面板堆石坝料开采的洞室爆破技术

史雅语   吴南屏(北京振冲公司浙江分公司)    刘文泉(浙江省公共安全总公司)

1．前    言

    混凝土面板堆石坝是近二三十年内发展起来的一种较新坝型，和常规的黏土心坝相比，具有断面较小、材料易取、施工方便、施工期短、造价低和导流渡汛简单等优点。面板堆石坝堆石料有比较严格的要求，既要尽量减少超粒径料，又要控制细粒料的含量(不能太多，也不能太少)。一般要求爆破料的实际级配曲线落在设计部门提供的级配包络线范围内。

    采用面板堆石坝一般导流渡汛方案为：隧洞导流，利用一个枯水期完成河槽清挖和将坝体按临时断面抢填到拦洪渡汛高程。这样，往往初期填筑强度较大。中小孔径(孔径小于150 mm)深孔梯段爆破可以满足最大粒径和级配要求，但开采强度低，满足不了抢填作业时的高强度开采的要求；洞室爆破尽管一次爆破量大，但常规洞室爆破超径率过大，施工中往往无法进行高强度开采。如浙江八都的一次洞室爆破，因大块太多，最后只能将整个料场弃之不用。因此，多年来，面板堆石坝坝料开采始终存在粒径、级配要求与开采强度之间的矛盾。

    改进洞室爆破的设计和施工技术水平，使之能满足面板堆石坝堆石料的要求，是近年水电部门正在进行的科学技术研究项目，其目标是通过洞室爆破试验、研究，掌握高强度开采面板坝坝料的技术，制定和推广其设计方法和施工工艺，促进我国面板堆石坝新坝型的快速发展。显然，这种研究对改善洞室爆破的爆破效果，较好的解决洞室爆破长期以来一直存在的大块率高，不利于机械挖运的缺点同样有很大的吸引力。

笔者1998年在浙江和福建参加了3次面板堆石坝堆石料洞室爆破的设计和施工，3次爆破均取得了较为理想的结果，其爆破效果得到了面板坝设计单位、监理单位和施工单位的认可。1999年～2000年，笔者在浙江淳安县千岛湖程高山场平工程的8次洞室爆破和福州马尾自眉水库料场爆破中采用同样设计原则，取得了令人满意的效果。现将有关情况介绍如下。

    2．基本情况

    珊溪水电站位于浙江省文成县珊溪镇上游飞云江中游河段上，芹山水电站是穆阳溪梯级中的第一级水电站，坝址位于福建省周宁县泗桥乡芹山村附近，这两个水电站的拦河坝均为混凝土面板堆石坝，其中珊溪水电站坝体工程量达570余万m_­­­³,芹山水电站大坝总填筑量248.5万m_­­­³。与其他面板堆石坝一样，堆石料在填筑期间开采强度大，且对石料粒径和级配的质量要求较高。我们在珊溪水电站的主料场牛坑石料场和芹山水电站的3号和4号料场进行了3次洞室爆破。

    珊溪水电站牛坑石料场距右岸厂房约300 m，洞室爆破部位大多基岩裸露，山体覆盖层很薄，局部表层覆有残积坡层，基岩为块状流纹斑岩，强风化层厚一般为3～5.65 m、山顶部位厚14 m，弱风化层底板埋深6～14．5 m，下伏为微风化及新鲜基岩。石料场地质构造简单，两组主节理基本上为垂直走向，岩体完整。岩体容重25.6～25.8 kN／m³，饱和抗压强度200 MPa以上，软化系数大于0.8。爆区山体坡度在25⁰～43⁰之间，东侧为多临空面的山头，西侧以软弱岩层带为界。

    芹山水电站3号料场位于坝址下游右岸，距坝址0.85～1.5 km，地形坡度18⁰～25⁰，发育有SN向冲沟，冲沟中常年流水，岩性是火成岩，以流纹质晶屑凝灰岩为主，西侧有NW向花岗岩带贯入，宽3～5 m，弱风化岩石饱和抗压强度65～120 MPa，微风化岩石抗压强度120～146 MPa。爆破区有F_l断层通过，断层产状306⁰～332⁰∠8l⁰～88⁰破碎带宽3.5～6.0 m，充填构造角砾岩、碎裂岩。强风化下限埋深3～6 m，局部8～10 m，地下水位14～25 m。开采范围内无用层厚2～7 m，有用层厚12～45 m。该场地岩性单一，地质构造简单，冲沟内地表水无需引排开，地下水排泄条件较好，场地工程地质条件较好。3号料场在前期已进行了爆破开挖，场地的覆盖层和风化层已经剥离，场地已形成几个台阶，这次进行洞室爆破的地点位于693 m高程平台以上的台阶上。

    芹山水电站4号料场位于坝址上游穆阳溪右岸，场地地形坡度较陡，岩体属火成岩，以流纹质晶屑凝灰岩为主。该场地岩性单一，较3号料场完整，坚硬。4号料场在前期已进行了爆破开挖，场地的覆盖层和风化层已经剥离，这次进行洞室爆破的地点位于658 m高程以上。

