每个岩塞爆破都有不同的特点和要求,爆破设计重点及要解决的技术问题也各有侧重。爆破设计工作大体可分以下几方面:①根据工程的需要确定合理的布置形式:查明地形、地质情况,正确选择岩塞的位置,确定岩塞口直径、厚度、倾角,以及总体布置方案;②选择爆破方案:确定爆破参数、爆破药量、爆破程序,以及爆破后石渣的处理方式;③研究岩塞爆破时爆破对建筑物的影响:对各种破坏因素进行分析,采取相应的防护措施;④确保岩塞施工的安全:由于岩塞厚度较薄,药室和钻孔施工中将会影响岩塞体的稳定。为防止渗漏和坍方,需要采取相应的施工安全措施。
(1)岩塞位置。岩塞位置需考虑多种因素确定。整体枢纽布置确定后,进水口位置的大致范围已定。根据地形、地质条件和附近建筑物位置,比较工程量、施工难度、爆破影响、投资等因素,确定岩塞口的位置。
岩塞口宜选取地形较缓整体稳定的山体,应避免山沟或陡崖。山沟地形围岩风化较深、覆盖层较厚,可能出现断层等不利地质条件,对岩塞口后期运行围岩稳定不利。陡崖峭壁可能局部坍方,威胁进水口的安全运行,而且加固处理难度大。岩塞口宜选取岩体完整、岩性单一、地质构造比较简单、没有大的断层通过、覆盖层比较薄、顺坡节理不发育的地段。
(2)岩塞体尺寸。
1)岩塞断面。为了使爆破进水口满足过流量的要求,必须有足够的过水断面面积。过水断面按式(5-1)计算:
式中 F——过流断面,m2;
K——安全系数,取值1.2~1.5;
Q——设计最大过流量,m3/s;
[v]——爆破岩塞口围岩的允许不刷流速,即抗冲流速,m/s。
允许抗冲流速[v]可通过试验选取或用工程类比法选定。在可能的情况下应该尽量加大底流速,缩小爆破口的尺寸。考虑围岩的完整性、稳定性以及岩塞口爆破成型质量,确定抗冲流速。对于水平推移质各类岩体的最大允许抗冲流速见表5-4。
表5-4 岩体的最大允许抗冲流速表
用于引水发电的岩塞爆破,要求控制允许通过水轮机组的岩块粒径,控制粒径d可按式(5-2)计算:
式中 d——水轮机(或其他水工设备)控制的石块粒径,mm;
D——水轮机转轮直径,mm。
确定出d值以后,抗冲流速[v]可根据水力学式(5-3)估算:
式中 d——石子平均粒径,m;
t——水深,m。
对于泄洪隧洞,可以通过较大直径的石块,不受上述条件的限制,只受围岩的抗冲流速的限制。
2)岩塞倾角。岩塞开口尺寸确定后,再确定岩塞轴线的倾角。为使水流平顺,进口与引水洞应连接圆滑,减小水头损失,减轻对洞口的磨损,倾角不宜太大。同时,还需要考虑在岩塞爆破完成后,洞脸上有局部不稳定或坍塌岩体,往往迟后于爆破漏斗内的石渣滑落,大部分以滑坡的形式下滑,一般块度较大,应该让其滚落到集渣坑内。这时岩塞进口轴线倾角须大于水下石块的堆积安息角,倾角应大一点有利,集渣坑的石渣堆积安息角一般为40°左右,因此岩塞轴线倾角以40°~60°为宜。(www.xing528.com)
3)岩塞厚度。岩塞的厚度关系到施工的安全和岩塞爆破的难易程度,同时对岩塞口以及爆破后洞脸的稳定有一定影响,施工过程中必须确保岩塞部位的稳定。爆破后洞脸的稳定主要取决于洞脸的形状和地形、地质条件,并应考虑岩塞爆破产生的影响,这需要进行专项计算分析。
岩塞的厚度主要取决于地质条件、岩塞的直径、倾角、外水压力、渗漏情况、岩塞爆破方法等因素。在确保岩塞稳定情况下,应尽量减薄岩塞体的厚度,以减少开挖方量,缩小岩塞口不衬砌的长度,降低爆破振动影响,有利于洞口和洞脸的稳定,也可降低成本。
岩塞体厚度的选择常用三种方法:参考类似工程实践做工程类比、理论计算、现场试验。一般情况下,首先根据地质、地形条件、施工方案等因素初步确定一个岩塞的大致尺寸,然后再根据计算分析进行修正,结合地质条件进行稳定分析,通常取岩塞厚度与岩塞下口直径之比大于1.0。
考虑岩塞承受外水压力和自重作用,岩塞处于上游水库或河湖内的地表山坡,岩体的初始应力一般可以忽略不计。可对岩塞四周的节理、裂隙或断层作为破坏面,进行抗剪破坏分析。岩塞体通常为迎水面直径较大的倒圆锥体,倾角θ一般为40°~60°。岩塞体稳定分析时,应对影响稳定的最不利破坏面进行计算,岩塞体下口直径(内径)沿岩塞倾角的圆柱体,可为控制岩塞稳定的计算体,按式(5-4)计算。由于倒圆锥体的楔入作用,沿倒圆锥体的切割面相对稳定。当岩塞体部位存在明显的层面或断层等特殊地质构造时,还应对这些地质构造的切割体进行稳定分析,核算岩塞厚度:
式中 c——岩塞稳定计算体周边滑动面上单位抗剪断指标,t/m2;
S——岩塞稳定计算体的周边有效面积,m2;
P水压——岩塞稳定计算体承受外水与淤泥的总压力,t;
G——岩塞稳定计算体自重引起轴线(岩塞体倾角θ)方向的压力,tf(1tf=9.8×103N);
P岩体——岩塞稳定计算体的岩体自重,以岩石饱和密度计,tf(1tf=9.8×103N);
K——安全系数,安全系数应大于5.0。
式(5-4)中岩塞稳定计算体周边有效面积S表达为式(5-6):
式中 S——岩塞稳定计算体周边有效面积,m2;
D——岩塞稳定计算体直径(倒圆锥岩塞体下口直径),m;
π——圆周率;
H——岩塞体的厚度,m。
由式(5-4)~式(5-6)可推求得岩塞体的厚度H,计算为
式中 符号意义同前。
一些文献推荐了有关岩塞体厚度的其他计算公式。由于理论计算时,岩体的力学参数如岩塞体周边滑动面上单位抗剪断指标等,很难准确选取,计算误差较大。当岩塞体地质条件复杂,岩体破碎时,宜通过现场试验取得测试资料进行计算。当隧洞开挖误差较大时,应以实测岩塞体下口断面进行稳定分析。确定岩塞体厚度以保证岩塞体稳定为前提,理论计算作为依据之一。
根据国内已建工程经验,岩塞厚度与岩塞下口直径之比(H/D),国内一般取值多在1.0~1.4之间,国外大多取值在1.0~1.5之间,个别的也有在2.0之上的。由于过去工程实践中多为药室爆破方案,在岩塞体内开挖导洞和药室具有一定危险性,为了施工安全,所选的H值较大。当岩塞采用排孔爆破时,施工相对安全,H值可以适当减小,排孔爆破岩塞厚度H与岩塞直径(或跨度)D之比小于1.0的情况也不少。当岩塞采用洞室爆破或上游水深较大与围岩破碎时,其比值宜取较大者。
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