劉立強(qiáng)

(雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，成都，610051)

0 引言

在水電工程建設(shè)中，混凝土壩是最廣泛采用的壩型，其中拱壩比例占80%，遠(yuǎn)超其他壩型[1]。拱壩壩基邊坡巖體的穩(wěn)定性和安全性是水電項(xiàng)目建設(shè)中首先需要考慮的問(wèn)題，關(guān)系著工程建設(shè)和長(zhǎng)期運(yùn)行的安全，更與下游民眾的生命財(cái)產(chǎn)安全息息相關(guān)。

我國(guó)的拱壩具有壩體高河谷寬、水平推力大、壩址所處的地質(zhì)條件復(fù)雜、壩基處理難度大、河谷深切邊坡陡峭、開(kāi)挖支護(hù)量大等特點(diǎn)，并且由于高拱壩、特高拱壩規(guī)模大，因此，對(duì)基礎(chǔ)條件、結(jié)構(gòu)安全等的控制有嚴(yán)格要求，尤其對(duì)承受水平推力的兩岸山體基巖穩(wěn)定性要求高。然而，由于為拱座提供反力的對(duì)象是天然巖體，受到各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)面如斷層、軟弱帶、節(jié)理裂隙等切割和巖體開(kāi)挖卸荷作用，從而面臨著復(fù)雜的地質(zhì)問(wèn)題。不良地質(zhì)條件下的拱壩拱肩槽邊坡開(kāi)挖穩(wěn)定性是眾多拱壩建設(shè)過(guò)程中所面臨的重大挑戰(zhàn)，是亟待解決的工程難點(diǎn)。

1 項(xiàng)目概況

楊房溝水電站位于雅礱江中游河段上，電站為Ⅰ等工程，工程規(guī)模為大(1)型。擋水建筑物采用混凝土雙曲拱壩，壩頂高程2102.00m，最大壩高155.00m，拱冠梁頂寬9m，底寬32m，厚高比0.206，最大拱端厚度34.90m。電站裝機(jī)容量1500MW。

楊房溝水電站壩址區(qū)斷層發(fā)育，共發(fā)育3條Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)面，59條Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面，465條Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)面[2]，主要以走向NNE、NEE～EW、NWW向中陡傾角為主，緩傾角結(jié)構(gòu)面較少發(fā)育。斷層寬一般0.02m～0.5m，帶內(nèi)一般為碎塊巖、巖屑夾泥質(zhì)、鈣質(zhì)等，面多見(jiàn)擦痕及褐黃色鐵錳質(zhì)渲染[3]。電站拱肩槽邊坡斷層、擠壓帶和裂隙發(fā)育，以左岸壩肩槽上游側(cè)邊坡為例，高程2101.85m～2000m段就發(fā)育有45條斷層、56條擠壓帶和1條裂隙，其中f27大規(guī)模斷層自上游側(cè)邊坡貫穿整個(gè)壩肩槽，且斷層走向與工程邊坡小角度相交，斷層傾角55°～60°，小于工程邊坡開(kāi)挖坡角，對(duì)邊坡局部穩(wěn)定極為不利[2]。隨著邊坡開(kāi)挖，邊坡巖體應(yīng)力進(jìn)行調(diào)整，逐漸出現(xiàn)卸荷松弛變形。截至2018年5月底，左岸壩頂卸料平臺(tái)混凝土面上共分布有14條裂縫，其中有8條裂縫(L1～L6、L12～L13)斜穿f27斷層附近發(fā)育，4條裂縫(L7、L11、L14、L15)位于平臺(tái)中、下游側(cè)，L18為混凝土分縫部位裂縫，L19位于平臺(tái)上游側(cè)邊緣。初步分析裂縫主要受左岸拱肩槽上游自然邊坡發(fā)育的不利塊體KZ140松弛剪切變形所致(如圖1)。壩區(qū)巖體如此復(fù)雜的地質(zhì)條件和巖體變形顯著增大給壩肩槽邊坡穩(wěn)定性帶來(lái)了極大地挑戰(zhàn)，也給開(kāi)挖爆破控制工作提出了更高的要求。

圖1 左岸拱肩槽上游自然邊坡高程2092m～2102m發(fā)育不利塊體KZ140

2 研究目標(biāo)及內(nèi)容

2.1 研究目標(biāo)

