预裂爆破技术在苏布雷水电站特殊部位的应用

李 科

(中国水利水电第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

苏布雷水电站位于科特迪瓦西南部萨桑德拉河中下游河段纳瓦(Nawa)瀑布附近。工程采用EPC总承包管理模式，是目前科特迪瓦最大的水电工程。苏布雷水电站最大坝高20 m，大坝全长4.5 km，水库总库容8 300万m3，总装机容量为27.5万kW，年发电量1 038 GWh。

苏布雷水电站石方开挖工程量约220万m3，控制爆破主要采用预裂和预留保护层开挖两种方式，岩石以花岗岩、花岗片麻岩为主，抗压强度为50～80 MPa。电站取水口石方开挖量为3.2万m3，厂房和压力钢管区域石方开挖量为40万m3，尾水渠石方开挖量为165万m3，溢洪道石方开挖量为6.7万m3。

2 特殊部位预裂孔的设计

苏布雷水电站厂房基坑石方开挖工程量约40万m3。原始地面高程为140 m，集水井底部高程为77 m，主机间基础高程85.5 m，安装间高程115 m。

厂房基坑开挖深度约63 m，发电机层(高程115 m)以上覆盖层边坡开挖坡比为1∶1.5，岩质边坡开挖坡比为1∶0.3，发电机层以下边坡采用直立边坡。上部由残积红粘土层组成，中下部主要由花岗岩、花岗片麻岩组成，边坡稳定性较好。

垂直边坡采用预裂爆破的方式，质量控制效果较好。对于坡比为1∶0.3的边坡预裂爆破如何控制好坡面质量，减少预裂孔底部的超欠挖难度较大，斜坡面相交形成的凹角与凸角部位的质量控制更是难点中的难点。项目部技术人员在查阅了相关资料后拟定了以下预裂孔设计方案。

图中单位高程：m，其他单位：cm图1 凹角部位预裂孔设计图

2.1 凹角部位

如图1所示，预裂孔顶部间距100 cm，在凹角AB连线处增加了一个预裂孔。为防止预裂孔打穿影响爆破质量，a4至a7，b4至b7相应末端减去20 cm，以避免爆破能量窜孔。AB孔施工前，由测量人员精确定位后，制作样架，严格控制钻孔深度和倾角。

通过坡比1∶0.3以及A点到B点的高差计算出每个预裂孔的钻孔深度。

孔深L=(HA-HB)/cos(90°-arctan(1/0.3))

凹角部位预裂孔钻孔参数见表1。

2.2 凸角部位

如图2所示，a1至a9，b1至b9孔顶部间距为60 cm，底部间距为120 cm，施工过程中对每个孔的倾角由测量人员放线，现场制作样架。

凸角部位预裂孔钻孔参数见表2。

表1 凹角部位预裂孔钻孔参数表

表2 凸角部位预裂孔钻孔参数表

图2 凸角部位预裂孔设计图

3 爆破参数

3.1 预裂爆破

(1)钻孔机具：采用AirROC D45 液压潜孔钻机，工作风压为1.05～2.46 MPa，耗气量为17～21 m3/min，钻头直径为105～140 mm，钻孔深度为向下20 m，水平30 m。

(2)钻孔直径：根据该型号钻机的实际情况，采用最小钻头以节约工程量，成孔孔径约为110 mm。

(3)钻孔间距：根据瑞典朗格拂尔斯经验值，间距系数a/d按7～12确定，在该工程中，预裂孔孔距范围为80～120 cm。现场一般取100 cm。

(4)线装药密度：根据经验公式：

qx=0.042[σp]0.63a0.6

式中qx为线装药密度，g/m，系全孔装药量(扣除底部增加药量)除以装药段长度；a为钻孔间距，1 m；σp为岩石极限抗压强度(50～80 MPa)的70%～80%。

