壩肩槽邊坡保護層開挖爆破孔三維自動布置研究*

趙逢澤，鄭 祥，陳 明，丁 釔，盧文波，葉志偉

(1.武漢大學(xué)水 資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武漢 430072；2.中國水利水電第七工程局，成都 610000)

在水電站建設(shè)過程中，壩肩槽邊坡的開挖質(zhì)量對于水利工程后續(xù)的安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要。通常在預(yù)留一定保護層的基礎(chǔ)上，采用輪廓爆破技術(shù)控制壩肩槽邊坡的開挖質(zhì)量。壩肩槽邊坡保護層多輪廓、多傾角、高開挖質(zhì)量要求的特點往往會給爆破設(shè)計帶來困難，完全依靠工程技術(shù)人員完成炮孔布置，不僅效率緩慢，而且在輪廓比較復(fù)雜的情況難以提出合理的炮孔布置方案。因此，研究壩肩槽邊坡保護層炮孔自動布置方法，對實現(xiàn)水利工程的安全高效施工具有重要的意義。

隨著計算機技術(shù)以及新型爆破器材的飛速發(fā)展，爆破行業(yè)的數(shù)字化、智能化正在逐步成為現(xiàn)實[1]。在臺階爆破設(shè)計系統(tǒng)方面，D E SCHECK等人研制的露天礦爆破設(shè)計系統(tǒng)，能夠根據(jù)理論和經(jīng)驗公式自動進行爆破參數(shù)計算[2]。趙明生等人開發(fā)的露天臺階爆破智能設(shè)計軟件采用Voronoi理論實現(xiàn)了炮孔的自動布置[3]。劉益超等人基于Floyd算法開發(fā)的中深孔爆破炮孔優(yōu)化設(shè)計模塊實現(xiàn)了中深孔臺階爆破炮孔布置的快速繪制[4]。劉超等人基于Visual Lisp和VBA開發(fā)的爆破輔助設(shè)計系統(tǒng)，大大提高了爆破設(shè)計的時間[5]。在隧洞爆破設(shè)計系統(tǒng)方面，曹洪洋等人開發(fā)的巖巷掘進爆破專家系統(tǒng)能夠自動進行巷道爆破圖表的自動繪制[6]。張繼春等人開發(fā)的隧道爆破設(shè)計系統(tǒng)實現(xiàn)了掌子面上炮孔自適應(yīng)布置[7]。凌天龍等人利用C#語言結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的煤礦巷道爆破設(shè)計系統(tǒng)，在現(xiàn)場實驗中取得了較好的效果[8]。郭進平等人基于Dijkstra算法建立了隧道爆破炮孔布置優(yōu)化設(shè)計模型，并實現(xiàn)設(shè)計程序的開發(fā)，提高了爆破設(shè)計的質(zhì)量[9]。專家系統(tǒng)方面，DonaldE Scheck對爆破專家系統(tǒng)進行擴展，并利用Lisp實現(xiàn)了爆破專家系統(tǒng)的開發(fā)[10]。鄭爽英等人對臺階爆破設(shè)計專家系統(tǒng)的組成進行研究提出了炮孔自適應(yīng)布置的推理機制[11]。張繼春等人結(jié)合人工智能的方法建立的臺階爆破專家系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)爆破參數(shù)的計算、炮孔的自適應(yīng)布置并能對爆破效應(yīng)進行預(yù)測[12]。眾多研究人員[13,14,15]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能化算法對爆破塊度、振動等爆破效應(yīng)進行預(yù)測，為爆破參數(shù)的智能化優(yōu)化設(shè)計提供了參考。

總之，目前礦山開采、隧洞開挖等工程建設(shè)領(lǐng)域中的炮孔自動布置的研究成果較多，對水電工程建設(shè)領(lǐng)域中的炮孔自動布置研究較少，且大多為二維炮孔布置，并不適用于明顯具有三維特性且情況復(fù)雜的壩肩槽邊坡保護層的炮孔布置工作。需針對壩肩槽邊坡保護層開挖爆破孔的三維自動布置，開展更加深入細致的研究工作。

