阿旺加措,馮佳佳,劉美山,郭增光,劉天斌,索朗歐珠

(1.西藏大學(xué) a.理學(xué)院;b.工學(xué)院,拉薩 850000；2.三峽集團(tuán) 西藏能源投資有限公司,拉薩 850000；3.中國三峽建設(shè)管理有限公司,成都 610041；4.長江科學(xué)院,武漢 430015；5.西藏地質(zhì)調(diào)查所,拉薩 850000)

白鶴灘水電站壩址位于四川省寧南縣和云南省巧家縣交界的河段；為金沙江下游四個(gè)水電梯級—烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩中的第二個(gè)梯級,下游距離溪洛渡水電站約195 km。白鶴灘水電站的開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主,兼顧防洪,并促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和移民群眾脫貧致富。工程建成后可發(fā)展庫區(qū)航運(yùn)、具有改善下游通航條件和攔沙等綜合效益。電站裝機(jī)容量16000 MW,是我國僅次于三峽電站的第二大水電站。攔河大壩為橢圓線型混凝土雙曲拱壩,最大壩高289 m,壩頂弧長709 m,左右岸各布置8臺100萬千瓦水輪發(fā)電機(jī)組,左右岸引水發(fā)電系統(tǒng)均由進(jìn)水口、壓力管道、主副廠房、主變洞、尾水管檢修閘門室、尾水調(diào)壓室、尾水隧洞、尾水出口及地面出線場組成。

白鶴灘水電站左岸壩肩高程695～585 m出露柱狀節(jié)理玄武巖,柱狀節(jié)理玄武巖主要特征是巖體發(fā)育柱狀體,柱體內(nèi)發(fā)育有微裂隙,在壩肩開挖過程中爆破擾動(dòng)對柱狀節(jié)理玄武巖產(chǎn)生破壞性的影響,從而破壞壩肩穩(wěn)定和大壩安全,為妥善解決壩肩開挖過程中柱狀節(jié)理玄武巖的不利影響,開展了一系列針對性的爆破試驗(yàn)以獲取最優(yōu)爆破參數(shù)?；A(chǔ)開挖爆破采用多種爆破施工工藝,在柱狀節(jié)理玄武巖強(qiáng)卸荷區(qū)域擇優(yōu)選取預(yù)裂爆破與光面爆破；預(yù)裂爆破和光面爆破均是爆破裂隙沿設(shè)計(jì)開挖面開裂的控制爆破方法,基巖面存在地質(zhì)缺陷區(qū)域通常采用預(yù)裂爆破開挖技術(shù),在完整硬質(zhì)巖體的邊坡預(yù)裂爆破開挖中,邊坡開挖平整、美觀、半孔率高。當(dāng)破碎巖體基巖面施工處理不當(dāng)時(shí),經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)邊坡預(yù)裂面破壞,預(yù)裂面超欠挖嚴(yán)重、預(yù)裂面半孔率低、巖體擾動(dòng)等問題。保證破碎巖體邊坡開挖的穩(wěn)定和減少預(yù)裂爆破對建基面穩(wěn)定的危害是爆破施工必須要面對的課題[1]。爆破參數(shù)對預(yù)裂爆破效果產(chǎn)生巨大影響,它主要包括不耦合系數(shù)、炮孔間距等。本次預(yù)裂爆破的參數(shù)設(shè)計(jì)主要是根據(jù)白鶴灘工程的巖體特征和爆破要求,綜合分析并慎重選出比較合理的爆破計(jì)算參數(shù)[2]。通過白鶴灘水電站工程實(shí)際地質(zhì)情況,結(jié)合柱狀節(jié)理玄武巖巖體自身的特點(diǎn),論證優(yōu)化參數(shù)預(yù)裂爆破技術(shù)在白鶴灘水電站建基面施工中的運(yùn)用。

