挖過(guò)程中，需嚴(yán)格控制保護(hù)層開挖效果，建立爆破平均塊度預(yù)測(cè)模型，有利于避免超欠挖問(wèn)題。本文通過(guò)選取或者建立合理的爆破塊度分布模型來(lái)預(yù)測(cè)爆破塊度，使之滿足設(shè)計(jì)級(jí)配要求，動(dòng)態(tài)調(diào)整確定相應(yīng)的爆破參數(shù)，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

1 KUZ-RAM爆破塊度預(yù)測(cè)模型

從20世紀(jì)50年代起研究人員就開展了對(duì)爆破塊度分布的研究，提出了一系列爆破塊度預(yù)報(bào)模型。主要包括4類：能量理論模型、應(yīng)力波理論模型、塊度分布函數(shù)模型以及新近發(fā)展起來(lái)的損傷力學(xué)模型，比較有代表性的分別有GAMA模型、G·Harries模型和KUZ-RAM模型等[5]。

KUZ-RAM塊度預(yù)報(bào)模型[6-7]在礦山應(yīng)用多年，雖然在水利水電工程爆破中進(jìn)行塊度預(yù)報(bào)存在一定誤差，但可以利用爆破試驗(yàn)資料對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)修正，提高預(yù)報(bào)精度。該模型建立了各種爆破參數(shù)(如最小抵抗線W，孔距a，炸藥單耗q，臺(tái)階高度H，鑿巖精度和炮孔直徑d等)與爆破塊度分布的定量關(guān)系，便于將這些參數(shù)與爆破塊度分布進(jìn)行量化分析。而且，這些參數(shù)都是已知的，數(shù)形結(jié)合、形象直觀，便于推廣應(yīng)用。計(jì)算爆破平均塊度時(shí)，運(yùn)用了綜合性很強(qiáng)的巖石系數(shù)A，該系數(shù)反映了巖石物理力學(xué)特性和節(jié)理裂隙情況的影響，真實(shí)還原現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況。再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行修正，提高預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度。

KUZ-RAM模型是一個(gè)典型的露天臺(tái)階式開采爆破數(shù)學(xué)模型，從基本組成和各參量的數(shù)學(xué)定義來(lái)看，適用條件為[8]：① 炮孔為向下平行布置，連續(xù)柱狀裝藥；② 爆破延時(shí)一般在毫秒范圍內(nèi)的群孔爆破，而不適宜于單孔爆破；③ 炸藥性能主要由密度和相對(duì)威力來(lái)描述；④ 巖石性能主要由強(qiáng)度指標(biāo)和節(jié)理性質(zhì)來(lái)描述和計(jì)算；⑤ 炮孔堵塞性能好，集中起爆。南水北調(diào)中線工程渠首爆破采用連續(xù)柱狀裝藥，采用毫秒延時(shí)的群孔爆破，且炮孔性能良好，因此，可以采用KUZ-RAM模型估算爆破后的塊度尺寸范圍。

1.1 預(yù)測(cè)原理

KUZ-RAM模型的基本表達(dá)式由Kuznetsov方程[9]、Rosin-Rammler分布函數(shù)[10]和塊度不均勻系數(shù)[11]n計(jì)算式組成：

(1)

R=1-exp[-(X/X0)n]

(2)

n=(2.2-14W/d)(1-e/W)

[1+(m-1)/2]L/H

(3)

1.2 塊度預(yù)報(bào)

在爆破開挖現(xiàn)場(chǎng)收集了多組爆破開挖的孔網(wǎng)參數(shù)及塊度分布數(shù)據(jù)，本文選取8組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，具體爆破孔網(wǎng)參數(shù)如表1所示。

表1 渠首開挖工程右岸爆破孔網(wǎng)參數(shù)

表2 KUZ-RAM模型計(jì)算值

通過(guò)以上研究發(fā)現(xiàn)，該模型反映的爆破塊度分布線性特征和變化趨勢(shì)與實(shí)際情況大體保持一致。將模型計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，如表3所示。

表3 模型計(jì)算n值和平均塊度值與實(shí)測(cè)結(jié)果的比較

2 KUZ-RAM模型修正

將爆破試驗(yàn)收集的實(shí)際塊度分布資料與模型計(jì)算的平均塊度和塊度不均勻性指數(shù)n進(jìn)行比較，分別對(duì)實(shí)際值和計(jì)算值進(jìn)行回歸分析，得出模型修正前后計(jì)算值的關(guān)系式，最終確定修正后的KUZ-RAM模型。

