梨园水电站左岸趾板冰水堆积体开挖爆破试验研究.pdf

水利水电技术第4 4卷2 0 1 3年第 5 期 梨园水电站左岸趾板冰水堆积体开挖 爆破试验研究 王亚辉 ，李 茜 ( 中国人民武装警察部队 水电第一总队，广西 南宁 5 3 0 0 2 8 ) 关键词 ：冰水堆积体 ；开挖 ；爆破试验 ；梨园水电站 中图分 类号 ：T V 6 4 0 3 ( 2 7 4 ) 文献标 识码 ：B 文章编号 ：1 0 0 0 0 8 6 0 ( 2 0 1 3 ) 0 5 0 0 4 0 0 3 1 概述 我国冰水堆积体主要集 中在青藏高原及其向东延 伸的西部 山区，具本分布在西南和西北地区高山及周 边地区，其主要分布特征以沉积在大江大河的河谷地 带为主，海拔在 8 0 03 0 0 0 m之间。冰水堆积物主 要形成于第四纪冰川 ，这个时期 ，山岳冰川携带的大 量松散物质被冰川融水搬运至河谷地带进行淤积进而 形成了冰水堆 积体 。冰水堆积体颗粒粒径分布范 围 广 、物质成分复杂 ，组成冰水堆积体的颗粒大小相差 悬殊，土体不均匀系数高，结构复杂，内有呈鸡窝状 架空现象 ，大多具有一定程度的泥质或弱钙质胶结。 冰水堆积体的透水能力较差，表现出一定程度的层流 紊流过渡状态的特点，渗透性具有整体上随深度增 加而变小 ，从平面上和剖面上有不均一性 ，在空间上 各个方 向上渗透性具有明显差异的特征。其抗剪强度 较高 ，在剪切破坏过程存在较明显的应变强化和剪胀 现象。 梨同水 电站位于云南省丽江市玉龙县 ( 右岸 ) 与 迪庆藏族 自治州香格里拉县( 左岸) 交界 的金沙江 中 游河段 ，电站左岸趾板基础系指左岸 1 5 0 51 6 2 3 m 高程范围的趾板基础 ，布置上紧邻 电站进水 口，并 处于电站内分布的一最大冰水堆积体下咱日堆 积体 的北端 ，上游堆积物覆盖厚度大于 3 0 m，至坝 轴线处厚度一般 1 52 0 m。左岸趾板堆积体的层 理 分界 比较 明显 ，表层是一层具钙泥质胶结形成 的硬 壳 ，硬壳下面是具有层理状结构的砂卵砾石层 和冰 水堆积层 ，砂 卵砾石层主要 分布于堆积体前 部 ( 近 现代河床部位) ，组成物质以卵砾石为主，局部夹 砂或孤石 ，冰水堆积层分布于堆积体后部。基 于左 岸趾板的布置特征和地质结构特征 ，选择左岸趾 板 基础开挖施工来研究冰水堆积体的开挖施工技术具 有典型代表性。 2 冰水堆积体开挖施工技术研究 冰水堆积体特殊的结构使得开挖难度很大 ，充 填物多胶结差 的地方能用机械设备直接挖 除，充填 物少胶结好的地方不能用机械设备直 接挖 除，须进 行爆破开挖。充填物多和充填物少 的地方及胶结好 与胶结不好的地方均不是均匀连续 的 ，使得直接用 机械开 挖时设 备效 率很 低 ，爆 破 开挖 时钻孔 难 度 大 ，容易卡 钻 ，基本 超过 3 m就无 法再 继续 往 下 钻 ，这样钻孑 L 效 率相 当低，爆 破 参数 很难 进 行 控 制 ；爆破时爆破应力容 易在充填物多 的地方扩散导 致爆破效果差 ，往往爆破后堆积体就 只裂开 了几条 缝 隙，因此爆破 的孔排 距及装药结构都是很难把握 的。通过对常用 的几种大方量露天开挖 的爆破方法 进行试验 ，通过爆破试验效果对 比进而选取最好的 爆破方法及基本爆破参数。 2 1 药壶爆破试验 药壶爆破试验选在 1 5 8 0 m高程，分别进行一次 垂直药壶试验和一次水平药壶试验 。