经计算得到：在片麻岩上，预裂爆破线装药密度qx取0.394～0.577 kg/m，最终取500 g/m。

(5)装药结构：采用竹片、导爆索串联间隔不耦合装药。

(6)底部加强药量：台阶高度为3～5 m，按孔底1～2 m处增加1～2倍的线装药密度确定，最终选2倍。台阶高度为5～10 m，按孔底1～2 m处增加2～3倍的线装药密度确定，最终选3倍。台阶高度大于10 m，按孔底1～2 m处增加3～5倍的线装药密度确定，最终选4倍。

凸角和凹角部位设计孔深为19 m左右，底部1.5 m加强装药量取2 kg/m。

3.2 主爆孔参数

(1)梯段高度H。根据钻爆设备之钻杆长度拟定梯段高度H一般为4～8 m。若采用乳化炸药，可以将钻爆深度扩大至8～15 m。

(2)钻孔直径D。钻孔直径根据钻机钻头直径确定。选用D7钻机，其钻孔直径为90 mm。

(3)底板抵抗线W1及最小抵抗线W。底板抵抗线W1：底板抵抗线是影响爆破效果的一个重要参数，过大的底板抵抗线会导致根底多、大块率高的结果。过小的底板抵抗线不仅浪费炸药、增大造孔工作量，而且容易抛散岩块产生飞石而造成危害。

按台阶高度计算：W1=(0.6～0.9)H

按炮孔直径计算：W1=nD

式中n是与岩石坚硬度有关的系数，一般n=20～40；硬岩取小值，软岩取大值，D=0.09 m。

经计算可知底板抵抗线W1=3.6～5.4。

最小抵抗线根据里恰特介绍的计算方法：W=(20～40)d,式中d为药卷直径。取W=(20～40)d=(140～280)cm=(1.4～2.8)m。

(4)超钻深度h和钻孔深度L。

超钻孔深根据《水利水电工程施工手册》公式h=(0.12～0.30)H确定。

取h= 12%H。

钻孔深度根据公式L=(H+h)/sinα进行计算。式中α为钻孔角度。

(5)炮孔间距a。根据公式a=mW确定。式中m为炮孔邻近系数，一般取0.8～1.4。

计算时采用兰格弗尔斯《岩石爆破现代技术》或古斯塔夫松《瑞典爆破技术》中的公式a=1.25W,故a=1.25×(1.4～2.8)m=(1.75～3.5)m。取值：a=2.8 m。

(6)炮孔排距b。根据b=W或b=0.866a确定，取b=2.4 m。

(7)装药长度L1。

式中L1为装药长度，m；Q为每孔装药量，kg；q1为每延米药包的质量，kg/m；△为装药密度，kg/dm3。

(8)堵塞长度L2。根据L2=(20～40)D=( 1.52～3.04 m )确定，当L2小于0.75W1时，需调整W1或a值后重新计算装药量。

(9)缓冲孔参数。缓冲药包直径小于梯段爆破中主爆孔的药包直径，一般为主爆孔药径的1/2～2/3，底部1～2 m药包直径同主爆孔，上部1～2 m视炮孔至预裂缝面的距离而定。距离近则布置小直径药包。单孔药量为主爆孔的1/2～2/3。缓冲孔孔距应不小于抵抗线，孔距定为1.5～2.5 m。爆破参数计算结果统计汇总情况见表3。

表3 爆破参数计算表

说明：预裂孔一次钻至设计深度，主爆孔分台阶依次开挖至设计深度。起爆时先起爆预裂孔，再起爆主爆孔。

4 爆破效果及经验总结

爆破开挖后检查发现，预裂爆破效果较好，预裂轮廓面成型规则，边坡面平整，不平整度小于15 cm,超挖控制在15 cm以内，岩壁上半孔保留率达90%以上，围岩只有轻微破坏，岩壁上局部存在微小的爆破裂隙。经多次试验论证，苏布雷水电站石方预裂爆破得出以下结论：

(1)预裂孔的开孔位置：向结构边线外侧偏移10～15 cm，以减少后期欠挖处理的工作量。

(2)预裂孔深在15～20 m之间时，开孔角度应增加3°。例如，坡比为1∶0.3的预裂孔，设计角度为73°，实际钻孔角度应调整为76°。