冯光学,李 伟

(1.四川二滩国际工程咨询有限责任公司,四川 成都 610072;2.中国水利水电第八工程局,湖南 长沙 410017)

1 前 言

格里桥水电站位于贵州省中部,乌江中游右岸支流——清水河干流下游。工程以发电为主。本工程为Ⅲ等工程,工程规模为中型,工程枢纽由碾压混凝土重力坝、左岸引水发电系统组成。碾压混凝土重力坝最大坝高 124m,坝顶高程 724m,坝顶全长103.9m。

坝址位于久场断裂带下游 300m峡谷河段上,河谷断面为“U”形谷,河谷狭窄,两岸峭壁陡峻,坝轴线处两岸在 800m高程以上地形相对较缓,自然边坡坡角 23°～34°;800m高程以下较陡,左岸综合坡度 60°,右岸约 80°,部分为近乎直立的基岩陡壁或存在倒坡现象。坝基坐落在角砾状白云岩及角砾状灰岩上,岩体较软弱、允许承载力低,饱和抗压强度达 15～40MPa,变形模量为 4.5～7.0GPa。左、右坝肩地基为角砾状白云岩、角砾状白云岩的厚层块状白云岩中厚层白云岩。左、右岸坝肩开挖高度分别为 180m和 200m。

格里桥大坝坝肩开挖的主要特点是工期紧、开挖厚度薄、坡陡,若采用常规预裂爆破技术,则预裂钻孔量大,是影响开挖工期的关键因素,经过技术人员的分析论证,决定在坝肩开挖中采用双聚能预裂爆破技术,以减少钻孔量实现加快工期的目的。先在毛料场进行了双聚能预裂爆破试验,取得了合理的爆破参数,用在坝肩开挖中,取得了良好的技术经济效益。

2 双聚能预裂爆破技术

双聚能预裂爆破技术由水电八局于 2007年申请了“双聚能预裂与光面爆破方法及专用装置”发明专利和“双聚能预裂与光面爆破专用装置”实用新型专利。它是通过专用双向聚能装置在设定方向上的聚能作用实现岩石定向断裂控制爆破,聚能药卷是通过按一定角度在两个设定方向有聚能槽的 PVC管装入粉状或者乳胶炸药制作而成(见图1),药卷起爆后,炮孔壁在非设定方向上均匀受压,而在设定方向上集中受拉,致使岩体按设定方向拉裂成型。

该技术施工工艺简单,易于在现场推广使用。与常规预裂爆破、光面爆破相比,双聚能预裂爆破具有以下优越性:

(1)利用岩体耐压怕拉的特性,同时不耦合装药结构以及聚能药卷的聚能作用,炸药爆炸后,在裂缝开始形成的同时聚能射流沿着裂缝喷射,其气刃作用进一步大大加强裂缝的扩展和延伸,相应加大了炮孔间距,减少了同等爆破方量炮孔钻进量;

(2)成型效果好,开挖轮廓质量高,不平整度低,半孔率高(一般可达到 90%);

(3)超挖石方少,减少了清方和回填工程量;

(4)采用了完全不耦合装药结构,使炮孔与药卷之间在全孔有完全相等的间隔,对孔壁起到了更好的减压保护作用,对建基面炮震振动范围小、损伤轻,有效地保护了建基面,有利于开挖边坡的支护与稳定;

(5)炸药单耗少,钻爆成本低,经济和社会效益显著。

图1 双聚能药卷断面示意

3 爆破试验和爆破参数的选定

3.1 试验部位

根据格里桥现场实际情况,爆破试验的部位选定在毛料场,该部位开挖区域宽阔,可以分块进行多组试验,且道路通车条件较好,人员、设备及材料等可以直接进入场内。

3.2 试验内容

爆破试验的目的是为正式施工时取得最优的爆破参数,如孔距、线装量等影响爆破质量的关键因素。由于本工程使用的双聚能 PVC管是定型管,管内充填 2号岩石乳化炸药,线装药密度只能靠间断装药的间距来控制。爆破效果通过外观和爆破前后单孔声波的对比判定。

试验孔采用 YQ-100B潜孔钻成孔,孔径90mm,在同一预裂(光爆)面依次按照 1.5m孔距 6孔、2.0m孔距 4孔、2.5m孔距 4孔、3.0m孔距 5孔进行布置;钻孔坡比为 1∶0.3,孔深 15m。采用连续装药,线装药密度为 430～450g/m,装药结构见图2。

3.3 爆破效果分析和爆破参数的选定

(1)外观分析:预裂孔单独爆破后,双聚能预裂爆破聚能效果明显,可以看到不管是单孔(边孔)还是联孔,起爆后爆炸能量均沿预设两个方向集中释放,形成较为明显的裂缝;从联孔情况看,1.5～2.5m孔距预裂孔成缝良好,3m孔距部分两孔间位置未张开,在主爆孔爆破出渣清理开挖面后,可以看到,孔距在 1.5～2.5m的预裂面成缝平整,半孔成缝率 100%,3m孔距部位虽半孔率也达到 100%,但开挖面不平整,部分位置两孔中部有岩埂,需修整规格。从所有的残留半孔中可以看到,均没有新增爆破裂隙。

(2)单孔声波分析:总共布置 4个声波孔,分别位于 1.5、2、2.5、3m孔距区,孔深 2m(开挖面以内),爆前和爆后分别作单孔声波测试,然后加以比较,分析保留岩体的衰减率是否满足规范要求。从各孔的爆前、爆后的单孔声波值中可以看出,各种孔距的预裂面声波衰减率均满足规范要求,在 1.5～2.5m孔距范围内,同时随着孔距的增大,单位面积的装药量减少,其声波衰减率越低。

