精细爆破技术探讨与应用研究

王明新，刘治峰，张学东，李益铭

(1.新兴铸管股份公司，河北邯郸056038;2.河北省水利厅工程局，河北石家庄050021;3.河北工程大学 土木学院，河北 邯郸056038)

近年来，在大型病险水库的除险加固施工中，涉及到溢洪道开挖、爆破石渣综合利用填筑坝体、高边坡稳定、闸室快速安全拆除、周边环境复杂等问题，对爆破开挖提出了极高的技术要求，必须采用控制爆破技术，正确的进行爆破方案设计，合理选择爆破参数，严格过程管理，加强科学的监测与评估，将爆破作业全过程进行精细化管理与控制。本文以河北省某水库除险加固爆破施工为例，浅谈“精细爆破”的理念与技术体系。

1 工程概况

此水库位于河北省保定市曲阳县境内大清河南支沙河上游，控制流域面积3 770 km2，水库总库容13.89亿m3。除险加固的主要工程项目有:溢洪道扩挖、原溢洪道闸室拆除、拦河坝加高培厚堆石填筑。下游坝坡加高培厚的填筑石料取自溢洪道扩挖的弱风化岩石，将工程开挖与石料开采相结合，节约生产成本，加快工程进度，有利于自然环境保护。此水库大坝因其防洪护坝的要求低、拦河坝下游的坡度过陡、水库设备老化等被确定为“三类坝”，现必须对其拆除与加固。

2 石方开挖爆破块度分布预报系统的建立

2.1 块度分布预报系统建立的必要性

此水库大坝下游坡堆石填筑全长1 281 m，最大填筑宽度32.0 m，填筑石料要求采用溢洪道扩挖的弱风化及以下爆破石碴，全、强风化石料不允许上坝。设计要求填筑石料有较好的级配，最大块径不大于0.8 m，土、石粉等粒径小于0.1 mm的颗粒含量不超过5%，填筑体碾压后堆石孔隙率小于25%，干容重应不小于20 kN/m3。且石碴应有连续级配，以利于振动压实，减小后期沉降量。按设计要求，不能满足填筑要求的爆破石渣将被作为弃料。这样，若不能很好控制溢洪道开挖石渣块度及级配，将造成弃料增多，甚至造成填筑料不足问题。若采取对不合格石渣二次处理或外购石渣措施满足大坝填筑需要的话，工程成本势必成倍上升。这就促使我们在溢洪道扩挖爆破施工中建立块度分布预报系统，满足工程建设需要。

2.2 溢洪道扩挖爆破块度分布预报系统的建立

2.2.1 爆破块度分布模型的选取

结合现场实际条件，采用Kuz－Ram模型预估爆破堆石料块度分布。

Kuz－Ram模型是南非人C.Cunningham在苏联人V.E.Kuznetsov研究的基础上提出的。V.E.Kuznetsov提出了表达爆破平均块度X与爆破能量和岩石特性的经验方程(式1)，C.Cunningham认为爆破块度分布服从Rosin－Rammler(R－R)分布函数(式2)，R－R分布函数由下式表达，它包含石料特征尺寸x0和块度分布不均匀指数n两个变量，Kuz－Ram模型给出的n值算法(式3)。

式中，X为平均粒径，即筛余累积为50%的块度尺寸，单位:cm;A0为岩石系数，中硬岩石取A0=10，坚硬岩石，节理不发育岩石取A0=14;q为炸药单耗药量，单位:kg/m3;Q为单孔装药量，单位:kg;E为炸药相对威力，TNT炸药取E=120，2#岩石铵锑炸药取E=110，铵油炸药取E=85;R为小于某一粒径的百分比;x为石料粒径;x0为特征粒径，即筛余累积率为63.21%的块度尺寸，单位:cm;n为块度均匀性系数;W为最小抵抗线，单位:m;d为炮孔直径，单位:mm;e为钻孔精度标准差，单位:m;m为间距系数，m=a/W，a为孔距;L为为不计超钻部分的装药长度;H为爆破梯段高度，单位:m。

由公式可知，在所有影响爆破石渣块度分布的因素中，炮孔直径d，台阶高度H，一经确定，变化不大，影响不均匀性系数的因素主要包括炸药单耗q，最小抵抗线W，间距系数m，钻孔精度e，和装药量长度L。

2.2.2 Kuz－ Ram 模型的修正系数

修正后的Kuz－Ram模型为:

爆破试验或实际生产中进行的石料筛分试验可以得到两个参数即:筛余为50%的颗粒粒径d50和筛分曲线中由d50推算出的实际块度分布均匀性指标n。，这两个参数就是现场实测的X和n，则有平均块度和块度均匀性指标修正系数:

