高砾石土心墙坝硬岩过渡料精细爆破法开采研究

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(1.中国电建集团 成都勘测设计研究院有限公司,成都 610072;

2.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室,武汉 430010)

1 研究背景

土石坝因其对基础条件有良好的适应性，能就地取材、能充分利用建筑物开挖料及造价较低等优点，是世界各国广泛采用的坝型[1]。过渡料对坝体的变形协调至关重要，通常可通过料场爆破开采、利用洞挖料、当地石材加工而获得。目前对土石坝过渡料爆破开采系统的试验研究较少，国内对混凝土面板堆石坝的过渡料有一些试验和研究成果，如洪家渡、天生桥一级等，分析得出了适合工程特点的合理爆破参数、装药结构、起爆方式和起爆程序[2-3]，水布垭采用超大孔径梯段爆破取得令人满意的效果[4]。国内已建的高土心墙堆石坝一般采用洞挖料或当地石材加工料作为过渡料，如瀑布沟采用适合的洞挖料作为过渡料，小浪底采用当地材料加工而成，而利用爆破开采系统获取土心墙坝过渡料的试验研究则很少。

根据Kuz-Ram模型，爆破参数与平均块度尺寸及岩石性能等有关，由于砾石土心墙堆石坝过渡料的平均块度(d50=55～15mm)较面板堆石坝(d50=80～50 mm)小，爆破开采难度较大，当料源为花岗岩等硬岩时，爆破开采难度更大，孔网参数误差以及堵塞长度等变化，均可能导致平均块度增大，所以，高砾石土心墙堆石坝过渡料开采应采用精细爆破法施工，即定量设计，精心施工，实时监控，科学管理。

2 料源概述和设计技术要求

长河坝水电站系大渡河干流水电规划“3库22级”的第10级电站，工程主要任务为发电，电站总装机容量2 600 MW。拦河砾石土心墙堆石坝最大坝高240 m，坝基河床覆盖层厚度60～70 m，工程场地地震基本烈度为Ⅷ度。因洞挖料用来进行混凝土骨料加工，经料源规划，过渡料从上游响水沟及下游江咀石料场爆破开采获得。

本文结合长河坝水电站花岗岩和石英闪长岩过渡料爆破开采，分析高砾石土心墙堆石坝硬岩过渡料精细爆破法开采的可行性。

2.1 料场概述

响水沟料场料源岩性为为花岗岩，岩石弱-微风化，岩体卸荷较强烈，强卸荷水平深度为46 m，弱风化、弱卸荷水平深度90 m，以里为微新岩体，饱和湿抗压强度94.5～120.0 MPa，软化系数0.74～0.78，天然密度2.61～2.99 g/cm3。江咀料场料源岩性为石英闪长岩，岩石饱和湿抗压强度76.4～131 MPa，软化系数0.77～0.87，天然密度2.70～2.89 g/cm3。料场表部岩体卸荷较强烈，临近沟床下部强卸荷水平深度约35～40 m，弱卸荷水平深度约80 m，卸荷深度随高程增加而增加。岩体风化作用相对微弱，表部岩体多以弱风化为主，其深度大致和强卸荷一致。

2.2 设计技术要求

过渡料在反滤料和堆石料中同时起到渗流过渡(保护反滤料)及力学过渡的作用。过渡料级配要求连续良好，最大粒径≤400 mm，<0.075 mm的颗粒含量不宜超过5 %；<5 mm的颗粒含量为5 %～25 %，d15≤20 mm。级配曲线见图1。

图1 过渡料设计级配曲线

3 爆破试验研究

长河坝石料场岩石强度高、岩体完整性好，过渡料爆破开采中，减少超粒径料(不合格大块)和开采出符合设计级配要求的石料是个难题。试验目的是探讨用爆破法直接开采符合设计级配要求的过渡料，用铲斗剔除400 mm以上粗颗粒(大块率不超10 %)后直接上坝，以加快施工进度和节省投资。

3.1 影响爆破块度的因素分析

3.1.1 爆破参数及炸药品种对爆破块度的影响

Kuz-Ram块度预报模型在工程中应用较为成功，本文以该模型为基础，对爆破分布规律及预测进行研究。

模型的基本表达式由Kuznetsov方程、R-R分布函数和块度不均匀指数3部分所组成[5]：

(1)

(2)

n=(2.2-14w/D)(1-e/w)[1+

(m-1)/2]L/H。

(3)

(1)岩体系数A与爆破平均块度成线性关系，岩性对平均块度影响非常大，因此，在条件允许的情况下宜选择节理裂隙发育、可爆性好的岩体开采过渡料。

(2)炸药单耗与平均块度为-0.8次方关系，即越高的炸药单耗，平均块度越小，在炮孔直径一定的条件下，单耗越高，孔间排距越小，即增加了钻孔工作量，同时由于孔间距的减少增大了炮孔拒爆的风险。此外，由于平均块度降低与单耗增加成非线性关系，单纯增加单耗也是不经济的。