综上分析,确定坝肩开挖的双聚能预裂爆破参数如下:线装药密度为 430～450g/m,完整岩体孔距为 2.5m,节理、裂隙发育部位孔距为 2m。

4 双聚能预裂爆破在格里桥坝肩开挖的实施

图2 双聚能预裂爆破装药结构

4.1 双聚能预裂爆破的实施要点

(1)应严格控制钻孔作业,确保各个炮孔的同面性良好,炮孔的同面性越好,爆破效果越佳。

(2)双向聚能药卷事先在炸药库按照需要量采用专用装药设备灌装完成(标准 PVC双槽聚能管3m长一根),引爆前运到工地放入炮孔时接长至需要长度。双聚能预裂爆破底部加强装药同常规预裂爆破,只需将普通 φ32mm药卷捆绑至 PVC管无聚能槽两侧上即可。

(3)由于聚能药卷是靠 PVC管成型,因此必须全孔用导爆索进孔引爆,另一方面导爆索也起到接长聚能药卷的承重作用,导爆索插入第一标准节双聚能槽药管内 5cm,弯曲后捆绑在双聚能管无聚能槽的一侧,底部加强装药捆绑在双聚能管无聚能槽的两侧,然后将第一标准节双聚能槽药管慢慢送入炮孔并注意将聚能槽对准预裂(光爆)面方向。

(4)第一标准节双聚能槽药管末端达到炮孔孔口时,在第一标准节双聚能槽药管末端套上第一个孔内居中环,再套上 10cm长的联接套管。依次安装各节双聚能槽药管,长度调整节和封堵节在最后安装,封堵节露出炮孔孔口时在其上套上孔口对中环,单孔双聚能槽管即告安装完成。

(5)双聚能预裂爆破堵塞段一般为 120～150cm,堵塞方法同常规预裂爆破。由于堵塞段长短对预裂(光爆)面的效果有较大影响,堵塞长度过短,则爆破时气体逸出,甚至将双槽聚能管冲出孔外,不易形成预裂缝或预裂缝宽度不够;堵塞长度过长,则在孔口附近部位易残留炮孔。实际施工中的堵塞长度根据爆破效果予以调整修正。

(6)所有炮孔内的双聚能槽管安装完成后,在首尾炮孔之间用尼龙线拉直作为预裂(光爆)面的标识,转动各个炮孔孔口所套上的孔口对中环,使孔口对中环上面的两个 V形对中槽联线与拉直的尼龙线方向吻合,然后用两端弯成 90度的铁丝穿入相邻孔口对中环的固定孔内将孔口对中环固定。在上述安装步骤完成后,拆除固定铁丝和孔口对中环,以便以后重复使用。

(7)由于双聚能预裂爆破单孔成缝情况也较好,因此在施工过程中应严格控制装药质量,确保聚能槽方向与开挖面一致,以免直接破坏保留岩体,酿成严重的质量、安全事故。

(8)联网爆破:双聚能预裂与梯段爆破孔若在同一爆破网络中起爆,则双聚能预裂与光面爆破孔最后一段起爆时间先于相邻梯段主爆破孔的起爆时间,不应小于 75～100ms。

(9)为保证双聚能预裂爆破的实施效果,应制定质量检查表,规范化、标准化组织质量检查工作。及时总结施工中出现的质量缺陷、分析产生的内在原因,从设计、施工着手采取有力措施及时纠正。

(10)双聚能预裂与光面爆破综合技术施工必须采用国家专利产品——“双聚能预裂与光面爆破专用装置”进行双聚能预裂(光面)爆破。

4.2 双聚能预裂爆破在坝肩开挖中的实施效果

双聚能预裂爆破在格里桥坝肩开挖实施过程中,得到了水电八局原副总工秦健飞同志(该技术水电八局带头人)的大力支持和指导,取得了优良的效果,坝肩开挖面平整,起伏差小,半孔率高达99%,无爆破振动裂隙;开挖后声波检测结果表明,建基面声波波速满足设计要求,爆破损伤深度小,远低于常规预裂爆破。

5 结 论

(1)双聚能预裂爆破在格里桥大坝坝肩开挖中的成功应用,减少预裂钻孔量 50%以上,减少炸药消耗 40%以上,大大减少了施工单位钻孔设备的投入,大大节约了施工单位的成本,同时,使预裂钻孔施工不再成为影响开挖工期的关键因素,其技术经济效益可观。

(2)双聚能预裂爆破技术充分考虑了岩石耐压怕拉的特点,利用双向聚能装置对爆轰产物的导向作用,实现爆轰能量在设定方向上的集中卸压释放,使炮孔壁对应处产生拉应力集中,实现岩体定向断裂,并相应减少了爆破对非设定方向岩体的破坏,保护了保留岩体的完整性和稳定性,即使对于完整性差的岩体,爆破产生的高能流可以切穿节理、裂隙等软弱面,定向断裂岩体,其半孔率一般也能达到90%以上,大大减小了临时支护的工作量,可推迟进行系统支护,避免了开挖与支护上下交叉作业及支护对开挖的影响,使得开挖工期大大提前。

(3)双聚能装置聚能效果好,能量利用率高,半孔率高,成型效果好,超欠挖岩方少、保留岩体损伤小于常规预裂爆破,其技术经济效益明显,它在格里桥工程的成功应用为该技术推广积累了丰富经验,有非常广阔的应用前景。

(4)为了保证爆破质量,充分发挥双聚能预裂爆破的特点,必须加强布孔、钻孔、装药、爆破等的全过程质量管理,否则将会造成严重的安全、质量事故。