高寒地區(qū)高拱壩基礎(chǔ)保護性開挖技術(shù)研究

洪 松，王 偉，陳 端，暴艷利

(中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

1 工程特性

某高拱壩壩址位于高寒地區(qū)，為混凝土雙曲拱壩，最大壩高240m，壩頂寬10m，最大拱冠厚度65m，工程施工總工期9年。

壩址處河谷呈“V”字型，左岸地形坡度約35°，右岸地形坡度約40°。工程區(qū)巖性以黑云母石英片巖為主，巖石飽和單軸抗壓強度94.1～122.7MPa。

工程區(qū)絕對最高溫度36.6℃，絕對最低溫度-45.0℃，最大溫差81.6℃。

拱壩混凝土澆筑采用30t平移式纜式起重機入倉，澆筑時間為每年4月15—10月15日，每年混凝土澆筑時段為6個月，其他項目施工時間為每年4月1日—10月31日，施工時段為7個月。11月1日—次年3月31日為冬季停工時間。

2 工程特性對基礎(chǔ)開挖的要求

工程區(qū)最大溫差達81.6℃，環(huán)境絕對溫差大，溫度應(yīng)力復(fù)雜；每年冬季停工長達5個月，壩體混凝土澆筑時間僅6個月，壩體澆筑工期長達6～7年，先期開挖的拱肩槽建基面暴露時間長，其爆破過程中產(chǎn)生的裂隙經(jīng)多年凍融循環(huán)將被進一步損傷。同時，因每年有效施工工期短，若基礎(chǔ)開挖質(zhì)量未達標，即使對其進行處理也不可能達到嚴標準開挖所形成的建基面的質(zhì)量，施工工期也將延長。因此，應(yīng)對高寒地區(qū)高拱壩的開挖技術(shù)提出更嚴格的要求。

3 拱肩槽開挖

3.1 預(yù)裂爆破

3.1.1安全允許質(zhì)點振動速度確定

預(yù)裂爆破先于主爆孔起爆，并形成預(yù)裂縫，對主爆孔的爆破振動起到隔離減振作用。但是，預(yù)裂爆破沖擊波直接作用于巖面，同樣會對建基面造成破壞，因此，預(yù)裂爆破參數(shù)設(shè)計是拱肩槽開挖質(zhì)量的關(guān)鍵。GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》未對大壩基礎(chǔ)的安全允許質(zhì)點振動速度做出規(guī)定，對永久性巖石邊坡的規(guī)定為：當(dāng)10 Hz

白鶴灘水電站工程總裝機容量16000MW，雙曲拱壩壩高289m；烏東德水電站工程總裝機容量10200MW，雙曲拱壩壩高270m，其振動控制標準均可作為參考。白鶴灘水電站工程塊狀玄武巖的振動控制標準為10cm/s，柱狀節(jié)理玄武巖的振動控制標準為5cm/s，預(yù)裂爆破實際振速為7.3～8.2cm/s；烏東德水電站工程振動控制標準10cm/s，振速值均指距爆破孔頂10m處的振速，預(yù)裂爆破實際振速為7.0cm/s。

鑒于壩址區(qū)惡劣的自然條件，爆破振動控制標準應(yīng)更為嚴格，參考白鶴灘、烏東德水電站工程案例，本工程拱肩槽預(yù)裂爆破振動控制標準取7.0cm/s。

3.1.2單段(響)藥量計算

壩肩開挖每15m設(shè)一級馬道，梯段高度可取15m或7.5m，孔底超深50cm(30cm)，以預(yù)裂面傾角60°為例，分別計算單段最大藥量和單段孔數(shù)。

按GB 6722—2014中13.2.4公式計算如下：

(1)

可變形后為：

(2)

式中，R—爆破振動安全允許距離，m，取10m；V—保護對象所在地安全允許質(zhì)點振速，cm/s，取7cm/s；Q—炸藥量，kg，齊發(fā)爆破為總藥量，延時爆破為最大單段藥量；K、α—與爆破點至保護對象間的地形、地質(zhì)有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)。

壩址區(qū)巖性以黑云母石英片巖為主，巖石平均堅固系數(shù)12.8，參考《水利水電工程施工組織設(shè)計手冊》表5-5-11選取，K取120，α取2.0。

