南公1水電站溢洪道保護層開挖孔底消能-聚能結(jié)構(gòu)優(yōu)選研究*

陳育權(quán)，劉廣鑫，柯昌佳，盧文波，劉志鵬，趙 棟，陳 明

(1.中國水利電力對外有限公司，北京 100120; 2.武漢大學(xué) a.水資源與工程科學(xué)國家重點實驗室；b.水工巖石力學(xué)教育部重點實驗室，武漢 430072)

在水利水電、礦山和交通等工程建設(shè)中，均會面臨大量的巖石基礎(chǔ)開挖問題。鉆孔爆破作為一種經(jīng)濟高效的開挖手段，一直以來被廣泛應(yīng)用。但是在完成爆破破巖的同時，會產(chǎn)生一些諸如爆破振動和爆破損傷等負面效應(yīng)，爆破損傷區(qū)內(nèi)巖體的物理參數(shù)及承載能力均表現(xiàn)為一定程度的劣化，若處理不當將會影響工程的運行安全。因此，開挖損傷區(qū)的形成與控制一直以來都是巖石動力學(xué)的研究熱點之一[1-4]。為了減小爆破擾動對保留巖體的損傷破壞，臨近基礎(chǔ)面采用預(yù)留保護層的開挖方式[5]，保護層的厚度通常為2～6 m。

經(jīng)過長期的開挖實踐，我國發(fā)展了一系列的保護層控制爆破技術(shù)[6]，主要包括：分層開挖法[7]、水平預(yù)裂法[8]、水平光面爆破法和孔底設(shè)柔性墊層的小梯段一次爆除法[9,10]。但是傳統(tǒng)的分層開挖，層層“剝皮”法施工效率很低，不能滿足開挖工期的正常需求；水平預(yù)裂和水平光爆，開挖整體效果較好，但是需要鉆設(shè)水平孔，施工效率低下，同時往往會由于架鉆的需要引起40 cm以上的超挖；孔底設(shè)柔性墊層的小梯段孔間順序起爆法，由于柔性墊層材料對爆炸沖擊波的緩沖作用有限，孔底損傷依然較大，開挖出的建基面起伏差較大，從而導(dǎo)致人工撬挖量較大。隨著工程建設(shè)的不斷推進，傳統(tǒng)的保護層開挖方法已經(jīng)無法滿足快速高效的施工目的。因此，眾多學(xué)者也對諸多新型開挖技術(shù)展開了研究。宗琦應(yīng)用斷裂力學(xué)理論提出了切槽爆破技術(shù)，并將其應(yīng)用于光面爆破并獲得了良好的成縫效果[11]；秦健飛等將具有聚能效果的雙聚能槽藥柱用于壩基預(yù)裂爆破開挖[12]；趙根等結(jié)合三峽水電站的壩基開挖，提出了切割型和射孔型兩種不同的環(huán)向聚能藥包爆破技術(shù)[13]。但由于施工效率和開挖效果的限制，以上新型技術(shù)也未得到推廣應(yīng)用。

近年來盧文波等結(jié)合白鶴灘水電站壩基開挖[14-16]，提出了一種在孔底增設(shè)高波阻抗墊塊和松砂緩沖層的消能-聚能聯(lián)合控制爆破技術(shù)，成功地解決了白鶴灘水電站壩基快速高效的開挖難題，并成功推廣應(yīng)用于舟山綠色石化基地和深圳赤灣地鐵項目中[17,18]。由于不同的巖石地質(zhì)條件對消能-聚能結(jié)構(gòu)具有不同的適應(yīng)性，針對不同的開挖條件，需要尋求最優(yōu)的消能-聚能結(jié)構(gòu)，以便進一步簡化施工工藝和獲得良好的開挖成型質(zhì)量，因此有必要研究消能-聚能結(jié)構(gòu)形式對開挖效果的影響。結(jié)合老撾南公1水電站溢洪道保護層的爆破開挖，在現(xiàn)場開展了相關(guān)對比試驗，重點研究了不同消能-聚能結(jié)構(gòu)的開挖效果，并對消能-聚能結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)選，同時在溢洪道一級消力池的保護層開挖中應(yīng)用了消能-聚能聯(lián)合控制爆破技術(shù)，獲得了良好的開挖效果。

