水利工程之爆破工程

水务工程施工与管理---爆破工程第一节爆破原理与器材爆破工程在水利工程应用比价广泛，如开挖基坑、开凿隧洞、取土、取石、拆除等。土石方爆破围堰拆除爆破堰塞湖拆除爆破一、爆破工程原理（一）爆破原理爆破是炸药爆炸作用于周围介质的结果。埋在介质内的炸药引爆后，在极短的时间内，由固态转变为气态，体积增加数百倍至几千倍，伴随产生极大的压力和冲击力，同时还产生很高的温度，使周围介质受到各种不同程度的破坏，称为爆破。1、无限介质中的爆破原理当具有一定质量的球形药包在无限均质介质内部爆炸时，在爆炸作用下，距离药包中心不同区域的介质，由于受到的作用力有所不同，因而产生不同程度的破坏或振动现象。整个被影响的范围就叫做爆破作用圈。这种现象随着与药包中心间的距离增大而逐渐消失，按对介质作用不同可分为四个作用圈，压缩圈、抛掷圈、松动圈、震动圈。如下图。R1——压缩圈R2——抛掷圈R3——松动圈R4——震动圈(1)压缩圈（粉碎圈）图中R1表示压缩圈半径，在这个作用圈范围内，介质直接承受了药包爆炸而产生的极其巨大的作用力，因而如果介质是可塑性的土壤，便会遭到压缩形成孔腔；如果是坚硬的脆性岩石便会被粉碎。所以把R1这个球形地带叫做压缩圈或破碎圈。(2)抛掷圈围绕在压缩圈范围以外至R2的地带，其受到的爆破作用力虽较压缩圈范围内小，但介质原有的结构受到破坏，分裂成为各种尺寸和形状的碎块，而且爆破作用力尚有余力足以使这些碎块获得能量。如果这个地带的某一部份处在临空的自由面条件下，破坏了的介质碎块便会产生抛掷现象，因而叫做抛掷圈。(3)松动圈松动圈又称破坏圈。在抛掷圈以外至R3的地带，爆破的作用力更弱，除了能使介质结构受到不同程度的破坏外，没有余力可以使破坏了的碎块产生抛掷运动，因而叫做破坏圈。工程上为了实用起见，一般还把这个地带被破碎成为独立碎块的一部分叫做松动圈，而把只是形成裂缝、互相间仍然连成整块的一部分叫做裂缝圈或破裂圈。(4)震动圈在破坏圈范围从外，微弱的爆破作用力甚至不能使介质产生破坏。这时介质只能在应力波的作用下，产生振动现象，这就是图中R4所包括的地带，通常叫做震动圈。震动圈以外爆破作用的能量就完全消失了。2、有限介质中的爆破原理在有限介质中爆破，当药包埋设较浅，爆破后将形成以药包中心为顶点的倒圆锥型爆破坑，称之为爆破漏斗。爆破漏斗的形状多种多样，随着岩土性质、炸药的品种性能和药包大小及药包埋置深度等不同而变化，爆破漏斗如下图。W——最小抵抗线r——爆破漏斗半径h——可见漏斗深度最小抵抗线：由药包中心至自由面的最短距离。如上图中的W。爆破漏斗半径：在介质自由面上的爆破漏斗半径。如上图中的r。爆破作用指数：指爆破漏斗半径r与最小抵抗线W的比值，即。Wrn爆破作用指数的大小可判断爆破作用性质及岩石抛掷的远近程度，也是计算药包量、决定漏斗大小和药包距离的重要参数。一般用n来区分不同爆破漏斗，划分不同爆破类型：当n=1时，称为标准抛掷爆破漏斗；当n1时，称为加强抛掷爆破漏斗；当0.75n1时，称为减弱抛掷爆破漏斗；当0.33＜n≤0.75时，称为松动爆破漏斗；当n≤0.33时，称为裸露爆破漏斗。可见漏斗深度h:经过爆破后所形成的沟槽深度叫做可见漏斗深度（如图中的h），它与爆破作用指数大小、炸药的性质、药包的排数、爆破介质的物理性质和地面坡度有关。(二)爆破分类1、按爆破规模分，爆破可分为小爆破、中爆破、大爆破。2、按凿岩情况分，爆破可分为浅孔爆破、深孔爆破、药壶爆破、洞室爆破、二次爆破。3、按爆破要求分。按爆破要求分为松动爆破、减弱抛掷爆破、标准抛掷爆破、加强抛掷爆破及定向爆破、光面爆破、预裂爆破、特殊物爆破（冻土、冰块等）。尾注二、爆破器材（一）炸药1、炸药的基本性能(1）爆力。爆力是指炸药在介质内部爆炸时对其周围介质产生的(整体)压缩、破坏和抛移能力。（2）猛度。炸药的猛度是指炸药在爆炸瞬间对与药包相邻的介质所产生的(局部)压缩、粉碎和击穿能力。炸药爆速愈高，密度越大，其猛度愈大。