以楊房溝水電站為工程依托，通過(guò)理論研究、地質(zhì)調(diào)查、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和工程應(yīng)用等相結(jié)合，研究斷層發(fā)育巖體壩基開(kāi)挖爆破關(guān)鍵技術(shù)，為確保拱肩槽邊坡和壩基巖體穩(wěn)定提供理論和工程技術(shù)保障。

2.2 研究?jī)?nèi)容

通過(guò)理論研究、地質(zhì)勘察、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與監(jiān)測(cè)等方式開(kāi)展研究，主要研究?jī)?nèi)容:針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下的壩基開(kāi)挖質(zhì)量控制難的特點(diǎn)，研究采用工業(yè)電子雷管高精準(zhǔn)延時(shí)的施工預(yù)裂＋結(jié)構(gòu)預(yù)裂開(kāi)挖方法，并以工程應(yīng)用和現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)、聲波檢測(cè)、邊坡變形監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià)壩基開(kāi)挖措施的效果。

3 精準(zhǔn)延時(shí)預(yù)裂控制爆破相關(guān)技術(shù)

3.1 爆破前的準(zhǔn)備

為了了解爆破影響范圍內(nèi)需重點(diǎn)保護(hù)的建筑物及其附屬建筑物的實(shí)際情況[4]，相關(guān)參建單位對(duì)影響范圍內(nèi)的建筑物、生產(chǎn)及生活設(shè)施開(kāi)展了詳細(xì)調(diào)查，并采取了必要的保護(hù)措施。

3.2 爆破設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)建(構(gòu))筑物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、地質(zhì)條件、質(zhì)量要求和開(kāi)挖爆破工藝試驗(yàn)結(jié)論，選擇最佳的控制爆破參數(shù)，如選取最佳的分層、分塊、掘進(jìn)方向、保護(hù)層厚度、孔深、孔徑、孔距、孔向、排距等。同時(shí)選用合適的炸藥品種、合理的裝藥聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)和起爆方式，使每排炮開(kāi)挖爆破形體與設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)線高度吻合，提高開(kāi)挖爆破成型質(zhì)量。楊房溝拱肩槽邊坡開(kāi)挖由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，開(kāi)挖爆破施工對(duì)爆破參數(shù)的要求很高，通過(guò)一系列的科學(xué)試驗(yàn)對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行了研究分析。采用臨近槽坡面部位預(yù)留保護(hù)區(qū)方式，預(yù)留保護(hù)區(qū)厚度按照10m(1排緩沖孔、2～3排主爆孔)左右進(jìn)行控制。瘦身區(qū)爆破孔開(kāi)挖布置5排孔[5]，對(duì)臨近保護(hù)區(qū)內(nèi)側(cè)的一排爆破孔，其造孔、裝藥按照近似于光面爆破控制[6]。其中左岸高程2101.85m～1947m壩基開(kāi)挖爆破參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 爆破常規(guī)參數(shù)

3.3 工業(yè)電子雷管與普通導(dǎo)爆管雷管對(duì)比

在爆破網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)上，若利用工業(yè)電子雷管，則技術(shù)上可實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)的延時(shí)起爆，有效降低爆破振動(dòng)，在不同的巖石環(huán)境，能夠方便快捷地調(diào)整起爆順序和延時(shí)，改善爆破效果[7]。

3.3.1 普通導(dǎo)爆管雷管爆破實(shí)例

2017年12月7日左岸拱肩槽高程2102m～2090m開(kāi)挖爆破，緩沖孔、主爆孔孔內(nèi)雷管均為MS19非電雷管延時(shí)，孔外段間延時(shí)雷管為MS3、MS5、MS7、MS11。由監(jiān)測(cè)波形可以看出主爆孔爆破1650ms～1800ms時(shí)間段存在相鄰段位波形疊加，導(dǎo)致振動(dòng)增強(qiáng)，推測(cè)有2次重段現(xiàn)象，最大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度超標(biāo)。其監(jiān)測(cè)波形見(jiàn)圖2。

圖2 左岸拱肩槽高程2102m～2090m開(kāi)挖爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)波形

