2013-1-8沐若水电站坝肩开挖及爆破技术

1/11马来西亚沐若水电站坝肩开挖及爆破技术王锟（云南省水利水电勘测设计研究院）摘要：。沐若水电站坝址区地质条件复杂，大坝坝基岩层主要为贝拉加组第9、10亚段，岩体结构面发育。该工程属EPC合同，可研阶段地质勘探资料缺乏，在保证工程质量安全和施工进度的前提下，为满足经济的要求，从而形成了边施工、边设计，坝基开挖与混凝土浇筑相互干扰的格局。因此，如何选取合适的开挖方法和钻孔爆破参数，，减小爆破振动对保留岩体和新浇混凝土的不利影响，对提高建基面开挖质量、保证大坝安全稳定至关重要。关键词：坝肩；开挖；爆破；技术1工程特性1.1工程概况沐若水电站工程地处马来西亚婆罗洲岛的砂捞越州，坝址位于拉让(Rajang)河流域源头沐若河上，距民都鲁市约200km，拉让河上游流域规划了4个梯级，分别是Pelagus、Bakun（巴贡）、Murum（沐若）和Belaga，沐若水电站是拉让河上游四级梯级开发中的第2个梯级电站。沐若水电站工程总体布置由碾压混凝土重力坝、坝身无闸控表孔泄洪、左岸导流洞、坝后生态电站以及下游12km处右岸地面式厂房、右岸引水系统等建筑物组成。工程主要任务是发电，水库正常蓄水位540m，死水位515m，总库容120.43亿m3，调节库容54.75亿m3。右岸引水发电厂房装机4台，单机容量为236MW，电站总装机容量为944MW。大坝坝顶高程546m，基坑底部高程395m，左、右岸坝肩土方开挖量共16.2万m3，石方开挖量共64.6万m3。1.2坝区地形地质条件大坝所在河段两岸谷坡大体对称，坝轴线处两岸均为杂砂岩构成的山脊，但两岸山脊并不完全正对，错开约40m。山脊硬岩处岸坡陡立，左岸坡度43°，右岸坡度55°；其余地段山坡较缓，左岸坡度约为20～25°，右岸坡度约为25～30°。坝轴线处河床高程约为418m，谷底宽30～60m。大坝坝基位于贝拉加组第9、10亚段，岩体为砂岩、杂砂岩及砂页岩互层。坝基顺坝轴线方向的夹层、沿水流向的陡倾角卸荷裂隙以及缓倾角裂隙等结构面发育。微风化杂砂岩饱和单轴抗压强度（Rc）范围值52.9～57.9MPa，平均值55.4MPa，对应2/11的变形模量(饱和)平均值7.80GPa，软化系数0.53，属于较坚硬岩；微新砂岩Rc范围值89.2～151.0MPa，平均值124.53MPa，对应的变形模量范围值15.7～32.8GPa，平均值24.15GPa，软化系数范围值0.84～0.95，平均值0.90，属于坚硬岩。1.3主要火工材料供应1.3.1炸药马来西亚政府对化学危险品管制严格，受当地法律、法规及炸药市场所限，炸药申请程序复杂，运输条件有限，各规格材料供应不畅。坝肩开挖先后使用由不同公司生产的乳化炸药和重铵油炸药（HeavyAmmoniumNitrate-FuelOil）。重铵油炸药是由乳胶基质与多孔粒状硝铵按一定比例（3:7）混合而成、具有良好爆炸性能的防水性炸药，其主要性能参数见下表1-1：表1-1重铵油炸药性能表临界直径（mm）极限密度（g/ml）爆速（m/s）相对热容量（j/kg·k）防水性能有效期（d）临界直径（mm）401.054500108优740注：1.有效期是指现场配置好后炸药的有效期；2.相对热容量由热力学性能计算得出。重铵油炸药为乳胶状，刚拌制的成品流动性较大。当暴露在空气中时间较长时，重铵油炸药中含有的酸性物质（起稀释作用）将挥发而导致其体积膨胀，流动性减小，体积膨胀率达到5%～10%。此外，在坝肩开挖期间，乳化炸药的供应也不能保证特定规格的供应量，开挖施工期间使用了数种规格的乳化炸药，其规格参见下表1-2：表1-2乳化药卷规格表序号药卷规格：直径（mm）×长度（mm）×重量（g）1,25×400×2402,32×400×3803,55×400×12504,60×400×13205,90×400×3120单一规格的药卷（尤其是小直径的药卷）在供应上的不稳定性给控制爆破带来一定的影3/11响，技术人员需根据实时库存量拟定药卷规格、装药参数，现场施工人员需根据爆破设计调整装药参数。