計算得Q=14.09kg。

3.1.3其他爆破參數(shù)確定

(1)藥卷直徑

工程區(qū)炸藥管制嚴格，一般僅提供直徑80mm和32mm藥卷，預(yù)裂爆破采用直徑32mm藥卷。

(2)鉆孔直徑

白鶴灘水電站工程基礎(chǔ)開挖預(yù)裂孔孔徑為76mm，藥卷直徑為32mm；烏東德水電站工程基礎(chǔ)開挖預(yù)裂孔孔徑為90mm，藥卷直徑為25mm。根據(jù)《水利水電工程施工組織設(shè)計手冊》，預(yù)裂孔的裝藥不偶合系數(shù)一般為2～5，松軟巖石取小值，堅硬巖石取大值。本工程預(yù)裂爆破采用直徑32mm藥卷，若采用76mm鉆孔，不耦合系數(shù)僅為2.4，壩基巖石為堅硬巖，該值應(yīng)取較大值，鉆孔直徑取90mm，相應(yīng)不耦合系數(shù)為2.8。

(3)預(yù)裂孔間距

根據(jù)《水利水電工程施工組織設(shè)計手冊》，預(yù)裂孔鉆孔直徑為炮孔直徑的7～12倍，即間距為63～108cm，孔徑大者取小值，孔徑小者取大值。白鶴灘水電站工程預(yù)裂孔間距為60cm，烏東德水電站工程預(yù)裂孔間距為51～82cm。本工程預(yù)裂孔孔徑90mm，孔距宜取7倍孔徑，即63cm。

(4)線裝藥密度

白鶴灘水電站工程預(yù)裂孔線裝藥密度為220～230g/m；烏東德水電站工程預(yù)裂孔線裝藥密度為250g/m，參考白鶴灘及烏東德水電站工程，預(yù)裂孔線裝藥密度取中值230g/m。

(5)梯段高度

梯段高度15m時炮孔堵塞長度取1.5m，梯段設(shè)度7.5m時，炮孔堵塞長度取1.0m，超鉆深度分別為0.5和0.3m，超鉆部分不裝藥，建基面傾角60°時，單孔藥量分為3.59kg和1.73kg。若梯段高度采用15m，宜4孔一響；若梯段高度采用7.5m，則宜8孔一響。雖兩種梯段高度均為可行，但梯段高度為15m時，預(yù)裂孔底部加強裝量相對較大，對底部的破壞深度也較大，故宜采用7.5m梯段高度。

3.2 主爆孔爆破

3.2.1主爆孔減振技術(shù)

盡管有預(yù)裂孔的隔離減振作用，主爆孔依然會將部分振動傳遞到建基面一側(cè)，因此，對主爆孔也應(yīng)采用相應(yīng)減振技術(shù)。主爆孔的減振采用水介質(zhì)換能爆破技術(shù)。

水介質(zhì)換能爆破是指在爆破孔內(nèi)裝藥的同時裝入一定數(shù)量的密封袋裝水，爆破過程炸藥爆炸熱能轉(zhuǎn)換為水介質(zhì)的內(nèi)能或勢能，勢能轉(zhuǎn)換為動能做功。在水介質(zhì)換能爆破系統(tǒng)這個絕熱系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)換效率高，因此能夠有效提高炸藥的能量利用率，同時也相對延長了瞬時爆轟的時程，大大減小各種爆破危害。

工程實踐證明，采用水介質(zhì)換能爆破炸藥量可減少20%以上。而式(1)中炸藥量Q每減小1%，爆破振速V降低0.5%～0.6%，即采用水介質(zhì)換能爆破質(zhì)點振速將減小10%以上；同時，因爆轟時程延長，水介質(zhì)換能爆破自身的減振作用大于30%。因此，采用水介質(zhì)換能爆破技術(shù)與普通爆破技術(shù)相比，總體的爆破振動的質(zhì)點振速將降低40%以上。

3.2.2爆破參數(shù)

(1)單段藥量

主爆孔的單段藥量應(yīng)考慮預(yù)裂縫的隔離減振作用。福建省水電工程局、武漢大學(xué)的張新民、舒大強等人通過對普通爆破技術(shù)的現(xiàn)場試驗和振速回歸分析，提出了經(jīng)預(yù)裂面隔離減振后的主爆破振速衰減公式如下：

V=87d2.17

(3)

