坝基精准延时预裂控制爆破关键技术研究

刘立强

(雅砻江流域水电开发有限公司，成都，610051)

0 引言

在水电工程建设中，混凝土坝是最广泛采用的坝型，其中拱坝比例占80%，远超其他坝型[1]。拱坝坝基边坡岩体的稳定性和安全性是水电项目建设中首先需要考虑的问题，关系着工程建设和长期运行的安全，更与下游民众的生命财产安全息息相关。

我国的拱坝具有坝体高河谷宽、水平推力大、坝址所处的地质条件复杂、坝基处理难度大、河谷深切边坡陡峭、开挖支护量大等特点，并且由于高拱坝、特高拱坝规模大，因此，对基础条件、结构安全等的控制有严格要求，尤其对承受水平推力的两岸山体基岩稳定性要求高。然而，由于为拱座提供反力的对象是天然岩体，受到各种复杂的结构面如断层、软弱带、节理裂隙等切割和岩体开挖卸荷作用，从而面临着复杂的地质问题。不良地质条件下的拱坝拱肩槽边坡开挖稳定性是众多拱坝建设过程中所面临的重大挑战，是亟待解决的工程难点。

1 项目概况

杨房沟水电站位于雅砻江中游河段上，电站为Ⅰ等工程，工程规模为大(1)型。挡水建筑物采用混凝土双曲拱坝，坝顶高程2102.00m，最大坝高155.00m，拱冠梁顶宽9m，底宽32m，厚高比0.206，最大拱端厚度34.90m。电站装机容量1500MW。

杨房沟水电站坝址区断层发育，共发育3条Ⅱ级结构面，59条Ⅲ级结构面，465条Ⅳ级结构面[2]，主要以走向NNE、NEE～EW、NWW向中陡倾角为主，缓倾角结构面较少发育。断层宽一般0.02m～0.5m，带内一般为碎块岩、岩屑夹泥质、钙质等，面多见擦痕及褐黄色铁锰质渲染[3]。电站拱肩槽边坡断层、挤压带和裂隙发育，以左岸坝肩槽上游侧边坡为例，高程2101.85m～2000m段就发育有45条断层、56条挤压带和1条裂隙，其中f27大规模断层自上游侧边坡贯穿整个坝肩槽，且断层走向与工程边坡小角度相交，断层倾角55°～60°，小于工程边坡开挖坡角，对边坡局部稳定极为不利[2]。随着边坡开挖，边坡岩体应力进行调整，逐渐出现卸荷松弛变形。截至2018年5月底，左岸坝顶卸料平台混凝土面上共分布有14条裂缝，其中有8条裂缝(L1～L6、L12～L13)斜穿f27断层附近发育，4条裂缝(L7、L11、L14、L15)位于平台中、下游侧，L18为混凝土分缝部位裂缝，L19位于平台上游侧边缘。初步分析裂缝主要受左岸拱肩槽上游自然边坡发育的不利块体KZ140松弛剪切变形所致(如图1)。坝区岩体如此复杂的地质条件和岩体变形显著增大给坝肩槽边坡稳定性带来了极大地挑战，也给开挖爆破控制工作提出了更高的要求。

图1 左岸拱肩槽上游自然边坡高程2092m～2102m发育不利块体KZ140

2 研究目标及内容

2.1 研究目标

以杨房沟水电站为工程依托，通过理论研究、地质调查、现场试验和工程应用等相结合，研究断层发育岩体坝基开挖爆破关键技术，为确保拱肩槽边坡和坝基岩体稳定提供理论和工程技术保障。

2.2 研究内容

通过理论研究、地质勘察、现场试验与监测等方式开展研究，主要研究内容:针对复杂地质条件下的坝基开挖质量控制难的特点，研究采用工业电子雷管高精准延时的施工预裂＋结构预裂开挖方法，并以工程应用和现场爆破振动、声波检测、边坡变形监测等数据分析评价坝基开挖措施的效果。

3 精准延时预裂控制爆破相关技术

3.1 爆破前的准备

为了了解爆破影响范围内需重点保护的建筑物及其附属建筑物的实际情况[4]，相关参建单位对影响范围内的建筑物、生产及生活设施开展了详细调查，并采取了必要的保护措施。

3.2 爆破设计参数

根据建(构)筑物的结构特点、地质条件、质量要求和开挖爆破工艺试验结论，选择最佳的控制爆破参数，如选取最佳的分层、分块、掘进方向、保护层厚度、孔深、孔径、孔距、孔向、排距等。同时选用合适的炸药品种、合理的装药联网结构和起爆方式，使每排炮开挖爆破形体与设计结构线高度吻合，提高开挖爆破成型质量。杨房沟拱肩槽边坡开挖由于地质条件的复杂性，开挖爆破施工对爆破参数的要求很高，通过一系列的科学试验对爆破参数进行了研究分析。采用临近槽坡面部位预留保护区方式，预留保护区厚度按照10m(1排缓冲孔、2～3排主爆孔)左右进行控制。瘦身区爆破孔开挖布置5排孔[5]，对临近保护区内侧的一排爆破孔，其造孔、装药按照近似于光面爆破控制[6]。其中左岸高程2101.85m～1947m坝基开挖爆破参数见表1。