1.3.2非电毫秒延时雷管当地炸药市场可保证经常性供应的非电毫秒延时雷管段数有限，尤其是低段位延时雷管采购数量也受到限制。此外，马来西亚当地的非电毫秒延时雷管的延时时长与国内传统使用的非电毫秒延时雷管也有区别，对爆破网络的合理设计起到一定的限制作用。当地非电毫秒延时雷管的延时特性见下表1-3：表1-3非电毫秒延时雷管延时特性表地区雷管段数延时（ms）雷管段数延时（ms）雷管段数延时（ms）雷管段数延时（ms）马1#252#503#754#100中1#152#253#504#75地区雷管段数延时（ms）雷管段数延时（ms）雷管段数延时（ms）雷管段数延时（ms）马5#1256#1507#1758#200中5#1106#1507#2108#250地区雷管段数延时（ms）雷管段数延时（ms）雷管段数延时（ms）雷管段数延时（ms）马#2182259#250#21927510#300中9#31010#38011#46012#550地区雷管段数延时（ms）雷管段数延时（ms）雷管段数延时（ms）雷管段数延时（ms）马#211032511#350#211137512#400中13#65014#76015#88016#1010地区雷管段数延时（ms）雷管段数延时（ms）雷管段数延时（ms）雷管段数延时（ms）马#211242513#450#211347514#500中17#115018#1300注：表中地区“马”表示马来西亚，“中”表示中国。2爆破施工本工程坝肩开挖采用传统的自上而下、分层开挖的方式进行施工。。石方开挖采用钻孔梯段爆破结合预裂控制爆破的方法。本工程大坝开挖边坡高度一般为13～15m，施工中通常4/11分为2个梯段进行开挖，单个梯段高度为6.5～7.5m。边坡开挖主要采用预裂爆破（少数情况下采用光面爆破），水平马道开挖主要采用先预留保护层、再垂直浅孔梯段结合光面爆破的方式。造孔机具选用CM351型潜孔钻机、YQ-100B型潜孔钻机、HCR1200-EdⅡ型液压钻机、YT28型手风钻。潜孔钻机造孔孔径为100mm、105mm，液压钻机造孔孔径为76、89mm，手风钻造孔孔径为42mm。2.1预裂（光面）爆破参数的确定2.1.1孔距根据其他类似工程经验，结合本工程坝基岩体物理力学性能及结构面发育情况，选取预裂孔（光爆孔）孔距为80cm，局部卸荷裂隙发育部位适当减小孔距为60cm，岩体强度较低且较完整的部位适当增大孔距为100cm爆破后根据边坡成型及现场施工控制情况，将孔距增大到100cm。2.1.2装药参数（1）孔径与药卷直径的关系本工程预裂孔（光爆孔）装药采用不耦合装药，炸药使用乳化炸药。受炸药供应影响，药卷直径选取,25mm和,32mm两种规格，不耦合系数e值为3.13～4.2。（2）线装药密度坝肩基岩主要为微风化砂岩，力学试验显示，基岩岩石的抗压强度为130～175MPa，类比其他工程施工经验，并根据孔距及孔径大小，选取不同的装药密度。孔距为“”时，线密度为“”。⊿线＝0.042[σ压]0.50.6并结合生产性试验，在生产过程中不断调整爆破参数，最终确定线装药密度为370～420g/m。2.1.3装药结构设计边坡预裂爆破是在无限体中进行的，预裂孔孔底部位所受夹制作用较大。爆破施工过程中，为方便施工，根据钻孔深度的不同，将确定的线装药密度均匀分布在孔内，孔底约100cm范围装药线密度适当增加6倍左右，孔口堵塞长度附近约100cm范围装药线密度适当减小1/3。边坡预裂孔装药结构示意图见下图2-1：5/11图2-1边坡预裂孔装药结构示意图马道保护层厚度一般为2.5m～3m，水平光爆孔孔底部位所受夹制作用较边坡预裂孔小，故孔底加强装药在边坡预裂孔的基础上适当减小。水平光爆孔装药结构示意图见下图2-2：图2-2马道保护层水平光爆孔装药结构示意图2.1.4预裂孔堵塞长度L1堵塞长度按经验公式L1＝(1～1.2)考虑。