坝肩顺层岩边坡开挖预裂爆破参数优化现场试验研究

张由夫

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 鞍山 114000)

1 研究背景

双龙水电站位于太平哨镇二龙渡村境内半拉江干流上，是半拉江梯级开发的重要工程，属于典型的河床式水电站设计[1]。电站大坝为沥青混凝土心墙土石坝坝型，最大坝高56.0 m，坝顶高程160.0 m，坝顶宽8.0 m，正常蓄水位为157.50 m，校核水位为158.50 m。按照大坝选址，在其右侧坝肩存在横向长度约150 m，纵向长度55～85 m的顺层岩边坡，其岩体主要是砂岩和泥岩，强度低、抗风化能力弱。为了保证工程建设的顺利进行，需要对该段边坡进行开挖放坡进而加固[2]。

预裂爆破技术最早由光面爆破技术发展而来，并在工程实践中得到了满意的效果，因此获得了广泛的应用[3]。在20世纪70年代中期引入我国以来，该技术在边坡开挖和矿山开采中应用较多。结合工程实际和爆破开挖要求，拟采用预裂爆破技术对该段边坡进行爆破开挖。但是，针对结构面较发育的破碎带进行爆破过程中，还需要对爆破参数进行优化设计，以便达到理想的爆破效果[4]。基于此，此次研究通过工程现场试验的方式对预裂爆破参数优化，以便为工程设计提供必要的支持。

2 原始设计方案与工艺

2.1 原始设计方案

根据坝肩边坡预裂爆破的初始工程设计，主爆孔的孔径为90 mm，采用潜孔钻机进行钻孔。台阶高度是影响爆破效果的重要因素，需要结合工程现场的实际地形、技术要求、钻孔和挖装性能确定。根据工程经验，一般确定为5～10 m，工程初始设计为7 m；底盘抵抗线也是预裂爆破的重要参数，在工程设计中采用经验公式计算获取，初始设计为3 m；孔距和排间距根据底盘抵抗线计算获取，分别为4 m和3 m；合理的超深可以有效防止底板的超欠挖，保持底板的平整性，其原始设计值为0.75 m[5]；预裂孔的孔深为8.00 m，超深为0.75 m，与主炮孔的间距为1.5 m。装药采用耦合间距的装药方式，预裂孔装药量为8 kg左右，主孔的单孔装药量为38 kg左右；预裂孔和主孔堵塞分别为1.0 m和2.5 m，其具体的设计参数如表1所示。

2.2 试验流程和要求

在进行试验之前，首先根据试验需要选定试验区，并对试验钻孔部位的覆盖层以及上次爆破产生的石渣进行清理[6]。如果清理过程中出现较大的凸起石块，则需要利用小炮进行清理。在清理完毕之后，利用设备和人工结合的方式对试验场地进行整平，为钻机的钻孔作业提供良好的环境。在钻机平台的搭建和移动过程中要使平台本身相对平整，以保证钻孔的精度和施工安全[7]。边坡定位线偏大会造成爆破石方量的大幅增加，过小会造成基面不达标。因此，边坡测量和放线要严格按照设计方案进行并保证其精度，严禁出现操作偏差。

表1 预裂爆破原始设计方案参数

钻孔作业是试验和大面积施工的关键流程，因此必须要按照设定为孔位实施钻孔，同时保证钻孔的精度，将孔位偏差控制在3 cm以内，将孔深偏差控制在10 cm以内。在钻孔完毕之后要用草团进行临时封堵，避免水流或杂物进入造成堵塞[8]。如果钻孔中存在积水就需要进行排水作业。

预裂爆破需要在爆破现场将药包加工成“药串”的架构形式，并用导爆索进行引爆。试验中要将加工好的药串放入钻好的炮孔，直至底端。然后用草团或破布团等较为柔软的东西遮盖，然后再用沙或岩粉等较为松软的颗粒物堵塞密实。其具体的装药结构如图1所示。

