Kuz-Ram爆破块度预报模型在Jatigede大坝堆石料爆破开采中的研究与应用

杨 尹， 蔡 云， 尹 斌

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 都江堰 611830)

1 工程概述

Jatigede 大坝为粘土心墙堆石坝，位于南纬6°52′00″与东经 107°48′00″的印尼西爪哇省Sumedang县Cimanuk河上，距首都雅加达220 km， 距西爪哇省首府万隆市85 km。大坝坝高110 m，总填筑量约570万m3，其中3A型堆石料(最大粒径400 mm)120万m3,3B型堆石料(最大粒径800 mm)250万m3。工程开发的首要任务是为下游约9万hm2农田提供灌溉用水；其次为供应Indramayu、Cirebon和Cirebon Kodya 三个地区的城镇工业与生活用水及发电。Jatigede 水库的控制流域面积为1 460 km2，水 库 总 库 容 为

10.62亿m3，电站装机容量为110 MW，多年平均发电量约4.5 亿kW·h。

Jatigede大坝施工的特点是大坝填筑量大，总填筑量约570万m3；石料来自距大坝约7 km的Julang山采石场，施工运输距离为23 km；施工强度高，月高峰填筑强度超过40万m3，典型剖面见图1。

图1 Jatigede大坝典型剖面图

2 堆石料设计要求

堆石料的开采必须满足设计的级配、粒径要求。堆石料控制爆破技术系通过开采爆破试验确定满足设计要求的爆破参数，从而直接通过钻孔爆破开采出满足设计级配要求的堆石料。

Jatigede大坝的堆石料来自大坝左岸上游约6.5 km的Julang山采石场爆破开采的安山岩，风化程度为新鲜～微风化。

Jatigede大坝堆石料级配控制参数为：

3A堆石区：最大粒径400 mm，粒径小于5 mm的含量为2.5%～24%，压实干密度为2.2 g/cm3(表1)；

3B堆石区：最大粒径为800 mm，粒径小于5 mm的含量为0%～15%，压实干密度为2.15 g/cm3(表2)。

表1 Jatigede 大坝工程Gunung Julang安山岩过渡料3A料设计级配表

表2 Jatigede 大坝工程Gunung Julang安山岩过渡料3B料设计级配表

3 块度分布模型的发展

自上世纪60年代以来,世界各国学者在爆破岩体块度控制方面做了大量的研究工作，提出了十余种研究爆破块度分布的数学模型。概括起来大致有四类：即能量理论模型、应力波理论模型、块度分布函数模型以及新近发展起来的损伤力学模型。各种数学模型均有一定的适用条件和局限性,在理论性和实用性上各有长短。

Kuz-Ram模型是库兹涅佐夫(Kuznetsov)和罗森拉姆(Rosin-Rammler)模型的结合。前者研究的是爆破的平均块度,后者研究的是块度的分布特征。该模型是用筛下累计为50%的筛孔尺寸为平均块度X50和块度分布的均匀性指标n来预测爆破块度,它赋予块度分布曲线粗粒部分十分良好的相关性,其基本数学表达式为:

X50=Aq-0.8Q1/6(115/E)19/30

(1)

(2)

(3)

式中A为岩石坚固系数(A=7，为中硬；A=10,为节理发育，A=13,为节理不发育 )；q为炸药单耗，kg/m3；Q为单孔装药量,kg；E为炸药相对威力(铵油炸药为100)；X50为爆破块度平均粒径，cm；X0为特征块度，累计率为63.21%时的尺寸；x为石粒粒径；R为小于某粒径材料质量百分比；n为不均匀系数；e为钻孔精度标准差，一般取钻孔深度5%；W为最小抵抗线；m为间距系数(孔距/抵抗线)；d为炮孔直径；L为不计超钻部分的装药长度。

4 现场试验对模型的检验和修正

库兹(Kuz)-拉姆(Ram)模型中的参数除了A(岩石坚固系数)和n(不均匀系数)以外的参数都可以通过爆破参数获得。在实践过程中，只需要通过少量的爆破试验对A值和n值进行修正，即可以较为准确地解析出其在该爆破参数下的级配曲线;同时，当采石场地质条件发生变化时，只需要少量开采料进行筛分试验，修订开采料的A值和n值，即可以快速地预报爆破料的级配曲线。通过引入修正系数Kx和Kn对平局块度X50和不均匀系数n进行修正，从而得到修正后的库兹(Kuz)-拉姆(Ram)模型：

X50=KxAq-0.8Q1/6(115/E)19/30

(4)

(5)

4.1 爆破试验

在Jatigede大坝堆石料爆破试验过程中，首先进行了两组3B料爆破试验，获得了爆破料筛余量累积曲线。

4.2 Kx修正系数

通过对所计算的爆破平均粒径和爆破试验的筛分结果的平均粒径进行对比(筛分结果见图2)，可以得到Kx值并对块度模型进行修正。

4.3 Kn修正系数

当R=50%时，X=X50，将值带入式2，可以得到X0和X50的关系式(式6)。

(6)

图2 爆破料余量累积曲线图

表3 3A料爆破试验参数表

表4 Rosin-Rammler解析的3A料粒径表

图3 3A料预报结果与实际筛分结果表

通过将筛分累积曲线中的X0和X50带入式(6)和可以计算得到的爆破料的实际n值，将设计值和计算值进行对比，可以得到Kn值从而对块度模型进行修正。

采用Kx=0.5和Kn=0.73对式6进行修正，得到修正后的模型公式7、8。

X50=0.5Aq-0.8Q1/6(115/E)19/30

(7)

(8)

5 块度预报成果的应用

获得修正模型后，修正的模型被用于3A料的爆破试验，由式7、8解析出分布曲线。

经过爆破试验的修正后，库兹(Kuz)-拉姆(Ram)模型解析的块度R-R分布曲线与爆破筛分累积曲线非常接近，见图3；3A和3B填筑料爆破试验参数见表5、6。

表5 试验参数和模型参数对比表

表6 试验参数和模型参数对比表

6 结 语

库兹涅佐夫(Kuznetsov)- 罗森拉姆(Rosin-Rammler)模型的数学计算相对比较简单，其计算成果可以绘制成块度分布曲线。通过爆破试验，对模型中的A值(岩石坚固系数)和n值(块度均匀性指标)的修正，可以使公式适应不同的岩石和爆破参数。通过修正后的公式，可以利用爆破参数(如最小抵抗线W，孔距a，排距b，炸药单耗q，炮孔直径d等)较为准确地对爆破块度进行量化分析，提供了一种较为成熟的、快速确定爆破料级配曲线的方法。通过块度模型的应用，可以提高爆破试验的效率，同时，当地质条件发生变化时，该模型可以用于快速调整爆破参数。

参考文献：

[1] 张正宇，等.现代水利水电工程爆破[M].北京：中国水利水电出版社，2003.