(3)从表面上看，孔网参数及炸药单耗一定，单孔装药量就确定了，单孔装药量的增加将使得平均块度也适当增加。单耗一定的情况下，台阶高度的增加将使得单孔药量的增加，台阶高度增加将使钻孔深度增加，孔底偏差将增大，势必导致产生大块，影响石料级配；炮孔直径的增加也可导致单孔药量的增加，同时还导致孔间排距的增加，同样平均块度也可能增加。只要钻孔精度可以满足要求，台阶高度的增加，对爆破块度的影响是可控的。

(4)炸药的爆炸性能也对爆破块度产生一定影响，如采用散装铵油炸药，装药密度只能达到600 kg/m3，其炸药相对重量威力E则从100降为60，如果单耗不变，考虑其单孔装药量也降低40 %，其爆破块度将增大约27 %，由此可见，过渡料开采宜选择优质高猛度炸药。

3.1.2 装药结构对爆破块度的影响

有资料显示[5]，当粒径为10 cm和1.0 cm时，结构面影响占的比例从50 %降到10 %，主要靠增加单耗、耦合装药以及减小堵塞长度来进行控制，因此，要爆破出合格的过渡料宜采用耦合装药，堵塞长度控制在0.8～1.0倍抵抗线。

3.1.3 起爆网路对爆破块度的影响

由于过渡料开采块度要求严，导致炸药单耗高，炮孔间排距较常规爆破小，且为耦合装药，因此，爆破产生的应力波对相邻炮孔的影响相对较大。此外，排间起爆时差与抵抗线大小成正比，小抵抗线要求排间起爆时差更小，精度更高，宜选择高精度雷管进行起爆。

3.2 爆破参数确定

影响爆破块度的因素很多，且相互关联，根据前面的分析可以得出，关键因素是炸药单耗和岩石类别。参考以往面板堆石坝过渡料开采爆破参数以及前期试验成果来确定爆破试验参数，见表1。

表1 爆破试验参数

3.3 爆破试验成果

(1)响水沟1号料场爆破试验，由于炮孔间距小，孔内2发起爆雷管均放在底部，存在缓倾角裂隙的部位前排炮孔起爆后可能将后排炮孔内的导爆索切断，使得上部有个别孔拒爆，因此，导致上部取样的筛分结果靠近设计要求的下包络，最大粒径大于设计要求，而中下部取样筛分结果基本满足设计要求，级配曲线见图2。

图2 响水沟1号过渡料开采爆破试验筛分曲线

(2)江咀1号料场爆破试验，各部位的取样筛分曲线(见图3)偏设计要求的上包络线，说明爆破单耗可进一步降低。由于实验区靠近破碎带，岩体质量较差，可爆性较好，而随着开挖部位降低，岩体的完整性将更好，岩石的可爆性将降低，该次试验不具代表性，因此，后续试验选择岩石完整性较好的部位开展，使爆破试验更具有代表性。

图3 江咀1号过渡料开采爆破试验筛分曲线

(3)江咀2号试验由于单耗较低，其爆后的平均块度与设计要求的下包络线偏离2 cm；江咀3号试验由于最终实际的堵塞长度达3 m，导致上部(表面以下1.5 m)爆破块度偏大，平均块度偏离设计要求的下包络线；江咀4号试验，由于采用普通导爆管雷管，孔内采用MS13段延时，而排间采用MS2段接力，导致前后排由于孔内延时误差发生前后排串段。爆后筛分情况表明，左右侧爆渣满足过渡料要求，中部有部分平均块度与设计下包络线有一定的偏离；一般V型起爆有利于爆破岩块在空中破碎，而本次设计采用普通雷管，排间起爆时差太短导致前后串段，使得中部破碎效果低于两侧。

(4)江咀5号试验，爆破后共筛分了6组，从筛分曲线(见图4)中也可看出，坑下部筛分了3组，爆渣满足过渡料要求，平均块度为3.8～5.2 cm，坑上部筛分了3组，平均块度大约介于5.3～6.1 cm。该次试验筛分曲线也表明，可进一步优化爆破参数、挖运及碾压铺料方式，使上下坑料混合后符合过渡料级配要求。

图4 江咀5号过渡料开采爆破试验筛分曲线

4 爆破试验成果分析

长河坝水电站块石料场主要特点是岩石强度高，完整性较好，从爆破试验情况来看，江咀1号试验区靠近破碎带，岩体质量较差，可爆性较好，采用1.84 kg/m3的单耗，各部位的取样筛分曲线均在设计要求的上下包络线范围内；响水沟1号、江咀5号试验区岩体致密、完整，炸药单耗达到了2.5 kg/m3，爆破获得的石料基本满足过渡料的要求。高单耗将增大爆破安全防护工作量，因此，应控制炸药平均单耗不超过2.5 kg/m3。在条件允许的情况下宜选择节理裂隙发育、可爆性好的岩体开采过渡料。