先进行垂直药壶 试验 ，药井采用手风钻造孔 ，乳化炸药配合电雷管进 行扩孔 ，人工出渣 ，试验耗时 3 0 d 。 1 药壶井深 1 5 m，井直径 1 1 3 1 ，2 药壶井深 8 1 T l ， 收稿 日期 ：2 0 1 3 0 2 2 7 作者简介 ：王亚辉( 1 9 7 8 一) ，男 ，工程师。 W a te r Re s o u r ce s a n d Hy d r o p o w e rEn g i n e e r i n g V o 1 4 4 No 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 直径 1 m，采用孑 L 内延 时非 电毫秒微 差起爆 ，1 药 壶用 MS 3非 电雷管 ，装 药量 1 5 t ，2 药壶 用 MS 5 非电雷管 ，装药量 0 8 t ，用导爆索联线 ，为防止竖 井堵填 时 损 坏 导 爆 索 ，导 爆 索 采用 q , 2 o P vc管 保 护 。 爆破后 ，药壶 1 竖井 内的堵塞物 被冲 出，井 口 成漏斗状 ，破坏半径仅为 1 2 m，但整个破坏半径范 围内的冰水堆积体未被完全炸开 ，只形成了几道 明显 的裂缝 ，通过对表层解炮处理 ，内层部分得到破坏 ， 但大部分渣料粒径都在 2 m 以上 ，基本都需要二次解 炮处理 ，爆破效 果极 差。药壶 2 局部石 渣被 翻起 ， 破坏半径约仅 6 IT I ，虽然石渣得 到了破坏 ，但大部分 石渣粒径仍超过 2 m，仍须二次解炮处理 ，爆破效果 也没有达到预期效果 。 垂直药壶爆破后 进行 了水平药 壶爆破试验 ，水 平药壶爆破采用 C M3 5 1钻机进行 直立面水平造孔 ， 孔径 1 1 5 m，孔深 8 m，再使用 乳化 炸药 配合 电雷 管进行扩壶施工 ，药 室约为 0 0 3 m 椭 圆形状 ，装 药 3 0 k g ，爆破后 破坏半径仅 为 2 53 m，且 渣料 粒径基本在 1 5 m以上 ，须二次解炮处理。 药壶爆破试验表明，无论是垂直药壶爆破还是水 平药壶爆破都是失败的，其原因是因为冰水堆积体组 成物质特性不均衡 ，胶结好 的结构物与胶结不好的结 构物不连续 ，并且在胶结物 中充填 有粉细土 和粉 细 砂 ，这样爆破时爆破冲击波遇到充填物和结构松散体 时强度骤减 ，能量 顿时损失 ，不 能在岩体里有效 传 递 ，使得结构物不能得到有效破坏。这样大部分区域 未被完全爆开 ，大部分渣料粒径大 ，须二次解炮 ，且 药室施工难度大 ，施工周期长 ，施工进度缓慢 ，不但 效率没有提高 ，反而降低 ，爆破直接成本和效率低下 带来的间接成本也很高 ，技术和经济效益都不理想 ， 加之扩壶时安全隐患大 ，因此药壶爆破法对于冰水堆 积体开挖不理想 。 2 2深孔台阶爆破试验 深孔台阶爆破的台阶高度一般为 51 5 I l l ，针对 冰水堆积体的特性 ，拟选 1 0 m 台阶和 6 m台阶两种 台阶高度进行试验。 