雙聚能預(yù)裂爆破在格里橋大壩壩肩開挖中的應(yīng)用

馮光學(xué),李 偉

(1.四川二灘國際工程咨詢有限責(zé)任公司,四川 成都 610072;2.中國水利水電第八工程局,湖南 長沙 410017)

1 前 言

格里橋水電站位于貴州省中部,烏江中游右岸支流——清水河干流下游。工程以發(fā)電為主。本工程為Ⅲ等工程,工程規(guī)模為中型,工程樞紐由碾壓混凝土重力壩、左岸引水發(fā)電系統(tǒng)組成。碾壓混凝土重力壩最大壩高 124m,壩頂高程 724m,壩頂全長103.9m。

壩址位于久場斷裂帶下游 300m峽谷河段上,河谷斷面為“U”形谷,河谷狹窄,兩岸峭壁陡峻,壩軸線處兩岸在 800m高程以上地形相對較緩,自然邊坡坡角 23°～34°;800m高程以下較陡,左岸綜合坡度 60°,右岸約 80°,部分為近乎直立的基巖陡壁或存在倒坡現(xiàn)象。壩基坐落在角礫狀白云巖及角礫狀灰?guī)r上,巖體較軟弱、允許承載力低,飽和抗壓強度達(dá) 15～40MPa,變形模量為 4.5～7.0GPa。左、右壩肩地基為角礫狀白云巖、角礫狀白云巖的厚層塊狀白云巖中厚層白云巖。左、右岸壩肩開挖高度分別為 180m和 200m。

格里橋大壩壩肩開挖的主要特點是工期緊、開挖厚度薄、坡陡,若采用常規(guī)預(yù)裂爆破技術(shù),則預(yù)裂鉆孔量大,是影響開挖工期的關(guān)鍵因素,經(jīng)過技術(shù)人員的分析論證,決定在壩肩開挖中采用雙聚能預(yù)裂爆破技術(shù),以減少鉆孔量實現(xiàn)加快工期的目的。先在毛料場進(jìn)行了雙聚能預(yù)裂爆破試驗,取得了合理的爆破參數(shù),用在壩肩開挖中,取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

2 雙聚能預(yù)裂爆破技術(shù)

雙聚能預(yù)裂爆破技術(shù)由水電八局于 2007年申請了“雙聚能預(yù)裂與光面爆破方法及專用裝置”發(fā)明專利和“雙聚能預(yù)裂與光面爆破專用裝置”實用新型專利。它是通過專用雙向聚能裝置在設(shè)定方向上的聚能作用實現(xiàn)巖石定向斷裂控制爆破,聚能藥卷是通過按一定角度在兩個設(shè)定方向有聚能槽的 PVC管裝入粉狀或者乳膠炸藥制作而成(見圖1),藥卷起爆后,炮孔壁在非設(shè)定方向上均勻受壓,而在設(shè)定方向上集中受拉,致使巖體按設(shè)定方向拉裂成型。

該技術(shù)施工工藝簡單,易于在現(xiàn)場推廣使用。與常規(guī)預(yù)裂爆破、光面爆破相比,雙聚能預(yù)裂爆破具有以下優(yōu)越性:

(1)利用巖體耐壓怕拉的特性,同時不耦合裝藥結(jié)構(gòu)以及聚能藥卷的聚能作用,炸藥爆炸后,在裂縫開始形成的同時聚能射流沿著裂縫噴射,其氣刃作用進(jìn)一步大大加強裂縫的擴(kuò)展和延伸,相應(yīng)加大了炮孔間距,減少了同等爆破方量炮孔鉆進(jìn)量;

(2)成型效果好,開挖輪廓質(zhì)量高,不平整度低,半孔率高(一般可達(dá)到 90%);

(3)超挖石方少,減少了清方和回填工程量;

(4)采用了完全不耦合裝藥結(jié)構(gòu),使炮孔與藥卷之間在全孔有完全相等的間隔,對孔壁起到了更好的減壓保護(hù)作用,對建基面炮震振動范圍小、損傷輕,有效地保護(hù)了建基面,有利于開挖邊坡的支護(hù)與穩(wěn)定;

(5)炸藥單耗少,鉆爆成本低,經(jīng)濟(jì)和社會效益顯著。

圖1 雙聚能藥卷斷面示意

3 爆破試驗和爆破參數(shù)的選定

3.1 試驗部位

根據(jù)格里橋現(xiàn)場實際情況,爆破試驗的部位選定在毛料場,該部位開挖區(qū)域?qū)掗?可以分塊進(jìn)行多組試驗,且道路通車條件較好,人員、設(shè)備及材料等可以直接進(jìn)入場內(nèi)。

