高砾石土心墙堆石坝过渡料爆破直采技术探讨

余兴和,张　艳,马元军

(葛洲坝易普力 四川爆破工程有限公司,成都 610000)



高砾石土心墙堆石坝过渡料爆破直采技术探讨

余兴和,张艳,马元军

(葛洲坝易普力 四川爆破工程有限公司,成都 610000)

摘要:通过长河坝水电站石料场的多次现场爆破试验，结合KUZ-RAM块度预报模型，对试验成果与设计要求的级配曲线进行对比分析。对于料源为裂隙发育的花岗岩、石英闪长岩等硬岩，选择可爆性较好区域、采用降低孔网面积、加大爆破单耗、选用2号岩石乳化炸药和高精度导爆管雷管、利用微差挤压爆破等技术，可以获取合格过渡料以达爆破直采之目的。爆破平均块度可通过缩小钻孔直径、控制台阶高度、降低单孔装药量、采用合理装药结构及起爆网路来控制。

关键词:堆石坝; 过渡料; 爆破直采; KUZ-RAM模型

1概述

大渡河长河坝水电站为一等大(1)型工程，水库大坝是目前在建的同类型体积最大、最高的砾石土心墙堆石坝[1]，最大坝高240 m，整个大坝石方填筑方量达2763.87万m3，其中过渡料达290多万m3，具有开采方量大、施工强度大、级配要求高等特点。

前期在响水沟料场进行了10多次过渡料爆破试验，主要采用常规中深孔台阶微差挤压爆破[2]，爆块较粗，P5(<5 mm)含量不足，难以满足原设计级配要求，因此前期只能从常规爆渣中用小斗容反铲挑选出细小颗粒石料，掺配骨料筛分系统加工的P5细骨料来生产过渡料。电站位于高山峡谷之中，没有进行大规模掺配过渡料的场地，且掺配细骨料工序复杂、成本较高，难以满足大规模填筑时的施工强度要求。为保证大坝填筑顺利进行，做了6次爆破直采专项试验，其目的是探讨用爆破法直接开采出符合设计级配要求的过渡料，获取合理爆破参数，用于指导后期过渡料开采。

2工程特点和技术要求

2.1工程特点

(1)砾石土心墙坝过渡料的平均块度d50(52～18 mm)较面板堆石坝过渡料的d50(80～50 mm)小。因此，前者的爆破开采难度远大于后者。

(2)料源岩体的构造裂隙发育、岩石坚硬，可爆性差，爆破难度大。

(3)提高合格坝料的爆破开采规模与效率，爆破后直接用反铲剔除300 mm以上粗颗粒后直接上坝，满足上坝回填施工强度，并节省投资。

2.2地质条件和技术要求

2.2.1地质条件

响水沟料场为花岗岩，岩质致密坚硬，其饱和抗压强度120～140 MPa，软化系数0.74～0.78，天然密度2.61～2.99 g/cm3。岩体卸荷较强烈，强卸荷水平深度为46 m，弱风化弱卸荷水平深度90 m，以里为微新岩，主要发育有4组的不同走向的陡倾角构造裂隙，此外随机短小裂隙亦发育。因受裂隙切割，岩体块径多呈80～150 cm。

江咀石料场为石英闪长岩，岩质致密坚硬，其饱和抗压强度76.4～131 MPa，软化系数0.77～0.87，天然密度2.70～2.89 g/cm3，岩体多呈次块状-块状结构。岩体风化作用相对微弱，料场表部岩体卸荷较强烈，以弱风化为主。

2.2.2设计技术要求

最初提出的过渡料级配要求非常严格，经设计多次调整，最终的技术要求：级配宜连续良好，级配曲线见图1。石料耐风化并不易为水溶解，其饱和抗压强度应大于45 MPa；过渡料最大粒径不大于300 mm；小于0.075 mm的颗粒含量不大于5%；小于5 mm的颗粒含量为5%～25%；过渡料压实室内相对密度应不小于0.9，孔隙率宜不大于20%，相应的干密度约为2.25 g/cm3；压实后的渗透系数应大于1×10-2cm/s。

3爆破试验研究

3.1块度预报模型的选择

20世纪90年代在面板堆石坝级配料开采爆破试验研究中总结出的KUZ-RAM模型[3，4]，可用于台阶爆破块度预报。该模型对粗粒径部分的预报有较好的准确性[5]。

模型的基本表达式由Kuznetsov方程、R-R分布函数和块度不均匀指数三部分组成[6-9]

(1)

(2)

n=(2.2-14W/D)(1-B/W)

(3)

3.2A值估算

响水沟料场前期做了六场过渡料生产性爆破试验，颗分试验结果表明，各区爆块均偏粗，不满足设计要求，但可从该次试验的筛分曲线查出每次爆破的d50，利用式(4)反算出响水沟料场的A值，见表1，为后续爆破试验参数的选取提供依据。

(4)