2017年12月15日左岸拱肩槽高程2090m～2080m開(kāi)挖爆破，緩沖孔、主爆孔孔內(nèi)雷管分別為MS19、MS18、MS17、MS16，孔外段間延時(shí)雷管為MS3、MS5、MS9。由監(jiān)測(cè)波形可以看出主爆孔爆破1800ms～1900ms時(shí)間段段位分割不清晰，存在相鄰段波峰相互疊加導(dǎo)致的振動(dòng)加強(qiáng)現(xiàn)象，最大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度亦出現(xiàn)在該區(qū)間內(nèi)。其監(jiān)測(cè)波形見(jiàn)圖3。

圖3 左岸拱肩槽高程2090m～2080m開(kāi)挖爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)波形

3.3.2 工業(yè)電子雷管爆破實(shí)例

2018年7月26日右岸拱肩槽高程1970m～1960m開(kāi)挖爆破。由監(jiān)測(cè)波形可以看出，各段位振動(dòng)速度分布較均衡，段位分隔清晰，無(wú)明顯重段導(dǎo)致的疊加。其監(jiān)測(cè)波形見(jiàn)圖4。

圖4 右岸拱肩槽高程1970m～1960m開(kāi)挖爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)波形

2018年8月17日左岸拱肩槽高程1990m～1980m開(kāi)挖爆破。由監(jiān)測(cè)波形可以看出，振動(dòng)速度峰值為發(fā)生在預(yù)裂爆破時(shí)間段，預(yù)裂效果良好，主爆孔振動(dòng)速度降低明顯。其監(jiān)測(cè)波形見(jiàn)圖5。

圖5 左岸拱肩槽高程1990m～1980m開(kāi)挖爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)波形

2018年9月28日左岸拱肩槽高程1950m～1946.5m開(kāi)挖爆破。由監(jiān)測(cè)波形可以看出主爆孔段位分隔清晰，主振波無(wú)重段導(dǎo)致的疊加。其監(jiān)測(cè)波形見(jiàn)圖6。

圖6 左岸拱肩槽高程1950m～1946.5m開(kāi)挖爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)波形

3.3.3 結(jié)論

工業(yè)電子雷管與普通導(dǎo)爆管雷管相比，段位間延時(shí)更加精確，能有效減少重段現(xiàn)象發(fā)生，從而使爆破網(wǎng)絡(luò)更符合原設(shè)計(jì)理念，也使得爆破網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化更能落在實(shí)處。

3.4 爆破工作主要施工程序

施工鉆爆作業(yè)必須嚴(yán)格按照爆破參數(shù)要求進(jìn)行，局部地質(zhì)條件較差的區(qū)域，鉆爆參數(shù)可做微調(diào)[8]，但必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的審批制度。

爆破施工必須嚴(yán)格按施工方案程序進(jìn)行。對(duì)布孔、測(cè)量放線、樣架搭設(shè)、鉆孔等各個(gè)環(huán)節(jié)驗(yàn)收合格后方可進(jìn)入下一程序，確?？讖?、孔深、孔向等指標(biāo)滿足質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，這也是實(shí)現(xiàn)爆破效果的保障。

3.5 爆破施工主要技術(shù)要求

(1)爆破網(wǎng)絡(luò)根據(jù)監(jiān)理工程師批復(fù)的實(shí)施爆破設(shè)計(jì)實(shí)施，采取孔內(nèi)相同高段位的雷管延時(shí)、孔外低段位雷管接力的微差爆破網(wǎng)絡(luò)，能實(shí)現(xiàn)均勻的分段時(shí)差。

(2)控制爆破:在開(kāi)挖邊坡建基面采用預(yù)裂爆破減少爆轟波對(duì)開(kāi)挖邊坡的影響、梯段爆破控制單響藥量等控制爆破措施，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度均不得大于安全質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。降低段藥量是控制爆破振動(dòng)最直接、有效的措施；改變最小抵抗線W的方向:根據(jù)力學(xué)原理分析，在地質(zhì)、地形條件及爆破參數(shù)相同的條件下，振動(dòng)作用最強(qiáng)烈的方向是最小抵抗線W的后方，兩側(cè)面較小，所以最好采用斜線或V形起爆方案[9－12]；合理選擇各段起爆時(shí)間間隔:完整的單段爆破地震波形應(yīng)包括初震相、主震相和余震相，主震相周期一般為50ms～100ms。為避免后一段爆破產(chǎn)生的地震波與前一段地震波相疊加而加強(qiáng)，兩段起爆時(shí)間間隔Δt應(yīng)有所控制，宜使Δt≥100ms。

