浅析水电站左岸坝基柱状节理玄武岩保护层开挖精细爆破技术

张 劲 青

(四川二滩国际工程咨询有限责任公司， 四川 成都 610072)

1 工程概况

白鹤滩水电站位于金沙江下游四川省宁南县和云南省巧家县境内，距巧家县县城45 km，距昆明约260 km，距成都约400 km。电站上接乌东德水电站，下接溪洛渡水电站(距溪洛渡水电站195 km)。

白鹤滩水电站由混凝土双曲拱坝、泄洪消能建筑物和引水发电系统等主要建筑物组成。混凝土双曲拱坝坝顶高程834 m、最大坝高289.0 m，坝下设水垫塘和二道坝。泄洪设施包括：大坝的6个表孔、7个深孔和左岸的3条泄洪洞。地下厂房系统对称布置在左右岸，厂内各安装8台单机容量为1 000 MW的发电机组，电站装机容量16 000 MW，是“西电东送”的骨干电站之一。

2 坝基柱状节理玄武岩地质条件

白鹤滩水电站拱坝基础主要利用P2β2～P2β6的玄武岩(见图1、2)，坝基柱状节理主要在P2β22、P2β23、P2β32、P2β33、P2β41、P2β61等亚层内发育。白鹤滩拱坝坝基柱状节理玄武岩出露情况：河床及拱端 低高程出露P2β32、P2β33，左岸坝顶附近出露P2β41，右岸坝顶附近出露P2β61，中部出露P2β41。P2β41层底部柱状节理玄武岩柱体较粗、性状较好， P2β61层底部柱状节理玄武岩仅出露于右岸坝顶附近。

图1 坝基柱状节理玄武岩分布(沿拱坝轴线展开)

柱状节理发育不均匀，柱体大小、长度也不相同，以P2β32、P2β33层最为发育，根据柱状节理发育的特征，柱状节理分为三类。

一类：柱状节理发育的密度较大，大多未切割成完整的柱体，柱体长度一般2～3 m，直径13～25 cm，其内微裂隙发育，切割岩体块度为5 cm左右，主要分布在P2β33-1、P2β33-2、P2β33-3层内。

二类：柱状节理发育不规则，未切割成完整的柱体，柱体长度一般在0.5～2.0 m之间，直径25～50 cm，其内微裂隙较发育，但相互咬合，未完全切断，块度在10 cm左右。主要分布在P2β32、P2β61、P2β71、P2β82层。

三类：柱状节理发育不规则，未切割成完整的柱体，柱体粗大，长度1.5～5 m不等，直径0.5～2.5 m，切割不完全，嵌合紧密。分布在P2β22、P2β23、P2β41层。

对工程影响较大的是位于河床及拱坝坝基低高程部位的P2β33柱状节理玄武岩，坝基左岸高程660 m、右岸高程585 m以下出露P2β33层第一类柱状节理玄武岩，为柱状镶嵌结构、微裂隙发育，且层内发育多条缓倾层内错动带，开挖后岩体易松弛。

图2 第一类柱状节理玄武岩的形态特征

3 柱状节理玄武岩开挖施工特点及难点

白鹤滩水电站左岸坝基柱状节理玄武岩开挖施工特点和难点如下。

(1)左岸高程660～570 m全坝基范围分布“第一类”柱状节理玄武岩，其间还分布LS3319、LS3319-1、LS331等缓倾坡外的层内错动带，岩体质量以Ⅲ类为主、局部Ⅳ类，地质条件复杂；

(2)柱状节理玄武岩松弛和爆破对岩体的影响两个问题综合在一起，开挖爆破对柱状节理玄武岩的爆破影响无类似工程可以借鉴，增加了施工难度；

(3)拱坝左岸高程660 m以下的建基面既是一个缓斜坡面，又是一个扭曲面，预裂孔既不在同一平面内，也不互相平行，预裂成型难度大；

(4)白鹤滩拱肩槽开挖质量要求高，这也增加了施工难度。

4 左岸坝基柱状节理玄武岩保护层精细爆破技术

4.1 精细开展左岸坝基柱状节理玄武岩开挖爆破试验

左岸坝基高程665～660 m中部范围开始出露第一类柱状节理玄武岩，通过前期对柱状节理玄武岩松弛特性的初步研究，设计人提出坝基柱状节理玄武岩开挖预留2.0 m(法向)厚保护层，待大坝混凝土浇筑时再进行保护层处理的施工方案。