(3)爆速。爆速是指爆炸时爆炸波沿炸药内部传播的速度。(4)殉爆。炸药爆炸时引起与它不相接触的邻近炸药爆炸的现象叫殉爆。(5)感度。炸药在外能作用下起爆的难易程度称为该炸药的感度。不同的炸药在同一外能作用下起爆的难易程度是不同的，起爆某炸药所需的外能小，则该炸药的感度高；起爆某炸药所需的外能高，则该炸药的感度低。(6)炸药的安定性。炸药的安定性指炸药在长期贮存中，保持原有物理化学性质的能力。(7)氧平衡。氧平衡是指炸药在爆炸分解时的氧化情况。如果炸药中的氧恰好等于其中可燃物完全氧化所需的氧量，即产生二氧化碳和水，没有剩余的氧成为零氧平衡；若含氧量不足，可燃物不能完全氧化且产生一氧化碳，此时称为负氧平衡；若含氧量过多，将炸药所放出的氮也氧化成有害气体一氧化氮称为正氧平衡。2、炸药的分类(1）按炸药组成分类单质炸药：多用作混合炸药的主要成分或雷管装药，很少单独直接用来爆破作业。混合炸药：两种或两种以上成分组成的混合物，是目前水电工程中开挖爆破应用最广的一类炸药。（2）按炸药用途分类起爆药：主要用于制造雷管和导爆索来引爆其他工业炸药。猛炸药：与起爆药不同，具有较大的稳定性，敏感度低，工程中多用雷管、导爆索等起爆器材将其引爆。火药：在火花作用下，能燃烧或爆炸，可用作点火药和延期药。（二）起爆器材1、雷管(1）火雷管火雷管具有结构简单，生产效率高，使用方便、灵活，价格便宜，不受各种杂电、静电及感应电的干扰等优点。但由于导火索在传递火焰时，难以避免速燃、缓燃等致命弱点，在使用过程中爆破事故多，使用范围和使用量受到极大限制。火雷管结构图1－管壳；2－加强帽；3－帽孔；4正起爆药；5－副起爆药；6－聚能窝槽火雷管（2）电雷管电雷管分瞬发电雷管和迟发电雷管。电雷管结构图（1）普通电雷管（2）迟发电雷管1－管壳；2－加强帽；3－帽孔；4－正起爆药；5－副起爆药6－聚能窝槽；7－脚线；8－绝缘涂胶；9－球形发火剂10－电阻丝；11－缓燃剂电雷管（3）无起爆药雷管不使用敏感起爆药的雷管。替代起爆药的是较为钝感的炸药类，这样生产，储存和使用上会更加安全。（4）电子雷管数码电子雷管，是一种可随意设定并准确实现延期发火时间的新型电雷管，具有雷管发火时刻控制精度高，延期时间可灵活设定两大技术特点。电子雷管的延期发火时间，由其内部的一只微型电子芯片控制，延时控制误差达到微秒级。电子雷管2、导火索导火索是用来起爆火雷管和黑火药的起爆材料。用于一般爆破工程，不宜用于有瓦斯或矿尘爆炸危险的作业面。它是用黑火药做芯药，用麻、棉纱和纸作包皮，外面并涂有沥青、油脂等防潮剂。销毁导火索3、导爆索导爆索用强度大、爆速高的烈性黑索金(环三次甲基三硝铵)作为药芯，以棉线、纸条为包缠物，并涂以防潮剂，表面涂以红色。索头涂以防潮剂。导爆索不受电的干扰，使用安全，起爆准确可靠，并能同时起爆多个炮孔，同步性好，故在控制爆破中应用广泛；施工装药比较安全，网络敷设简单可靠；可在水孔或高温炮孔中使用。导爆索4、导爆管导爆管是一种半透明的具有一定强度、韧性、耐温、不透水的塑料管起爆材料。在塑料软管内壁涂薄薄一层胶状高性能混合炸药（主要为黑索金或奥克托金）装药量为16±1.6g/m。具有抗火、抗电、抗冲击、抗水以及导爆安全等特性。导爆管尾注：药壶爆破：是指钻好深孔或浅眼，在其底部或某一部位，用少量炸药进行多次爆破，使底部扩大形成壶状，再装入大量炸药进行爆破的方法。浅孔爆破：炮孔直径小于75mm、深度不大于于5m的爆破作业。洞室爆破：将炸药集中装填于爆破区内预先挖掘的洞室中进行爆破的技术。二次爆破：在各种爆破方法中，因出现不合乎装车、运输规格或不合乎进入破碎机偎（入料）口规格的大块矿岩而进行的再次爆破。光面爆破：先爆除主体开挖部位的岩体，然后再起爆布置在设计轮廓线上的周边孔药包，将光爆层炸除，形成一个平整的开挖面，是通过正确选择爆破参数和合理的施工方法，达到爆后壁面平整规则、轮廓线符合设计要求的一种控制爆破技术。