1 工程背景

南公1水電站位于老撾南部的阿速坡省內(nèi)的南公河上，為老撾、越南、柬埔寨三個國家的交界區(qū)域。壩址距省城阿速坡公路里程約53 km，距萬象約958 km，距越南峴港約464 km，距泰國曼谷約1167 km。南公1水電站工程等別為二等大(2)型，主要任務(wù)是發(fā)電，兼顧防洪、灌溉、交通、旅游、促進當?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展。工程由首部樞紐及引水發(fā)電系統(tǒng)組成，其中首部樞紐包括面板堆石壩、左岸溢洪道、左岸導(dǎo)流隧洞和右岸電站進水口。首部樞紐的溢洪道布置于大壩左岸，主要由引渠段、閘室段和泄槽段(共設(shè)三級消力池)等三部分組成，首部樞紐布置如圖1(a)所示。溢洪道的總開挖長度為800 m，開挖寬度為140 m，保護層的開挖區(qū)域主要集中在引渠段和泄槽段,如圖1(b)，其中引渠段的開挖面積達15 000 m2，泄槽段的開挖面積達20 000 m2。保護層開挖具有開挖面積大、開挖工期緊的特點，同時溢洪道的設(shè)計泄洪流量為8000 m3/s，采用無混凝土襯砌的結(jié)構(gòu)形式，后期泄洪運行時要承擔(dān)巨大的水壓力，其開挖質(zhì)量的重要性不言而喻。采用傳統(tǒng)的保護層開挖方法已無法滿足其快速高效施工的需求，急需尋求一種新型的保護層開挖方案。

溢洪道位于壩址左岸山脊，地形較緩、地形坡度20°～30°，地表第四系覆蓋層主要為坡積層，下伏基巖巖性單一、為中～下三疊統(tǒng)(T1-2)流紋巖。溢洪道開挖區(qū)域的流紋巖濕抗壓強度為52.5～126.2 MPa，平均為106.2 MPa，軟化系數(shù)為0.62～0.94，平均為0.82，屬于典型的硬質(zhì)巖。

2 不同消能-聚能結(jié)構(gòu)對比

以往在現(xiàn)場施工布置消能-聚能結(jié)構(gòu)時，高波阻抗鐵球需要從廠家定做，同時鐵球直徑存在與炮孔直徑的匹配系數(shù)問題，進而將會影響巖石基礎(chǔ)的開挖成型效果。與鐵球不同的是，鐵精粉具有顆粒狀結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，同樣兼具高波阻抗特征，對不同直徑的炮孔適應(yīng)能力強、現(xiàn)場施工簡便。為考慮鐵球直徑與孔徑匹配系數(shù)問題，本文結(jié)合老撾南公1水電站溢洪道保護層爆破開挖，進行了鐵精粉全耦合對比試驗。圖2表示了鐵球消能-聚能結(jié)構(gòu)和鐵精粉消能-聚能結(jié)構(gòu)作用下炮孔內(nèi)部應(yīng)力波詳細的透反射過程。

由圖2可知，當炮孔內(nèi)的炸藥起爆后，爆炸引發(fā)的爆炸沖擊波在接觸面A上將發(fā)生反射和透射，“鐵精粉+松砂墊層”的消能-聚能結(jié)構(gòu)與“鐵球+松砂墊層”的消能-聚能結(jié)構(gòu)的不同點在于：在接觸面A處，鐵球可以向側(cè)向反射爆炸應(yīng)力波，由于鐵球的波阻抗大于爆生氣體，因此反射的應(yīng)力波為加載波，此反射波能夠幫助破碎側(cè)向巖體；鐵精粉僅能夠在垂直方向反射應(yīng)力波，但鐵精粉為散粒體結(jié)構(gòu)，在應(yīng)力波作用下可以更大程度地緩沖變形，消耗爆炸能量，更好地保護孔底巖體。

3 應(yīng)用效果分析

3.1 引渠段消能-聚能聯(lián)合控制爆破試驗

(1)試驗方案

為研究不同消能-聚能結(jié)構(gòu)對巖石基礎(chǔ)面開挖效果的影響，結(jié)合溢洪道爆破開挖，在引渠段開展了相應(yīng)的現(xiàn)場試驗。整個試驗區(qū)共布置16排炮孔，炮孔孔內(nèi)分別設(shè)置MS1、MS3、MS5、MS7、MS9、MS11非電導(dǎo)爆管雷管、孔間無延時，2～3排一響，采用電雷管起爆。本次試驗大部分炮孔直徑為120 mm，僅少部分炮孔直徑為90 mm，考慮實際保護層厚度為2～5 m并參考以往消能-聚能爆破試驗參數(shù)，本次試驗中直徑為90 mm的爆區(qū)采用2.2 m×2.0 m的間排距、直徑為120 mm的爆區(qū)采用2.5 m×2.0 m的間排距，同時由于鐵球存在與孔徑匹配系數(shù)的問題，因此采用LS-DYNA顯式動力分析軟件進行了相應(yīng)的數(shù)值模擬研究，數(shù)值試驗結(jié)果表明鐵球直徑越大、水平聚能效果越好，但當鐵球直徑增大到一定程度時，水平聚能效果提升有限，考慮施工可操作性，為了防止卡孔，現(xiàn)場試驗時選擇了80 mm和100 mm直徑的鐵球，試驗具體的鉆爆參數(shù)見表1，爆破方案如圖3。

