R水電站溢洪道預裂爆破開挖控制探討

何水強

(江西省建洪工程監理咨詢有限公司，江西 南昌 330000)

1 工程背景

R水電站發電機組裝機容量為80MW，主要由渠首(包括左岸非溢流壩、溢流壩、取水口)、引水隧道、進水室、壓力鋼管、發電廠房和尾水渠等項目組成。水電站所在流域氣候類型呈現出急劇變化的趨勢特征，在年內的兩個雨季期間，時間較長的東南季風帶來的降水期為2-5月，而時間較短的東北季風帶來的降水期為10-12月，且降水通常呈片狀分布，有些地方甚至無降水。流域內H瀑布集水區面積30700km2，徑流系數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。石英片巖質硬且致密，具備較強的抗風化能力，而千枚巖質軟并呈夾泥碎塊狀。溢洪道預裂爆破開挖所產生的振動會影響閘首、圍堰及新澆筑混凝土的安全，為此必須在預裂爆破開挖前進行爆破試驗，并加強爆破參數的合理選擇，以保證施工安全和爆破開挖施工質量。

2 預裂爆破開挖方案

2.1 施工方案

有壓段預裂爆破開挖斷面直徑16.5-17.1m，并劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個開挖層，層高分別為9.0m、4.5-5.1m、3.0m，具體見圖1。Ⅰ層開挖先進行9.0m*9.0m中導洞開挖，再兩側擴挖，并保證兩側擴挖滯后于中導洞開挖20-30m。待完成上層開挖支護后隨進行Ⅱ層開挖，先開挖中部抽槽，按照30-40m的滯后距離開挖兩側保護層，最后開挖底板保護層。

圖1 有壓段預裂爆破開挖分層設計

無壓段預裂爆破設計開挖斷面尺寸為15.6×20.6m-17.0×22.0m，并劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個開挖層，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層則進行直墻預裂爆破，最后開挖底板保護層。

龍落尾段斜井段設計開挖坡度22°，一次開挖到位存在較大難度，為此分兩個斜井段進行開挖施工。完成上平段底板、下平段上中導洞、中部施工支洞開挖后采用100B鉆機一次鉆孔、多次爆破方式開挖溜渣斜井，完成后自上至下擴挖并支護。

圖2 無壓段預裂爆破開挖分層設計

2.2 主要施工方法

在進行上層開挖時，先開挖中導洞后跟進擴挖，并采用自制臺車手風鉆鉆孔，中導洞楔形掏槽，起爆采用乳化炸藥非電毫秒雷管聯網進行，引爆采用安全磁電雷管。一般地質段采用3.0m的爆破循環進尺，不良地質段則采用2.0m循環進尺。

有壓段中層開挖先挖出先鋒槽，再挖出兩側保護層，乳化炸藥裝藥并由非電毫秒雷管聯網起爆，出渣通過反鏟和20t自卸車聯合完成。

無壓段中層開挖通過直立邊墻預裂爆破方式，在梯段開挖底部留出2.5m保護層，搭設預裂鉆孔樣架，乳化炸藥裝藥并由非電毫秒雷管聯網起爆，單響藥量應控制在100kg以內，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

預裂爆破試驗的目的主要在于了解爆破震波的傳播及衰減規律以及周圍建筑對爆破振動的動力響應，進行爆破炸藥用量的確定，安全距離的校核及爆破參數優化。預裂爆破試驗場地選擇在與該水電站壩址相距3.5km處的地質條件基本相同的原溢洪道，并實施多排深孔梯段式爆破。設計孔徑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 測點布置

在預裂爆破開挖試驗過程中進行巖體質點振動速度現場觀測，并以振速為結構物安全程度的判斷依據。5個測點中測點1、2設置在爆破源附近的地面巖石處，測點3、4、5分別設置在原溢洪道下游導墻頂端、溢洪閘門槽混凝土底板及邊墩頂部。測點1-4高程基本與爆破源一致，且測點4、5平面投影坐標均為16m。在每個測點垂直向和水平向2個質點布置自振頻率4.5Hz，頻率響應范圍5-100Hz，記錄器轉換系統為32通道模數的電磁式振速傳感器。

3.2 試驗結果

預裂爆破試驗過程中所得出的不同單響藥量情況下測振結果詳見表1。由表中試驗結果可以看出，單響藥量最大值42.8kg時與爆破源距離小，但是其水平振速和垂直振速均比單響藥量最大值53.5kg大，僅考慮對周圍建筑物的影響，應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定結果

