R水電站溢洪道預(yù)裂爆破開挖控制探討

何水強(qiáng)

(江西省建洪工程監(jiān)理咨詢有限公司，江西 南昌 330000)

1 工程背景

R水電站發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量為80MW，主要由渠首(包括左岸非溢流壩、溢流壩、取水口)、引水隧道、進(jìn)水室、壓力鋼管、發(fā)電廠房和尾水渠等項(xiàng)目組成。水電站所在流域氣候類型呈現(xiàn)出急劇變化的趨勢(shì)特征，在年內(nèi)的兩個(gè)雨季期間，時(shí)間較長(zhǎng)的東南季風(fēng)帶來(lái)的降水期為2-5月，而時(shí)間較短的東北季風(fēng)帶來(lái)的降水期為10-12月，且降水通常呈片狀分布，有些地方甚至無(wú)降水。流域內(nèi)H瀑布集水區(qū)面積30700km2，徑流系數(shù)0.23，涉及洪水位(20a一遇)1321.0m，流量為636m3/s。

水電站壩址基巖主要為夾石英片巖和大理石巖互層的千枚巖，巖性變化明顯。石英片巖質(zhì)硬且致密，具備較強(qiáng)的抗風(fēng)化能力，而千枚巖質(zhì)軟并呈夾泥碎塊狀。溢洪道預(yù)裂爆破開挖所產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)影響閘首、圍堰及新澆筑混凝土的安全，為此必須在預(yù)裂爆破開挖前進(jìn)行爆破試驗(yàn)，并加強(qiáng)爆破參數(shù)的合理選擇，以保證施工安全和爆破開挖施工質(zhì)量。

2 預(yù)裂爆破開挖方案

2.1 施工方案

有壓段預(yù)裂爆破開挖斷面直徑16.5-17.1m，并劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)開挖層，層高分別為9.0m、4.5-5.1m、3.0m，具體見圖1。Ⅰ層開挖先進(jìn)行9.0m*9.0m中導(dǎo)洞開挖，再兩側(cè)擴(kuò)挖，并保證兩側(cè)擴(kuò)挖滯后于中導(dǎo)洞開挖20-30m。待完成上層開挖支護(hù)后隨進(jìn)行Ⅱ?qū)娱_挖，先開挖中部抽槽，按照30-40m的滯后距離開挖兩側(cè)保護(hù)層，最后開挖底板保護(hù)層。

圖1 有壓段預(yù)裂爆破開挖分層設(shè)計(jì)

無(wú)壓段預(yù)裂爆破設(shè)計(jì)開挖斷面尺寸為15.6×20.6m-17.0×22.0m，并劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)開挖層，層高分別為9.0m、9.1-10.5m、2.5m，具體見圖2。Ⅰ層采用與有壓段相同的開挖方式，Ⅱ?qū)觿t進(jìn)行直墻預(yù)裂爆破，最后開挖底板保護(hù)層。

龍落尾段斜井段設(shè)計(jì)開挖坡度22°，一次開挖到位存在較大難度，為此分兩個(gè)斜井段進(jìn)行開挖施工。完成上平段底板、下平段上中導(dǎo)洞、中部施工支洞開挖后采用100B鉆機(jī)一次鉆孔、多次爆破方式開挖溜渣斜井，完成后自上至下擴(kuò)挖并支護(hù)。

圖2 無(wú)壓段預(yù)裂爆破開挖分層設(shè)計(jì)

2.2 主要施工方法

在進(jìn)行上層開挖時(shí)，先開挖中導(dǎo)洞后跟進(jìn)擴(kuò)挖，并采用自制臺(tái)車手風(fēng)鉆鉆孔，中導(dǎo)洞楔形掏槽，起爆采用乳化炸藥非電毫秒雷管聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行，引爆采用安全磁電雷管。一般地質(zhì)段采用3.0m的爆破循環(huán)進(jìn)尺，不良地質(zhì)段則采用2.0m循環(huán)進(jìn)尺。

有壓段中層開挖先挖出先鋒槽，再挖出兩側(cè)保護(hù)層，乳化炸藥裝藥并由非電毫秒雷管聯(lián)網(wǎng)起爆，出渣通過(guò)反鏟和20t自卸車聯(lián)合完成。

無(wú)壓段中層開挖通過(guò)直立邊墻預(yù)裂爆破方式，在梯段開挖底部留出2.5m保護(hù)層，搭設(shè)預(yù)裂鉆孔樣架，乳化炸藥裝藥并由非電毫秒雷管聯(lián)網(wǎng)起爆，單響藥量應(yīng)控制在100kg以內(nèi)，綜合爆破單耗不超出0.7kg/m3，起爆雷管選用安全磁電雷管。

3 爆破試驗(yàn)

