壩肩順層巖邊坡開挖預裂爆破參數優化現場試驗研究

張由夫

(遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧 鞍山 114000)

1 研究背景

雙龍水電站位于太平哨鎮二龍渡村境內半拉江干流上，是半拉江梯級開發的重要工程，屬于典型的河床式水電站設計[1]。電站大壩為瀝青混凝土心墻土石壩壩型，最大壩高56.0 m，壩頂高程160.0 m，壩頂寬8.0 m，正常蓄水位為157.50 m，校核水位為158.50 m。按照大壩選址，在其右側壩肩存在橫向長度約150 m，縱向長度55～85 m的順層巖邊坡，其巖體主要是砂巖和泥巖，強度低、抗風化能力弱。為了保證工程建設的順利進行，需要對該段邊坡進行開挖放坡進而加固[2]。

預裂爆破技術最早由光面爆破技術發展而來，并在工程實踐中得到了滿意的效果，因此獲得了廣泛的應用[3]。在20世紀70年代中期引入我國以來，該技術在邊坡開挖和礦山開采中應用較多。結合工程實際和爆破開挖要求，擬采用預裂爆破技術對該段邊坡進行爆破開挖。但是，針對結構面較發育的破碎帶進行爆破過程中，還需要對爆破參數進行優化設計，以便達到理想的爆破效果[4]。基于此，此次研究通過工程現場試驗的方式對預裂爆破參數優化，以便為工程設計提供必要的支持。

2 原始設計方案與工藝

2.1 原始設計方案

根據壩肩邊坡預裂爆破的初始工程設計，主爆孔的孔徑為90 mm，采用潛孔鉆機進行鉆孔。臺階高度是影響爆破效果的重要因素，需要結合工程現場的實際地形、技術要求、鉆孔和挖裝性能確定。根據工程經驗，一般確定為5～10 m，工程初始設計為7 m；底盤抵抗線也是預裂爆破的重要參數，在工程設計中采用經驗公式計算獲取，初始設計為3 m；孔距和排間距根據底盤抵抗線計算獲取，分別為4 m和3 m；合理的超深可以有效防止底板的超欠挖，保持底板的平整性，其原始設計值為0.75 m[5]；預裂孔的孔深為8.00 m，超深為0.75 m，與主炮孔的間距為1.5 m。裝藥采用耦合間距的裝藥方式，預裂孔裝藥量為8 kg左右，主孔的單孔裝藥量為38 kg左右；預裂孔和主孔堵塞分別為1.0 m和2.5 m，其具體的設計參數如表1所示。

2.2 試驗流程和要求

在進行試驗之前，首先根據試驗需要選定試驗區，并對試驗鉆孔部位的覆蓋層以及上次爆破產生的石渣進行清理[6]。如果清理過程中出現較大的凸起石塊，則需要利用小炮進行清理。在清理完畢之后，利用設備和人工結合的方式對試驗場地進行整平，為鉆機的鉆孔作業提供良好的環境。在鉆機平臺的搭建和移動過程中要使平臺本身相對平整，以保證鉆孔的精度和施工安全[7]。邊坡定位線偏大會造成爆破石方量的大幅增加，過小會造成基面不達標。因此，邊坡測量和放線要嚴格按照設計方案進行并保證其精度，嚴禁出現操作偏差。

表1 預裂爆破原始設計方案參數

鉆孔作業是試驗和大面積施工的關鍵流程，因此必須要按照設定為孔位實施鉆孔，同時保證鉆孔的精度，將孔位偏差控制在3 cm以內，將孔深偏差控制在10 cm以內。在鉆孔完畢之后要用草團進行臨時封堵，避免水流或雜物進入造成堵塞[8]。如果鉆孔中存在積水就需要進行排水作業。

預裂爆破需要在爆破現場將藥包加工成“藥串”的架構形式，并用導爆索進行引爆。試驗中要將加工好的藥串放入鉆好的炮孔，直至底端。然后用草團或破布團等較為柔軟的東西遮蓋，然后再用沙或巖粉等較為松軟的顆粒物堵塞密實。其具體的裝藥結構如圖1所示。