按照设计要求坝基高程660～655 m和655～650 m梯段开挖采取预留2.0 m保护层，前期进行保护层以外岩体开挖。坝基高程660～655 m保护层以外的梯段开挖爆破参数沿用非柱状节理玄武岩开挖爆破参数，监测成果表明：柱状节理玄武岩爆破损伤0.8～1.4 m，爆破损伤深度偏大，非柱状节理玄武岩坝基开挖爆破参数不适用于柱状节理玄武岩预留保护层开挖施工。为研究明确左岸坝基高程650 m以下柱状节理玄武岩保护层开挖方案和适宜的爆破参数，要求结合毗邻保护层外侧岩体开挖开展柱状节理玄武岩开挖生产性试验。

4.1.1 柱状节理玄武岩开挖爆破试验的目的

柱状节理玄武岩开挖爆破试验目的：开展保护层以外岩体开挖爆破生产性试验，了解开挖爆破对柱状节理玄武岩的爆破影响程度，探索柱状节理玄武岩爆破影响深度是否能控制在1.0 m以内(含1.0 m)、坝基柱状节理玄武岩(预留)保护层的开挖施工方法和适宜的爆破参数。

4.1.2 左岸柱状节理玄武岩开挖施工设备选择

柱状节理玄武岩保护层开挖钻孔设备对比分析了手风钻和100B潜孔钻，综合考虑：

(1)拱坝建基面为扭面，每个预裂孔钻孔角度均不同，手风钻钻孔质量不易控制；

(2)手风钻采用2.0～3.0 m梯段开挖高度，开挖梯段多、开挖施工工期不满足要求；

(3)根据通常施工经验，手风钻钻孔孔深超过4.5 m后，钻孔效率低，且柱状节理玄武岩宜掉块卡钻；

(4)100B潜孔钻是选用拱坝基础开挖通用、常用施工设备。

最终确定预裂孔(或光爆孔)钻孔设备为100B潜孔钻、主爆孔和缓冲孔钻孔设备SM351履带式冲击钻。

4.1.3 左岸坝基柱状节理玄武岩开挖爆破试验

由于2.0 m厚保护层不便于机械化施工作业(铣挖机开挖工效约3.0 m3/h，难以在14天内完成混凝土浇筑仓面准备，低温季节时混凝土开裂风险大)，也不便于采用爆破方式开挖，结合固结灌浆岩石盖重对厚度的要求，左岸坝基高程650 m以下柱状节理玄武岩预留保护层厚度调整为5.0 m(法向)，且平行与拱坝设计建基面。根据现场实际情况，重点研究5.0 m开挖梯段的开挖爆破方式、爆破参数，比较不同爆破参数下的预裂爆破、光面爆破效果。

(1)柱状节理玄武岩光面爆破和预裂爆破试验。高程650～645 m坝基中部毗邻保护层顶面上下游共40 m长范围内进行柱状节理玄武岩光面爆破和预裂爆破对比试验。爆破试验区参数见表1。试验区质点振动、爆破影响深度等检测(或监测)成果见表2。

光面爆破效果分析：①开挖面分别依次受到前缘主爆孔、缓冲孔、光爆孔的爆破叠加作用影响，导致爆破影响深度偏大；②未提前形成预裂缝，预裂缝的隔振作用消失，导致开挖面质点振动偏大(见图3、4)。

工程参建四方通过分析后明确：不再进行开挖面光面爆破试验，进一步研究柱状节理玄武岩预裂爆破参数，主要研究预裂孔、缓冲孔、主爆孔和装药结构优化参数。

表1 高程650～645 m试验区爆破参数

表2 爆破试验区检测(或监测)成果

图3 预裂爆破开挖面 图4 光面爆破开挖面

(2)柱状节理玄武岩预裂爆破参数优化试验。高程642～637 m坝基中部毗邻保护层顶面上下游共40 m长范围内进行柱状节理玄武岩两组预裂爆破对比试验，爆破试验区参数见表3。试验区质点振动、爆破影响深度等检测(或监测)成果见表4。