在爆破 钻 孔 时 ，卡 钻 严 重 ，结 构 均 匀 程度 越 差 ，越容 易卡钻 ，很 多夹 杂松 散体 和充填粉细土较 多 的部位钻孑 L 超过 3 r n就开始卡 钻 ，并且成孔深度 有限，即使钻孔深度大，成孔深度也基本不超过 3 m， 因此深孔台阶爆破试验选在胶结体结构比较均匀连 续的区域进行，对于胶结体相对连续的部位，当孔 钻到 5 r n时开始卡钻 ，超过 6 m时每钻进不到 0 5 r n 水利水电技术第4 4卷2 0 1 3年第 5期 王亚辉， 等梨园水电站左岸趾板冰水堆积体开挖爆破试验研究 就需要进行扫孔 ，钻孔效率特别低 ，每个孔的后 5 m 所耗时间基本在前 5 m所耗时间 1 0倍 以上 ，而且部 分孔 因为卡钻严重而无法继续钻进 ，成了报废孔 。 爆破后 ，1 0 r n台阶爆破 区整个堵塞段完全没有 被炸开 ，只裂开了几条缝 ，6 m台阶爆破区堵塞段也 基本是超径体 ，需要二次解炮 ，整个爆破属于失败。 分析其原因是深孔台阶爆破因孑 L 排距相对较大 ，堆积 体内松散体 的空隙使得爆破应力不能对胶结体产生理 想的破碎效果 ；同时孔排距大最小抵抗线也要加大 ， 堵塞长度也会相应增大 ，因冰水堆积体 的特殊组成结 构 ，使装药段的爆破冲击力无法正常对堵塞段产生破 碎效果 ，但如果减小堵塞长度 ，则得加大装药量 ，单 耗也相应加大 ，同样增加了成本 ，即使减小堵塞长度 装药量不变，但 因最小抵抗线不变 ，同样爆破效果不 佳。 综合以上爆破试验结论分析 ，深孔 台阶爆破法对 于冰水堆积体开挖不是最理想的施工方法。 2 3浅孔台阶爆破试验 浅孔台阶爆破是指露天岩土开挖 ，二次破碎大块 时采用的深度小于 5 m的爆破作业 ，浅孔台阶爆破台 阶高度一般在 25 r n 。拟选 2 5 r n台阶和 4 5 m 台 阶两种台阶高度进行试验。爆破设计见图 1 ，爆破参 数见表 1 。 表 1爆破参数 台阶 超钻 堵塞 最小抵 药卷 高度 深度 长度 排距 间距 炸药单耗 抗线 直径 装药结构 H， m hl m h ， m e ， m mm k g m 一 a m b m 2 5 0 5 1 2 3 3 1 8 O 0 3 5 耦合连续 4 5 O 5 1 7 5 3 3 5 1 5 8 0 0 3 耦合连续 试验时先把能直接开挖的松散体挖除，然后把凸 起较 多 的胶 结 体用解 炮 清理 整 平。爆 破试 验 使用 C M 3 5 1钻机钻孔 ，1 6 m 反铲挖 掘机装渣 ，2 0 t自 卸汽车将渣料运至指定渣场。在爆破钻孔时 ，钻孔 比 较顺利 ，只有 少量 4 5 m台阶爆破 区遇到卡钻 的情 况 。 爆破后 2 5 m台阶爆破区均被破碎 ，没有需要二 次解炮的超径体 ，4 5 m 台阶爆破 区有个别超径体 ， 见图 2 。此次爆破效果 比较理想，不 足的是如果 台阶 高度太小，钻孔深度太小， 移动钻机的次数较多，影 响钻孔效率 ，而且对于整个开挖区来计算爆破台阶太 小所需导爆索和雷管需要量增加，对整个开挖区成本 过高。 通过 2 5 m 台阶和 4 5 r n台阶两种浅孔台阶爆破 试验结果反应， 爆破效果良好， 胶结体基本都被破碎， 4 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王亚辉， 等梨园水电站左岸趾板冰水堆积体开挖爆破试验研究 M s M 2 Ms M M M s MS 2 M S 2 M S 2 M 一 一 一里 一 一 一 一 一 一 M S 2 M S 2 M S 2 MS 2 MS 2 M s 7 M S 2 M S 2 M S 2 M S 2 Ms 2 一里 一里 一里 一里 一 一 一 一 一 一 M S 2 M S 2 M S 2 MS 2 M S 2 M s s M S 2 MS 2 M S M s 2 M s 2 T 一 一 一 一 一 一 一 一 i M s 2 M s 2 M s 2 M s 2 M S M S 3 M S 2 M S 。 