轎頂子電站泄洪洞下斷面爆破開(kāi)挖試驗(yàn)研究

于海龍

(鞍山水文局海城水文站，遼寧 海城 114200)

1 工程背景

轎頂子電站屬于遼寧省丹東市的重點(diǎn)水利工程，位于鴨綠江的支流半拉江上游的北股河上，電站的壩址位于丹東寬甸滿族自治縣太平哨鎮(zhèn)轎頂子境內(nèi)。轎頂子電站以發(fā)電為主，兼具防洪、灌溉和供水功能的小型水利工程，水庫(kù)的設(shè)計(jì)庫(kù)容為0.87億m3，設(shè)計(jì)洪水為百年一遇，校核洪水為千年一遇。水電站的主要建筑物包括混凝土重力壩、副壩、溢洪道、泄洪洞以及引水發(fā)電系統(tǒng)，工程等別為Ⅱ等，主要建筑物級(jí)別為2級(jí)。電站的泄洪洞位于大壩的左側(cè)，主要由消能段、洞身段、控制段和引渠段組成，總長(zhǎng)189 m，其中洞身段采用無(wú)壓城門洞型設(shè)計(jì)。泄洪洞引水渠段上部由壤土、粉質(zhì)黏土和卵礫石層構(gòu)成的互層狀結(jié)構(gòu)，下部為弱風(fēng)化安山玢巖構(gòu)成的基巖；進(jìn)口段地質(zhì)結(jié)構(gòu)類似，上部為壤土和卵礫石層構(gòu)成的互層狀結(jié)構(gòu)，下部為安山玢巖；洞身段基本處于弱風(fēng)化的安山玢巖地層結(jié)構(gòu)中，局部分布有輝綠巖和強(qiáng)風(fēng)化流紋巖，洞身段的圍巖類別以Ⅲ類為主，末端圍巖類別為Ⅳ類，強(qiáng)度較低、穩(wěn)定性差；出口消能段的巖體大多為弱風(fēng)化安山玢巖，且多為鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，完整性較差。

2 泄洪洞下斷面爆破開(kāi)挖方案比選

2.1 開(kāi)挖方案設(shè)計(jì)

泄洪洞采取的是分層爆破開(kāi)挖的方式，上層臺(tái)階需要進(jìn)行超前開(kāi)挖，同時(shí)下層臺(tái)階作為上層臺(tái)階開(kāi)挖產(chǎn)生的渣土的運(yùn)輸通道[1]。因此，出于工期和經(jīng)濟(jì)效益的雙重考慮，下層臺(tái)階的施工既不可停工，也不能影響出渣。結(jié)合上述要求和泄洪洞的開(kāi)挖尺寸，擬定出如下三個(gè)開(kāi)挖方案：

方案一：半幅交替開(kāi)挖法。為了保障上層臺(tái)階與下層臺(tái)階施工的順利進(jìn)行，在施工中將下層臺(tái)階分為兩個(gè)半幅分別施工。首先對(duì)下層臺(tái)階的左半幅進(jìn)行鉆爆開(kāi)挖作業(yè)，右半幅作為交通道路。在左半幅開(kāi)挖施工一段距離之后，即改為上層臺(tái)階施工的交通道路，而對(duì)右半幅進(jìn)行鉆爆開(kāi)挖施工作業(yè)。按照上述順序進(jìn)行左右兩個(gè)半幅的交替作業(yè)，直至施工結(jié)束[2]。

方案二：擠壓爆破拉中槽法。該方案的基本思路是在下層臺(tái)階斷面的頂部，沿著泄洪洞中軸線劃定出一定寬度的爆破開(kāi)挖施工區(qū)域，利用潛孔鉆進(jìn)行豎向鉆孔，直至泄洪洞底板的基建高程，在進(jìn)行爆破后的石渣上修建呈斜坡?tīng)畹纳蠈优_(tái)階施工交通道路[3]。同時(shí)，利用擠壓爆破技術(shù)和潛孔鉆沿著中軸線持續(xù)進(jìn)行爆破開(kāi)挖作業(yè)。