开挖爆破效果分析：采用线装药密度280 g/m、孔距0.7 m的预裂爆破影响深度偏大，线装药密度260 g/m、间距0.6 m的预裂爆破检测成果达到预期目标(见图5、6)，继续进行线装药密度260 g/m、间距0.6 m的预裂爆破验证试验和探寻减小预裂孔线装药密度的可行性。

表3 高程642～637 m试验区爆破参数

表4 爆破试验区检测(或监测)成果

图5 预裂爆破开挖面 图6 光面爆破开挖面

(3)柱状节理玄武岩预裂爆破验证试验。高程635～630 m坝基中部毗邻保护层顶面上下游共40 m长范围内进行柱状节理玄武岩预裂爆破验证试验，爆破试验区参数见表5。试验区质点振动、爆破影响深度等检测(或监测)成果见表6。爆破开挖面见图7、8。

表5 高程635～630 m爆破试验参数

表6 爆破试验区检测(或监测)成果

图7 预裂爆破开挖面 图8 预裂爆破开挖面

(4)保护层柱状节理玄武岩“4+1”一次钻孔装药、分次爆破试验。为进一步寻求柱状节理玄武岩保护层开挖爆破对建基面岩体影响程度的下限，2016年3月9日至28日结合高程635～630～625 m保护层开挖爆破进行了“4 m+1 m”一次装药、分次爆破生产性试验，详见表7、8。具体做法：5 m厚的保护层“由外至里”一次钻孔、装药，优先进行外侧4.0 m厚岩体联网爆破(预裂爆破)，爆渣清理，剩余的1.0 m厚岩采用光面爆破。高程660～625 m保护层不同开挖分式建基面检测与监测成果见表9。

表7 高程635～630 m保护层分次爆破生产性试验参数

表8 高程630～625 m保护层分次爆破生产性试验参数

表9高程660～625 m保护层不同开挖方式建基面检测(和监测)成果

爆破试验区保护层开挖方式质点振动/cm·s-1爆破影响深度/m开挖面超欠挖合格率/%开挖面平整度合格率/%开挖面半孔合格率/%高程635～630 m高程630～625 m“4+1”预裂+光爆4.8(预裂爆破)4.4(光面爆破)0.5～0.896.696.594.164.2(预裂爆破)4.8(光面爆破)0.8～1.095.495.797.9高程660～655 m高程655～650 m2.0 m保护层光爆6.50.7～0.994.298.597.48.50.7～1.095.297.192.0高程650～635 m各梯段开挖5.0 m保护层预裂5.1～5.40.6～1.095.5～96.390.2～98.693.1～97.0

保护层柱状节理玄武岩不同开挖方式的爆破效果分析：地质条件大致相同的条件下，采用“4 m+1 m”一次钻孔装药、两次爆破的开挖方式与保护层一次开挖爆破在爆破影响深度(关键质量检测指标)基本相当，但保护层采用“4 m+1 m”一次钻孔装药、两次爆破方式存在施工安全隐患大、钻孔工程量大等问题，最终确定柱状节理玄武岩5.0 m保护层采取一次预裂开挖爆破的方式。

根据高程650～625 m柱状节理玄武岩五次爆破试验的开挖面超欠挖、半孔率、平整度、爆破振动及爆破影响深度成果，推荐柱状节理玄武岩保护层开挖采用预裂爆破型式，开挖爆破参数：①爆破梯段高度5 m；②预裂孔孔径Ф76 mm、孔距0.6 m、线密度240 g/m、采用Ф25 mm药卷；③缓冲孔孔径Ф90 mm，孔距1.8 m，距预裂孔法向距离1.2 m，采用Ф70 mm药卷；④主爆孔孔径Ф90 mm、间排距3.0×2.5 m，采用Ф70 mm药卷；⑤预裂爆破单响药量不超过20 kg。

