數(shù)碼電子雷管在楊房溝水電站拱壩壩基開挖中的運(yùn)用

劉 明 生， 劉 澤 艷， 范 道 林

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

眾所周知，高拱壩對壩基開挖成型質(zhì)量要求嚴(yán)，對壩基開挖相鄰兩炮孔間巖面的不平整度、爆破松弛影響深度、最大單段起爆藥量、殘留炮孔壁的爆破裂隙、殘留炮孔痕跡保存率、安全質(zhì)點(diǎn)振動速度、壩基爆后聲波衰減等均有嚴(yán)格的規(guī)定。采用數(shù)碼電子雷管(以下簡稱數(shù)碼雷管)的控制模塊進(jìn)行延時及網(wǎng)絡(luò)安全控制，以達(dá)到精準(zhǔn)延時、設(shè)定靈活、爆破網(wǎng)絡(luò)安全的目的。

數(shù)碼雷管可以根據(jù)所需要的延時情況在0～16 000 ms范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)置，最小時間間隔能精確到1 ms，從而使爆破網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計(jì)更容易。爆破延時可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時，只要網(wǎng)絡(luò)延時計(jì)算正確，則爆破網(wǎng)絡(luò)將嚴(yán)格按照爆破設(shè)計(jì)方案進(jìn)行起爆，使網(wǎng)絡(luò)起爆更安全，不會出現(xiàn)因先起爆部分的飛石彈斷網(wǎng)絡(luò)而造成網(wǎng)絡(luò)斷掉后剩余部分出現(xiàn)不起爆、瞎炮等情況。因此要求在采用數(shù)碼雷管進(jìn)行爆破網(wǎng)絡(luò)連接工作時須更認(rèn)真、仔細(xì)，如果漏掉連接數(shù)碼雷管將會造成網(wǎng)絡(luò)錯誤并會出現(xiàn)無法連接、不起爆的情況，從而使爆破更安全。

楊房溝水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內(nèi)的雅礱江中游河段，是雅礱江流域梯級規(guī)劃的第6 級水電站。該電站為一等工程、大(1)型，擋水建筑物采用混凝土雙曲拱壩，最大壩高155 m。拱壩呈弧形，頂部寬度為11 m，底部寬度為35.6 m。

楊房溝水電站拱壩左岸壩基高程2 030～1 947 m采用數(shù)碼雷管進(jìn)行系統(tǒng)控制爆破開挖，累計(jì)進(jìn)行了12個梯段(梯段高度為5 m、10 m)、18次系統(tǒng)控制爆破開挖。開挖采用逐孔精準(zhǔn)延時、分層多點(diǎn)爆破、排間同步延時爆破的方法，實(shí)現(xiàn)了提高爆破效果、降低炸藥單耗、減輕爆破有害效應(yīng)的目的。

2 拱壩壩基開挖施工

2.1 壩基開挖的梯段高度

左右岸拱肩槽壩基邊坡高程為2 101.85～1 947 m，左岸開挖坡比為1∶0.84～1∶1.19(右岸為1∶0.49～1∶1.23)，按16個梯段開挖，單個開挖梯段為7～11.85 m。左岸拱肩槽壩基鉛直開挖深度為22～57 m(右岸為20～43 m)，水平開挖深度為20～55 m(右岸為14.5～41 m)，壩基下游拱端的水平嵌深為9.5～33 m(右岸為11～27.9 m)。

左岸建基面走向呈N1°W～N12°E(右岸為N58°～75°W)，基本呈近似規(guī)則的梯形，其頂、底邊長分別為12 m和36 m，左岸坡面斜長為215 m(右岸為213 m)，左岸面積為5 223 m2(右岸為5 556 m2)。

左右岸壩基巖性均為花崗閃長巖，呈弱風(fēng)化下段～微風(fēng)化，無卸荷，巖體以塊狀～次塊狀為主。

壩基無大規(guī)模斷層通過，構(gòu)造形跡主要為斷層、擠壓帶及節(jié)理。施工期開挖揭示：左岸壩基發(fā)育40條小斷層和27條擠壓帶。右岸壩基發(fā)育50條小斷層和35條擠壓帶，其大部分為Ⅳ級結(jié)構(gòu)面，少量為Ⅲ級結(jié)構(gòu)面，左岸主要以走向NNE、NEE及NWW向中陡傾角為主，右岸走向主要以NE、NWW及NEE向中陡傾角為主，緩傾角結(jié)構(gòu)面較少發(fā)育，結(jié)構(gòu)面一般寬2～5 m，帶內(nèi)物質(zhì)一般為碎塊巖、巖屑夾鈣質(zhì)、片狀巖等，面多見褐黃色鐵錳質(zhì)渲染，延伸長度一般為15～30 m；壩基節(jié)理發(fā)育，面平直粗糙，附巖屑、鈣質(zhì)，或閉合，平行發(fā)育間距為0.5～1 m，其中部分節(jié)理與壩基面交角較小，局部組合見掉塊現(xiàn)象。