表1 爆破常规参数

3.3 工业电子雷管与普通导爆管雷管对比

在爆破网络设计上，若利用工业电子雷管，则技术上可实现毫秒级的延时起爆，有效降低爆破振动，在不同的岩石环境，能够方便快捷地调整起爆顺序和延时，改善爆破效果[7]。

3.3.1 普通导爆管雷管爆破实例

2017年12月7日左岸拱肩槽高程2102m～2090m开挖爆破，缓冲孔、主爆孔孔内雷管均为MS19非电雷管延时，孔外段间延时雷管为MS3、MS5、MS7、MS11。由监测波形可以看出主爆孔爆破1650ms～1800ms时间段存在相邻段位波形叠加，导致振动增强，推测有2次重段现象，最大质点振动速度超标。其监测波形见图2。

图2 左岸拱肩槽高程2102m～2090m开挖爆破振动监测波形

2017年12月15日左岸拱肩槽高程2090m～2080m开挖爆破，缓冲孔、主爆孔孔内雷管分别为MS19、MS18、MS17、MS16，孔外段间延时雷管为MS3、MS5、MS9。由监测波形可以看出主爆孔爆破1800ms～1900ms时间段段位分割不清晰，存在相邻段波峰相互叠加导致的振动加强现象，最大质点振动速度亦出现在该区间内。其监测波形见图3。

图3 左岸拱肩槽高程2090m～2080m开挖爆破振动监测波形

3.3.2 工业电子雷管爆破实例

2018年7月26日右岸拱肩槽高程1970m～1960m开挖爆破。由监测波形可以看出，各段位振动速度分布较均衡，段位分隔清晰，无明显重段导致的叠加。其监测波形见图4。

图4 右岸拱肩槽高程1970m～1960m开挖爆破振动监测波形

2018年8月17日左岸拱肩槽高程1990m～1980m开挖爆破。由监测波形可以看出，振动速度峰值为发生在预裂爆破时间段，预裂效果良好，主爆孔振动速度降低明显。其监测波形见图5。

图5 左岸拱肩槽高程1990m～1980m开挖爆破振动监测波形

2018年9月28日左岸拱肩槽高程1950m～1946.5m开挖爆破。由监测波形可以看出主爆孔段位分隔清晰，主振波无重段导致的叠加。其监测波形见图6。

图6 左岸拱肩槽高程1950m～1946.5m开挖爆破振动监测波形

3.3.3 结论

工业电子雷管与普通导爆管雷管相比，段位间延时更加精确，能有效减少重段现象发生，从而使爆破网络更符合原设计理念，也使得爆破网络优化更能落在实处。

3.4 爆破工作主要施工程序

施工钻爆作业必须严格按照爆破参数要求进行，局部地质条件较差的区域，钻爆参数可做微调[8]，但必须经过严格的审批制度。

爆破施工必须严格按施工方案程序进行。对布孔、测量放线、样架搭设、钻孔等各个环节验收合格后方可进入下一程序，确保孔径、孔深、孔向等指标满足质量标准要求，这也是实现爆破效果的保障。

3.5 爆破施工主要技术要求

(1)爆破网络根据监理工程师批复的实施爆破设计实施，采取孔内相同高段位的雷管延时、孔外低段位雷管接力的微差爆破网络，能实现均匀的分段时差。

(2)控制爆破:在开挖边坡建基面采用预裂爆破减少爆轰波对开挖边坡的影响、梯段爆破控制单响药量等控制爆破措施，质点振动速度均不得大于安全质点振动速度。降低段药量是控制爆破振动最直接、有效的措施；改变最小抵抗线W的方向:根据力学原理分析，在地质、地形条件及爆破参数相同的条件下，振动作用最强烈的方向是最小抵抗线W的后方，两侧面较小，所以最好采用斜线或V形起爆方案[9－12]；合理选择各段起爆时间间隔:完整的单段爆破地震波形应包括初震相、主震相和余震相，主震相周期一般为50ms～100ms。为避免后一段爆破产生的地震波与前一段地震波相叠加而加强，两段起爆时间间隔Δt应有所控制，宜使Δt≥100ms。

(3)填塞是保证爆破成功的重要环节之一，深孔、浅孔爆破装药后必须保证足够的填塞长度和填塞质量，禁止使用无填塞爆破[13]；深孔爆破使用孔边钻屑或细石料填塞，浅孔爆破使用炮泥填塞；分层间隔装药应注意间隔填塞段的位置和填塞长度，保证间隔药包到位。