1 白鶴灘玄武巖性狀與特征

白鶴灘水電站壩址主要利用P2β2—P2β6的玄武巖。玄武巖以隱晶玄武巖、杏仁玄武巖及變玄武質(zhì)角礫熔巖為主,巖性堅(jiān)硬,部分巖性段內(nèi)柱狀節(jié)理發(fā)育。各玄武巖層頂分布有厚薄不等的較軟弱的玄武質(zhì)凝灰?guī)r或角礫凝灰?guī)r夾層,下部一般厚0.3～1.7 m。壩址斷裂構(gòu)造較發(fā)育,規(guī)模較大的主要有9條,除F17為NE向外,其余均為NW向。斷層延伸長,但寬度不大,上下盤錯(cuò)動(dòng)不明顯。在各巖流層之間發(fā)育凝灰?guī)r夾層內(nèi),因構(gòu)造應(yīng)力作用,形成寬窄不一、延伸性較好的層間錯(cuò)動(dòng)帶。壩址左岸分布有層間錯(cuò)動(dòng)帶C2、C3-1、C3,右岸分布C2～C11,其中C3-1～C5出露于壩基范圍內(nèi)。壩址兩岸層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶發(fā)育,其中左岸較右岸發(fā)育,其走向以N40～50°E為主,與壩址巖層走向一致,傾角與巖層的傾角基本一致,以15～20°為主,延伸長度一般為150～300 m。壩區(qū)及左右岸均發(fā)育2組陡傾角裂隙,1組緩傾角裂隙。陡傾角裂隙平均方向?yàn)镹35°W和N25～35°E,緩傾角裂隙優(yōu)勢方向?yàn)镹30～50°E,SE∠12～23°,壩址左岸緩傾角裂隙較右岸發(fā)育,如圖1所示。

圖 1 白鶴灘左岸柱狀節(jié)理玄武巖區(qū)構(gòu)造示意(單位：m)

壩址兩岸風(fēng)化卸荷作用較強(qiáng),左岸風(fēng)化、卸荷深度普遍大于右岸[3,4]。左岸強(qiáng)卸荷分布于水平深度為0～109 m,弱卸荷帶水平深度27～183 m,弱風(fēng)化下段下限水平埋深為59～130 m。右岸強(qiáng)卸荷水平深0～70 m,弱卸荷水平埋深29～111 m,弱風(fēng)化下段下限水平埋深為27～115 m。河床弱風(fēng)化下段下限垂直深度20～57.7 m。

表 1 白鶴灘柱狀節(jié)理玄武巖分布及巖性特征

從總體上講,左岸壩肩槽的柱狀節(jié)理玄武巖較右岸發(fā)育,分布范圍為左岸630～595 m,柱狀節(jié)理玄武巖分布有不同斷層、錯(cuò)動(dòng)帶及卸荷裂隙(見圖2),故本文從精細(xì)化爆破開挖方案和減少巖石擾動(dòng)分析。

圖 2 柱狀節(jié)理玄武巖產(chǎn)出及卸荷裂隙構(gòu)造

2 柱狀節(jié)理玄武巖爆破試驗(yàn)

白鶴灘工程壩基柱狀節(jié)理玄武巖分布范圍廣,開挖處理難度大,因此對白鶴灘左岸柱狀節(jié)理玄武巖分布范圍進(jìn)行開挖爆破試驗(yàn),并監(jiān)測爆破對基巖面的損傷,確保爆破試驗(yàn)參數(shù)達(dá)到最優(yōu)效果,最大程度減少爆破對基巖面的損傷。

2.1 試驗(yàn)對象

試驗(yàn)區(qū)域在左岸高程660～580 m柱狀節(jié)理玄武巖區(qū),在左岸高程660 m以下正式進(jìn)入柱狀節(jié)理玄武巖的爆破開挖。柱狀節(jié)理玄武巖的性狀與普通的塊狀隱晶質(zhì)玄武巖存在明顯差別,前期塊狀隱晶質(zhì)玄武巖的爆破參數(shù)已不再適用,因此開展專項(xiàng)爆破試驗(yàn),以確定柱狀節(jié)理玄武巖的爆破參數(shù)。圍繞輪廓爆破方式的選擇以及主體爆破參數(shù)的優(yōu)化[6],開展專項(xiàng)爆破試驗(yàn),試驗(yàn)的規(guī)劃示意如圖3所示。