3.2.1 地震波傳播衰減規律

所檢測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，對周圍結構物的影響也更小。預裂爆破所產生的振動屬于隨機性過程，振幅與振動周期均為受試驗條件、時間、空間影響的隱函數，對試爆破過程所觀測到的數據進行回歸分析，便可得出基于現場爆破條件的地震波傳遞函數，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為地震波品質因數；R為預裂爆破振動影響半徑，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均在2.0以上，再加上千枚巖風化程度嚴重，裂隙發育，所以內摩擦系數較小；巖層走向與溢洪道軸線向平行，導致地震波在節理和裂隙面發生多次反射和透射，能量衰減速度快，十分有利于周圍建筑物抗震。試驗顯示的周圍構筑物允許振速5.0cm/s時，爆源距離30m對應的單響藥量最大值為30kg，而爆源距離50m對應的單響藥量最大值150kg。

3.2.2 振頻變化規律

預裂爆破地震波會在不同地質構造界面形成不同的反射、繞射和透射，甚至會因入射角度特殊而發生波形轉換及波系疊加作用，試驗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果。R水電站預裂爆破試驗隨機震動過程中引起建筑場地振動最顯著的地震波的振動頻率見表2。根據表中試驗結果，隨著預裂爆破試驗振動波傳播距離的增大，其在巖土介質高頻率濾波的作用下，振頻呈持續降低趨勢，且在150m以內高出建筑物自振頻率，不會引發結構物共振，結構物也表現出較小的動力反應。振動強度相同的條件下，振頻越高，則越有利于預裂爆破周圍結構物的安全，結構物抗振荷載能力也越強。

表2 引起建筑場地振動最顯著的地震波的振頻

3.2.3 起爆時差

預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、起爆時差、巖體屬性等影響較大，當上述參數較為匹配時，振動影響可控。R水電站預裂爆破試驗實測振頻15-30Hz，振動半周期為17-33ms，若通過微差順序起爆，則應使用雷管系列第二段25ms時差才不至于造成振峰疊加；若時差為50ms，則效果更佳，但是會導致總起爆延時，并增大飛石破壞網路的可能。所以，應綜合考慮上述可能的影響因素，加強防護，并采用多層膠布裹好雷管末端，防止金屬飛片飛濺，同時加強覆蓋，避免出現盲炮。

3.2.4 結構物動力放大

原溢洪道及閘室在預裂爆破振動的影響下會發生動力響應，為進行結構安全狀態分析，還應在閘墩頂板和底板處相同水平面坐標下設置測點，實測水平向和鉛垂向放大倍數分別為2.15和2.36。按照我國GB51247-2018水工建筑物抗震設計標準，地震影響后的混凝土閘墩動力放大系數允許值應為2-3[1]，所以試驗結果符合設計要求，閘墩運行狀態正常。然而，預裂爆破振頻隨與爆源距離的增大逐漸減弱，但閘墩放大倍數卻呈增大趨勢，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，預裂爆破施工過程中的低頻振動對周圍結構物存在較大影響。

3.3 安全判據及控制

在全面考慮爆源類型、裝藥結構、地形地質、結構物性質、建筑材料、受力狀況、使用年限、振害的嚴重程度等的基礎上進行R水電站溢洪道預裂爆破施工安全判據及控制標準的確定。按照我國爆破安全規程，混凝土框架結構基礎允許的振速為5cm/s，混凝土結構物爆破開挖方案基本根據此標準進行設計[2]。R水電站溢洪道水工建筑物基礎尺寸均較大，爆破振頻設定為30Hz時振動波長僅為數十米，且建筑物基礎空間內存在振動相位差，振向相反，這便導致建筑物對基礎振動反應程度的減小，抵抗沖擊能力的增大。R水電站位于Ⅵ度地震區域內，其水工建筑物能承受按照天然地震標準衡量的5-9cm/s的振動速度，由于預裂爆破振頻較高且持續時間比天然地震短，所以按照這一標準執行時，存在一定的安全儲備，溢洪道等水工建筑物較安全。

4 結 論

對R水電站溢洪道預裂爆破開挖測振試驗結果表明，地震波傳遞衰減指數至少為2.0，且主要受工程現場千枚巖風化程度及裂隙發育的較大影響。巖土介質所具有的高頻濾波作用會使振頻不斷降低，且不會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程模擬試驗結果還表明，預裂爆破開挖振速為18cm/s時壩體出現裂紋，按照三倍安全系數在6cm/s振速下施工，工程完工后運行過程中并未出現任何病害。工程實踐表明，按照此標準進行預裂爆破過程控制對于類似工程溢洪道開挖施工切實可行。