4.2 建立完善质量控制体系和制度

(1)工程参建各方联合梳理柱状节理玄武岩开挖施工前的准备工作导则，对照检查准备工作进展情况。

(2)各参建单位完善坝肩槽柱状节理玄武岩开挖质量控制体系，成立施工质量控制小组，建立施工质量控制制度；业主单位明确了坝基开挖面质量检测细则，颁布了大坝坝基梯段开挖预验、坝基开挖单元工程初验和终验程序及要求；监理单位编写《白鹤滩拱坝基础开挖监理实施细则》，明确专人负责拱肩槽开挖并进行培训上岗；施工单位组建拱肩槽开挖职工队伍，汇编坝肩槽开挖施工质量管理制度、奖惩制度等，100B(预裂孔)操作手执行考核上岗。

(3)高度重视坝基柱状节理玄武岩开挖爆破试验和预留保护层开挖施工，成立业主、设计人、监理工程师、爆破监测单位参加的工作组，工作组跟踪、指导爆破试验和预留保护层开挖施工，并组织召开施工总结会。

(4)组建左岸坝肩槽信息管理群，业主、设计人、监测承包人、土建施工承包人和监理工程师及时在群内发布信息，共享坝基地质预报、坝基开挖面施工质量检测成果、爆破监测成果等。

(5)监理单位成立左岸坝基柱状节理玄武岩开挖质量控制QC小组。

4.3 严格控制钻孔精度，确保大坝建基面钻孔质量

白鹤滩拱坝建基面为扭曲面、开挖质量要求高(建基面平整度2.0 m直尺不大于15 cm)，为确保拱坝建基面开挖质量，重点控制钻孔(尤其是预裂孔)质量，为确保预裂孔钻孔质量采取如下精细控制措施。

4.3.1 施工机具改造

(1)钻机改造。由于100B钻机钻孔时，摆动幅度较大，不利于精度控制。在钻机两侧各加焊了两根Φ48 mm的钢管，钢管与样架的立杆牢固连接，消除了钻进当中钻机摆动幅度大的问题。

(2)钻杆直径改造。常规100B潜孔钻机钻杆直径为Φ45 mm，钻杆在钻孔过程中易出现挠性变形，造成飘钻，导致孔底超挖现象严重，开挖质量难以满足规范要求。拱坝建基面开挖用Φ60 mm钻杆，与Φ45 mm钻杆比较，钻杆更粗、刚度更强，在钻进过程中避免了钻杆在岩石中发生挠性变形。

(3)钻机样架改造。根据测量孔位在上层坡面采用手风钻打设四根插筋孔(必要时可增设插筋)，用Φ48 mm钢管作插筋，入岩0.8 m、外露0.5 m(根据实际地形调整外露长度)。钻机底部和顶部各一根横杆，插筋与横杆用扣件连接，必要时再在钻机底部增加一根辅助横杆，横杆与立杆用扣件连接，立杆与100B钻机两侧加焊的两根钢管扣件连接。横杆、立杆均采用Φ48 mm钢管。为了减少系统误差，采用单机单架。

(4)量角器改进。同类工程施工中使用的量角仪器一般为工程地质罗盘(精度为0.5°)或可调性量角器(精度为0.2°)误差较大。为了提高造孔精度，专门制作了100B钻机专用的量角器，量角器精度由0.2°提高到0.1°，有效地提高了造孔过程中倾角控制的精度。

(5)增加限位杆。100B潜孔钻机自带的限位器距离开孔孔位点在1.0 m以上，钻机开孔时冲击器易偏离孔位点。为减小开孔偏差，在100B钻机底部增加限位杆或限位板，防止了开钻向外飘钻，确保开孔精度。

4.3.2 钻孔施工过程精细控制

(1)执行爆破孔钻孔参数表审批制度，预裂孔、缓冲孔和爆破孔采用测量放样，预裂孔还须补充进行钻孔方向控制点放样。

(2)为确保预裂孔、缓冲孔的钻孔精度，明确预裂孔和缓冲孔采用100B潜孔钻钻孔、主爆孔采用351履带式钻机钻孔。钻孔孔口喷雾(或洒水)和湿钻技术，控制钻孔施工扬尘，营造良好的施工环境。