預(yù)裂爆破試驗(yàn)的目的主要在于了解爆破震波的傳播及衰減規(guī)律以及周圍建筑對(duì)爆破振動(dòng)的動(dòng)力響應(yīng)，進(jìn)行爆破炸藥用量的確定，安全距離的校核及爆破參數(shù)優(yōu)化。預(yù)裂爆破試驗(yàn)場(chǎng)地選擇在與該水電站壩址相距3.5km處的地質(zhì)條件基本相同的原溢洪道，并實(shí)施多排深孔梯段式爆破。設(shè)計(jì)孔徑90mm，孔距3.0m，排距2.5m，孔深6.5m，孔斜傾角75°，使用2#巖石硝銨炸藥，單孔裝藥量10.5kg，炸藥耗用量0.25kg/m3，單響藥量最大值分別為42.8kg和53.5kg。

3.1 測(cè)點(diǎn)布置

在預(yù)裂爆破開挖試驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行巖體質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，并以振速為結(jié)構(gòu)物安全程度的判斷依據(jù)。5個(gè)測(cè)點(diǎn)中測(cè)點(diǎn)1、2設(shè)置在爆破源附近的地面巖石處，測(cè)點(diǎn)3、4、5分別設(shè)置在原溢洪道下游導(dǎo)墻頂端、溢洪閘門槽混凝土底板及邊墩頂部。測(cè)點(diǎn)1-4高程基本與爆破源一致，且測(cè)點(diǎn)4、5平面投影坐標(biāo)均為16m。在每個(gè)測(cè)點(diǎn)垂直向和水平向2個(gè)質(zhì)點(diǎn)布置自振頻率4.5Hz，頻率響應(yīng)范圍5-100Hz，記錄器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)為32通道模數(shù)的電磁式振速傳感器。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

預(yù)裂爆破試驗(yàn)過(guò)程中所得出的不同單響藥量情況下測(cè)振結(jié)果詳見表1。由表中試驗(yàn)結(jié)果可以看出，單響藥量最大值42.8kg時(shí)與爆破源距離小，但是其水平振速和垂直振速均比單響藥量最大值53.5kg大，僅考慮對(duì)周圍建筑物的影響，應(yīng)選擇單響藥量最大值為42.8kg的爆破方案。

表1 單響藥量最大值的振速測(cè)定結(jié)果

3.2.1 地震波傳播衰減規(guī)律

所檢測(cè)到的波形水平振速比鉛垂向振速大，表明體波在波形中占比較大。體波比面波衰減速度快，隨著傳播距離的增大，振速衰減更快，對(duì)周圍結(jié)構(gòu)物的影響也更小。預(yù)裂爆破所產(chǎn)生的振動(dòng)屬于隨機(jī)性過(guò)程，振幅與振動(dòng)周期均為受試驗(yàn)條件、時(shí)間、空間影響的隱函數(shù)，對(duì)試爆破過(guò)程所觀測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，便可得出基于現(xiàn)場(chǎng)爆破條件的地震波傳遞函數(shù)，表示如下：

v水平=484(Q1/3/R)2.05

(1)

v鉛垂=210(Q1/3/R)2.0

(2)

式中：v水平為地震波水平向傳播速度，cm/s；v鉛垂為地震波鉛垂向傳播速度，cm/s；Q為地震波品質(zhì)因數(shù)；R為預(yù)裂爆破振動(dòng)影響半徑，m。

由式(1)和(2)可知，地震波水平向傳播和鉛垂向傳播衰減指數(shù)均在2.0以上，再加上千枚巖風(fēng)化程度嚴(yán)重，裂隙發(fā)育，所以內(nèi)摩擦系數(shù)較??；巖層走向與溢洪道軸線向平行，導(dǎo)致地震波在節(jié)理和裂隙面發(fā)生多次反射和透射，能量衰減速度快，十分有利于周圍建筑物抗震。試驗(yàn)顯示的周圍構(gòu)筑物允許振速5.0cm/s時(shí)，爆源距離30m對(duì)應(yīng)的單響藥量最大值為30kg，而爆源距離50m對(duì)應(yīng)的單響藥量最大值150kg。

3.2.2 振頻變化規(guī)律

預(yù)裂爆破地震波會(huì)在不同地質(zhì)構(gòu)造界面形成不同的反射、繞射和透射，甚至?xí)蛉肷浣嵌忍厥舛l(fā)生波形轉(zhuǎn)換及波系疊加作用，試驗(yàn)所記錄的地震波為不同頻率、不同幅值及不同相位波形疊加的結(jié)果。R水電站預(yù)裂爆破試驗(yàn)隨機(jī)震動(dòng)過(guò)程中引起建筑場(chǎng)地振動(dòng)最顯著的地震波的振動(dòng)頻率見表2。根據(jù)表中試驗(yàn)結(jié)果，隨著預(yù)裂爆破試驗(yàn)振動(dòng)波傳播距離的增大，其在巖土介質(zhì)高頻率濾波的作用下，振頻呈持續(xù)降低趨勢(shì)，且在150m以內(nèi)高出建筑物自振頻率，不會(huì)引發(fā)結(jié)構(gòu)物共振，結(jié)構(gòu)物也表現(xiàn)出較小的動(dòng)力反應(yīng)。振動(dòng)強(qiáng)度相同的條件下，振頻越高，則越有利于預(yù)裂爆破周圍結(jié)構(gòu)物的安全，結(jié)構(gòu)物抗振荷載能力也越強(qiáng)。