(3)填塞是保證爆破成功的重要環(huán)節(jié)之一，深孔、淺孔爆破裝藥后必須保證足夠的填塞長(zhǎng)度和填塞質(zhì)量，禁止使用無(wú)填塞爆破[13]；深孔爆破使用孔邊鉆屑或細(xì)石料填塞，淺孔爆破使用炮泥填塞；分層間隔裝藥應(yīng)注意間隔填塞段的位置和填塞長(zhǎng)度，保證間隔藥包到位。

(4)按規(guī)定開(kāi)展爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)指導(dǎo)后續(xù)爆破作業(yè)。

(5)爆破作業(yè)，以及爆破器材的管理、加工、運(yùn)輸、檢驗(yàn)和銷毀等工作均應(yīng)按照國(guó)家現(xiàn)行的?爆破安全規(guī)程?執(zhí)行。

3.6 爆破管理體系主要要求

建立嚴(yán)格控制開(kāi)挖質(zhì)量、安全、環(huán)保、進(jìn)度的精細(xì)化管理體系:組織成立了楊房溝水電站大壩建基面爆破開(kāi)挖質(zhì)量控制和驗(yàn)收領(lǐng)導(dǎo)小組和工作小組，建立和不斷完善了建基面爆破開(kāi)挖質(zhì)量管理制度體系，建基面開(kāi)挖按照“一炮一地質(zhì)預(yù)報(bào)、一炮一總結(jié)、一炮一改進(jìn)、一炮一動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)”，確保爆破參數(shù)和爆破網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)當(dāng)前地質(zhì)情況，為最優(yōu)爆破設(shè)計(jì)，控制爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度滿足設(shè)計(jì)要求，控制爆破影響深度最小。除EPC總承包部自行進(jìn)行爆破監(jiān)測(cè)和物探工作外，業(yè)主還引進(jìn)第三方監(jiān)測(cè)單位和總包監(jiān)測(cè)人員同時(shí)進(jìn)行爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)、物探工作，并對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)大壩建基面開(kāi)挖提供技術(shù)支持和爆破參數(shù)優(yōu)化指導(dǎo)。

3.7 爆破前后邊坡變形數(shù)據(jù)對(duì)比分析

拱肩槽開(kāi)挖至2000m高程以后，對(duì)開(kāi)挖爆破反應(yīng)較為敏感的是左岸拱肩槽高程2005m、布置在f27斷層的一套多點(diǎn)位移計(jì)Mbj－3－1(7月取得初值，詳見(jiàn)表2，圖7)。通過(guò)對(duì)爆破后的位移增量監(jiān)測(cè)顯示，除了在2018年7月20日、2018年7月24日爆破后位移測(cè)值增量超過(guò)1mm(最大增量1.57mm)外，其余監(jiān)測(cè)測(cè)次位移增量均在1mm以內(nèi)，且有占比80.95%測(cè)次的位移增量在0.5mm以內(nèi)，與之前相比開(kāi)裂速度有顯著減小，說(shuō)明爆破對(duì)f27變形影響基本不大，控制爆破取得了成功。

圖7 左岸拱肩槽Mbj－3－1多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)值過(guò)程線

表2 左岸拱肩槽Mbj－3－1多點(diǎn)位移計(jì)爆破后測(cè)值統(tǒng)計(jì)

3.8 爆破開(kāi)挖效果評(píng)價(jià)

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，邊坡開(kāi)挖最大超挖≤18cm，最大欠挖≤8cm，開(kāi)挖巖面外觀輪廓清晰平整，不平整度≤10cm，孔留孔平直呈直線順接，且與相鄰孔平行，半孔率≥90%，殘留孔壁面沒(méi)有明顯爆破裂隙，無(wú)松動(dòng)巖塊，詳見(jiàn)表3、圖8。

