預(yù)裂爆破技術(shù)在蘇布雷水電站特殊部位的應(yīng)用

李 科

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

蘇布雷水電站位于科特迪瓦西南部薩桑德拉河中下游河段納瓦(Nawa)瀑布附近。工程采用EPC總承包管理模式，是目前科特迪瓦最大的水電工程。蘇布雷水電站最大壩高20 m，大壩全長4.5 km，水庫總庫容8 300萬m3，總裝機容量為27.5萬kW，年發(fā)電量1 038 GWh。

蘇布雷水電站石方開挖工程量約220萬m3，控制爆破主要采用預(yù)裂和預(yù)留保護層開挖兩種方式，巖石以花崗巖、花崗片麻巖為主，抗壓強度為50～80 MPa。電站取水口石方開挖量為3.2萬m3，廠房和壓力鋼管區(qū)域石方開挖量為40萬m3，尾水渠石方開挖量為165萬m3，溢洪道石方開挖量為6.7萬m3。

2 特殊部位預(yù)裂孔的設(shè)計

蘇布雷水電站廠房基坑石方開挖工程量約40萬m3。原始地面高程為140 m，集水井底部高程為77 m，主機間基礎(chǔ)高程85.5 m，安裝間高程115 m。

廠房基坑開挖深度約63 m，發(fā)電機層(高程115 m)以上覆蓋層邊坡開挖坡比為1∶1.5，巖質(zhì)邊坡開挖坡比為1∶0.3，發(fā)電機層以下邊坡采用直立邊坡。上部由殘積紅粘土層組成，中下部主要由花崗巖、花崗片麻巖組成，邊坡穩(wěn)定性較好。

垂直邊坡采用預(yù)裂爆破的方式，質(zhì)量控制效果較好。對于坡比為1∶0.3的邊坡預(yù)裂爆破如何控制好坡面質(zhì)量，減少預(yù)裂孔底部的超欠挖難度較大，斜坡面相交形成的凹角與凸角部位的質(zhì)量控制更是難點中的難點。項目部技術(shù)人員在查閱了相關(guān)資料后擬定了以下預(yù)裂孔設(shè)計方案。

圖中單位高程：m，其他單位：cm圖1 凹角部位預(yù)裂孔設(shè)計圖

2.1 凹角部位

如圖1所示，預(yù)裂孔頂部間距100 cm，在凹角AB連線處增加了一個預(yù)裂孔。為防止預(yù)裂孔打穿影響爆破質(zhì)量，a4至a7，b4至b7相應(yīng)末端減去20 cm，以避免爆破能量竄孔。AB孔施工前，由測量人員精確定位后，制作樣架，嚴(yán)格控制鉆孔深度和傾角。

通過坡比1∶0.3以及A點到B點的高差計算出每個預(yù)裂孔的鉆孔深度。

孔深L=(HA-HB)/cos(90°-arctan(1/0.3))

凹角部位預(yù)裂孔鉆孔參數(shù)見表1。

2.2 凸角部位

如圖2所示，a1至a9，b1至b9孔頂部間距為60 cm，底部間距為120 cm，施工過程中對每個孔的傾角由測量人員放線，現(xiàn)場制作樣架。

凸角部位預(yù)裂孔鉆孔參數(shù)見表2。

表1 凹角部位預(yù)裂孔鉆孔參數(shù)表

表2 凸角部位預(yù)裂孔鉆孔參數(shù)表

圖2 凸角部位預(yù)裂孔設(shè)計圖

3 爆破參數(shù)

3.1 預(yù)裂爆破

(1)鉆孔機具：采用AirROC D45 液壓潛孔鉆機，工作風(fēng)壓為1.05～2.46 MPa，耗氣量為17～21 m3/min，鉆頭直徑為105～140 mm，鉆孔深度為向下20 m，水平30 m。

(2)鉆孔直徑：根據(jù)該型號鉆機的實際情況，采用最小鉆頭以節(jié)約工程量，成孔孔徑約為110 mm。

(3)鉆孔間距：根據(jù)瑞典朗格拂爾斯經(jīng)驗值，間距系數(shù)a/d按7～12確定，在該工程中，預(yù)裂孔孔距范圍為80～120 cm。現(xiàn)場一般取100 cm。

(4)線裝藥密度：根據(jù)經(jīng)驗公式：

qx=0.042[σp]0.63a0.6

式中qx為線裝藥密度，g/m，系全孔裝藥量(扣除底部增加藥量)除以裝藥段長度；a為鉆孔間距，1 m；σp為巖石極限抗壓強度(50～80 MPa)的70%～80%。