图1 装药结构图示

随着高精度非电导爆管雷管技术的迅速发展，逐孔起爆技术获得了长足的发展和进步，为预裂爆破提供了必要的技术基础。在此次试验中，主爆孔选择清渣爆破的方式进行，其孔间微差为25 ms，排间微差为65 ms。预裂孔要先于主孔起爆，鉴于预裂孔数量较多，因此试验中采用分组起爆的方式，其区域连线图如图2所示。

图2 预裂爆破连线情况(单位:ms)

在试验过程中要做好安全和防护工作。首先，要建立现场试验指挥中心，做好试验过程中的协调管控和领导，同时委派专业人员进行安全和技术管控。在现场试验过程中，设置3个起爆信号，第一个信号为告警信号，在装药和封堵作业完成之后，起爆之前30 min给出，当接到这一信号后对警戒区进行清场；第二个信号为起爆信号，在人员撤离和警戒岗到位之后给出，接到该信号后相关人员进行起爆作业；第三个信号为解除信号，在起爆后25 min给出，检查岗位人员在接到信号后进入警戒区进行检查。在现场试验过程中，其余安全事项均按照国标爆破安全章程进行处理。

3 优化试验结果与分析

3.1 初始设计方案

在施工现场按照初始设计方案的参数进行钻孔、装药和爆破。试验结果显示，虽然方案中的耦合装药预裂发挥了显著的作用，但是炸药在爆炸的瞬间释放出巨大的能量，对需要保留的岩体产生了十分明显的伤害，没有达到预期的爆破效果。因此需要改变耦合装药方式并进行相关参数的调整，进行第二次试验。

3.2 优化方案一

针对初始设计方案存在的问题，采用不耦合预裂爆破，并减小装药量的思路提出优化方案一：试验预裂孔径设置为68 mm，孔间距为1 m，和主炮孔的排距仍为1.5 m，孔深调整为7 m，超深仍旧为0.75 m，采用不耦合间隔装药，当空药量为3.4 kg左右，其装药设计如表2所示。

表2 优化方案一预裂孔装药设计

主爆孔的孔间距为4.0 m，排间距为3.0 m，孔深调整为7.0 m，超深仍旧为0.75 m，台阶高度为6 m，单孔装药量调整为32 kg，堵塞为2.0 m。该方案的具体参数设计如表1方案一所示。

优化方案一的试验结果显示，由于采用了不耦合装药结构，因此炸药在爆炸后可以受到空气垫层的缓冲，因此能量水平明显降低，可以形成较好的预裂面，保留岩体的稳定性也大为提升，半孔率达到了62.5%，但是预裂面平整度较差，需要进一步优化。

3.3 优化方案二

针对优化方案一存在的问题，将孔深调整为10 m，同时对不耦合系数、孔间距以及装药量等参数进行调整，获得优化方案二，其预裂孔的装药设计如表3所示，方案的具体设计参数如表1方案二所示。

优化方案的现场试验结果显示，爆破后边坡的平整度和被保留岩体的完整度明显提升，半孔率达到了84.3%，杜绝了边坡台阶发生松散试块垮塌的工程问题，试验效果良好。

表3 优化方案二预裂孔装药设计

4 结 语

此次研究以具体工程为背景，利用现场试验的方式对边坡预裂爆破参数进行优化研究，并获得最佳设计方案。在后续的工程施工中按照本文提出的优化设计方案进行爆破开挖施工，取得了良好的工程效果，爆破开挖后成型的边坡坡面半孔率达到85%以上，坡面的平整度基本控制在±15 cm 以内，符合工程设计的预期要求，同时也保证作业人员和施工设备的安全。当然，随着工程技术的不断发展，水利工程建设必将面临更为复杂的地质环境。目前使用的高精度毫秒雷管存在十分严格的段别限制，不同段别的微差时间和理论值之间仍存在一定的差别，并对爆破效果产生直接影响。相信随着数码电子雷管的大量使用，上述问题终将得到有效解决。