M S 2 M s 2 M s 一卫 一里 一里 一卫 一 一 一 一 一 f M s 2 M s 2 M s 2 M s 2 M s 0 U M s 1M s 2 M s 2 M s 2 M s 2 M s 2 起爆雷管 ( a ) 排间顺序微差爆破网络示意 图 1 浅孔台阶爆破设计 ( a ) 2 5 m台阶爆破效果 ( b ) 4 5 m台阶爆破效果 图 2 浅孑 L 台阶爆破效果图 基本没有需要二次解炮 的超径体 。从 两种台阶的对 比进行分 析 ，台阶高度越小 ，爆破效 果相对 越好 ， 但钻机移动频繁 ，对整个 开挖 区来讲 ，钻 机移 动太 多会 降低钻孔效率 ，加大成本 ，而且 台阶高度太小 会增加导爆索和雷管的使用量 ，增加 了成本 ，而且 在一定范围内台阶高度越小 ，成本越大 ；台阶高度 越大 ，相对 钻 孔效 率 要高 ，导 爆索 和 雷管 使 用量 少 ，但超过一定的高度 ，钻孔深度超过 4 m时就容 易卡钻 ，钻孔成本也相应增加。另外 ，因冰水堆积 体内部结构不均匀连续 ，胶结好 的堆积物夹杂着胶 结差的堆积物 ，并且 内部有很多粉细砂和粉细土等 填充物 ，胶结差的堆积物 和粉细土和粉细砂是不需 要爆破开挖的，如果采用 浅孔 台阶爆破 ，每次爆破 完清理工作面时，可以将 大量 的可直接开挖 的结构 物直接挖除 ，节省了对这 部分结构物也进行爆破 的 成本 。综合以上分析 ，浅孑 L 台阶爆破法对冰水堆积 体开挖是一种 比较理想 的方法 。 2 4硐室爆破试验 硐室爆破最主要 的工序之一是硐室施工 ，硐室应 避开断层 、破碎带或软弱夹层带，如果硐室遇到不 良 ( b ) 装药结构图 地质带 ，将会容易坍塌 ，硐室很难形成。冰水堆积体 内夹杂着软细粉砂或粉土等松散体 ，而且分布没有规 律 ，在进行硐室施工时容易塌陷，施工到一定 的深度 后只要遇到松散体 ，再也无法继续施工，很难形成达 到要求的硐室 ，整个爆破试验因无法形成满足要求的 硐室而不能正常进行下去，爆破试验失败。硐室爆破 方法还在实施阶段就无法进行 ，更不用看爆破效果 ， 因此硐室爆破法对冰水堆积体的开挖不是一种合适 的 开挖方法。 综合以上 四种爆破方 法试验分析 ，从其钻孑 L 效 率 、爆破效果进行对比可以得 出结论 ：冰水堆积体最 适宜的开挖爆破方法是浅孔台阶爆破法 ，其基本爆破 参数如表 2所列。 表 2冰水堆 积体基本爆破参数 孔深 孔间距 孑 L 排距 炸药单耗 适用爆 破方法 m m k gn l 浅孔台阶爆破法 2 5 4 5 2 5 3 2 2 5 0 3 0 3 5 半 半 半 ： l = 以上结论能为类似冰水堆积体的开挖施工提供参 考。当然 ，任何开挖施工爆破参数都不是一成不变 的，施工前必须根据地质结构特征进行生产性试验 ， 以选取最优参数 。 ( 责任编辑欧阳越) 水利水电技术第4 4卷2 0 1 3年第 5期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m