壩基巖體以Ⅲ1～Ⅱ類為主，少量為Ⅲ2、Ⅳ類，其中左岸Ⅱ類巖體占比為68.5%(右岸為47.1%)、Ⅲ1類巖體占比為28%(右岸為44.4%)、Ⅲ2類巖體占比為0.7%(右岸為8.5%)、Ⅳ類巖體占比為2.8%；巖體較完整，局部完整性差。

2.2 邊坡開挖采用的施工方法

拱壩壩基邊坡開挖在經(jīng)生產(chǎn)性試驗(yàn)取得爆破參數(shù)后，采用“先瘦身、壩基預(yù)留保護(hù)區(qū)開挖”的施工方法。河床壩段水平壩基開挖采取先拉先鋒槽(采用楔形掏槽)、再沿設(shè)計(jì)高程鉆水平預(yù)裂、豎向鉆主爆孔的控制爆破方式完成開挖。

拱壩壩基邊坡采取從上到下、分層分段、深孔微差爆破法施工。梯段分層根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按5～10 m設(shè)置，每層按照設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)線長度約30 m劃分為一個爆破區(qū)，臨江側(cè)“瘦身炮”區(qū)域?yàn)棰駞^(qū)，沿壩基設(shè)計(jì)開挖線從上游端到下游端依次為Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)、Ⅴ區(qū)。其中，為保證拱肩槽成型良好，將拱肩槽與拱肩槽上下游側(cè)坡交界處約10 m區(qū)域邊坡劃分至拱肩槽爆破區(qū)(Ⅳ區(qū))，與拱肩槽區(qū)域邊坡一同爆破。

壩基開挖原則上采用先瘦身、之后按從上游至下游的順序爆破施工，相鄰區(qū)域的最大開挖高差不大于10 m。若先爆破拱肩槽上下游側(cè)坡，則將上下游側(cè)坡與拱肩槽連接部位約10 m部分預(yù)留至下次拱肩槽邊坡爆破時一同爆除。

拱肩槽上下游側(cè)坡的開挖厚度大于20 m時，考慮先進(jìn)行外側(cè)“瘦身”，預(yù)留10 m保護(hù)層進(jìn)行預(yù)裂。拱肩槽邊坡區(qū)域的開挖厚度大于20 m時，則考慮預(yù)留10～12 m的保護(hù)層進(jìn)行預(yù)裂。

拱肩槽保護(hù)層邊坡的開挖在拱肩槽上下游邊坡、拱肩槽外側(cè)瘦身區(qū)開挖后進(jìn)行。瘦身炮的爆破規(guī)模為：單次按5排爆破孔進(jìn)行控制；對于臨近保護(hù)區(qū)內(nèi)側(cè)的一排爆破孔，其造孔、裝藥按光面爆破進(jìn)行控制。

預(yù)裂孔采用QJZ-100B潛孔鉆，緩沖孔和主爆孔采用JK590液壓鉆造孔。預(yù)裂孔采用φ25 mm或φ32 mm乳化炸藥間隔裝藥，緩沖孔及主爆孔采用φ70 mm連續(xù)裝藥。左岸2 030 m高程以下的拱肩槽采用數(shù)碼雷管，其余拱肩槽采用非電雷管控制爆破開挖。

河床壩基高程1 960～1 950 m段先從拱壩壩基開挖中心線拉槽，再進(jìn)行5 m梯段的“瘦身”開挖，最后沿設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)線預(yù)裂，分層高度不大于5 m。

2.3 爆破試驗(yàn)

在左右岸壩肩高程2 133～2 123 m區(qū)間分別進(jìn)行了4次拱肩槽開挖爆破生產(chǎn)性試驗(yàn)；在左岸壩肩高程2 120.6～2 108.75 m區(qū)間進(jìn)行了1∶1生產(chǎn)性試驗(yàn)。