(3)每梯段预裂孔钻孔前对钻杆平直度进行专项检查，确保钻杆满足要求。

(4)所有爆破放样前应进行基面清理，大面起伏差不大于20 cm，预裂孔位要求放样在基岩面上。

(5)预裂孔钻孔施工严格制定“定人、定机、定孔”“三次校钻(钻进20 cm、50 cm、100 cm时，各校钻一次)”，每加节钻杆对钻孔方向进行检查，严格控制钻孔压力和钻孔施工进度(要求单班钻孔进度不多于2孔)，防止“飘钻”“八字孔”。

(6)使用挡风板，防止大风控制预裂孔施工的方向重锤晃动。

(7)严格做好爆破孔(尤其是预裂孔)钻孔过程质量控制和终孔验收，预裂孔全检、缓冲孔和主爆破抽检比例不小于20%，不合格爆破孔根据要求进行处理直至合格为止(如：超深孔按要求回填、倾角不满足要求的钻孔采取纠偏或重新钻孔等)。

(8)执行预裂孔施工质量追溯制度，严格执行钻孔质量考核、落实奖罚。

4.4 复杂地质条件下的爆破施工精细控制

4.4.1 引入专业队伍进行爆破检测和监测

为及时获得梯段爆破开挖质点振动速度、爆破影响深度和建基面1.0 m处爆前爆后声波衰减率，保护层梯段开挖上下游半幅均布置2组穿爆堆的声波检测孔(三角形布孔，孔间距1.0 m，孔深入岩8.0 m)，引入专业队伍——长江水利委员会长江科学院(业主的第三方检测单位)，采用专业设备对柱状节理玄武岩开挖进行爆破检(监)测。爆破振动衰减规律监测采用爆破监测仪(TC-4850)，爆前爆后(穿爆堆)声波采用HX-SYB型智能型岩石声波仪。

由于“一类”柱状节理玄武岩具有松弛特性，岩体松弛导致钻孔声波检测值降低。为避免爆破影响和岩体松弛叠加影响，保护层梯段开挖爆后声波检测孔梯段开挖爆破后第2天完成穿爆堆爆后声波检测，梯段开挖完成后3～5天内向业主和监理工程师提供开挖爆破监测简报。

4.4.2 明确柱状节理玄武岩开挖支护程序

左岸高程660～570 m全坝基范围分布“第一类”柱状节理玄武岩，其间还分布LS3319、LS3319-1、LS331等缓倾坡外的层内错动带。2014年12月左岸坝肩槽前缘开挖拱坝建基面出现沿LS3319错动带的卸荷剪切回弹变形。《拱坝基础柱状节理玄武岩保护层开挖及支护施工技术要求》明确高程660 m～LS331错动带范围的柱状节理玄武岩保护层开挖支护程序：

(1)高程660 m以上(部位包括F17断层上盘、F17断层下盘保留区、LS3319错动带上盘保留区)坝基新增预应力锚索(107束预应力锚索)施工完成后再进行高程660 m以下保护层和剩余的坝肩槽前缘块开挖。

(2)高程660～620 m坝基预应力锚索施工可不紧跟保护层开挖，高程620 m以上坝基预应力锚索施工完成后方能进行高程620 m以下开挖。实际施工中控制上一个开挖梯段内的预应力锚索施工期不超过20天。

(3)高程620 m～LS331错动带出露范围(580 m)的坝基开挖支护：本梯段坝基预应力锚索施工与下一梯段保护层开挖、梯段前缘块开挖循环下降，建基面保护层开挖一层、支护一层。

4.4.3 对错动带实施变形监测，为开挖爆破施工提供决策依据

为监控高程660 m～LS331错动带范围的柱状节理玄武岩保护层开挖时，LS3319错动带及上盘岩体变形情况，在坝基建基面高程660 m～LS331错动带范围布置了多种表观、内观监测仪器(表面变形测点、锚杆应力计、预应力监测锚索、多点位移计、测斜孔等)，实时监测保护层梯段开挖时LS3319错动带及上盘岩体的变形，进行保护层开挖爆破与监测成果的联合分析，必要时调整爆破参数(甚至停止保护层开挖爆破施工)，避免保护层开挖进一步恶化LS3319错动带情况，为开挖爆破施工提供科学的决策依据。