通過對爆區(qū)頂部及底部的輪廓線和控制點進行標識，確定側(cè)面開挖輪廓，根據(jù)輪廓孔布孔特點，在側(cè)面開挖輪廓上進行輪廓孔布置，結(jié)合現(xiàn)有的二維炮孔布置方法，考慮保護層的輪廓的特點，采用偏移輪廓線的方式處理保護層頂部及底部輪廓面上的二維布孔問題，將炮孔三維布置問題轉(zhuǎn)換為由爆區(qū)頂部、底部以及側(cè)面開挖輪廓組成的二維平面問題，提出了一種壩肩槽保護層三維布孔算法，并選擇C#語言開發(fā)了三維炮孔的自動布置系統(tǒng)，可為同類爆破炮孔布置提供技術(shù)支撐。

1 壩肩槽邊坡保護層爆破特點

1.1 水電站壩肩槽開挖特征

拱壩所承受的荷載大部分是通過拱結(jié)構(gòu)傳遞到兩岸的壩肩，若壩肩槽邊坡開挖質(zhì)量不佳，將會對拱壩整體的穩(wěn)定性造成很大的影響。水電站壩肩槽邊坡的開挖一般遵循“自上而下、分層開挖”的程序，為了有效地降低邊坡所受到的爆破損傷，保證保留巖體的完整，性往往會在開挖過程中預(yù)留一定的保護層。壩肩槽邊坡保護層爆破設(shè)計的難度較大，一方面是因為保護層輪廓數(shù)目較多且頂部以及底部的輪廓線數(shù)目可能不一致，另一方面則是由于輪廓的組成復(fù)雜使得開挖質(zhì)量的要求可能不同。如圖1所示為葉巴灘水電站壩肩槽邊坡開挖示意圖。

1.2 保護層開挖爆破孔布置特點

通常情況下邊坡保護層爆區(qū)是由保留巖體的輪廓(永久輪廓)以及自由面邊界組成。壩肩槽保護層一般采用輪廓爆破(預(yù)裂爆破或光面爆破)技術(shù)進行爆破開挖，由此需要布置主爆孔、緩沖孔以及輪廓孔三類炮孔，輪廓孔有預(yù)裂孔和光爆孔。在炮孔布置時底部坐標無法落在底部輪廓面內(nèi)的炮孔稱為浮孔。炮孔布置時，應(yīng)至永久輪廓向自由面依次布置輪廓孔、緩沖孔及主爆孔，且由于保護層開挖質(zhì)量的要求輪廓孔必須嚴格沿著永久輪廓布置。

2 邊坡保護層爆破孔三維自動布置算法

炮孔的三維布置可以看作是在頂部和底部輪廓上分別進行炮孔的布置，并協(xié)調(diào)每排炮孔的數(shù)目和位置達到相應(yīng)要求后，即可確定炮孔的頂部及底部坐標，從而實現(xiàn)炮孔的三維布置。基于該思路，提出的壩肩槽邊坡保護層開挖炮孔的三維自動布置算法包含爆破參數(shù)的初步計算、炮孔布置計算、爆破參數(shù)及炮孔布置優(yōu)化三個部分，如圖2所示。

圖 1 葉巴灘水電站壩肩槽邊坡開挖示意圖Fig. 1 Bam abutment groove excavating diagram of Yebatan Hydropower Station

圖 2 炮孔三維自動布置流程Fig. 2 Three-dimensional automatic arrangement process of blast holes