表1 鉆爆參數(shù)統(tǒng)計表Table 1 Statistics of drilling and blasting parameters

(2)試驗結(jié)果

在試驗結(jié)束后，將孔深范圍分布相近的鐵精粉爆區(qū)底板和與其相接的鐵球爆區(qū)底板表面浮渣清理干凈(孔深主要分布在1.0～1.5 m)，得到鐵精粉爆區(qū)和鐵球爆區(qū)的底板開挖效果如圖4所示。由圖4可知，鐵精粉爆區(qū)底板起伏不平、起伏差較大，而鐵球爆區(qū)底板則較為平整、起伏差較小。

爆堆清理干凈后，采用RTK測量爆后試驗區(qū)底板的高程，每隔40～50 cm布置一個測點，起伏差較大處加密測量。根據(jù)測量數(shù)據(jù)，利用CIVIL-3D建模軟件，建立爆破試驗區(qū)底板平整度三維模型，圖5為根據(jù)測量的坐標所得到的試驗區(qū)底板三維圖。圖6為以300.0 m的設(shè)計高程為基線，由圖5所得到的試驗區(qū)底板典型剖面圖。

根據(jù)RTK測量的底板監(jiān)測點高程數(shù)據(jù)，分別統(tǒng)計了鐵精粉爆區(qū)和鐵球爆區(qū)底板對應(yīng)的超欠挖數(shù)據(jù)，見表2。

表2 試驗區(qū)底板超欠挖實測數(shù)據(jù)Table 2 Measured data of over-under break of floor in the experiment area

由圖5～圖6、表2可知，鐵精粉爆區(qū)底板較鐵球爆區(qū)底板超挖嚴重，而鐵球爆區(qū)由于其左側(cè)為溢洪道引渠段邊墻，該區(qū)域受夾制作用導(dǎo)致底板欠挖較大，鐵球爆區(qū)底板其它部位欠挖則明顯小于鐵精粉爆區(qū)。鐵精粉爆區(qū)底板平整度較差、起伏差明顯，較大面積底板巖體沿緩傾結(jié)構(gòu)面剝離形成若干淺坑；鐵球底板則整體較為平整，僅局部存在較小面積沿緩傾結(jié)構(gòu)面形成的淺坑。

試驗區(qū)底板清理完成后，在兩塊試驗區(qū)各找到4處殘孔，如圖7所示，各區(qū)殘孔破壞形態(tài)存在明顯差異：鐵球試驗區(qū)殘孔存在明顯的破碎帶及拉裂帶(如圖8)，殘孔深度10～20 cm，殘孔集中出現(xiàn)在第一排靠近邊坡處；而鐵精粉試驗區(qū)殘孔孔壁基本保留，未出現(xiàn)擴孔及破碎區(qū)(如圖9)，殘孔深度10～20 cm，殘孔底部基本保持原狀，說明與鐵球方案相比，鐵精粉方案對底部巖體有很好的保護作用。

3.2 一級消力池保護層開挖推廣應(yīng)用效果

通過在溢洪道引渠段開展不同消能-聚能結(jié)構(gòu)的對比試驗，結(jié)合試驗效果，分別從孔底保護效果、試驗區(qū)底板超欠控制效果以及現(xiàn)場施工便捷性對“鐵球+松砂墊層”和“鐵精粉+松砂墊層”兩種開挖方案進行了對比，對比情況見表3。

表3 不同消能-聚能結(jié)構(gòu)對比統(tǒng)計表Table 3 Comparison of different energy dissipation-accumulation structures

根據(jù)表3中的對比情況，現(xiàn)場優(yōu)選采用“鐵球+松砂墊層”消能-聚能結(jié)構(gòu)的保護層開挖方案，并確定了相應(yīng)的消能-聚能聯(lián)合控制爆破參數(shù)(保護層厚度2～5 m，炮孔直徑120 mm，鐵球直徑100 mm，間排距2.5 m×2.0 m)。依據(jù)此開挖方案及參數(shù)，在一級消力池保護層開挖中對消能-聚能聯(lián)合控制爆破技術(shù)進行了推廣應(yīng)用。完成一級消力池保護層爆破開挖后，對表面的浮渣進行了清理，得到底板開挖成型宏觀效果如圖10所示。