4.4.4 精细、定量化爆破设计，动态调整

参考推荐的柱状节理玄武岩保护层开挖爆破参数，结合设计人提供的坝基地质预爆以及前缘块开挖节理的实际情况，精细、定量化进行保护层梯段开挖爆破设计，爆破设计内容包括(但不限于)：

(1)预裂孔参数表，预裂孔的孔口和孔底坐标、倾角、孔深等；

(2)爆区爆破孔平面布置图和典型剖面图；

(3)预裂孔、缓冲孔、爆破孔的装药结构图(见图9)；

(4)爆区爆破联网图。

图9 预裂孔、缓冲孔、爆破孔装药结构示意

为控制保护层开挖爆破对柱状节理玄武岩影响，还采取如下精细爆破技术：

(1)根据地质预爆和钻孔施工记录，动态优化错动带等不良地质段的预裂孔装药结构，减小爆破对不良地质段的影响。

(2)施工过程中不断优化布孔参数、装药结构和保证松动爆破开挖效果前提下不断探索适应柱状节理玄武岩炸药单耗(0.35～0.4 kg/m)。主爆孔创造性采用间隔装药结构。

(3)为防止预裂孔爆破对孔口区域岩体的拉裂破坏，预裂孔孔口段(0.5～1.5 m)实施“减弱”装药。

(4)严格控制爆破单响药量不大于20 kg，预裂孔采用“三孔一响”、缓冲孔和主爆孔采用“单孔单响”。

4.4.5 精细装药、联网，监理工程师全程监督

结合设计人提供的地质预报，根据钻孔施工记录，监理工程师组织工程参建各方召开炮孔装药动态优化专题会，个性化调整地质条件较差部位的预裂孔装药参数(减小错动带、不良地质体区域的预裂孔线装药密度)。承包人制作控制爆破孔间隔装药的间距控制竹片，组织炮工进行装药施工技术交底，现场负责人按照优化后的装药参数分发各爆破孔炸药。监理工程师和爆破监测单位全程旁站装药和联网，签署“准装药”“准联网”等工序检查验收证，精细装药、联网确保建基面保护层开挖施工质量。

5 左岸柱状节理玄武岩保护层开挖效果

2016年1月21日～2016年8月9日完成了白鹤滩水电站左岸高程660～580 m柱状节理玄武岩保护层开挖爆破，各梯段开挖成果统计详见表10和图10～13。

表10 左岸高程660～580 m柱状节理玄武岩保护层开挖检测和监测成果

图10 高程655～650 m坝基上游半幅开挖效果 图11 高程650～645 m坝基下游半幅开挖效果

图12 高程645～640 m坝基上游半幅开挖效果 图13 高程640～635 m坝基上游半幅开挖效果

白鹤滩水电站左岸高程660～570 m全坝基范围分布“第一类”柱状节理玄武岩，“第一类”柱状节理玄武岩具有松弛特性。进行保护层顶面开挖生产性爆破试验，总结推荐柱状节理玄武岩保护层开挖爆破参数，保护层开挖施工中运用精细爆破施工技术、严格控制施工工序，并落实梯段开挖“一炮一总结”，高程660～580 m坝基柱状节理玄武岩保护层开挖的平整度、残孔率、超欠挖、爆破影响深度等质量优良，满足设计要求。

参考文献：

[1] 吴关叶,徐建荣,等. 金沙江白鹤滩水电站施工详图阶段左岸柱状节理玄武岩坝段及河床坝段坝基处理方案研究报告. 杭州：华东勘测设计研究院, 2015.

[2] 金沙江白鹤滩水电站拱坝基础柱状节理玄武岩、角砾熔岩保护层开挖及支护施工技术要求. 杭州：华东勘测设计研究院, 2015.

[3] 白鹤滩左岸坝肩柱状节理爆破振动与声波检测成果总结.武汉： 长江科学院, 2015.