表3 拱肩槽邊坡開(kāi)挖質(zhì)量評(píng)價(jià)明細(xì)(部分)

圖8 左岸壩肩槽開(kāi)挖效果

4 研究成效

(1)通過(guò)采用工業(yè)電子雷管精準(zhǔn)延時(shí)預(yù)裂控制爆破施工技術(shù)后，對(duì)左岸高程2000m以下和拱肩槽邊坡整體開(kāi)挖質(zhì)量進(jìn)行比對(duì)、分析，左岸高程2000m以下的超欠挖、半孔率、平直度、不平整度等開(kāi)挖質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)均有較明顯的提升。

(2)在工程組合結(jié)構(gòu)面開(kāi)挖利用在線可編程的工業(yè)電子雷管爆破開(kāi)挖技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)延時(shí)控制爆破，有效降低了不良地質(zhì)體施工的安全、質(zhì)量、進(jìn)度及成本風(fēng)險(xiǎn)。主要體現(xiàn)為:

①工業(yè)電子雷管內(nèi)的電子控制模塊配置有先進(jìn)的數(shù)碼控制技術(shù)，因此，雷管在起爆控制中，可發(fā)揮延時(shí)控制和能量控制優(yōu)勢(shì)，大大降低了爆破開(kāi)挖對(duì)壩體基礎(chǔ)面的損傷，爆破控制質(zhì)量得到提高；

②工業(yè)電子雷管中數(shù)碼控制技術(shù)還配置有獨(dú)特的身份信息碼和起爆密碼，且爆破振動(dòng)小，減小了對(duì)爆破區(qū)及周邊環(huán)境的擾動(dòng)，開(kāi)挖爆破安全風(fēng)險(xiǎn)有效降低；

③工業(yè)電子雷管的數(shù)碼控制技術(shù)還具有對(duì)其自身性能以及技術(shù)指標(biāo)等狀況開(kāi)展自動(dòng)測(cè)試的功能，并通過(guò)通信模塊實(shí)現(xiàn)起爆系統(tǒng)與外部控制設(shè)備的信息聯(lián)絡(luò)，這些功能使爆破整體控制效果得到改進(jìn)；

④通過(guò)驗(yàn)證，在電子雷管的技術(shù)支持下，可以實(shí)現(xiàn)微差爆破，較傳統(tǒng)的雷管起爆技術(shù)而言，可以顯著地改善爆破塊度、滿足爆破、挖裝、運(yùn)輸效率的最優(yōu)化，提高炸藥利用率和爆堆松散度，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確開(kāi)挖，效率明顯提高，綜合成本得到有效控制。

(3)在重要部位或不良地質(zhì)巖體開(kāi)挖爆破，建立精細(xì)化管理體系，嚴(yán)格按照技術(shù)要求開(kāi)展爆破作業(yè)，并引進(jìn)物探監(jiān)測(cè)單位對(duì)爆破作業(yè)實(shí)時(shí)跟蹤、評(píng)價(jià)、指導(dǎo)，是大范圍爆破成功實(shí)施和達(dá)到爆破效果的必要條件。

5 結(jié)論

高拱壩對(duì)壩基巖體質(zhì)量要求甚高，壩基巖體的穩(wěn)定性是拱壩建設(shè)面臨的重點(diǎn)和難點(diǎn)，而巖體的不連續(xù)性往往發(fā)育有局部不良地質(zhì)體甚至整體地質(zhì)條件差，前期的地質(zhì)勘探不全面，地質(zhì)條件自身的復(fù)雜性，壩址選擇的多方考量，往往導(dǎo)致壩基難以避免遇到地質(zhì)處理問(wèn)題。楊房溝水電站參建各方通過(guò)研究，選用工業(yè)電子雷管起爆網(wǎng)絡(luò)的爆破方式，并加以嚴(yán)格落實(shí)施工程序、精細(xì)化管理控制、物探監(jiān)測(cè)及時(shí)指導(dǎo)等措施，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)延時(shí)施爆、有效地控制爆破振動(dòng)，壩基巖體開(kāi)挖質(zhì)量得到大幅提升、建基面巖體得到有效保護(hù)的目標(biāo)。該技術(shù)相關(guān)內(nèi)容對(duì)類似爆破工程具有一定的借鑒意義。