2.2 爆破施工工藝

建基面開挖主要程序包括：爆破設(shè)計(jì)編制、審批→監(jiān)測巖石物理參數(shù)(壩肩槽上下游面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)測試、聲波檢測)→測量放點(diǎn)→預(yù)裂孔、緩沖孔、主爆孔造孔→檢查造孔質(zhì)量→預(yù)裂孔連接導(dǎo)爆索竹片綁扎間隔裝藥→緩沖孔、主爆孔裝藥→連接延時(shí)非電及導(dǎo)爆管→聯(lián)網(wǎng)準(zhǔn)備→檢查聯(lián)網(wǎng)→起爆→爆后檢查→石方挖掘、裝自卸車→爆后巖石物理參數(shù)監(jiān)測與爆前對比(壩肩槽上下游面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)測試、聲波檢測)[7,8]。

預(yù)裂孔開鉆前,對鉆機(jī)樣架的穩(wěn)定性進(jìn)行檢查,保證每臺鉆機(jī)單機(jī)單架穩(wěn)定牢固。鉆入20 cm時(shí),對傾角和方位做第一次校核調(diào)整；鉆入50 cm時(shí)做第二次校核調(diào)整；鉆入1 m時(shí)做第三次校核調(diào)整,鉆孔完畢后對爆破區(qū)域內(nèi)預(yù)裂孔、緩沖孔和爆破孔的孔深、傾角、方位進(jìn)行驗(yàn)收。在爆區(qū)后沖向布置測點(diǎn)進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測。爆破為5 m保護(hù)層爆破,爆破裝藥結(jié)構(gòu)如圖4、5所示。

2.3 柱狀節(jié)理預(yù)裂爆破與光面爆破試驗(yàn)對比

為了使柱狀節(jié)理玄武巖的爆破參數(shù)控制精確[9],在左岸高程650～645 m壩基中部毗鄰保護(hù)層頂面上下游共40 m長范圍內(nèi)分別進(jìn)行柱狀節(jié)理玄武巖光面爆破和預(yù)裂爆破對比試驗(yàn)。在樁號0+47.6～0+87.9 m區(qū)域開展光面爆破試驗(yàn),樁號0+87.9～0+104.2進(jìn)行預(yù)裂爆破試驗(yàn),試驗(yàn)過程中開展爆破振動(dòng)監(jiān)測及巖體聲波檢測,爆破試驗(yàn)區(qū)域如圖6所示。

圖 3 壩基柱狀節(jié)理爆破試驗(yàn)分區(qū)示意(單位：m)

圖 4 裝藥結(jié)構(gòu)示意(單位：m)

圖 5 爆破起爆網(wǎng)路示意

圖 6 預(yù)裂與光面爆破對比試驗(yàn)區(qū)域(單位：m)

為保證比較變量的唯一性,預(yù)裂爆破和光面爆破采用的鉆爆參數(shù)相同[10,11],基于前期試驗(yàn)爆破積累的經(jīng)驗(yàn),選取的爆破試驗(yàn)區(qū)參數(shù)如表2所列。

通過預(yù)裂爆破與光面爆破的爆破效果對比,結(jié)合相關(guān)物探的測試統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn),考慮爆區(qū)所有爆破孔的作用,光面爆破的振動(dòng)與損傷深度均大于預(yù)裂爆破,光面爆破半孔率略高于預(yù)裂爆破半孔率,超欠挖值及平整度在兩種試驗(yàn)工況下無明顯區(qū)別。實(shí)物效果如圖7所示。見表3。

圖 7 爆破后的LS3319錯(cuò)動(dòng)帶和輪廓面

表 2 左岸高程660～645 m試驗(yàn)區(qū)爆破參數(shù)

表 3 爆破試驗(yàn)區(qū)檢測(監(jiān)測)成果

2.4 柱狀節(jié)理巖體預(yù)裂爆破的優(yōu)化試驗(yàn)