表2 引起建筑場(chǎng)地振動(dòng)最顯著的地震波的振頻

3.2.3 起爆時(shí)差

預(yù)裂爆破毫秒微差爆破減震效果主要受裝藥量、炮孔間距和排距、起爆時(shí)差、巖體屬性等影響較大，當(dāng)上述參數(shù)較為匹配時(shí)，振動(dòng)影響可控。R水電站預(yù)裂爆破試驗(yàn)實(shí)測(cè)振頻15-30Hz，振動(dòng)半周期為17-33ms，若通過(guò)微差順序起爆，則應(yīng)使用雷管系列第二段25ms時(shí)差才不至于造成振峰疊加；若時(shí)差為50ms，則效果更佳，但是會(huì)導(dǎo)致總起爆延時(shí)，并增大飛石破壞網(wǎng)路的可能。所以，應(yīng)綜合考慮上述可能的影響因素，加強(qiáng)防護(hù)，并采用多層膠布裹好雷管末端，防止金屬飛片飛濺，同時(shí)加強(qiáng)覆蓋，避免出現(xiàn)盲炮。

3.2.4 結(jié)構(gòu)物動(dòng)力放大

原溢洪道及閘室在預(yù)裂爆破振動(dòng)的影響下會(huì)發(fā)生動(dòng)力響應(yīng)，為進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)分析，還應(yīng)在閘墩頂板和底板處相同水平面坐標(biāo)下設(shè)置測(cè)點(diǎn)，實(shí)測(cè)水平向和鉛垂向放大倍數(shù)分別為2.15和2.36。按照我國(guó)GB51247-2018水工建筑物抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，地震影響后的混凝土閘墩動(dòng)力放大系數(shù)允許值應(yīng)為2-3[1]，所以試驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求，閘墩運(yùn)行狀態(tài)正常。然而，預(yù)裂爆破振頻隨與爆源距離的增大逐漸減弱，但閘墩放大倍數(shù)卻呈增大趨勢(shì)，水平向從1.1增加至2.15，鉛垂向則從1.24增大至2.36，所以，預(yù)裂爆破施工過(guò)程中的低頻振動(dòng)對(duì)周圍結(jié)構(gòu)物存在較大影響。

3.3 安全判據(jù)及控制

在全面考慮爆源類型、裝藥結(jié)構(gòu)、地形地質(zhì)、結(jié)構(gòu)物性質(zhì)、建筑材料、受力狀況、使用年限、振害的嚴(yán)重程度等的基礎(chǔ)上進(jìn)行R水電站溢洪道預(yù)裂爆破施工安全判據(jù)及控制標(biāo)準(zhǔn)的確定。按照我國(guó)爆破安全規(guī)程，混凝土框架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)允許的振速為5cm/s，混凝土結(jié)構(gòu)物爆破開挖方案基本根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]。R水電站溢洪道水工建筑物基礎(chǔ)尺寸均較大，爆破振頻設(shè)定為30Hz時(shí)振動(dòng)波長(zhǎng)僅為數(shù)十米，且建筑物基礎(chǔ)空間內(nèi)存在振動(dòng)相位差，振向相反，這便導(dǎo)致建筑物對(duì)基礎(chǔ)振動(dòng)反應(yīng)程度的減小，抵抗沖擊能力的增大。R水電站位于Ⅵ度地震區(qū)域內(nèi)，其水工建筑物能承受按照天然地震標(biāo)準(zhǔn)衡量的5-9cm/s的振動(dòng)速度，由于預(yù)裂爆破振頻較高且持續(xù)時(shí)間比天然地震短，所以按照這一標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行時(shí)，存在一定的安全儲(chǔ)備，溢洪道等水工建筑物較安全。

4 結(jié) 論

對(duì)R水電站溢洪道預(yù)裂爆破開挖測(cè)振試驗(yàn)結(jié)果表明，地震波傳遞衰減指數(shù)至少為2.0，且主要受工程現(xiàn)場(chǎng)千枚巖風(fēng)化程度及裂隙發(fā)育的較大影響。巖土介質(zhì)所具有的高頻濾波作用會(huì)使振頻不斷降低，且不會(huì)引起周圍建筑物的共振及地震波的峰峰疊加。R水電站溢洪道開挖過(guò)程模擬試驗(yàn)結(jié)果還表明，預(yù)裂爆破開挖振速為18cm/s時(shí)壩體出現(xiàn)裂紋，按照三倍安全系數(shù)在6cm/s振速下施工，工程完工后運(yùn)行過(guò)程中并未出現(xiàn)任何病害。工程實(shí)踐表明，按照此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行預(yù)裂爆破過(guò)程控制對(duì)于類似工程溢洪道開挖施工切實(shí)可行。