塊度預報模型在南水北調(diào)中線工程渠首爆破開挖中的應用

陳宗光，謝潔方

(1.中國電建集團 中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014； 2.湖南勞動人事職業(yè)學院 建工系，湖南 長沙 400100)

0 引 言

南水北調(diào)工程是中國重大戰(zhàn)略性跨流域水資源配置工程，旨在解決北方地區(qū)水資源短缺問題[1]。南水北調(diào)中線渠首樞紐工程地處丹江口水庫東部，位于湯山與禹山之間的埡口地帶，區(qū)內(nèi)主要地貌單元有：剝蝕殘山、壟崗、水系及人工地貌等。工程區(qū)內(nèi)地表多為第四系覆蓋，基巖主要出露奧陶系中統(tǒng)第二巖組(O22)、第三巖組(O23)及白堊—下第三系(K～E)。受多期構造作用的影響，褶皺、斷裂較為發(fā)育。斷層主要發(fā)育北西西向和北北東向兩組，規(guī)模一般不大。裂隙以陡傾角為主，閘基巖體未發(fā)現(xiàn)傾緩角裂隙。南水北調(diào)中線渠首樞紐工程爆破開挖中，要求盡量減少鉆孔量和降低單耗，確定合理、高效的爆破孔網(wǎng)參數(shù)，盡量降低爆破呈現(xiàn)石塊的大塊率，減少孤石解炮的次數(shù)，以達到降低成本的要求。以往研究中，通常在有級配要求的規(guī)格石料生產(chǎn)(如堆石壩填筑料生產(chǎn))時，采用爆破塊度預報模型進行爆破效果評估，以調(diào)整爆破方案，控制爆破效果[2-4]。然而，在水工建筑物巖石基礎或地下廠房爆破開挖過程中，需嚴格控制保護層開挖效果，建立爆破平均塊度預測模型，有利于避免超欠挖問題。本文通過選取或者建立合理的爆破塊度分布模型來預測爆破塊度，使之滿足設計級配要求，動態(tài)調(diào)整確定相應的爆破參數(shù)，以指導現(xiàn)場施工。

1 KUZ-RAM爆破塊度預測模型

從20世紀50年代起研究人員就開展了對爆破塊度分布的研究，提出了一系列爆破塊度預報模型。主要包括4類：能量理論模型、應力波理論模型、塊度分布函數(shù)模型以及新近發(fā)展起來的損傷力學模型，比較有代表性的分別有GAMA模型、G·Harries模型和KUZ-RAM模型等[5]。

KUZ-RAM塊度預報模型[6-7]在礦山應用多年，雖然在水利水電工程爆破中進行塊度預報存在一定誤差，但可以利用爆破試驗資料對模型進行適當修正，提高預報精度。該模型建立了各種爆破參數(shù)(如最小抵抗線W，孔距a，炸藥單耗q，臺階高度H，鑿巖精度和炮孔直徑d等)與爆破塊度分布的定量關系，便于將這些參數(shù)與爆破塊度分布進行量化分析。而且，這些參數(shù)都是已知的，數(shù)形結(jié)合、形象直觀，便于推廣應用。計算爆破平均塊度時，運用了綜合性很強的巖石系數(shù)A，該系數(shù)反映了巖石物理力學特性和節(jié)理裂隙情況的影響，真實還原現(xiàn)場地質(zhì)情況。再結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對模型進行修正，提高預測精準度。

KUZ-RAM模型是一個典型的露天臺階式開采爆破數(shù)學模型，從基本組成和各參量的數(shù)學定義來看，適用條件為[8]：① 炮孔為向下平行布置，連續(xù)柱狀裝藥；② 爆破延時一般在毫秒范圍內(nèi)的群孔爆破，而不適宜于單孔爆破；③ 炸藥性能主要由密度和相對威力來描述；④ 巖石性能主要由強度指標和節(jié)理性質(zhì)來描述和計算；⑤ 炮孔堵塞性能好，集中起爆。南水北調(diào)中線工程渠首爆破采用連續(xù)柱狀裝藥，采用毫秒延時的群孔爆破，且炮孔性能良好，因此，可以采用KUZ-RAM模型估算爆破后的塊度尺寸范圍。

1.1 預測原理

KUZ-RAM模型的基本表達式由Kuznetsov方程[9]、Rosin-Rammler分布函數(shù)[10]和塊度不均勻系數(shù)[11]n計算式組成：

(1)

R=1-exp[-(X/X0)n]

(2)

n=(2.2-14W/d)(1-e/W)

[1+(m-1)/2]L/H

(3)

1.2 塊度預報

在爆破開挖現(xiàn)場收集了多組爆破開挖的孔網(wǎng)參數(shù)及塊度分布數(shù)據(jù)，本文選取8組數(shù)據(jù)進行分析，具體爆破孔網(wǎng)參數(shù)如表1所示。

表1 渠首開挖工程右岸爆破孔網(wǎng)參數(shù)

表2 KUZ-RAM模型計算值

通過以上研究發(fā)現(xiàn)，該模型反映的爆破塊度分布線性特征和變化趨勢與實際情況大體保持一致。將模型計算結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比分析，如表3所示。