5 关于Kuz-Ram模型n值进行修正的探讨

由于Kuz-Ram 模型主要针对矿石开采爆破块度分布而建立的, 故其对粗粒径部分的预报有较好的准确性[5]。在利用Kuz-Ram 模型预报与长河坝水电站进行爆破试验成果对比分析后发现, 其计算结果的n值与爆破实测情况有一定差距。通过对天生桥、鲁布革、龙滩、西北口等工地试验资料统计并对模型进行修正, 得到修正后爆破块度分布模型的完整形式[6]为

n=(2.2-1.4w/D)(1-e/w)×

(4)

式中Ld为孔口堵塞长度(m)，其它同前。

结合长河坝爆破试验成果，将不均匀指数n值修正模型计算结果与实测结果比较见表2。

表2 不均匀指数n值计算结果与实测结果比较表

通过对比可见在采用修正模型后，计算值与实际值更为接近，但仍有一定差距。

反映爆破后石料级配情况的不均匀系数Cu值可由式( 5) 计算。

(5)

式中X60和X10分别为小于该粒径的土重占总土重的60 %和10 %。

从R-R 分布函数可导出

Cu=0.8671/n。

通常, 良好级配料的Cu需大于5，且该值越大,粒径分布越不均匀, 越容易压实; 但Cu值太大时, 级配料易分离，反而不宜压实, 因此一般认为填筑料合格级配的Cu值介于10～25之间,由此推算合格级配填筑料的不均匀指数n的取值范围宜为0.672≤n≤0.939。

可根据实际值(试验值)与修正模型计算值的情况引入系数k对公式再次进行修正，即k=实际值/修正模型计算值。由表2取算数平均值得到长河坝过渡料爆破不均匀系数n的进一步修正系数k为0.766。

6 结论与探讨

(1)高砾石土心墙坝硬岩过渡料可以通过爆破施工开采获得。施工应采用精细爆破法。每一炮均应根据地形地质条件以及附近区域的爆破和筛分资料进行定量设计；每一炮孔均应测量放样，钻孔精度应满足相关规范要求；每次爆破筛分结果应及时分析，指导下一步爆破设计；科学管理，合理安排施工，在满足填筑料力学指标条件下，尽量将过渡料开采安排在岩体可爆性较好的区域。

(3)爆破器材应选择高威力成品乳化炸药以及高精度非电导爆管雷管。

(4)高单耗将增大爆破安全防护工作量，因此，应控制炸药平均单耗。对于完整致密岩体可采用降低单孔装药量(降低炮孔直径：如采用Φ76 mm炮孔，控制台阶高度,如10～12 m)来控制爆破块度。

参考文献：

[1] 马洪琪.我国坝工技术的发展与创新[M].郑州:黄河水利出版社,2013.(MA Hong-qi.Development and Innovation of Dam Technology in China[M].Zhengzhou: Yellow River Water Conservancy Press,2013.(in Chinese))

[2] 李志勇.洪家渡水电站料场坝料爆破设计[J].四川水利,2008,(3):21-22.(LI Zhi-yong.Blasting Design for Dam Material of Hongjiadu Hydropower Station[J].Sichuan Water Conservancy,2008,(3):21-22.(in Chinese))

[3] 李小联.天生桥一级水电站混凝土面板堆石坝ⅢA料的开采[J] .贵州水利发电, 1999,(4):16-21.( LI Xiao-lian.ⅢA Material Mining for CFRD of Tianshengqiao Hydropower Station [J].Guizhou Water Power,1999,(4):16-21.(in Chinese))

[4] 傅海峰,边振华,刘国富.采用超大孔径梯段爆破开采面板堆石坝填筑料的试验研究[J].爆破,2000,17(增刊):214-217.(FU Hai-feng, BIAN Zhen-hua, LIU Guo-fu.Experimental Study of Exploiting Filler for Panel Rock-fill Dam by Borehole Bench Blasting[J].Blasting, 2000, 17(Sup.):214-217.(in Chinese))

[5] 张正宇,卢文波,刘美山,等.水利水电工程精细爆破概论[M].北京: 中国水利水电出版社, 2009.(ZHANG Zheng-yu, LU Wen-bo, LIU Mei-shan,etal.Introduction to Water Resources and Hydropower Engineering Fine blasting[M].Beijing: China Water Power Press,2009.(in Chinese))

[6] 张正宇.现代水利水电工程爆破[M] .北京: 中国水利水电出版社, 2003.(ZHANG Zheng-yu.Modern Water Resources and Hydropower Engineering Blasting [M].Beijing: China Water Power Press,2003.(in Chinese))