2.1 關(guān)于巖石系數(shù)A的修正

巖石節(jié)理和裂隙對(duì)爆破的塊度分布有很大影響。巖石本身的強(qiáng)度、密度和破碎性等性質(zhì)與爆破塊度密切相關(guān)，采用巖石系數(shù)A反映這些影響和關(guān)系。應(yīng)考慮巖石物理力學(xué)性質(zhì)和節(jié)理裂隙發(fā)育情況的綜合性指標(biāo)。模型中規(guī)定的幾種不同情況的取值，無(wú)法全面、客觀地反映不同巖性、不同節(jié)理裂隙開度及分布對(duì)巖石破碎塊度的影響。Cunningham CVB[4]用現(xiàn)場(chǎng)反饋的實(shí)際資料進(jìn)行改進(jìn)和修正，提出確定巖石系數(shù)A的新方法，并給出了式中各值的取值方式：

A=0.06(RMD+JF+RDI+HF)

(4)

其中，RDI=25RD-50；E<50 GPa時(shí)，HF=E/3；E≥50 GPa時(shí)，HF=UCS/5。

式中：RMD為巖體性能系數(shù)；JF為節(jié)理特征系數(shù)；RDI為密度系數(shù)，g/cm3；RD為密度，g/cm3；HF為硬度系數(shù)；E為彈性模量，GPa；UCS為抗壓強(qiáng)度，MPa。

2.2 關(guān)于平均塊度計(jì)算公式的修正

圖1 平均塊度實(shí)測(cè)值與計(jì)算值回歸直線Fig.1 Regression line between measured and calculated average lumpiness

(5)

為了驗(yàn)證修改后公式的效果，將表1中的爆破孔網(wǎng)參數(shù)代入到公式(5)中，并與原模型計(jì)算值比較(表4)。由表4可看出，模型修正后平均塊度的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差，相較于原模型平均塊度的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差，有了大幅度降低，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性得到了保證。

表4 模型修正后平均塊度計(jì)算值與原模型計(jì)算值比較

若用平均塊度的實(shí)測(cè)值作為橫坐標(biāo)，用模型修正后平均塊度的計(jì)算值作為縱坐標(biāo)，將兩者進(jìn)行回歸分析(圖2)。

圖2 平均塊度實(shí)測(cè)值與模型修正后的計(jì)算值回歸直線Fig.2 Regression line the measured value of average lumpiness with the calculated value after model modification

由圖2可看出，回歸直線斜率接近于1，截距可忽略不計(jì)，相關(guān)系數(shù)|R|=0.89。當(dāng)α=0.01時(shí)滿足置信區(qū)間，認(rèn)為率定參數(shù)滿足精度要求。由此可見，平均塊度的實(shí)測(cè)值與模型修正后的計(jì)算值高度相關(guān)。修正后的平均塊度計(jì)算公式(5)比原模型的計(jì)算式(1)誤差較小，預(yù)報(bào)更為精確。

2.3 關(guān)于n值計(jì)算公式的修正

n′=

(6)

(7)

原模型適用的塊度不均勻指數(shù)n在0.8～2.2之間，經(jīng)修正后的爆破塊度模型適用的n值在0.7～1.0之間，原模型在南水北調(diào)中線渠首爆破開挖工程中的應(yīng)用得到了延伸。

2.4 修正后模型工程應(yīng)用情況

表5 工程應(yīng)用中原模型與修正后模型的對(duì)比

(2) 進(jìn)行爆破參數(shù)優(yōu)化的可能性。利用修正后的KUZ-RAM模型對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠降低爆破開挖成本，提高工程的經(jīng)濟(jì)性。為了驗(yàn)證這一結(jié)論，選取一組未按照修正后的KUZ-RAM模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的爆破試驗(yàn)參數(shù)(表6)。

表6 未按照模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的爆破試驗(yàn)參數(shù)

由表6可知，未按照模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，單耗q=0.35 kg/m3，居于0.25與0.48之間，可優(yōu)化的空間仍然較大。

3 結(jié) 論

結(jié)合南水北調(diào)中線工程渠首現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)KUZ-RAM模型進(jìn)行了修正，以實(shí)現(xiàn)對(duì)工程中的爆破塊度更為準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)。主要結(jié)論如下：

(1) 應(yīng)用KUZ-RAM模型作為預(yù)報(bào)爆破塊度的基本模型是可行的，但其所確定的塊度分布與實(shí)際情況有較大出入，在實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)加以修正。

(2) 本文對(duì)KUZ-RAM塊度預(yù)報(bào)模型的巖石系數(shù)、平均塊度及塊度不均勻系數(shù)的計(jì)算式進(jìn)行了修正，在進(jìn)行塊度預(yù)報(bào)時(shí)，相對(duì)誤差較小，預(yù)報(bào)更為精確。

(3) 基于工程試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)KUZ-RAM 模型進(jìn)行了修正，可實(shí)現(xiàn)對(duì)爆破孔網(wǎng)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少鉆孔量和降低單耗，達(dá)到降低開挖成本、提高經(jīng)濟(jì)性的目的。

然而需要指出的是，該模型的修正公式是基于南水北調(diào)中線工程渠首爆破開挖試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的，因此適用范圍存在局限性。在其他工程條件下，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修正，結(jié)合地質(zhì)和地形等特征的變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。