预裂爆破技术应用于溪洛渡水电站高边坡开挖

1. 工程概况

溪洛渡水电站为世界第三大巨型水电站，在中国仅次于三峡水电站，电站装机容量为12 600 MW。电站枢纽由拦河大坝、泄洪洞及引水发电建筑物等组成，拦河大坝为混凝土双曲拱坝，坝顶高程610 m，最大坝高278 m。溪洛渡坝址区两岸山体雄厚，谷坡陡峻，谷肩高程在800.00 m 以上。电站进水口位于坝轴线上游250～550.00 m。进水口区出露的岩性主要为含斑玄武岩、致密状玄武岩、斑状玄武岩及各岩流层上部的角砾集块熔岩，岩性坚硬，单轴抗压强度＞100 MPa，属坚硬～极坚硬岩类。左岸电站进水口前缘长度为282.50 m，前缘方位角为NW50.2259°，进水口前缘设斜坡式拦污栅，坡度为1 ∶ 0.3，拦污栅闸基础置于弱卸荷弱风化上段岩体上。左岸电站进水口区域谷坡陡峻、地形复杂，施工难度大，技术要求高，开挖高程在515～685 m，开挖边坡高达170 m，土石方开挖约为130 万立方米。[50]

金沙江溪洛渡水电站工程是我国西电东送中线的骨干电源之一，位于四川省雷波县和云南省永善县交界处的金沙江干流上，是金沙江下游梯级开发的第三级水电站。电站是以发电为主，兼有防洪、拦沙和改善下游航运条件等巨大的综合效益，具有不完全年调节能力的特大型水电站。溪洛渡水电站水工枢纽由引水发电系统、1#～4#泄洪洞、竖井式汇洪洞、水垫塘等建筑物及导流建筑物组成，总库容126.7 亿立方米，调节库容64.6 亿立方米，电站总装机容量12 600 MW（18 台×700 MW）。

2. 溪洛渡水电站预裂爆破参数的理论计算

（1）钻孔直径：目前孔径主要根据台阶高度和钻孔机械性能来决定。溪洛渡水电站坝肩开挖台阶高度为10～15 m，边坡预裂孔采用CM351 或YQ-100B 潜孔钻造孔，故采用的是φ 105 mm 炮孔直径[51]；YQ～100 潜孔钻孔径φ 90[47]空孔采用CM351 潜孔钻钻机，孔径为120 mm。

（2）钻孔间距：炮孔间距a 是预裂爆破的重要参数，是爆破成败及边坡质量好坏的关键的关键。孔距大小主要取决于炸药的性质、不耦合系数、岩体的结构和岩石的物理力学性质。通过相邻孔起爆时差分析得出炮孔间距：

① 根据相邻炮炸的参数[51]

式中：a—— 炮孔间距（cm）；

r—— 炮孔半径；

σ0—— 炮孔壁压力（MPa）；

σ —— 岩石的单轴抗拉强度（MPa）；

η—— 应力集中系数；

α —— 应力波在岩体内衰减系数，一般取α =1.2～1.8。

在不耦合情况下，作用在炮孔壁上的冲击压力为：

式中： ρ0—— 密度（kg/m3）；

D—— 炸药爆速（m/s）；

Kd—— 不耦合系数；

η1—— 压力增大系数， η1=8～11。

② 根据瑞典古斯塔夫经验公式[52]确定。

③ E 值小装药相对比较分散，预裂面质量较好[50]。

一般采用E 为7～12 较好，即

（3）线装药密度[48]。

① 保证不损坏孔壁的预裂孔线装置密度[52]。

式中：Δ 为线装药密度（kg/m）；σ压为岩石极限抗压强度，取40 MPa；r 为预裂孔半径（mm）。

② 保证形成贯通邻孔裂缝的预裂孔线装置密度[52]。

式中：Δ 为线装药密度（kg/m）；σ压为岩石极限抗压强度，取40 MPa；a 为预裂孔间距（m）。

③ 预裂孔。根据经验公式[50]计算：

式中：Δ线—— 装药密度（kg/m）；(www.xing528.com)

[σ压]—— 岩石极限抗压强度（MPa）；

a—— 钻孔间距（m）。

④ 线装药密度：其主要影响因素是岩石的极限抗压强度、孔径、炮孔间距等，1991 年，张正宇等根据大量工程实践资料，提出了预裂爆破装药量计算的经验公式[46]：

式中：q—— 线装药密度（g/m）；

[ R压]—— 岩石的极限抗压强度（MPa）；

a—— 炮孔间距（mm）。

（4）不耦合系数[52]。

式中：Kd—— 不耦合系数；

φ—— 药包直径（cm）；

d —— 炮孔直径（cm）。

（5）预裂钻孔深度[52]。

确定预裂孔深度的原则是确保不留根底和不破坏坡面岩体的完整性。目前孔深主要是根据台阶高度和钻孔机械性能来决定，溪洛渡水电站坝肩开挖预裂孔采用YQ～100B 潜孔钻造孔。

（6）缓冲孔爆破参数。

缓冲孔主要目的是减小主爆孔的后冲和地震效应，缓冲孔初步选定CM351 钻机或液压钻（D7）钻机，孔径φ 105 mm。

3. 溪洛渡水电站高陡边坡及基坑开挖应用预裂爆破的实际参数

溪洛渡水电站高陡边坡及基坑开挖应用所示，预裂爆破的实际参数见表12-25。炮孔平面布置如图12-31、图12-32 所示。

图12-31　标准爆破块布孔示意图

图12-32　炮孔平面布置图

预裂孔装药结构如图12-33 所示。

实际选用的参数如表12-25 所示。

图12-33　预裂孔装药结构图

4. 爆破分块及单响控制[51]

当开挖岩体较厚，一次爆破排数太多，为降低爆破震动对后边坡的影响，需对爆块进行前后分块，分块依据以每次爆破排数不超过8 排为准（含预裂孔及缓冲孔），一般为6 排。先爆块最后一排孔即与后爆块相连的一排孔减弱装药，减弱装药孔间距为前排主爆孔的80%。采用φ 50 mm 药卷连续装药，堵塞长度2～3 m。由于预裂爆破是在夹制作用很大情况下的爆破，其震动作用大是显而易见的。据多个水利水电工程，尤其是三峡工程测得的资料，在相同的可比条件下，某一装药量的预裂爆破震动的强度相当于3～4 倍台阶爆破装药量引起的震动强度。因此，在有重要设施需要保护时，应当限制预裂爆破的一响起爆量。故爆破网络设计保证梯段爆破单响装药量不大于500 kg，临近设计边坡单响不大于300 kg，缓冲孔单响药量不大于100 kg，永久边坡预裂爆破单响不大于50 kg。标准块孔间微差爆破网络图见图12-34。

图12-34　标准块孔间微差爆破网络图[51]

5. 爆破质量

钻爆的过程是一个连锁反应的过程，每一道工序应做到精心设计、精细组织施工，预裂造孔均应严格采取“定人、定位、定钻机”的方式和“定距检测钻进方向”以确保质量中的可追溯性。因此，溪洛渡水电站无论是边坡开挖或基坑开挖，坡面最大不平整度＜15 cm，炮眼痕迹率为90%～96%，坡面基本无浮石和爆震裂缝。爆破震动强度低，边坡岩体基本无任何破坏，符合规程和设计要求，取得了良好的爆破效果。为今后高边坡施工提供了很好的经验。

6. 边坡预裂爆破施工程序示意图（图12-35）