工程建設(shè)的各方對5次生產(chǎn)性試驗(yàn)成果進(jìn)行了評審。經(jīng)總結(jié)分析認(rèn)為：第5次試驗(yàn)效果最優(yōu)，其爆破參數(shù)可用于大壩拱肩槽開挖施工。該試驗(yàn)區(qū)爆破后預(yù)裂面殘孔率為93.5%，超挖小于15 cm，無明顯爆破裂隙，平整度小于15 cm。所布置的5個振動監(jiān)測點(diǎn)實(shí)測最大質(zhì)點(diǎn)振動速度為3.39 cm/s；共布置了3組爆前爆后聲波測試孔，測得聲波檢測爆破影響深度為1～1.2 m，松弛區(qū)域波速衰減率為5.2%～9.5%(均滿足設(shè)計(jì)要求)。楊房溝水電站拱肩槽控制爆破開挖參數(shù)采用表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行和微調(diào)，楊房溝水電站拱肩槽控制爆破開挖參數(shù)見表1。

表1 楊房溝水電站拱肩槽控制爆破開挖參數(shù)表

2.4 壩基及拱肩槽邊坡的開挖

(1)上鉆平臺的找平與清理。上鉆平臺2 m范圍采取人工配合機(jī)械的方式找平。將平臺的超欠控制在20 cm范圍內(nèi)，經(jīng)清理、檢查合格后進(jìn)行測量放線。

(2)測量放樣。測量人員按炮孔布置圖進(jìn)行孔位的放測。主要包括開口線高程、預(yù)裂孔位置、角度、深度、方向點(diǎn)等。

每一茬炮的預(yù)裂孔均需測量、逐孔放點(diǎn)，每個孔對應(yīng)放一個方向點(diǎn)，并保證鉆機(jī)中心點(diǎn)、孔口開孔點(diǎn)及方向點(diǎn)三點(diǎn)成一條直線。做好放樣記錄，并對質(zhì)量員、鉆孔班組人員現(xiàn)場交代點(diǎn)線和控制要求。

(3)樣架的搭設(shè)。預(yù)裂孔鉆孔樣架采用型鋼搭設(shè)，并需按照報(bào)批的措施、測量控制點(diǎn)線進(jìn)行搭設(shè)。搭設(shè)角度采取角度尺或羅盤控制，完成后由測量人員在現(xiàn)場進(jìn)行校核和糾偏。樣架整體驗(yàn)收合格后方能投入使用，在鉆孔過程中安排專人檢查、加固與維護(hù)。

(4)鉆孔。預(yù)裂孔采用QZJ-100B潛孔鉆造孔，采用直徑為70 mm的鉆頭，成孔孔徑為75 mm；對于局部不具備條件的則采用手風(fēng)鉆造孔。

在鉆孔作業(yè)1 m深度范圍內(nèi)，必須三次校核鉆桿的角度與方位(造孔20 cm、造孔50 cm、造孔100 cm)。造孔深1 m后，按照2～3根鉆桿的要求再校核一次；遇到地質(zhì)條件差的部位，需對每根鉆桿進(jìn)行校核。校鉆時不僅要校核鉆機(jī)的正面角度，還需校核鉆機(jī)兩個側(cè)面的垂直度。

鉆孔的鉆速可結(jié)合實(shí)際的巖石強(qiáng)度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，一般情況下，Ⅲ1類巖石的鉆速為10 cm/min；在遇到比Ⅲ1類偏差的巖石及裂隙發(fā)育區(qū)，可適當(dāng)調(diào)慢鉆速以確保鉆孔方向、角度準(zhǔn)確。

(5)裝藥、堵塞、起爆網(wǎng)絡(luò)的連接、起爆與安檢。爆破孔清理完成后，在爆破工程師的指導(dǎo)下，按照報(bào)批的爆破設(shè)計(jì)方案進(jìn)行裝藥與連線。

預(yù)裂孔采用竹片裝藥，將藥卷規(guī)范地綁扎在竹片上，綁扎過程應(yīng)精確控制藥卷間距。起爆網(wǎng)絡(luò)采用搭接法，對搭接部位用膠布纏緊，其長度不小于15 cm。預(yù)裂孔孔內(nèi)采用導(dǎo)爆索導(dǎo)爆，孔外采用數(shù)碼雷管按設(shè)計(jì)要求延時爆破。