方案三：全斷面無(wú)保護(hù)層擠壓爆破法。該方案的基本思路是在泄洪洞下層臺(tái)階頂部鉆豎向孔，在達(dá)到基建高度的基礎(chǔ)上超深約10%左右，對(duì)兩邊的邊墻鉆豎向預(yù)裂孔。首先在主炮孔底部設(shè)置柔性墊層，厚度為0.2 m，然后進(jìn)行爆破裝藥。在爆破作業(yè)過(guò)程中，主爆區(qū)采取無(wú)保護(hù)層擠壓爆破方式，同時(shí)在邊壁位置進(jìn)行預(yù)爆破作業(yè)配合。在爆破后產(chǎn)生的石渣上修建斜坡路作為施工作業(yè)的交通道路，同時(shí)進(jìn)行下臺(tái)階斷面的擠壓爆破施工，在不影響上層臺(tái)階出渣的情況下可以一直向前施工[4]。

2.2 爆破施工方案的選擇

上述三個(gè)爆破施工方案各有優(yōu)劣，本文結(jié)合轎頂子電站泄洪洞的實(shí)際情況，特別是斷面尺寸和工期要求，對(duì)三個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示。由比較結(jié)果可知，全斷面無(wú)保護(hù)層擠壓爆破方案是本次施工的最佳方案。

表1 爆破方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析結(jié)果

3 爆破施工設(shè)計(jì)

3.1 爆破參數(shù)

轎頂子電站泄洪洞下層臺(tái)階全斷面無(wú)保護(hù)擠壓爆破試驗(yàn)在樁號(hào)0+56.00～0+68.00段內(nèi)進(jìn)行。該試驗(yàn)段的圍巖以弱風(fēng)化輝綠巖為主，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，巖體的平均抗壓強(qiáng)度為90 MPa左右。由于巖體的結(jié)構(gòu)完整性較強(qiáng)，可爆性并不理想。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況以及工程設(shè)備情況，利用孔徑為100 mm的潛孔臺(tái)車鉆，進(jìn)行底面的主爆孔鉆孔作業(yè)，利用孔徑為85 mm的簡(jiǎn)易潛孔鉆再進(jìn)行豎向預(yù)裂孔鉆孔。

3.1.1 主爆孔爆破參數(shù)

按照爆破施工方案三，主爆孔區(qū)域采用的是無(wú)保護(hù)層擠壓爆破技術(shù)，因此需要合理設(shè)計(jì)爆破參數(shù)，以有效解決爆破施工過(guò)程中的壓渣過(guò)多無(wú)豎向臨空面，補(bǔ)償空間小的問(wèn)題。因此，對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行如下設(shè)計(jì)：

(1)主爆破孔的直徑D設(shè)計(jì)為100 mm，孔深由孔口標(biāo)高和基建面高程共同決定。

(2)根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，按照鉆孔孔徑的8～12倍確定超鉆深度，結(jié)合本次試驗(yàn)的具體情況，設(shè)計(jì)超鉆深度為0.80 m[5]。

(3)底盤抵抗線的選取不僅要考慮鉆孔的孔徑和圍巖的性質(zhì)，還需要考慮炸藥的爆炸強(qiáng)度[6]。在本次研究中，主要按照鉆孔的直徑來(lái)進(jìn)行計(jì)算。顯然，如果鉆孔直徑較大，就可以進(jìn)行更多的爆破裝藥，也就可以具有更大的爆破能力，因此抵抗線也就取的更大。由于試驗(yàn)采取的擠壓爆破方式設(shè)計(jì)，最前排炮孔的豎直臨空面在施工中被石渣填滿，難以形成臨空面，因此并不需要提供必要的補(bǔ)償空間，故可以適當(dāng)減少抵抗線的距離。在具體計(jì)算中，抵抗線W可以按(20～50)D計(jì)算，在本次計(jì)算中，擬取計(jì)算結(jié)果中的最小值2.0 m。