尾注：预裂爆破：进行石方开挖时，在主爆区爆破之前沿设计轮廓线先爆出一条具有一定宽度的贯穿裂缝，以缓冲、反射开挖爆破的振动波，控制其对保留岩体的破坏影响，使之获得较平整的开挖轮廓，此种爆破技术为预裂爆破。水务工程施工与管理---爆破工程第二节爆破基本方法一、裸露爆破法裸露爆破法又称表面爆破法,系将药包直接放置于岩石的表面进行爆破。为提高爆破效果,表面药包底部可做成集中爆力穴，药包上护以草皮或是泥土沙子，用电雷管或导爆索起爆。不须钻孔设备，操作简单迅速，但炸药消耗量大（比炮孔法多3－5倍），破碎岩石飞散较远。适于地面上大块岩石、大孤石的二次破碎等。二、浅孔爆破法浅孔爆破法系在岩石上钻直径小于75mm、深度小于5m的圆柱形炮孔，装延长药包进行爆破。浅孔爆破法不需复杂钻孔设备；施工操作简单，容易掌握；炸药消耗量少，飞石距离较近，岩石破碎均匀，便于控制开挖面的形状和尺寸，但爆破量较小，效率低，钻孔工作量大。浅孔爆破三、深孔爆破法深孔爆破法系将药包放在直径75～270mm、深5～30m的圆柱形深孔中爆破。爆破前宜先将地面爆成倾角大于55°阶梯形，作垂直、水平或倾斜的炮孔。钻孔用轻、中型露天潜孔钻。深孔爆破深孔爆破法单位岩石体积的钻孔量少，耗药量少，生产效率高。一次爆落石方量多，操作机械化，可减轻劳动强度。适用于料场、深基坑的松爆，场地整平以及高阶梯中型爆破各种岩石。四、药壶爆破法药壶爆破法又称葫芦炮，坛子炮，系在炮孔底先放入少量的炸药，经过一次至数次爆破，扩大成近似圆球形的药壶，然后装入一定数量的炸药进行爆破。爆破前，地形宜先造成较多的临空面，最好是立崖和台阶。五、洞室爆破法洞室爆破法又称竖井法、蛇穴法。系在岩石内部开挖导洞（横洞或竖井）和药室进行爆破。洞室爆破法操作简单，爆破效果比炮孔法高，节约劳力，出渣容易（对横洞而言），凿孔工作量少，技术要求不高，同时不受炸药品种限制，可用黑火药．但开洞工作量大，较费时，排水堵洞较困难，速度慢，比药壶法费工稍多，工效稍低。适于六类以上的较大量的坚硬石方爆破；竖井适于场地整平、基坑开挖松动爆破；蛇穴（横洞截面小于0.6m×0.6m）适于阶梯高不超过6m的软质岩石或有夹层的岩石松爆。六、改善爆破效果的方法1、合理利用或创造人工临空面。2、采用毫秒微差挤压爆破。利用孔间微差迟发不断创造临空面，使岩石内的应力波与先期产生在岩体内的应力叠加，从而提高爆破的能量利用率。3、分段装药爆破，这样使爆能分布均匀，且增长爆压作用时间，俗称竹节炮。4、采用不耦合装药，药包和孔壁间留有一定空气间隙，形成不耦合装药结构，可降低爆炸的峰值，避免过度粉碎岩石。5、保证堵塞长度和堵塞质量，可提高能量利用率。水务工程施工与管理---爆破工程第三节控制爆破控制爆破是为达到一定预期目的的爆破。如：定向爆破、预裂爆破、光面爆破、岩塞爆破、微差控制爆破、拆除爆破、静态爆破、燃烧剂爆破等。一、定向爆破定向爆破是一种加强抛掷爆破技术，它利用炸药爆炸能量的作用，在一定的条件下，可将一定数量的土岩经破碎后，按预定的方向，抛掷到预定地点，形成具有一定质量和形状的建筑物或开挖成一定断面的渠道的目的。定向爆破筑坝挖渠示意图（a）筑坝；（b）挖渠1－主药包；2－边行药包；3－抛掷方向；4－堆积体；5－筑坝；6－河床；7－辅助药包定向爆破视频定向爆破二、预裂爆破进行石方开挖时，在主爆区爆破之前沿设计轮廓线先爆出一条具有一定宽度的贯穿裂缝，以缓冲、反射开挖爆破的振动波，控制其对保留岩体的破坏影响，使之获得较平整的开挖轮廓，此种爆破技术为预裂爆破。预裂爆破在水利水电工程施工中，预裂爆破不仅在垂直、倾斜开挖壁面上得到广泛应用；在规则的曲面、扭曲面、以及水平建基面等也采用预裂爆破。预裂爆破三、光面爆破光面爆破也是控制开挖轮廓的爆破方法之一，如下图所示。它与预裂爆破的不同之处在于光爆孔的爆破是在开挖主爆孔的药包爆破之后进行。它可以使爆裂面光滑平顺，超欠挖均很少，能近似形成设计轮廓要求的爆破。光面爆破一般多用于地下工程的开挖，露天开挖工程中用得比较少，只是在一些