基于上述試驗(yàn)結(jié)果,為獲得更合理的預(yù)裂爆破參數(shù),在高程642～637 m壩基中部毗鄰保護(hù)層頂面上下游共40 m長范圍內(nèi)進(jìn)行柱狀節(jié)理玄武巖兩組預(yù)裂爆破的對比試驗(yàn)[12-15],試驗(yàn)區(qū)域如同第二試驗(yàn)區(qū)圖6所示。

試驗(yàn)預(yù)裂孔間距0.6 m、0.7 m兩種,線密度分別為260 g/m、280 g/m,其它鉆爆參數(shù)相同,詳細(xì)參數(shù)如表4所列。

在試驗(yàn)過程中,詳細(xì)進(jìn)行了爆破振動(dòng)與巖體損傷深度的檢測,表5給出了此次預(yù)裂爆破對比試驗(yàn)的相關(guān)測試指標(biāo)。

表 4 左岸高程642～637 m試驗(yàn)區(qū)爆破參數(shù)

表 5 爆破試驗(yàn)區(qū)檢測(監(jiān)測)成果

2.5 柱狀節(jié)理預(yù)裂爆破的驗(yàn)證試驗(yàn)

預(yù)裂爆破優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果顯示上游試驗(yàn)區(qū)(孔距0.6 m,線密度260 g/m)爆破振動(dòng)與損傷深度較小,半孔率,超欠挖值及平整度在試驗(yàn)工況下效果更好。在高程635～630 m壩基中部毗鄰保護(hù)層頂面上下游共40 m長范圍內(nèi)進(jìn)行柱狀節(jié)理玄武巖預(yù)裂爆破的驗(yàn)證試驗(yàn),試驗(yàn)區(qū)域如同第三試驗(yàn)區(qū)圖6所示。

試驗(yàn)預(yù)裂孔間距0.6 m,線密度分別為260 g/m和240 g/m,其它鉆爆參數(shù)相同,詳細(xì)參數(shù)如表6所列。

表7顯示此次預(yù)裂爆破試驗(yàn)的相關(guān)測試結(jié)果。結(jié)果表明,當(dāng)預(yù)裂孔的孔距為0.6m、線密度為240 g/m時(shí)滿足各項(xiàng)控制標(biāo)準(zhǔn)。

表 6 高程635～630 m試驗(yàn)區(qū)爆破參數(shù)

表 7 高程635～630 m爆破試驗(yàn)區(qū)檢測(或監(jiān)測)成果表

3 爆破物探監(jiān)測

3.1 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)監(jiān)測

在爆區(qū)后沖向沿高程共布置了4個(gè)地表測點(diǎn)(測點(diǎn)編號1#～4#),每個(gè)測點(diǎn)均測試水平徑向、豎直向和水平切向三個(gè)方向的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度,測點(diǎn)布置見圖8。

3.2 監(jiān)測成果

爆破振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)見表8,典型監(jiān)測波形圖見圖9。

圖 8 爆破振動(dòng)測點(diǎn)布置示意(單位：m)

表 8 爆破振動(dòng)監(jiān)測結(jié)果

圖 9 1#測點(diǎn)爆破振動(dòng)監(jiān)測

從實(shí)測資料分析,1#測點(diǎn)位于爆區(qū)中部后沖向,預(yù)裂爆破最大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為3.6 cm/s。

3.3 聲波觀測

本部位為預(yù)裂爆破區(qū),爆前聲波測試,爆后聲波測試,爆前爆后間隔2 d,在預(yù)裂面上部布置兩組聲波測試孔(上、下游各一組,每組三個(gè)孔)及一個(gè)單孔,共8個(gè)孔。上游4個(gè)孔編號為23-S1～23-S3、Z1；下游4個(gè)孔編號為23-X1～23-X3、Z2。設(shè)計(jì)聲波孔垂直于預(yù)裂面,孔徑φ90 mm,孔深入預(yù)裂面基巖面10 m?？孜徊贾靡妶D10。

圖 10 聲波孔布置示意(單位：m)