表3 模型計算n值和平均塊度值與實測結(jié)果的比較

2 KUZ-RAM模型修正

將爆破試驗收集的實際塊度分布資料與模型計算的平均塊度和塊度不均勻性指數(shù)n進行比較，分別對實際值和計算值進行回歸分析，得出模型修正前后計算值的關系式，最終確定修正后的KUZ-RAM模型。

2.1 關于巖石系數(shù)A的修正

巖石節(jié)理和裂隙對爆破的塊度分布有很大影響。巖石本身的強度、密度和破碎性等性質(zhì)與爆破塊度密切相關，采用巖石系數(shù)A反映這些影響和關系。應考慮巖石物理力學性質(zhì)和節(jié)理裂隙發(fā)育情況的綜合性指標。模型中規(guī)定的幾種不同情況的取值，無法全面、客觀地反映不同巖性、不同節(jié)理裂隙開度及分布對巖石破碎塊度的影響。Cunningham CVB[4]用現(xiàn)場反饋的實際資料進行改進和修正，提出確定巖石系數(shù)A的新方法，并給出了式中各值的取值方式：

A=0.06(RMD+JF+RDI+HF)

(4)

其中，RDI=25RD-50；E<50 GPa時，HF=E/3；E≥50 GPa時，HF=UCS/5。

式中：RMD為巖體性能系數(shù)；JF為節(jié)理特征系數(shù)；RDI為密度系數(shù)，g/cm3；RD為密度，g/cm3；HF為硬度系數(shù)；E為彈性模量，GPa；UCS為抗壓強度，MPa。

2.2 關于平均塊度計算公式的修正

圖1 平均塊度實測值與計算值回歸直線Fig.1 Regression line between measured and calculated average lumpiness

(5)

為了驗證修改后公式的效果，將表1中的爆破孔網(wǎng)參數(shù)代入到公式(5)中，并與原模型計算值比較(表4)。由表4可看出，模型修正后平均塊度的計算值與實測值的相對誤差，相較于原模型平均塊度的計算值與實測值的相對誤差，有了大幅度降低，預報準確性得到了保證。

表4 模型修正后平均塊度計算值與原模型計算值比較

若用平均塊度的實測值作為橫坐標，用模型修正后平均塊度的計算值作為縱坐標，將兩者進行回歸分析(圖2)。

圖2 平均塊度實測值與模型修正后的計算值回歸直線Fig.2 Regression line the measured value of average lumpiness with the calculated value after model modification

由圖2可看出，回歸直線斜率接近于1，截距可忽略不計，相關系數(shù)|R|=0.89。當α=0.01時滿足置信區(qū)間，認為率定參數(shù)滿足精度要求。由此可見，平均塊度的實測值與模型修正后的計算值高度相關。修正后的平均塊度計算公式(5)比原模型的計算式(1)誤差較小，預報更為精確。

2.3 關于n值計算公式的修正

n′=

(6)

(7)

原模型適用的塊度不均勻指數(shù)n在0.8～2.2之間，經(jīng)修正后的爆破塊度模型適用的n值在0.7～1.0之間，原模型在南水北調(diào)中線渠首爆破開挖工程中的應用得到了延伸。

2.4 修正后模型工程應用情況

表5 工程應用中原模型與修正后模型的對比

(2) 進行爆破參數(shù)優(yōu)化的可能性。利用修正后的KUZ-RAM模型對爆破參數(shù)進行優(yōu)化設計，能夠降低爆破開挖成本，提高工程的經(jīng)濟性。為了驗證這一結(jié)論，選取一組未按照修正后的KUZ-RAM模型進行優(yōu)化設計的爆破試驗參數(shù)(表6)。

表6 未按照模型進行優(yōu)化設計的爆破試驗參數(shù)

由表6可知，未按照模型進行優(yōu)化設計時，單耗q=0.35 kg/m3，居于0.25與0.48之間，可優(yōu)化的空間仍然較大。

3 結(jié) 論

結(jié)合南水北調(diào)中線工程渠首現(xiàn)場爆破試驗數(shù)據(jù)，對KUZ-RAM模型進行了修正，以實現(xiàn)對工程中的爆破塊度更為準確的預報。主要結(jié)論如下：

(1) 應用KUZ-RAM模型作為預報爆破塊度的基本模型是可行的，但其所確定的塊度分布與實際情況有較大出入，在實際工程應用中應加以修正。

(2) 本文對KUZ-RAM塊度預報模型的巖石系數(shù)、平均塊度及塊度不均勻系數(shù)的計算式進行了修正，在進行塊度預報時，相對誤差較小，預報更為精確。

(3) 基于工程試驗數(shù)據(jù)對KUZ-RAM 模型進行了修正，可實現(xiàn)對爆破孔網(wǎng)參數(shù)的優(yōu)化設計，減少鉆孔量和降低單耗，達到降低開挖成本、提高經(jīng)濟性的目的。

然而需要指出的是，該模型的修正公式是基于南水北調(diào)中線工程渠首爆破開挖試驗數(shù)據(jù)得出的，因此適用范圍存在局限性。在其他工程條件下，應根據(jù)實際情況進行修正，結(jié)合地質(zhì)和地形等特征的變化進行動態(tài)調(diào)整。