2.1 爆破參數(shù)初步計算

爆破參數(shù)初步計算主要根據(jù)工程經(jīng)驗確定，其中各類型炮孔孔距、排距以及堵塞段長度確定方法如表1所示。

表 1 爆破參數(shù)確定方法

炸藥單耗通過綜合考慮爆區(qū)工程地質(zhì)條件與爆破塊度、爆堆形態(tài)等條件確定；輪廓孔線裝藥密度采用經(jīng)驗數(shù)值[16]。臺階高度頂部及底部輪廓控制點坐標計算確定。

2.2 爆破孔炮孔布置計算

輪廓孔、緩沖孔以及主爆孔依次按照以下流程進行布置計算：

(1)獲取保護層爆區(qū)頂部以及底部輪廓控制點坐標，并對控制點進行編號，依據(jù)編號信息對輪廓線及輪廓控制點進行標識，標識類別如表2所示。

表 2 輪廓線及其控制點標識分類

(2)在由頂部永久輪廓以及底部永久輪廓或控制點組成的布孔平面內(nèi)完成輪廓孔的布置。布孔平面可分為三種情況，具體如表3所示。

表 3 輪廓孔布孔平面分類

在所有布孔平面內(nèi)完成輪廓孔布置后，將永久輪廓構(gòu)成的多段線按照排距進行偏移，與自由面邊界形成新的爆區(qū)，以進行下一排炮孔的布置，具體偏移計算方法如下(后文永久輪廓線均按該方法進行偏移)：

(1)

(3)在偏移后的輪廓線上布置緩沖孔。按照如圖3的流程完成每排的緩沖孔的布置。

圖 3 緩沖孔布置流程Fig. 3 Arrangement process of buffer blast hole

(4)在偏移后的輪廓線上布置主爆孔。完成緩沖孔布置后的爆區(qū)稱為主爆區(qū)，首先確定主爆孔布置的限制范圍用于浮孔的布置，該限制范圍是由頂部及底部的永久輪廓線構(gòu)成的曲面與自由臨空面邊界之間的范圍?？紤]爆區(qū)頂部及底部尺寸的差異，主爆孔的布置可分為三種情況，具體如表4所示。

表 4 主爆孔布置情況分類

2.3 爆破參數(shù)及炮孔布置優(yōu)化

完成炮孔的布置后需要判斷設(shè)計結(jié)果是否需要優(yōu)化，判別條件如式(2)所示。如若不滿足則調(diào)整炮孔堵塞段長度及孔排距后利用式(3)進行優(yōu)化計算；若滿足要求則無需進行優(yōu)化。式(2)中F(a,b;a′,b′,N,L,LD)為2.2節(jié)中第(4)步由主爆孔炮孔布置計算方法抽象出的函數(shù)，式中“；”后表示由函數(shù)確定的參數(shù)，“；”前表示函數(shù)計算需要的參數(shù)。

式(2)、(3)具體如下所示

(2)

(3)

式中:qs為設(shè)計單耗;V為爆區(qū)臺階體積；Q0為主爆孔平均單孔裝藥量，為Qa炮孔每米裝藥量；N為主爆孔總數(shù)；LY為主爆孔平均炮孔裝藥長度；L為主爆孔平均長度；LD為主爆孔堵塞段長度；LD′為調(diào)整后的平均堵塞段長度；Δq為允許的單耗誤差；Er為允許的單孔裝藥量百分比誤差；a、b為調(diào)整前的孔距、排距；a′、b′為調(diào)整后的孔距、排距。

3 三維自動布置的程序?qū)崿F(xiàn)

3.1 三維自動布置系統(tǒng)

C# WinForm是一種Windows應(yīng)用程序，在桌面應(yīng)用程序開發(fā)方面有非常大的優(yōu)勢，其中的GDI+接口具有強大的圖形繪制及處理功能。以Visual Studio為程序開發(fā)平臺，通過建立處理炮孔三維布置的三維計算模型并利用C# GDI+接口實現(xiàn)圖像的繪制及處理，完成了軟件程序的開發(fā)。