(4)按规定开展爆破振动监测，根据监测数据及时指导后续爆破作业。

(5)爆破作业，以及爆破器材的管理、加工、运输、检验和销毁等工作均应按照国家现行的«爆破安全规程»执行。

3.6 爆破管理体系主要要求

建立严格控制开挖质量、安全、环保、进度的精细化管理体系:组织成立了杨房沟水电站大坝建基面爆破开挖质量控制和验收领导小组和工作小组，建立和不断完善了建基面爆破开挖质量管理制度体系，建基面开挖按照“一炮一地质预报、一炮一总结、一炮一改进、一炮一动态设计”，确保爆破参数和爆破网络适应当前地质情况，为最优爆破设计，控制爆破质点振动速度满足设计要求，控制爆破影响深度最小。除EPC总承包部自行进行爆破监测和物探工作外，业主还引进第三方监测单位和总包监测人员同时进行爆破质点振动、物探工作，并对监测结果进行分析，对大坝建基面开挖提供技术支持和爆破参数优化指导。

3.7 爆破前后边坡变形数据对比分析

拱肩槽开挖至2000m高程以后，对开挖爆破反应较为敏感的是左岸拱肩槽高程2005m、布置在f27断层的一套多点位移计Mbj－3－1(7月取得初值，详见表2，图7)。通过对爆破后的位移增量监测显示，除了在2018年7月20日、2018年7月24日爆破后位移测值增量超过1mm(最大增量1.57mm)外，其余监测测次位移增量均在1mm以内，且有占比80.95%测次的位移增量在0.5mm以内，与之前相比开裂速度有显著减小，说明爆破对f27变形影响基本不大，控制爆破取得了成功。

图7 左岸拱肩槽Mbj－3－1多点位移计测值过程线

表2 左岸拱肩槽Mbj－3－1多点位移计爆破后测值统计

3.8 爆破开挖效果评价

经现场检查，边坡开挖最大超挖≤18cm，最大欠挖≤8cm，开挖岩面外观轮廓清晰平整，不平整度≤10cm，孔留孔平直呈直线顺接，且与相邻孔平行，半孔率≥90%，残留孔壁面没有明显爆破裂隙，无松动岩块，详见表3、图8。

表3 拱肩槽边坡开挖质量评价明细(部分)

图8 左岸坝肩槽开挖效果

4 研究成效

(1)通过采用工业电子雷管精准延时预裂控制爆破施工技术后，对左岸高程2000m以下和拱肩槽边坡整体开挖质量进行比对、分析，左岸高程2000m以下的超欠挖、半孔率、平直度、不平整度等开挖质量评价指标均有较明显的提升。

(2)在工程组合结构面开挖利用在线可编程的工业电子雷管爆破开挖技术，可实现精准延时控制爆破，有效降低了不良地质体施工的安全、质量、进度及成本风险。主要体现为:

①工业电子雷管内的电子控制模块配置有先进的数码控制技术，因此，雷管在起爆控制中，可发挥延时控制和能量控制优势，大大降低了爆破开挖对坝体基础面的损伤，爆破控制质量得到提高；

②工业电子雷管中数码控制技术还配置有独特的身份信息码和起爆密码，且爆破振动小，减小了对爆破区及周边环境的扰动，开挖爆破安全风险有效降低；

③工业电子雷管的数码控制技术还具有对其自身性能以及技术指标等状况开展自动测试的功能，并通过通信模块实现起爆系统与外部控制设备的信息联络，这些功能使爆破整体控制效果得到改进；

④通过验证，在电子雷管的技术支持下，可以实现微差爆破，较传统的雷管起爆技术而言，可以显著地改善爆破块度、满足爆破、挖装、运输效率的最优化，提高炸药利用率和爆堆松散度，实现准确开挖，效率明显提高，综合成本得到有效控制。

(3)在重要部位或不良地质岩体开挖爆破，建立精细化管理体系，严格按照技术要求开展爆破作业，并引进物探监测单位对爆破作业实时跟踪、评价、指导，是大范围爆破成功实施和达到爆破效果的必要条件。

5 结论

高拱坝对坝基岩体质量要求甚高，坝基岩体的稳定性是拱坝建设面临的重点和难点，而岩体的不连续性往往发育有局部不良地质体甚至整体地质条件差，前期的地质勘探不全面，地质条件自身的复杂性，坝址选择的多方考量，往往导致坝基难以避免遇到地质处理问题。杨房沟水电站参建各方通过研究，选用工业电子雷管起爆网络的爆破方式，并加以严格落实施工程序、精细化管理控制、物探监测及时指导等措施，实现了精准延时施爆、有效地控制爆破振动，坝基岩体开挖质量得到大幅提升、建基面岩体得到有效保护的目标。该技术相关内容对类似爆破工程具有一定的借鉴意义。