3.2 試驗內(nèi)容

爆破試驗的目的是為正式施工時取得最優(yōu)的爆破參數(shù),如孔距、線裝量等影響爆破質(zhì)量的關(guān)鍵因素。由于本工程使用的雙聚能 PVC管是定型管,管內(nèi)充填 2號巖石乳化炸藥,線裝藥密度只能靠間斷裝藥的間距來控制。爆破效果通過外觀和爆破前后單孔聲波的對比判定。

試驗孔采用 YQ-100B潛孔鉆成孔,孔徑90mm,在同一預(yù)裂(光爆)面依次按照 1.5m孔距 6孔、2.0m孔距 4孔、2.5m孔距 4孔、3.0m孔距 5孔進(jìn)行布置;鉆孔坡比為 1∶0.3,孔深 15m。采用連續(xù)裝藥,線裝藥密度為 430～450g/m,裝藥結(jié)構(gòu)見圖2。

3.3 爆破效果分析和爆破參數(shù)的選定

(1)外觀分析:預(yù)裂孔單獨爆破后,雙聚能預(yù)裂爆破聚能效果明顯,可以看到不管是單孔(邊孔)還是聯(lián)孔,起爆后爆炸能量均沿預(yù)設(shè)兩個方向集中釋放,形成較為明顯的裂縫;從聯(lián)孔情況看,1.5～2.5m孔距預(yù)裂孔成縫良好,3m孔距部分兩孔間位置未張開,在主爆孔爆破出渣清理開挖面后,可以看到,孔距在 1.5～2.5m的預(yù)裂面成縫平整,半孔成縫率 100%,3m孔距部位雖半孔率也達(dá)到 100%,但開挖面不平整,部分位置兩孔中部有巖埂,需修整規(guī)格。從所有的殘留半孔中可以看到,均沒有新增爆破裂隙。

(2)單孔聲波分析:總共布置 4個聲波孔,分別位于 1.5、2、2.5、3m孔距區(qū),孔深 2m(開挖面以內(nèi)),爆前和爆后分別作單孔聲波測試,然后加以比較,分析保留巖體的衰減率是否滿足規(guī)范要求。從各孔的爆前、爆后的單孔聲波值中可以看出,各種孔距的預(yù)裂面聲波衰減率均滿足規(guī)范要求,在 1.5～2.5m孔距范圍內(nèi),同時隨著孔距的增大,單位面積的裝藥量減少,其聲波衰減率越低。

綜上分析,確定壩肩開挖的雙聚能預(yù)裂爆破參數(shù)如下:線裝藥密度為 430～450g/m,完整巖體孔距為 2.5m,節(jié)理、裂隙發(fā)育部位孔距為 2m。

4 雙聚能預(yù)裂爆破在格里橋壩肩開挖的實施

圖2 雙聚能預(yù)裂爆破裝藥結(jié)構(gòu)

4.1 雙聚能預(yù)裂爆破的實施要點

(1)應(yīng)嚴(yán)格控制鉆孔作業(yè),確保各個炮孔的同面性良好,炮孔的同面性越好,爆破效果越佳。

(2)雙向聚能藥卷事先在炸藥庫按照需要量采用專用裝藥設(shè)備灌裝完成(標(biāo)準(zhǔn) PVC雙槽聚能管3m長一根),引爆前運到工地放入炮孔時接長至需要長度。雙聚能預(yù)裂爆破底部加強裝藥同常規(guī)預(yù)裂爆破,只需將普通 φ32mm藥卷捆綁至 PVC管無聚能槽兩側(cè)上即可。

(3)由于聚能藥卷是靠 PVC管成型,因此必須全孔用導(dǎo)爆索進(jìn)孔引爆,另一方面導(dǎo)爆索也起到接長聚能藥卷的承重作用,導(dǎo)爆索插入第一標(biāo)準(zhǔn)節(jié)雙聚能槽藥管內(nèi) 5cm,彎曲后捆綁在雙聚能管無聚能槽的一側(cè),底部加強裝藥捆綁在雙聚能管無聚能槽的兩側(cè),然后將第一標(biāo)準(zhǔn)節(jié)雙聚能槽藥管慢慢送入炮孔并注意將聚能槽對準(zhǔn)預(yù)裂(光爆)面方向。

(4)第一標(biāo)準(zhǔn)節(jié)雙聚能槽藥管末端達(dá)到炮孔孔口時,在第一標(biāo)準(zhǔn)節(jié)雙聚能槽藥管末端套上第一個孔內(nèi)居中環(huán),再套上 10cm長的聯(lián)接套管。依次安裝各節(jié)雙聚能槽藥管,長度調(diào)整節(jié)和封堵節(jié)在最后安裝,封堵節(jié)露出炮孔孔口時在其上套上孔口對中環(huán),單孔雙聚能槽管即告安裝完成。

(5)雙聚能預(yù)裂爆破堵塞段一般為 120～150cm,堵塞方法同常規(guī)預(yù)裂爆破。由于堵塞段長短對預(yù)裂(光爆)面的效果有較大影響,堵塞長度過短,則爆破時氣體逸出,甚至將雙槽聚能管沖出孔外,不易形成預(yù)裂縫或預(yù)裂縫寬度不夠;堵塞長度過長,則在孔口附近部位易殘留炮孔。實際施工中的堵塞長度根據(jù)爆破效果予以調(diào)整修正。