(6)爆破設(shè)計(jì)參數(shù)。

①左岸高程2 101.85～1 947 m拱肩槽建基面采用的開挖爆破參數(shù)見表2。

表2 左岸拱肩槽爆破主要參數(shù)表

②右岸高程2 101.85～1 947 m壩基開挖采用的爆破參數(shù)見表3。

表3 右岸拱肩槽爆破主要參數(shù)表

2.5 左岸拱肩槽保護(hù)層采用數(shù)碼雷管爆破開挖

以左岸拱肩槽2 010～2 000 m高程預(yù)留保護(hù)層、采用數(shù)碼雷管進(jìn)行爆破網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)為例，介紹了數(shù)碼雷管在壩基開挖中的系統(tǒng)運(yùn)用。

此次左岸拱肩槽壩基保護(hù)層爆破設(shè)計(jì)方案為：預(yù)裂孔81個，孔內(nèi)采用Ms1非電雷管入孔， 3～7孔/響，每單響間數(shù)碼雷管接力；緩沖孔23個，緩沖孔孔內(nèi)分段并采用數(shù)碼雷管延時，1孔/2響；主爆孔34個，主爆孔孔內(nèi)分段并采用數(shù)碼雷管延時，1孔/2響。

(1)炮孔的平面布置情況。主爆孔間排距采用3.5 m×2.8 m，預(yù)裂孔間排距采用36～60 cm，緩沖孔間排距為1.8 ×1.8 m。

(2)預(yù)裂孔布置。拱壩拱肩槽及其上下游邊坡交界位置的預(yù)裂孔必須按拱肩槽結(jié)構(gòu)線單獨(dú)布置，逐孔設(shè)計(jì)鉆孔的角度、方向、深度，對于拱肩槽與上下游側(cè)坡的相交線須設(shè)置導(dǎo)向孔以確保爆破成型。根據(jù)2 010～2 000 m高程拱肩槽體型，開孔間距采用36 cm、44 cm、60 cm的孔距，孔底間距為60 cm左右。

(3)爆破孔的裝藥結(jié)構(gòu)。預(yù)裂孔、導(dǎo)向孔均采用竹片導(dǎo)爆索間隔裝藥并精確控制藥卷間距，孔外采用數(shù)碼雷管分段延時。主爆孔、緩沖孔采用單孔雙數(shù)碼雷管連續(xù)裝藥，單孔單響，精準(zhǔn)延時起爆。

(4)爆破網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。拱肩槽保護(hù)層采用非電雷管爆破網(wǎng)絡(luò)時，主爆孔間的延時主要采用MS3延時50 ms，爆破質(zhì)點(diǎn)振動速度的實(shí)測值容易超過10 cm/s的設(shè)計(jì)要求，且不時發(fā)生爆破網(wǎng)絡(luò)斷線情況。

經(jīng)對所出現(xiàn)問題的實(shí)測整體波形振動較大的分段做傅里葉變換、進(jìn)行波形頻譜對比分析發(fā)現(xiàn)：濾波后波形在延時10～20 ms左右疊加效果較好，故在采用數(shù)碼雷管時設(shè)置主爆孔孔間延時為15 ms，預(yù)裂孔采用30 ms延時，后續(xù)再根據(jù)實(shí)測的爆破振動波形與爆破分段、延時關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)化，做到精準(zhǔn)延時。

(5)實(shí)測爆破質(zhì)點(diǎn)振動速度。

①測點(diǎn)的布置。在左岸上游側(cè)坡、左岸拱肩槽布置了9個監(jiān)測點(diǎn)，1號～4號測點(diǎn)布置在上游側(cè)邊坡，5號～9號測點(diǎn)布置在拱肩槽邊坡上，每個測點(diǎn)布置一臺三向速度傳感器(可同時監(jiān)測水平徑向、垂直向和水平切向的質(zhì)點(diǎn)振動速度和頻率)。2 010～2 000 m高程梯段爆破振動監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖見圖1。

圖1 2 010～2 000 m高程梯段爆破振動監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖

②爆破振動監(jiān)測成果。此次爆破振動監(jiān)測取得的成果見表4。由表4可知：左岸上游側(cè)坡監(jiān)測點(diǎn)的最大質(zhì)點(diǎn)振速位于1號監(jiān)測點(diǎn)水平徑向，振速為8.06 cm/s, 布置在左岸拱肩槽邊坡的監(jiān)測點(diǎn)其最大振速位于5號監(jiān)測點(diǎn)水平徑向，振速為7.32 cm/s。