    根据水电部门的科学研究项目的要求，洞室爆破的目标要达到：

    (1)施工速度和开采强度高于常用的深孔梯段爆破；

    (2)设备投入少于常用的深孔梯段爆破，爆破单价与常用的深孔梯段爆破相当；

    (3)监测数据符合有关规范要求；

    (4)爆破粒径，压实效果接近常用的深孔梯段爆破，符合面板坝坝料的要求；

(5)粒径大于800 nlnl的大块率小于4％一7％。

3．爆破方案的确定

    显然降低洞室爆破的大块率是面板堆石坝堆石料开采首要考虑的问题，其次要考虑爆堆的级配，要有接近于深孔爆破的爆破效果。为此，我们对爆破方案确定了几个原则：

    (1)采用以条形药包为主的药包类型。近年来，在高效钻孔机械缺少或不足的情况下爆破界为提高洞室爆破的爆破效果、减少其有害影响已经或正在进行各种有效的研究工作，如条形药包、短排距条形洞室爆破、梅花型布孔式的多排多层条形洞室爆破等等方法，这些研究成果在实践中已证明是卓有成效的，为洞室爆破技术的应用和发展起到了很大的作用。研究成果表明：条形药包爆炸应力波波阵面形状呈轴对称分布，爆破作用力具有很好的定向性，主要集中在药包径向，即条形药包在装药部位的能量是均衡分布的。从某种意义上说，条形药包可以看作是横置的深孔药包，其爆炸能量分布必然优于集中药包。同时，在条形药包洞室爆破中通常采用不耦合装药，利用药包和药室间留有的空气间隙，在药包爆炸时，起气垫消能作用，削减作用在药室四周围岩上的爆压峰值，同时也减轻了对介质的冲击振动影响；由于气垫增加了爆压作用时间，使爆炸冲量增加，故破坏岩石的总量也将增加。这样，将粉碎临近围岩的能量，转换成对远区岩石更多的破坏，使爆破能量合理再分配，提高了它的有效利用率；

(2)控制爆破规模。从国内一些洞室爆破的经验和教训分析，大型的洞室爆破有其宣传效应，但爆破后清运效果不理想。堆石料高强度开采要求爆堆必须有良好的利于机械清运的特性，我们认为为了保证这个特性，必须控制爆破规模。爆破规模的控制有三重意义：①控制一次爆破方量，也即控制一次爆破总装药量；一般爆破方量应控制在10～30万m3，即一次爆破用药量在150 t以下；②控制最小抵抗线的大小；一般最小抵抗线应控制在20 m左右；③控制一次爆破的排数；药包的排数应控制在3排以内。

    4．爆破参数的确定

    为了降低大块率，使级配更合理，除在药包布置中更注重地质因素的影响和根据合理的抗高比(W／H)值布置药包外，在确定爆破参数时，我们的原则是：

    (1)在确定最小抵抗线时，考虑到洞室爆破的最小抵抗线过小，其洞延米爆破量急剧下降，经济效益明显降低，最小抵抗线应控制在20 m左右。

    (2)布置药包时必须考虑抗高比(最小抵抗线与药包至地表的高度的比值)的合理性。一般情况下，W／H的值应控制在O.6～0.9之间。在地质地形条件有利于爆破时也可采用较小的W／H值，如由于3号料场的地形的限制并考虑其石质比较破碎，前段采用深孔爆破时岩石的可爆性和大块率都很理想，我们采用了较小的W／H值，布置为单层3排药包，取W=9.O～22.8 m，W／H=0.5～0.6。4号料场则因其石质明显比3号料场完整、坚硬，我们采用了较大的W／H值和较小的层间距，布置为3层2排药包，取W=13.0～16 m，W／H=0.8～0.9。牛坑溪料场采用的是双层药包，上层布置2排，下层布置3排，上层后排药包取W=17.0 m，W／H=O.67～0.89，下层药包取W=15.5～16.O m，W／H=O.69～0.71。

    (3)装药量Q计算：比较各种计算公式，我们采用的条形药包洞室爆破药量计算公式为：

式中  Q--药包装药量，kg；

      K--标准单位耗药量，kg/m³；

      W--药包最小抵抗线，m；

      n--爆破作用指数；

      e--炸药换算系数，对多孔粒状铵油炸药取e=1；

      L--条形药包计算装药长度，m；

      l_p--条形药包线装药密度(每米药包线装药量)，kg／m。

    (4)爆破作用指数n：该参数是洞室爆破设计中的重要参数之一。根据爆破类型、山坡坡度、爆破要求及药包所在位置和形式等条件综合分析确定。水电站石料场一般周围环境较好，为了提高高强度出碴时机械挖运速度，要求爆堆有一定的松散性，故我们采用了较大的n值。3号料场前排药包取n=0.75，后排包取n=0.85；4号料场上层药包取n=0.7，二、三层药包前排取n=O.75，后排取n=0.85；牛坑溪料场前排药包取，n=0.7，上层后排药包取n=0.8；下层2排取n=0.85、后排药包取n=0.9。