系統(tǒng)輸入?yún)?shù)的操作界面如圖4所示。從圖中可以看出輸入?yún)?shù)共包括工程地質(zhì)條件、爆區(qū)參數(shù)、炸藥及鉆孔參數(shù)、爆破效應(yīng)控制參數(shù)等。系統(tǒng)實現(xiàn)了工程數(shù)據(jù)文件的導(dǎo)入、保存，初始參數(shù)、控制條件的輸入以及炮孔布置的計算繪圖等功能。

圖 4 智能爆破設(shè)計系統(tǒng)操作界面Fig. 4 Operation interface of intelligent blasting design system

3.2 工程應(yīng)用

葉巴灘水電站位于四川與西藏界河金沙江上游河段上，系金沙江上游13個梯級水電站的第7級。壩區(qū)巖石主要為石英閃長巖，蝕變現(xiàn)象不明顯，抗風(fēng)化的能力一般，由表及里風(fēng)化程度變?nèi)醯那闆r，斷層發(fā)育，總體屬于高偏極高地應(yīng)力區(qū)。取2894 m高程處的壩肩槽保護層爆區(qū)如圖5(a)所示(圖中布置藍色炮孔的為永久輪廓線)，該爆區(qū)輪廓組成較復(fù)雜，共有四條永久輪廓，其中包括了兩條普通邊坡的輪廓線和兩條壩肩槽邊坡的輪廓線。普通邊坡坡度為1∶0.393；壩肩槽邊坡坡度為1∶0.970。

根據(jù)葉巴灘工程的實際情況向系統(tǒng)內(nèi)輸入工程地質(zhì)條件如圖4(a)所示；根據(jù)現(xiàn)場實測的控制點坐標利用AutoCAD繪制頂部及底部輪廓的dxf圖像，將dxf圖像導(dǎo)入到系統(tǒng)，并對控制點及控制線進行標識，如圖4(b)所示；根據(jù)設(shè)計要求輸入鉆孔及炸藥參數(shù)，其中輪廓孔孔徑為90 mm，緩沖孔及主爆孔孔徑為115 mm，其余參數(shù)如圖4(c)所示；根據(jù)設(shè)計要求輸入爆破效應(yīng)控制條件，其中炮孔密集系數(shù)為1.0，其他參數(shù)詳見圖4(d)。由此系統(tǒng)自動進行炮孔坐標計算并進行炮孔布置圖的繪制，壩肩槽邊坡保護層開挖爆破設(shè)計效果如圖5所示。

圖 5 壩肩槽邊坡保護層開挖爆破設(shè)計圖Fig. 5 Dam abutment groove slope protection layer excavation blasting design drawing

4 結(jié)論與認識

(1)針對壩肩槽邊坡保護層爆破開挖，通過對爆區(qū)頂部及底部輪廓線的標識和浮孔的設(shè)置，將保護層炮孔的三維布置分解成為了在側(cè)面開挖輪廓上布置輪廓孔，頂部、底部輪廓面內(nèi)通過相互協(xié)調(diào)布置緩沖孔和主爆孔這三個二維平面問題。結(jié)合現(xiàn)有二維布置方法，采用了偏移輪廓線的方式解決了保護層頂部及底部炮孔的二維布置問題，由此提出了一種三維炮孔自適應(yīng)布置算法，有效地解決了保護層炮孔的三維自動布置問題，為同類型工程炮孔三維自動布置的研究提供參考。

(2)基于提出的三維炮孔自動布置算法，采用VS平臺，選擇C# WinForm應(yīng)用，利用C#GDI+接口實現(xiàn)了三維炮孔布置系統(tǒng)的開發(fā)，并以葉巴灘工程作為實例進行炮孔布置設(shè)計，設(shè)計結(jié)果表明了應(yīng)用該系統(tǒng)能夠自動、快速、高效地完成壩肩槽邊坡保護層的炮孔布置，驗證了算法的可行性。