杨房沟水电站建基面先锋槽爆破开挖实验研究

周 强，徐建军，严 鹏，曾新华，谢 斌，罗 笙，殷 亮，刘明生，段伟锋，鄢江平

(1.中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610213；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014；3.武汉大学水资源与水电工程国家重点实验室，湖北 武汉 430072；4.雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都 610051)

水利水电工程建设中涉及建基面的开挖，现阶段，建基面开挖的主要手段仍然是钻孔爆破[1]。但在岩体爆破开挖过程中不可避免的会对坝基等保留结构造成一定的动力扰动形成损伤区，进而使保留结构的完整性及物理参数等产生一定的劣化，若处置不当，则可能对工程质量造成一定的影响[2-7]。

现有的水工建筑物水平建基面爆破开挖施工技术中，传统的浅孔分层爆破开挖，采用的是一种“层层剥皮”的施工方法，施工效率往往很低[8]；取消保护层的水平预裂法或保护层一次爆除的水平光面爆破法，开挖效果及效率均优于浅孔分层爆破开挖方法，但需开挖先锋槽创造工作面[9]。且先锋槽的开挖过程中由于没有临空面，夹制作用强，往往需要通过加强装药加大超深来保证开挖成型效果，而大药量会加大底部保留岩体的劣化程度及范围，不利于建基面保留岩体性态的保护。为了有效减小损伤区，吴新霞等[10]提出了在保护层爆破中采用大孔径复合垫层爆破，采用向上反射爆轰能量的刚性罩和柔性垫层的方法减小爆破对孔底的影响；赵根等[11]提出采用楔形槽的环向聚能爆破，通过在孔底设置环向聚能药包，利用金属聚能罩的环向聚能达到水平切割岩体的效果，但是由于聚能药包药量有限，亦难以取得理想结果。卢文波、胡浩然[12-13]等，提出在竖直炮孔中设置聚-消能复合垫层结构的方案，该结构由以铸铁或高波阻抗混凝土为材料的圆锥形聚-消能结构和以松砂为材料的柔性垫层组合而成。通过圆锥形聚-消能结构，将向竖直炮孔底部传播的爆轰能量反射到水平方向，加强了相邻炮孔间岩石的破碎效果，减小了炮孔间保留岩体的起伏差，同时柔性垫层进一步降低爆破对孔底的影响，在白鹤滩等工程中得到实际应用。

本文以杨房沟水电站坝基开挖为背景，针对前期坝肩槽生产性爆破试验所揭示出的爆破损伤较大、爆破振动难以控制等问题，开展实验研究，对比分析不同炮孔结构条件下爆破的宏观效果、损伤分布及平整度等因素，优选炮孔装药结构，为坝基先锋槽开挖方案的选择提供参考。

1 工程背景

杨房沟水电站位于四川省凉山彝族自治州木里县境内的雅砻江中游河段上，是雅砻江中游河段一库七级开发的第六级，坝址上距孟底沟水电站37 km，下距卡拉水电站33 km。杨房沟水电站为一等工程，工程规模为大(Ⅰ)型，工程枢纽主要建筑物由挡水建筑物、泄洪消能建筑物及引水发电系统等组成。挡水建筑物采用混凝土双曲拱坝，坝顶高程2 102.00 m，正常蓄水位2 094 m，最大坝高155.00 m，左右岸边坡开挖高度约为385 m。

坝址区河床地形不规则，两侧较陡，中间为狭谷。河床表层为混合土卵石覆盖，主要由卵石、漂石及块石、局部夹砂层等组成，厚18.7～32.1 m。下伏基岩为花岗闪长岩，岩质坚硬，呈弱～微风化状。河床无断层分布，但下伏基岩节理较发育，表层岩体以Ⅲ类岩体为主，一般厚1.0～7.5，局部达12.6 m，其下以Ⅱ类岩体为主，抗冲刷能力较强。