(4)不耦合系數(shù)η的確定：本次施工試驗(yàn)中采用的是5小錠并裝的標(biāo)準(zhǔn)2號(hào)乳化炸藥，其等效直徑為72 mm，因此，不耦合系數(shù)η為100/72=1.39。

(5)孔距a=35×0.072=2.5 m，排距b=2.5/1.2=2.1 m。

(6)巖石的可爆性、炸藥性能。自由面條件等諸多因素均會(huì)影響到炸藥的單耗q，結(jié)合相關(guān)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本次研究中的炸藥單耗取0.43 kg/m3[7]。

(7)堵塞長(zhǎng)度是爆破鉆孔裝藥完畢之后剩余部分的長(zhǎng)度，選取合適的充填長(zhǎng)度可以有效防止能量提前泄露，提高爆破效果，本次研究中的堵塞長(zhǎng)度取2.5 m，堵塞材料可以就地取材，利用鉆孔獲得的巖粉。

3.1.2 預(yù)裂孔爆破參數(shù)

對(duì)于預(yù)裂爆破的相關(guān)理論研究，國(guó)內(nèi)外均有研究。例如，A.A費(fèi)先柯法和B.C艾得斯托夫利用空氣沖擊波對(duì)障礙物的作用理論對(duì)裝藥量公式進(jìn)行推導(dǎo)，而國(guó)內(nèi)學(xué)者王中黔等人則根據(jù)斷裂力學(xué)原理對(duì)裝藥公式進(jìn)行推導(dǎo)。但公式中均存在一些難以確定和不易確定的參數(shù)，造成在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中存在一些障礙。因此，在本次研究中，主要結(jié)合前人的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及本次工程施工的具體情況確定具體的參數(shù)設(shè)計(jì)值如表2所示[8]。

表2 預(yù)裂孔爆破參數(shù)統(tǒng)計(jì)

3.2 起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

轎頂子電站泄洪洞在進(jìn)行全斷面無(wú)保護(hù)層擠壓爆破開(kāi)挖過(guò)程中，采用非電毫秒延期雷管網(wǎng)絡(luò)以及導(dǎo)爆索組合的起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，在孔內(nèi)裝入導(dǎo)爆索至孔底作為孔內(nèi)傳爆線，在孔外用導(dǎo)爆索將各個(gè)起爆孔連接，作為孔外傳爆線。在傳爆線的布設(shè)過(guò)程中，應(yīng)該注意傳爆方向的連接長(zhǎng)度大于15 cm，轉(zhuǎn)角應(yīng)該大于90°。起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)為“V”形起爆，起爆雷管應(yīng)該引至安全地段不小于350 m。具體的起爆網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖1所示。

圖1 起爆網(wǎng)絡(luò)示意圖

4 爆破效果及結(jié)論

在按照本文的起爆方案和參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行爆破施工后，試驗(yàn)工程段隆起了1 m多高的爆渣堆，在第一排爆孔前的臨空部位并沒(méi)有出現(xiàn)前沖現(xiàn)象，前面已經(jīng)存在的石渣堆并沒(méi)有產(chǎn)生明顯的位移，預(yù)裂爆破沒(méi)有產(chǎn)生明顯的內(nèi)沖現(xiàn)象。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)沒(méi)有產(chǎn)生大的爆破震動(dòng)和飛石，在爆破完畢后對(duì)邊墻拱頂?shù)幕炷烈r砌進(jìn)行檢查，并未發(fā)現(xiàn)裂縫出現(xiàn)，更沒(méi)有產(chǎn)生松動(dòng)和掉塊現(xiàn)象，周圍的圍巖也比較穩(wěn)定，說(shuō)明爆破施工本身對(duì)周圍巖體的影響較小，基本沒(méi)有造成破壞。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，本文的爆破試驗(yàn)方案是可行的，可以用于后續(xù)的泄洪洞底板爆破施工作業(yè)。