式中，V—爆破振速，cm/s；d—振強，kg1/3/m，d=Q1/3/R，適用范圍：0.8≤d≤0.38。

經(jīng)試算，當(dāng)單段藥量為54kg時，d為0.38，適用于本公式，考慮水質(zhì)換能爆破效應(yīng)后，主爆破質(zhì)點振動速度為6.3cm/s，滿足前述振動控制標準。

(2)其他參數(shù)

水介質(zhì)換能爆破除需裝入封密水袋外，其他都與普通爆破技術(shù)相同。主爆孔采用80mm藥卷，炮孔直徑105mm，水袋規(guī)格φ75×600×0.125(直徑×長度×厚度)，裝入個數(shù)通過試驗確定，以獲得最佳效果。

4 壩基開挖

4.1 保護層頂面以上部分開挖

采用水介質(zhì)換能爆破，其爆破參數(shù)同主爆孔，不再贅述。

4.2 保護層開挖

4.2.1保護層開挖方法選擇

(1)分層淺孔爆破

淺孔爆破指孔深小于4m，孔徑小于75mm的爆破。淺孔爆破通過小孔深、小孔徑、小裝藥量的分層開挖減少對壩基開挖的爆破危害。本工程壩基設(shè)5m厚保護層，分2～3層開挖。

(2)水平預(yù)裂+小梯段爆破

爆破是先在基礎(chǔ)中部附近形成順河床方向的先鋒槽，然后沿建基面鉆設(shè)垂直于先鋒槽方向的水平預(yù)裂孔，上部鉆設(shè)小梯段垂直孔，預(yù)裂孔先爆，垂直孔后爆，通過預(yù)裂縫的隔離減振作用減小梯段爆破對建基面的危害，如圖1所示。

圖1 水平預(yù)裂+小梯段爆破布孔示意圖

(3)水平光爆

水平光爆是先在基礎(chǔ)中部附近形成順河床方向的先鋒槽，然后自上而下平行或沿建基面鉆設(shè)垂直于先鋒槽方向的水平主爆孔、緩沖孔和光爆孔，自上而下依次起爆，通過光爆孔的小藥量、密間距減小對建基面的爆破危害，如圖2所示。

圖2 水平光爆布孔示意圖

(4)消-聚能爆破

采用垂直孔，依靠孔底材料波阻抗的不同，在界面發(fā)生透射和反射，減小對建基面的爆破危害。波阻抗是指使質(zhì)點產(chǎn)生單位振動速度所必須的應(yīng)力。波阻抗越大，產(chǎn)生單位振動速度所需應(yīng)力就大；波阻抗越小，產(chǎn)生單位振動速度所需的應(yīng)力就小。孔底減振材料鐵砂混凝土波阻抗為(18～20)×106(MPa·s)/m、細砂波阻抗為(2.9～3.6)×106(MPa·s)/m。

當(dāng)應(yīng)力波從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)時，將在兩種介質(zhì)的分界面上發(fā)生波的反射和透射，大部分應(yīng)力波透射或反射進入波阻抗大的一側(cè)。因此，爆破產(chǎn)生應(yīng)力波在向建基面?zhèn)鞑ミ^種中將在爆破氣體和鐵球(鐵砂混凝土制成)界面、鐵球和細砂界面各發(fā)生一次反射和透射，兩次均為大部分應(yīng)力波被反射，小部分應(yīng)力波發(fā)生透射，使炮孔內(nèi)水平方向沖擊波強度增大60%～70%，垂直方向沖擊波強度減小70%～80%，在增強破巖能力的同時，大大減小了對孔底建基面的破壞作用。

(5)消-聚能爆破+液壓劈裂機開挖

上述各種方法均會在孔底造成一定深度的破壞(可控制在1m以內(nèi))，本方法的目的是基本實現(xiàn)壩基的無損開挖。其具體做法是保護層上部4m采用消-聚能爆破，下部1m采用液壓劈裂機開挖。

液壓劈裂開挖是利用巖石抗拉強度遠低于其抗壓強度的特性(抗拉強度為其抗壓強度的1/4～1/25)，在鉆孔內(nèi)插入劈裂棒，以液壓泵為動力通過液壓油管向劈裂棒供給超高壓液壓油，劈裂棒的活塞以巨大的劈裂力向外伸出、張拉巖石，使其產(chǎn)生裂縫，然后采用液壓挖掘機撬挖，完成底層巖石的開挖。