由圖10可知，一級消力池底板整體上較為平整，起伏差較小，局部區(qū)域出現(xiàn)了殘留凸起巖埂和淺坑，超欠挖較大的局域主要是由于節(jié)理面的存在引起的?？傮w而言，底板基本達到了預(yù)期要求，開挖效果良好，排除不良地質(zhì)因素、超挖區(qū)域可控，欠挖部分后期可采用液壓破碎錘鑿除。

現(xiàn)場清渣完畢后，采用RTK測量了底板的高程，圖11為根據(jù)RTK測量的高程坐標所得到的開挖效果圖。圖12為以282.0 m高程為基線，由圖11所得到的底板剖面圖。

根據(jù)現(xiàn)場RTK所測底板高程數(shù)據(jù)，將底板超欠挖結(jié)果統(tǒng)計如表4。

由圖11～圖12、表4可知，一級消力池底板整體呈現(xiàn)為超挖狀態(tài)，超挖深度主要分布在0～30 cm之間，超挖面積占比較大(約為60%)，平均超挖深度為24 cm；欠挖深度主要分布在+30 cm～0之間，欠挖面積占比較小(約為20%)，平均欠挖深度約為11.0 cm。南公1水電站招標文件中明確了建基面的超欠挖控制要求為：對于微風(fēng)化、弱風(fēng)化下部堅硬的巖體，建筑物以外的基礎(chǔ)：超挖≤30 cm，欠挖≤30 cm；建筑物范圍內(nèi)的基礎(chǔ)：超挖≤20 cm，欠挖≤10 cm。以此作為評價標準可知，一級消力池底板超欠挖深度主要分布在+30～-30 cm以內(nèi)(占比79.33%)，底板高程基本控制在設(shè)計高程EL.282.0 m附近，說明底板開挖成型效果良好，滿足設(shè)計要求。

表4 一級消力池底板超欠挖各范圍占比及均值統(tǒng)計Table 4 Proportion and mean value of over-under break range of the first stilling basin floor

為研究球形消能-聚能結(jié)構(gòu)對孔底損傷的控制效果，結(jié)合溢洪道的生產(chǎn)性爆破，現(xiàn)場開展了有無消能-聚能結(jié)構(gòu)的對比試驗，對比試驗結(jié)果表明：常規(guī)裝藥區(qū)孔底損傷深度為1.46 m，鐵球消能-聚能結(jié)構(gòu)試驗區(qū)孔底損傷深度為1.28 m，由此可見，采用消能-聚能聯(lián)合控制爆破技術(shù)可以控制爆破作用對基礎(chǔ)的損傷破壞深度，使損傷深度減小近15%。同時，在爆區(qū)清渣完成后對一級消力池底部巖體也進行了超聲波損傷檢測，監(jiān)測結(jié)果顯示：基礎(chǔ)巖體的平均損傷深度為1.3 m，基礎(chǔ)巖體未見明顯的拉裂和損傷破壞現(xiàn)象，說明一級消力池基礎(chǔ)巖體損傷控制效果良好。

4 結(jié)論

基于南公1水電站溢洪道引渠段消能-聚能聯(lián)合控制爆破試驗，研究了不同消能-聚能結(jié)構(gòu)對開挖效果的影響，并對孔底消能-聚能結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)選，得到的結(jié)論如下：

(1)鐵球可以向側(cè)向反射應(yīng)力波，有利于增強相鄰炮孔間的巖體破碎，相比于“鐵精粉+松砂墊層”的消能-聚能結(jié)構(gòu)，“鐵球+松砂墊層”的消能-聚能結(jié)構(gòu)能夠獲得更加平整的基礎(chǔ)面。

(2)鐵精粉為散粒體結(jié)構(gòu)，在爆炸應(yīng)力波作用下可以進一步地緩沖變形，相比于“鐵球+松砂墊層”的消能-聚能結(jié)構(gòu)，“鐵精粉+松砂墊層”的消能-聚能結(jié)構(gòu)能夠更有效地消耗傳遞到孔底的爆炸能量，更好地保護孔底巖體。

(3)綜合不同對比指標，現(xiàn)場優(yōu)選“鐵球+松砂墊層”的消能-聚能結(jié)構(gòu)，并在一級消力池的保護層開挖中推廣應(yīng)用了消能-聚能聯(lián)合控制爆破技術(shù)，取得了良好的開挖成型和損傷控制效果。