3.4 聲波測試成果分析

在爆破前后進(jìn)行了單孔及跨孔聲波測試,分析爆破前、后的單孔聲波速度隨孔深的變化曲線,在開挖輪廓面(預(yù)裂爆破面或光面爆破)附近,爆后的聲波速度出現(xiàn)了明顯的下降段,這表明輪廓面附近的爆破導(dǎo)致了該處巖體產(chǎn)生了不同程度的損傷。根據(jù)爆破前、后波速衰減率大于10%損傷閾值的深度確定該處爆破損傷深度[16]。其中跨孔法,因孔位偏差無法接收波形或有效波形,故沒做統(tǒng)計(jì)。各測線孔深-波速關(guān)系曲線見附圖11,聲波測試數(shù)據(jù)見表9。

圖 11 上、下游跨孔爆前爆后波速對比曲線

表 9 左岸壩肩槽邊坡爆破前、后巖體聲波檢測統(tǒng)計(jì)

4 試驗(yàn)分析探討

(1)從預(yù)裂爆破與光面爆破的作用機(jī)理角度分析,光面爆破試驗(yàn)效果較差原因可能有以下方面：①開挖面分別依次受到前緣主爆孔、緩沖孔、光爆孔的爆破疊加作用影響,導(dǎo)致爆破振動(dòng)和損傷深度偏大,尤其是靠近光爆孔的緩沖孔影響尤為明顯；②光面爆破開挖方式未提前形成預(yù)裂縫,預(yù)裂縫的隔振作用消失,導(dǎo)致爆破控制效果略差。

基于試驗(yàn)結(jié)果,工程參建各方通過分析后明確：不再進(jìn)行光面爆破試驗(yàn),進(jìn)一步研究柱狀節(jié)理玄武巖預(yù)裂爆破參數(shù),主要針對預(yù)裂爆破參數(shù)的優(yōu)化展開研究。

(2)優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果表明,采用線裝藥密度280 g/m、孔距0.7 m的預(yù)裂爆破爆破損傷深度偏大,線裝藥密度260 g/m、間距0.6 m條件下的預(yù)裂爆破檢測成果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。確定線裝藥密度260 g/m、間距0.6 m的預(yù)裂爆破的驗(yàn)證試驗(yàn),同時(shí)探尋減小預(yù)裂孔線裝藥密度的可行性。

(3)根據(jù)物探監(jiān)測分析表明,在嚴(yán)格控制爆破參數(shù)前提下,開挖爆破輪廓區(qū)附近巖體仍受到不同程度的損傷,但損傷深度范圍在基巖淺部0.9 m范圍內(nèi)最強(qiáng),隨著基巖面深度增加損傷逐漸減小,基巖面2 m以下未受到明顯的爆破損傷。

(4)基于以上試驗(yàn)結(jié)果,柱狀節(jié)理開挖區(qū)域預(yù)裂孔的核心爆破參數(shù)選定：孔距0.6 m、線密度為240 g/m。綜合以上多次試驗(yàn),推薦的柱狀節(jié)理玄武巖爆破參數(shù)如下,孔位參數(shù)如表10所示。

表 10 柱狀節(jié)理玄武巖爆破參數(shù)

5 結(jié)論

(1)白鶴灘壩址區(qū)域巖體較為復(fù)雜,主要為峨眉山玄武巖出露區(qū)域,其周圍分布大斷層及錯(cuò)動(dòng)帶,其中位于壩肩部位的柱狀節(jié)理玄武巖具有節(jié)理面多、開挖后表面快速卸荷,易破碎特征,由于此類巖體對開挖爆破較為敏感而直接影響整個(gè)壩肩穩(wěn)定及開挖過程,因此對此類巖體的連續(xù)開挖需要開展爆破試驗(yàn)確定精確最優(yōu)爆破參數(shù)。

(2)通過數(shù)次試驗(yàn)分析表明,爆破過程中根據(jù)柱狀節(jié)理玄武巖巖性特征結(jié)合質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度、聲波等物探手段實(shí)時(shí)監(jiān)測巖體松弛的特征及變化,并針對監(jiān)測數(shù)據(jù)分析來精確控制爆破參數(shù),可以有效降低松弛巖體損傷,為壩肩開挖進(jìn)度和質(zhì)量提供技術(shù)保障。