2.2.3 爆破块度现场筛分资料统计

在溢洪道进行爆破试验后，取样进行了爆破石料的筛分实验，结果见表1。

根据筛分试验数据绘制的爆破块度分布曲线(图1)。曲线中筛分1、筛分2、筛分3分别为爆破试验中的实际块度分布曲线，由图中可以查出d50，并计算出不均匀系数Cu、曲率系数Cc和块度不均匀系数n0(见表2)，三组筛分结果不均匀系数Cu＞5，曲率系数Cc在1～3之间，级配良好，爆破石料满足堆石填筑工程要求。由d60、d30、d10，可以得到级配曲线的不均匀系数Cu=d60/d10和曲率系数Cc=d30/d60×d10。

表1溢洪道爆破石料筛分统计Tab.1 Spillway blasting stone screening statistics

表2溢洪道爆破石料块度及块度分布情况Tab.2 Spillway blasting stone fragmentation and fragmentation distribution

2.2.4 试验所得参数修正后的Kuz－Ram模型

此水库溢洪道进行的堆石料开采爆破试验所得的Cu和Cc显示爆破块度满足优良级配的范围，平均块度d50和不均匀性指标n0取三组筛分结果的平均值，d50=26.22 cm，n0=0.99，将其与计算的平均块度和块度分布不均匀性指标进行比较，作为确定K1和K2计算的依据。根据式7、8分别计算修正系数K1、K2:

修正后的爆破块度预报模型见式9、10、11:从图1可以看出，修正后的Kuz－Ram模型预估爆破块度曲线筛余在20～80%的范围内与现场筛分结果是基本吻合的，Cu=8.63，Cc=1.3，预估块度在优良级配范围内。

2.3 利用块度分布预报系统对设计参数的调整

2.3.1 需调整的设计参数

根据块度分布模型可知，在岩石开采试验中，大于800 mm的颗粒(石块)含量约为10%，爆破试验梯段高度为7.5 m，由于受溢洪道边坡设计马道影响，梯段高度多为10～15m，在单耗不变的情况下，单孔装药量将增加至53～79 kg，是试验装药量的1.5～2倍，用爆破块度分布模型预测，大于800 mm的颗粒(石块)含量约为18% ～23%，即将有18%～23%的爆破堆石因粒径过大而作为弃料。

2.3.2 设计参数调整的分析方法

在矿山石料开采中，为充分利用料场石料，一般控制允许大块率为3%，则X97可表示为:

为降低X97，可以采用降低爆破块度X和增加不均匀性指标n的方法，由前面计算知道，n值变化范围小(在1附近)，X变化范围大，X与X97是线性函数，而n与X97是幂函数，X变化对X97的影响比n快速;由式(10)知，增加单耗q和调整单孔装药量Q可以降低爆破块度X;由式(11)知，为增加不均匀性指标n，可以采用增加L、m、d和降低H、W等方法，H和d受爆破区开挖尺寸和钻孔设备的制约，不易变化;增加L和调整Q表明，采用间隔装药、不耦合装药或炸药上面加空气柱等可以降低X97。按上述方法，为有效降低大块率，控制大于800 mm的颗粒(石块)含量不宜超过15%

3 溢洪道原闸室爆破拆除

3.1 原闸室概况

此水库溢洪道原闸室由高堰、低堰及底孔三部分组成，最大泄洪能力为14 636 m3/s。溢洪道原闸室平面图见图3。

3.2 拆除工程的特点和要求

(1)闸墩形状特殊，上小下大，结构复杂。

(2)闸墩四周自上而下密布一层钢筋网。

(3)墩体中有方形窗、气孔、闸门槽等结构物。

3.3 安全防护

为严格控制个别爆破飞石逸出，确保闸室上游100余米处11万伏高压线的安全，对闸墩爆破体上游进行Ⅰ级防护，采用两层草帘、一层尼龙网防护，从墩顶垂到墩底。闸墩与桥面炮孔上表面均进行覆盖。

4 结论

因爆破拆除方案设计合理、参数选择正确、防护与预处理措施得当，溢洪道复杂结构的闸室得以快速安全顺利地拆除。周围水工建筑物和高压线均安然无恙。

［1］Cunningham.预估爆破破碎的Kuz－ram 模型［C］.长沙岩石力学技术公司编译.//第一届爆破破岩国际会议论文集.

［2］刘治峰，张戈平.大型病险水库除险加固控制爆破技术［M］.北京:中国水利水电出版社，2011.

［3］吴新霞，彭朝辉，张正宇.Kuz－ram模型在堆石坝级配开采爆破中的应用［J］.长江科学院院报，1998，15(4):39－41.

［4］胡子建，周勇，朱建群，等.隧道开挖过程中软弱围岩的爆破技术研究［J］.河北工程大学学报:自然科学版，2012，29(3):73 －76.

［5］王民寿，蒋晓明，隆文非，等.修正Kuz－ram模型预报爆破堆石料块度［J］.四川水力发电，1999，18(4):77－80.

［6］冯海暴，郭明章，邹崇焰.破碎围岩半裸露型隧道洞口进洞方法探讨［J］.河北工程大学学报:自然科学版，2010，27(1):85 －87.