液壓劈裂機一般一機6棒或一機8棒，即一個液壓油泵可使6～8根劈裂棒同時工作。

液壓劈裂開挖采用豎向鉆孔，孔徑90mm，排距、孔距均為50cm，基本與預(yù)裂孔相當(dāng)。

(6)保護層開挖方法選擇

本工程開挖工期每年只有7個月，保護層開挖方法選擇應(yīng)兼顧開挖質(zhì)量與效率。分層淺孔爆破鉆孔數(shù)量多、工序復(fù)雜，效率較低，且無預(yù)裂、光爆孔減振，開挖質(zhì)量相對較差；水平預(yù)裂+小梯段爆破需先形成先鋒槽，水平鉆孔效率低，且每次只能推進一個水平鉆孔孔深的距離(3～4m)，施工效率較低，其開挖質(zhì)量也較水平光爆差；水平光爆也需先形成先鋒槽，并需鉆設(shè)水平孔，鉆孔效率低，每次也只能推進一個水平鉆孔孔深的距離(3～4m)，雖開挖質(zhì)量相對較好，但施工效率也較低；消-聚能爆破鉆設(shè)垂直孔，垂直孔鉆進速度快，一次推進長度為5～6排炮孔排距，施工綜合效率較水平預(yù)裂或光面爆破提高3～4倍，而其開挖質(zhì)量與水平光爆相當(dāng)。消-聚能爆破同時能滿足開挖質(zhì)量和效率的要求，該技術(shù)在烏東德水電站壩基開挖中大規(guī)模應(yīng)用，效果良好。本工程壩基開挖選用此方法。

消-聚能爆破+液壓劈裂機開挖為筆者首次提出，出發(fā)點是真正實現(xiàn)壩基的無損開挖。盡管目前尚無實際工程案例，但可做為一個研究方向。液壓劈裂適用于強度高、完整性好的脆性巖體開挖，是否適用于開挖消-聚能爆破孔底被損傷的巖體尚待驗證。但從理論上而言，輔助液壓破碎錘即可適用各種巖體的開挖，因兩者性能互補，液壓劈裂機不適用的損傷嚴重的較破碎巖體非常適用于液壓破碎錘鑿?fù)冢移洳粫r體造成振動損傷；反之亦然。因此，作為可實現(xiàn)壩基無損開挖的方向，有必要進行研究。

4.2.2保護層開挖參數(shù)選擇

4.2.2.1 消-聚能爆破參數(shù)

(1)最大單段藥量。考慮到保護層爆破會對已揭露建基面產(chǎn)生影響，其最大單段藥量仍按預(yù)裂爆破控制，即14.09kg。

(2)梯段高度。梯段高度即為保護層厚度，即5m。

(3)其他爆破參數(shù)。參考烏東德水電站壩基保護層消-聚能爆破開挖，孔徑取75mm，孔距取60cm，藥卷直徑取32mm。線裝藥密度同前，取230g/m。

4.2.2.2 消-聚能爆破+液壓劈裂機開挖試驗參數(shù)

(1)最大單段藥量。與壩基保護層消-聚能爆破開挖一致，仍取14.09kg。

(2)梯段高度。底層1m由液壓劈裂機開挖，梯段高度取4.0m。

(3)其他爆破參數(shù)。其他爆破參數(shù)同壩基保護層消-聚能爆破開挖。

(4)液壓劈裂開挖參數(shù)。劈裂孔直徑90mm，孔深取95cm，孔距50cm。確定孔深時，需考慮液壓劈裂機施工的特性，因巖石的脆硬性，在液壓劈裂機張裂過程中一般會在孔底產(chǎn)生10cm左右的超裂深度，即孔深95cm時，一般會產(chǎn)生5cm的超挖。劈裂機采用一機8棒劈裂機，輔以液壓破碎錘。

5 結(jié)語

高寒地區(qū)高拱壩基礎(chǔ)開挖應(yīng)有更高的要求，本文提出了嚴格的拱壩基礎(chǔ)爆破振動控制標準，并選擇了相應(yīng)的爆破方法、擬定相應(yīng)的爆破參數(shù)。經(jīng)研究表明，通過水介質(zhì)換能爆破、消-聚能爆破等新的爆破技術(shù)，可實現(xiàn)上述控制標準，并兼顧了施工效率，對保證高寒地區(qū)高拱壩基礎(chǔ)開挖質(zhì)量和工期有重要意義。本文還對壩基的無損開挖進行了探討，并提出了相關(guān)試驗參數(shù),該試驗有較大的實踐意義。