2 试验爆破参数

为了验证孔底能量调控技术用于建基面开挖的实际可行性，于2018-07-15日在左岸进水口2 064.0～2 059.0 m，桩号进右0-31.0～桩号进右0+36.8处进行了深孔爆破试验。试验区被细分为试验区Ⅰ、试验区Ⅱ和对比区3个小区，如图1所示，其中试验区I爆破孔内能量调控垫块位于建基面高程；试验区Ⅱ爆破孔内能量调控垫块位于建基面下10 cm处，对比区为孔底不含能量调控垫块的常规装药区，如图2所示。

图1 爆破试验分区示意图

图2 深孔爆破试验能量调控垫块放置示意图

本次试验共布置3排炮孔，其中试验区I主爆孔18个，试验区Ⅱ主爆孔18个，对比区炮孔24个，爆破参数见表1，装药结构见图3。主爆孔间采用数码雷管进行孔间延时，延迟时间30 ms，分3排起爆，起爆网路见图4。

表1 深孔试验爆破参数表

图3 深孔试验装药结构图

图4 深孔试验起爆网络图

3 爆破效果评价

3.1 爆破宏观效果

利用机械清基将爆堆主要块石清除，在通过人工清理将爆区清至基岩面，试验区整体成型效果如图5所示。

图5 试验区整体开挖成型效果图

孔底布置有能量调控结构的试验区平整度相较于常规装药结构的对比区要好，不过总体而言，开挖面成型效果比较一般，起伏差较大。

在人工清渣的过程中，仍可找到布置在孔底的能量调控结构，如图6所示。可以看出，能量调控结构附近的岩面较为平整，无明显爆生裂纹，最后一排炮孔处尚可见清晰的残留半孔，说明能量调控结构能诱导能量向四周集聚，对孔底有较好的保护效果。

图6 爆后残留半孔图

现场观测可知，布有孔底能量调控结构的炮孔处并未出现明显爆坑，坑洼或凸起处多见于节理面切割部位，说明试验区较为发育的节理裂隙(图7(a))是控制此次建基面成型的重要因素，而非由爆破破碎过程主导；同时软弱结构面(图7(b))处岩体也较为破碎，人工敲击即可将其剥离，不良地质条件亦是造成此次开挖成型效果不理想的主要原因之一。

图7 现场不良地质结构图

3.2 爆破损伤深度

本次试验共布置4个声波孔，试验区Ⅰ、试验区Ⅱ和对比区分别布置1、2、1个声波孔。每个炮孔均在爆前爆后进行单孔声波测试，声波测试结果如表2所示。

从表2可以看出，试验区Ⅰ的爆破影响深度约0.96 m，试验区II的爆破影响深度约0.84 m，对比区的爆破影响深度约1.07 m，试验区Ⅰ和试验区Ⅱ的爆破损伤深度较之对比区有明显减小，可见能量调控结构对孔底岩体的保护效果显著。

表2 声波测试结果表

3.3 平整度

爆后现场对试验区Ⅰ、试验区Ⅱ和对比区分别进行了平整度检测，结果如表3所示。由于现场岩体较为破碎，节理裂隙发育，试验区域总体平整度欠理想，但相较于对比区，试验区Ⅰ和试验区Ⅱ的平整度有一定的改善。

表3 平整度检测结果表 cm

4 结 语

通过杨房沟水电站建基面先锋槽开挖实验研究，对比分析了试验区和对比区的宏观爆破效果、损伤深度及平整度，本文可初步得出以下结论：

孔底能量调控爆破技术通过在炮孔底部安装高波阻抗球形垫块和铺设松砂垫层形成复合消能结构，利用冲击波在高波阻抗垫座的反射和松沙垫层的缓冲作用降低爆破对建基面岩体的冲击影响。这项技术首次在杨房沟工程地质条件下应用，通过实践表明在开挖特定区域时，相比于常规方法，该技术能够有效控制损伤和保证开挖平整度。