式中符号意义同前。

表1　响水沟料场A值计算表

注：Ⅰ区～Ⅲ区爆破效果较差，不具有参考意义。

3.3过渡料开采关键控制指标

3.3.1控制指标分析

反映爆破块度级配情况的直观参数是级配料的不均匀系数Cu和曲率系数Cc值，由下式表示

(5)

若假定爆破块度遵从R-R分布时，根据式(5)及R-R分布函数可得

(6)

从表2、表3的n值估算来看，设计下包络线反推出的n值远大于爆破实际开采料的n值。只要特征块度小于下包络线的允许值，则低于特征尺寸的块体含量是可以满足要求的，而高于特征尺寸的块体含量则可能超标。解决的办法之一是增加炸药单耗进一步减小特征值，另一办法是剔除部分大块或掺合部分小粒径石料，最有效的方法还是剔除部分大块。要爆破出合格的过渡料，在爆破设计时简单易行的方法是将特征块度(或d50)控制在设计允许值以内。

表2　设计要求的级配过渡料的Cu、Cc及n值

表3　江咀石料场第四场爆破试验(试验5)的筛分结果(中部)

根据设计对过渡料的块度级配要求，可获得最大允许平均块度，可用下式计算出爆破出合格料的炸药单耗

(7)

式中，[d50]为设计提出的下包络线平均块度，5.2 cm。

3.3.2d50的影响因素分析

(1)A与d50成线性关系，在条件允许的情况下宜选择节理裂隙发育、可爆性好的岩体开采过渡料。

(2)增加细颗粒的含量主要靠减少孔间排距，增加q、耦合装药以及减小堵塞长度来实现。q越高，d50越小。当D一定时，q越高，孔网面积越小，钻孔量增加，可能还会增大拒爆的风险。但d50降低与q增加成非线性关系，单纯增加q并不经济。

(3)当q一定时，H增加将使钻孔深度，孔底偏差增大，导致大块产生，影响石料级配；同时导致Q增加、孔网面积变大，d50增加。

(4)炸药品种对d50也产生一定影响，如H为15 m、D为φ 90 mm时，连续不耦合装2号岩石乳化炸药，其线装药密度为6.3～6.5 kg/m；若连续耦合装粉状铵油炸药，其线装药密度约4.0 kg/m，同样的孔网面积，Q将减少近40%，d50将增大27%左右。因此过渡料开采宜选优质高猛度炸药。

(5)过渡料开采的炮孔间排距通常较小，爆炸应力波对相邻炮孔的影响大，而小抵抗线要求排间起爆时差更小、精度更高，因此宜选高精度导爆管雷管起爆网路。

(6)受前次爆破的影响，爆堆前沿及表层的块度一般相对较大，2 cm以下石渣偏少，可采用大单耗压渣爆破提高挤压破碎效果。

3.4专项爆破试验

3.4.1爆破参数

H为10 m，D为φ 90 mm，超深h一般取0.1H；堵塞长度取(0.8～1.0)W；采用不耦合连续装药，线装药密度约为5.6～6 kg/m；q的选择是爆破过渡料的关键，响水沟料场的A值大约为2.89～6.51(见表1)，Q约为57 kg，乳化炸药的E取100，按式(7)可计算出q约为1.25～3.43 kg/m3，岩石完整致密取高值，破碎取低值；孔间排距由计算式a×b=Q/(H×q)和布孔方式最终确定；每次爆破规模为3000 m3左右，爆破孔数控制在100个左右。具体参数见表4。

表4　专项爆破试验成果统计表

注：表中数据为设计值/实际值，未注明为二者基本一致；经济单耗为爆破出d50=5.2 cm所需的炸药单耗。

3.4.2装药结构及起爆网路

主爆孔用φ 70 mm乳化炸药连续装药至距孔口1.5m处，然后堵塞；周边孔先用φ 70 mm乳化炸药连续装药至距孔口3.1 m处，再用φ 32 mm乳化炸药2支为一组绑在竹片上连续绑8组至距孔口1.5 m处后堵塞。

每个孔内配置2发高精度起爆雷管，分别布置在距离孔底或孔口1～2 m范围内。为了防止装药时卡孔以及孔间相互影响造成部分炸药拒爆，每孔下导爆索至孔底。

采用孔内高段、孔外低段的高精度导爆管雷管起爆网路，大V型/斜线起爆。孔内雷管400 ms/15 m；孔外排间接力雷管为42 ms/7 m，孔间接力雷管为17 ms/7 m，必要时用9 ms/7 m雷管增加分段。

3.4.3取样方法

爆破后在取样前，先用反铲将爆堆前沿以及表层区域大块较多的不合格料挖运装走，然后分上、中、下三个区域对石料分别取样，异地进行筛分试验。

3.4.4试验成果分析

试验1：孔内起爆雷管2发均布置在底部，个别炮孔上部拒爆，导致上部取样筛分结果偏离设计要求的下包络线；中下部取样筛分结果基本满足设计要求，接近设计要求的下包络线，见图2，所获石料基本满足过渡料要求。为降低成本，后期试验改在岩石可爆性相对好的江咀料场。