(6)所有炮孔內(nèi)的雙聚能槽管安裝完成后,在首尾炮孔之間用尼龍線拉直作為預(yù)裂(光爆)面的標(biāo)識,轉(zhuǎn)動各個炮孔孔口所套上的孔口對中環(huán),使孔口對中環(huán)上面的兩個 V形對中槽聯(lián)線與拉直的尼龍線方向吻合,然后用兩端彎成 90度的鐵絲穿入相鄰孔口對中環(huán)的固定孔內(nèi)將孔口對中環(huán)固定。在上述安裝步驟完成后,拆除固定鐵絲和孔口對中環(huán),以便以后重復(fù)使用。

(7)由于雙聚能預(yù)裂爆破單孔成縫情況也較好,因此在施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制裝藥質(zhì)量,確保聚能槽方向與開挖面一致,以免直接破壞保留巖體,釀成嚴(yán)重的質(zhì)量、安全事故。

(8)聯(lián)網(wǎng)爆破:雙聚能預(yù)裂與梯段爆破孔若在同一爆破網(wǎng)絡(luò)中起爆,則雙聚能預(yù)裂與光面爆破孔最后一段起爆時間先于相鄰梯段主爆破孔的起爆時間,不應(yīng)小于 75～100ms。

(9)為保證雙聚能預(yù)裂爆破的實施效果,應(yīng)制定質(zhì)量檢查表,規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化組織質(zhì)量檢查工作。及時總結(jié)施工中出現(xiàn)的質(zhì)量缺陷、分析產(chǎn)生的內(nèi)在原因,從設(shè)計、施工著手采取有力措施及時糾正。

(10)雙聚能預(yù)裂與光面爆破綜合技術(shù)施工必須采用國家專利產(chǎn)品——“雙聚能預(yù)裂與光面爆破專用裝置”進(jìn)行雙聚能預(yù)裂(光面)爆破。

4.2 雙聚能預(yù)裂爆破在壩肩開挖中的實施效果

雙聚能預(yù)裂爆破在格里橋壩肩開挖實施過程中,得到了水電八局原副總工秦健飛同志(該技術(shù)水電八局帶頭人)的大力支持和指導(dǎo),取得了優(yōu)良的效果,壩肩開挖面平整,起伏差小,半孔率高達(dá)99%,無爆破振動裂隙;開挖后聲波檢測結(jié)果表明,建基面聲波波速滿足設(shè)計要求,爆破損傷深度小,遠(yuǎn)低于常規(guī)預(yù)裂爆破。

5 結(jié) 論

(1)雙聚能預(yù)裂爆破在格里橋大壩壩肩開挖中的成功應(yīng)用,減少預(yù)裂鉆孔量 50%以上,減少炸藥消耗 40%以上,大大減少了施工單位鉆孔設(shè)備的投入,大大節(jié)約了施工單位的成本,同時,使預(yù)裂鉆孔施工不再成為影響開挖工期的關(guān)鍵因素,其技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益可觀。

(2)雙聚能預(yù)裂爆破技術(shù)充分考慮了巖石耐壓怕拉的特點,利用雙向聚能裝置對爆轟產(chǎn)物的導(dǎo)向作用,實現(xiàn)爆轟能量在設(shè)定方向上的集中卸壓釋放,使炮孔壁對應(yīng)處產(chǎn)生拉應(yīng)力集中,實現(xiàn)巖體定向斷裂,并相應(yīng)減少了爆破對非設(shè)定方向巖體的破壞,保護(hù)了保留巖體的完整性和穩(wěn)定性,即使對于完整性差的巖體,爆破產(chǎn)生的高能流可以切穿節(jié)理、裂隙等軟弱面,定向斷裂巖體,其半孔率一般也能達(dá)到90%以上,大大減小了臨時支護(hù)的工作量,可推遲進(jìn)行系統(tǒng)支護(hù),避免了開挖與支護(hù)上下交叉作業(yè)及支護(hù)對開挖的影響,使得開挖工期大大提前。

(3)雙聚能裝置聚能效果好,能量利用率高,半孔率高,成型效果好,超欠挖巖方少、保留巖體損傷小于常規(guī)預(yù)裂爆破,其技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益明顯,它在格里橋工程的成功應(yīng)用為該技術(shù)推廣積累了豐富經(jīng)驗,有非常廣闊的應(yīng)用前景。

(4)為了保證爆破質(zhì)量,充分發(fā)揮雙聚能預(yù)裂爆破的特點,必須加強布孔、鉆孔、裝藥、爆破等的全過程質(zhì)量管理,否則將會造成嚴(yán)重的安全、質(zhì)量事故。