圖1 裝藥結構圖示

隨著高精度非電導爆管雷管技術的迅速發展，逐孔起爆技術獲得了長足的發展和進步，為預裂爆破提供了必要的技術基礎。在此次試驗中，主爆孔選擇清渣爆破的方式進行，其孔間微差為25 ms，排間微差為65 ms。預裂孔要先于主孔起爆，鑒于預裂孔數量較多，因此試驗中采用分組起爆的方式，其區域連線圖如圖2所示。

圖2 預裂爆破連線情況(單位:ms)

在試驗過程中要做好安全和防護工作。首先，要建立現場試驗指揮中心，做好試驗過程中的協調管控和領導，同時委派專業人員進行安全和技術管控。在現場試驗過程中，設置3個起爆信號，第一個信號為告警信號，在裝藥和封堵作業完成之后，起爆之前30 min給出，當接到這一信號后對警戒區進行清場；第二個信號為起爆信號，在人員撤離和警戒崗到位之后給出，接到該信號后相關人員進行起爆作業；第三個信號為解除信號，在起爆后25 min給出，檢查崗位人員在接到信號后進入警戒區進行檢查。在現場試驗過程中，其余安全事項均按照國標爆破安全章程進行處理。

3 優化試驗結果與分析

3.1 初始設計方案

在施工現場按照初始設計方案的參數進行鉆孔、裝藥和爆破。試驗結果顯示，雖然方案中的耦合裝藥預裂發揮了顯著的作用，但是炸藥在爆炸的瞬間釋放出巨大的能量，對需要保留的巖體產生了十分明顯的傷害，沒有達到預期的爆破效果。因此需要改變耦合裝藥方式并進行相關參數的調整，進行第二次試驗。

3.2 優化方案一

針對初始設計方案存在的問題，采用不耦合預裂爆破，并減小裝藥量的思路提出優化方案一：試驗預裂孔徑設置為68 mm，孔間距為1 m，和主炮孔的排距仍為1.5 m，孔深調整為7 m，超深仍舊為0.75 m，采用不耦合間隔裝藥，當空藥量為3.4 kg左右，其裝藥設計如表2所示。

表2 優化方案一預裂孔裝藥設計

主爆孔的孔間距為4.0 m，排間距為3.0 m，孔深調整為7.0 m，超深仍舊為0.75 m，臺階高度為6 m，單孔裝藥量調整為32 kg，堵塞為2.0 m。該方案的具體參數設計如表1方案一所示。

優化方案一的試驗結果顯示，由于采用了不耦合裝藥結構，因此炸藥在爆炸后可以受到空氣墊層的緩沖，因此能量水平明顯降低，可以形成較好的預裂面，保留巖體的穩定性也大為提升，半孔率達到了62.5%，但是預裂面平整度較差，需要進一步優化。

3.3 優化方案二

針對優化方案一存在的問題，將孔深調整為10 m，同時對不耦合系數、孔間距以及裝藥量等參數進行調整，獲得優化方案二，其預裂孔的裝藥設計如表3所示，方案的具體設計參數如表1方案二所示。

優化方案的現場試驗結果顯示，爆破后邊坡的平整度和被保留巖體的完整度明顯提升，半孔率達到了84.3%，杜絕了邊坡臺階發生松散試塊垮塌的工程問題，試驗效果良好。

表3 優化方案二預裂孔裝藥設計

4 結 語

此次研究以具體工程為背景，利用現場試驗的方式對邊坡預裂爆破參數進行優化研究，并獲得最佳設計方案。在后續的工程施工中按照本文提出的優化設計方案進行爆破開挖施工，取得了良好的工程效果，爆破開挖后成型的邊坡坡面半孔率達到85%以上，坡面的平整度基本控制在±15 cm 以內，符合工程設計的預期要求，同時也保證作業人員和施工設備的安全。當然，隨著工程技術的不斷發展，水利工程建設必將面臨更為復雜的地質環境。目前使用的高精度毫秒雷管存在十分嚴格的段別限制，不同段別的微差時間和理論值之間仍存在一定的差別，并對爆破效果產生直接影響。相信隨著數碼電子雷管的大量使用，上述問題終將得到有效解決。