试验2：岩体较破碎，岩体可爆性好，完整性相对于响水沟料场差。孔内雷管分别布置在孔口及孔底1～2 m位置，爆破后未发现残留导爆索及炸药。取样筛分曲线全部在设计要求的上下包络线范围内，所获石料完全满足过渡料要求。由于该部位岩体靠近破碎带，本次不具有代表性。

试验3：为核定单价寻找最低单耗需要，选择了岩体质量相对较好的部位。从筛分曲线和表4可看出，由于岩体可爆性较试验2差，所获石料较设计要求偏粗。即使该部位q增加到2.5 kg/m3，其爆破后的d50将达6.0 cm，与设计要求的下包络线偏离0.8 cm；如果要达到设计要求的平均块度下限值，炸药单耗需增加到3.0 kg/m3。

试验4：由于新换钻头导致钻孔直径偏大，按设计药量装药，实际堵塞长度达3 m，导致上部(表面以下1.5 m)爆破块度偏大，下部的d50约为7.0 cm。即使该部位q增加到2.5 kg/m3，爆破后的底部d50可达5.5 cm，与设计要求的下包络线偏离0.3 cm。

试验5：由于采用普通导爆管雷管，孔内为MS13段，而排间为MS2段接力，导致前后排因孔内延时误差发生前后排串段，从爆堆形状看，爆渣后翻，中部破碎效果低于两侧，从筛分曲线(见图3)中可看出，左右侧爆渣满足过渡料要求。共筛分了6组，中部筛分了4组，有2组d50约为6 cm，与设计下包络线接近，而另2组有一定偏离，一组d50为7 cm，另一组d50约为7.2 cm。

试验6：采取加密炮孔，减小Q，以增加细颗粒含量，仍采用φ 90 mm钻孔，φ 70 mm乳化炸药，炸药平均单耗仍为2.5 kg/m3，采用竹片连续绑扎方式装药，故施工繁琐且劳动强度大。共筛分了6组，从筛分曲线中看出:坑下部筛分的3组，满足过渡料要求，d50为3.8～5.2 cm；坑上部筛分的3组，d50为5.3～6.1 cm，与设计下包络线非常接近。上下坑料混合可符合过渡料级配要求。

从4次完整致密岩体部位试验的资料分析可得出，当q达2.5 kg/m3时爆破开采料的d50接近设计下包络线的[d50]。考虑起爆网路安全性、工程成本及上坝碾压等因素，认为最大单耗不宜超过2.5 kg/m3。试验5和试验6也再次表明：q达2.5 kg/m3时，只要控制好堵塞长度、选择合理起爆时差、钻孔精度满足设计要求，所开采料基本可以满足过渡料质量要求。

4结语

对于料源为构造裂隙发育的硬岩，可通过优化爆破参数、提高q、选择适宜的爆破器材等措施，爆破直采出合格的过渡料。

(1)KUZ-RAM模型可用于预报过渡料开采块度，由此确定q值用以优化爆破设计。筛分成果应及时反馈，便于及时调整爆破参数。

(2)对于完整致密岩体可通过缩小D、控制H，降低Q来控制爆破平均块度。

(3)爆破器材宜选用2号岩石乳化炸药和高精度导爆管雷管。

(4)在满足坝料力学指标条件下，尽量选在岩体可爆性较好区域进行过渡料爆破。

(5)本试验推荐的爆破参数：q宜为2.5 kg/m3；D不大于φ 90 mm；H为10 m左右；堵塞长度(0.8～1.1)W；孔深误差±20 cm；孔口误差±10 cm；装药密度不小于1000 kg/m3。

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Discussions on Blasting Direct Exploit Technology of Transition Material for High Gravel Soil Core Wall Rock-fill Dam

YUXing-he,ZHANGYan,MAYuan-jun

(Sichuan Blasting Engineering Co Ltd,Gezhouba Explosive Co Ltd, Chengdu 610000,China)

Abstract:Through blasting tests in Changheba hydro-power station quarry,combining with KUZ-RAM block prediction model,the gradation curves of test results and design requirements were compared and analyzed.The results show it feasible to obtain qualified transition materials in fractured granite,quartz diorite and the same hard rock by using different schemes,including choosing the blastable areas,reducing blasthole burden and space,increasing the specific charge,selecting 2# emulsion explosives and precision Nonel detonator or millisecond extruding blasting technology.The average fragmentation can be controlled by lessening the hole diameter,changing bench height,decreasing charge amount per hole and designing a reasonable charge structure and detonating circuit.

Key words:rock-fill dam; transition material; blasting direct exploit; KUZ-RAM model

doi:10.3963/j.issn.1001-487X.2016.02.013

收稿日期:2016-01-12

作者简介:余兴和(1970-)，男，高级工程师，从事爆破现场施工与爆破安全管理，(E-mail)826216538@qq.com。

中图分类号:TD235.3

文献标识码:A

文章编号:1001-487X(2016)02-0067-07