表4 質(zhì)點(diǎn)振動監(jiān)測成果表

所布置的9個測點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)振速均小于設(shè)計(jì)要求的10 cm/s。

3 拱肩槽開挖質(zhì)量

3.1 爆破松弛程度的測試

拱肩槽2 101.85～2 040 m高程建基面每10 m梯段在爆前布置了不少于3個聲波孔；高程2 040 m以下每10 m梯段在爆前布置了不少于6個聲波孔；每個孔入巖深度不小于5 m，分別進(jìn)行了爆前、爆后單孔聲波測試，每梯段進(jìn)行了一組對穿聲波測試。如因爆后堵孔導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失，均進(jìn)行了相應(yīng)的鉆孔補(bǔ)打工作。

左岸拱肩槽建基面2 101.85～1 947 m高程段共測試了77個爆破松弛測試孔，其中對39個孔進(jìn)行了爆破前后的聲波對比測試，爆破影響深度為0.3～2.6 m，平均為1.1 m，爆后松弛區(qū)巖體波速為3 001～5 147 m/s，平均值為4 225 m/s。距建基面1 m處波速衰減率為0%～31.4%，平均為7.7%。

3.2 拱肩槽開挖質(zhì)量

左岸拱肩槽建基面高程2 101.85～2 030 m采用非電雷管，高程2 030～1 947 m采用數(shù)碼雷管控制開挖，成型效果均良好。

(1)超欠挖。對于壩基超欠挖，共檢測了957點(diǎn)，合格為915點(diǎn)，合格率達(dá)95.6%，超挖值為0～69 cm，無欠挖；拱肩槽上下游邊坡超欠挖共檢測了656點(diǎn)，合格為621點(diǎn)，合格率達(dá)94.7%，超挖值為1～71 cm，無欠挖，均滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

(2)半孔率。壩基段開挖半孔率為81.1%～98.7%(Ⅱ、Ⅲ類巖石)，綜合平均為94.9%；拱肩槽上下游邊坡半孔率為87.5%～95.8%(Ⅱ、Ⅲ類巖石)，綜合平均為94%，均滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

(3)平直度。對于壩基段開挖平直度，共檢測了220點(diǎn)，合格為206點(diǎn)，合格率達(dá)93.6%，平直度值為2～13 cm；拱肩槽上下游邊坡平直度共檢測了210點(diǎn)，合格為196點(diǎn)，合格率達(dá)93.3%，平直度值為2～14 cm，均滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

(4)不平整度。對于壩基開挖不平整度，共檢測了263點(diǎn)，合格為251點(diǎn)，合格率達(dá)95.4%，不平整度值為2～20 cm；拱肩槽上下游邊坡開挖不平整度共檢測了270點(diǎn)，合格為257點(diǎn)，合格率達(dá)95.2%，不平整度值為2～19 cm，滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

(5)開挖質(zhì)量評價。檢查發(fā)現(xiàn):建基面殘孔半圓痕跡均勻，相鄰兩炮孔間巖面的不平整度均滿足相關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求;剔除局部地質(zhì)缺陷，坡面平均超挖9 cm，無欠挖；殘留炮孔壁均無明顯的爆破裂隙(>0.5 mm)，除明顯的地質(zhì)缺陷處外，無裂隙張開、錯動及層面抬動現(xiàn)象。

(6)左岸拱肩槽開挖成型效果。左岸拱肩槽數(shù)碼雷管開挖成型效果見圖2。

4 結(jié) 語

隨著全國數(shù)碼雷管“分步推進(jìn)，逐步開展”大力持續(xù)推進(jìn)之際，水電工程建設(shè)將逐漸實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)雷管與數(shù)碼雷管的有序更替。數(shù)碼雷管在水電工程中不良地質(zhì)條件部位、建筑物成型要求嚴(yán)、爆破質(zhì)點(diǎn)振速要求高的特殊部位的明挖爆破將得到大力運(yùn)用，其特別適合于逐孔精準(zhǔn)延期、分層多點(diǎn)、排間同步延期、地下掘進(jìn)及高安保要求的爆破工程。水電工程露天爆破時，數(shù)碼雷管對雷電、雜散電流及靜電的防御能力遠(yuǎn)高于一般的工業(yè)電雷管。