实践证明，孔口堵塞长度对预裂面的效果有一定影响：堵塞长度过短，则爆破时气体逸出，不易形成预裂缝或预裂缝宽度不够；堵塞长度过长，炮孔内的气体虽不冲出，尽管增强了孔内爆破气体的作用时间，但堵塞段有可能就形成不了裂缝或产生预裂面质量很差，且爆后堵塞部分易形成较大块石，影响出渣效率。实际施工中的堵塞长度根据爆破效果、钻孔深度进行不断调整修正，一般边坡预裂时堵塞长度为130cm～150cm，马道保护层水平光爆孔堵塞长度为100cm～120cm。2.1.5钻孔布置一般情况下，控制爆破孔的孔口间距与孔底间距保持一致，钻孔方向与坡脚线基本垂直，孔底延伸至坡脚线。当遇到特殊情况时，例如相邻边坡不在同一平面上，或边坡两端的坡脚发散区域，或边坡为变坡时，爆破孔的布置需进行特别设计。（1）相邻边坡面不共面，且坡面交线的倾角与两坡面相差不大。此种情况下，为保证两坡面交线位置爆破轮廓完整、清晰，需要在此交线位置布置导向孔：沿交线布置1个导向孔，交线左右50cm位置各布置1个与交线平行的钻孔。导向孔布置示意图参见下图2-3：图2-3导向孔平面布置示意图内凹型和外凸型边坡在导向孔布置原则上保持一致，但在施工装药时又稍有区别：对于内凹型边坡，在预裂孔装药时，与导向孔相邻的2个钻孔为空孔，不装药；对于外凸型边坡，在预裂孔装药时，导向孔为空孔，不装药，而与之相邻的2个钻孔则按正常情况装药。（2）马道保护层水平光爆孔孔底临近已形成的预裂面。边坡预裂时，预裂孔孔底已抵达坡脚部位，爆破完成后，虽然马道保护层残留，但保护层与边坡之间的预裂面已经形成。布置水平光爆孔时，孔底距离预裂面坡脚太远，可能在坡脚临近位置不能拉开光爆面或有岩体残留；孔底距离预裂面坡脚太近，则可能导致孔内气体逸出，影响爆破效果。经生产性爆破试验，结合现场钻孔、爆破施工质量情况，最终确定光爆孔孔底距离预裂面坡脚距离为30cm。预裂孔遇到类似情况时孔底距离取为50cm，爆破效果良好。水平光爆孔布置示意图6/11见下图2-4：图2-4马道保护层水平光爆孔平面布置示意图（3）边坡两端坡脚发散区域。此类情况下，若钻孔平行布置，则靠近边缘的钻孔位于坡度较大的斜面上，施工较困难。因此，实际生产中采取缩减孔口间距、同时增大孔底间距的方式，解决了施工困难、预裂面难以形成的难题。孔口间距不宜太小，否则将增加钻孔数量，不经济，实际施工时控制在60cm以上。同时，孔底间距也不宜过大，否则将导致孔底部分预裂面不能形成，或预裂面平整度太大。孔底发散钻孔布置参加下图2-5：图2-5孔底发散钻孔平面布置示意图对于发散式钻孔，在装药时为保护预裂面、节约炸药，可每隔一孔适当增加钻孔的堵塞长度。如上图2-5中的Y2和Y4号孔，堵塞长度约为钻孔长度的一半。（4）长短孔。当相邻边坡的交线与两边坡坡脚线的夹角相差较大时，可在交线位置布置1个导向孔，夹角较大的边坡内设置发散式钻孔，夹角较小的边坡内设置长短孔。长短孔布置如下图2-6所示：图2-6长短孔平面布置示意图对于上图2-6中所示情况，进行爆破网络设计时，Y22号孔和Y24号孔均为空孔，不装药。布置长短孔时需注意：要适当控制孔距，以保证相邻两钻孔孔底距离太大；另外，在必要的情况下，需根据不同孔深设计不同的装药结构。2.2深孔梯段爆破参数的确定深孔梯段爆破中，主爆孔钻孔机具选用CM351型潜孔钻机或液压钻机，钻孔孔径分别为105mm、89mm。2.2.1底盘抵抗线及排距的确定根据坝基岩性及施工所用炸药的特性，并经过多次爆破试验得出：当孔径为89mm时，最大底盘抵抗线为2.7m～3.3m，取排距b=2.5m～3.0m，当孔径为105mm时，最大底盘抵抗线为3.2m～3.9m，取b=3.0m～3.5m。2.2.2单位体积岩石炸药消耗量q的确定根据坝基基岩（砂岩、杂砂岩、泥岩和页岩）的物理特性，以及经生产性爆破试验得到7/11的爆破参数，结合边坡现场岩石爆堆块径大小，确定本工程在深孔梯段爆破中，单位体积岩石炸药消耗量q一般控制在0.44～0.52kg/m