經(jīng)計算得到：在片麻巖上，預(yù)裂爆破線裝藥密度qx取0.394～0.577 kg/m，最終取500 g/m。

(5)裝藥結(jié)構(gòu)：采用竹片、導(dǎo)爆索串聯(lián)間隔不耦合裝藥。

(6)底部加強藥量：臺階高度為3～5 m，按孔底1～2 m處增加1～2倍的線裝藥密度確定，最終選2倍。臺階高度為5～10 m，按孔底1～2 m處增加2～3倍的線裝藥密度確定，最終選3倍。臺階高度大于10 m，按孔底1～2 m處增加3～5倍的線裝藥密度確定，最終選4倍。

凸角和凹角部位設(shè)計孔深為19 m左右，底部1.5 m加強裝藥量取2 kg/m。

3.2 主爆孔參數(shù)

(1)梯段高度H。根據(jù)鉆爆設(shè)備之鉆桿長度擬定梯段高度H一般為4～8 m。若采用乳化炸藥，可以將鉆爆深度擴大至8～15 m。

(2)鉆孔直徑D。鉆孔直徑根據(jù)鉆機鉆頭直徑確定。選用D7鉆機，其鉆孔直徑為90 mm。

(3)底板抵抗線W1及最小抵抗線W。底板抵抗線W1：底板抵抗線是影響爆破效果的一個重要參數(shù)，過大的底板抵抗線會導(dǎo)致根底多、大塊率高的結(jié)果。過小的底板抵抗線不僅浪費炸藥、增大造孔工作量，而且容易拋散巖塊產(chǎn)生飛石而造成危害。

按臺階高度計算：W1=(0.6～0.9)H

按炮孔直徑計算：W1=nD

式中n是與巖石堅硬度有關(guān)的系數(shù)，一般n=20～40；硬巖取小值，軟巖取大值，D=0.09 m。

經(jīng)計算可知底板抵抗線W1=3.6～5.4。

最小抵抗線根據(jù)里恰特介紹的計算方法：W=(20～40)d,式中d為藥卷直徑。取W=(20～40)d=(140～280)cm=(1.4～2.8)m。

(4)超鉆深度h和鉆孔深度L。

超鉆孔深根據(jù)《水利水電工程施工手冊》公式h=(0.12～0.30)H確定。

取h= 12%H。

鉆孔深度根據(jù)公式L=(H+h)/sinα進行計算。式中α為鉆孔角度。

(5)炮孔間距a。根據(jù)公式a=mW確定。式中m為炮孔鄰近系數(shù)，一般取0.8～1.4。

計算時采用蘭格弗爾斯《巖石爆破現(xiàn)代技術(shù)》或古斯塔夫松《瑞典爆破技術(shù)》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。根據(jù)b=W或b=0.866a確定，取b=2.4 m。

(7)裝藥長度L1。

式中L1為裝藥長度，m；Q為每孔裝藥量，kg；q1為每延米藥包的質(zhì)量，kg/m；△為裝藥密度，kg/dm3。

(8)堵塞長度L2。根據(jù)L2=(20～40)D=( 1.52～3.04 m )確定，當(dāng)L2小于0.75W1時，需調(diào)整W1或a值后重新計算裝藥量。

(9)緩沖孔參數(shù)。緩沖藥包直徑小于梯段爆破中主爆孔的藥包直徑，一般為主爆孔藥徑的1/2～2/3，底部1～2 m藥包直徑同主爆孔，上部1～2 m視炮孔至預(yù)裂縫面的距離而定。距離近則布置小直徑藥包。單孔藥量為主爆孔的1/2～2/3。緩沖孔孔距應(yīng)不小于抵抗線，孔距定為1.5～2.5 m。爆破參數(shù)計算結(jié)果統(tǒng)計匯總情況見表3。

表3 爆破參數(shù)計算表

說明：預(yù)裂孔一次鉆至設(shè)計深度，主爆孔分臺階依次開挖至設(shè)計深度。起爆時先起爆預(yù)裂孔，再起爆主爆孔。

4 爆破效果及經(jīng)驗總結(jié)

爆破開挖后檢查發(fā)現(xiàn)，預(yù)裂爆破效果較好，預(yù)裂輪廓面成型規(guī)則，邊坡面平整，不平整度小于15 cm,超挖控制在15 cm以內(nèi)，巖壁上半孔保留率達90%以上，圍巖只有輕微破壞，巖壁上局部存在微小的爆破裂隙。經(jīng)多次試驗論證，蘇布雷水電站石方預(yù)裂爆破得出以下結(jié)論：

(1)預(yù)裂孔的開孔位置：向結(jié)構(gòu)邊線外側(cè)偏移10～15 cm，以減少后期欠挖處理的工作量。

(2)預(yù)裂孔深在15～20 m之間時，開孔角度應(yīng)增加3°。例如，坡比為1∶0.3的預(yù)裂孔，設(shè)計角度為73°，實際鉆孔角度應(yīng)調(diào)整為76°。