5．端头药包的处理

    对条形药包与条形药包之间的端头处理，和单条形药包的端头处理，国内已有成熟的经验。如果条形药包的端头恰是山体的端头，则如何保证既要把端部炸好，又不发生侧向冲出，问题就变得复杂一些。芹山水电站4号料场和珊溪水电站牛坑溪料场就都有这个问题。我们采用的处理方法是：将山体端头看作多面临空，布置各临空面方向抵抗线基本相等的集中药包。为了改善爆破破碎度，防止因堵塞长度过长造成堵塞段区域大块过多，集中药包与相邻的条形药包之间采用小间隔堵塞分隔，即堵塞长度为3～4 m。在计算药量时，堵塞段的药量由集中药包承担，端头集中药包药量的计算公式为：

Q=Z•(0.4+0.6 n³)•e•K•W³    (kg)

    在式中我们引进了端头折算系数Z，这是考虑到在小间隔堵塞时集中药包爆破的体积有一部分为邻近的条形药包所承担。一般取z=0.5～0.7。

  6．爆破实施情况及效果

3次洞室爆破的实施情况见下表：

    爆破效果：3次爆破均取得了良好的效果，首先，均未发生安全事故，个别飞石均未超过100 m。其次，大块率均控制在7％以下。芹山水电站3号料场爆堆前沿距原临空面达68 m，表层大块率经统计为0.3％，条形药包两端头与未爆山体连接处有一些大块，由于W／H值较小，爆堆较高，松散性较差，故尽管破碎度很好，但小功率挖掘机清运时仍比较费力。4号料场尽管石质坚硬，因采用了较大的单耗和n值，整个爆堆往前抛出将穆阳溪堵断形成一高近20 m的“堆石坝”(水流未堵)，表层大块较3号料场多一些，但施工单位反映比3号料场挖运效率高，事实上计划2个月的运输量在1个月就完成了。珊溪水电站牛坑溪料场底层药包高程为120 m，爆破前已将爆区前的山体用深孔爆破开挖成一近90⁰的陡坡，爆破后主要爆堆塌落在50 m高程处宽约80 m的平台上，整个爆堆从爆区近170 m高程到50 m的平台形成连成一体的斜面，爆区上层原岩中的一些孤石抛在爆堆表层，但爆堆松散性较好，爆破效果令施工单位满意。由于面板堆石坝的设计和监理单位对用洞室爆破开采堆石料历来是持否定态度的，这3次洞室爆破尤其是3号料场和牛坑溪料场的洞室爆破在爆破前仅取得设计和监理单位的默认，爆破后监理单位对爆后的填料进行压实和筛分试验，才确认这3次洞室爆破的爆堆完全符合面板堆石坝堆石料的要求。

7．经验与体会

    在市场经济的大形势下，爆破界的无序竞争令爆破单价在一些地方已接近成本价，爆破中不应缺少的技术、风险费用已接近零投入。一些爆破单位在竞争中自杀性的压价，一些火工品专营单位利用权力对火工品的强盗般掠夺式的提价(其中间费用已超过火工品成本的数倍)，使我国爆破事业还得停留在西方和前苏联在20世纪60年代初就已不使用的洞室爆破阶段，闲置已有一定规模的钻孔机械，弃用效果更好的深孔爆破，依赖我国廉价的劳动力的艰苦劳动，通过洞室爆破来降低成本以维持爆破事业的生存和发展，在这种情况下总结和研究爆破技术，以期提高爆破水平，确实有中国式的酸楚和无奈。

    通过对面板堆石坝3次洞室爆破开采堆石料的实践，我们认为，为了改善洞室爆破的爆破效果，使之能在石方机械化施工中占有一席之地，应该注意以下几个问题：

    (1)不要片面追求爆破的轰动效应，追求大药量，对爆破效果的评价不应在爆破后马上作出，而应放在爆堆开挖结束以后。应该控制爆破规模，追求爆破的实际效果，改善爆堆的破碎度和松散性，使之有利于机械清运。

    (2)地质条件是爆破时首要考虑的问题，对有些地质条件，无论采用何种技术措施用洞室爆破也是不会有理想的爆破效果的，对这些情况就不要强用洞室爆破。对不同的地质条件，要采用不同的爆破方案和爆破参数。

    (3)一般情况下，选择条形药包与集中药包相结合的洞室爆破方案，利用条形药包爆破能量分布均衡、能量利用率高、岩石破碎均匀、松动效果好等特点，采用集中药包处理多面临空和端头部位，防止条形药包的端头效应，按照加强松动爆破的原则选择爆破参数，往往能取得破碎度和松散性都比较好的爆破效果。

    (4)在因填筑料本身的要求，或因挖掘机械功率不高，而对大块率要求比较高时，采用洞室爆破，其最小抵抗线应控制在20 m以内，W／H值控制在0.7～0.9之间，爆破排数控制在3排以内。

    (5)用集中药包处理山体的端头部位时，在药量计算时必须考虑与其相邻的条形药包的关系，通常应采用集中药包的折算药量。

发表刊物：铁道工程爆破文集--第六届全路工程爆破学术会议。北京：中国铁道出版社，2000年8月。