R水电站溢洪道预裂爆破开挖控制探讨

何水强

(江西省建洪工程监理咨询有限公司，江西 南昌 330000)

1 工程背景

R水电站发电机组装机容量为80MW，主要由渠首(包括左岸非溢流坝、溢流坝、取水口)、引水隧道、进水室、压力钢管、发电厂房和尾水渠等项目组成。水电站所在流域气候类型呈现出急剧变化的趋势特征，在年内的两个雨季期间，时间较长的东南季风带来的降水期为2-5月，而时间较短的东北季风带来的降水期为10-12月，且降水通常呈片状分布，有些地方甚至无降水。流域内H瀑布集水区面积30700km2，径流系数0.23，涉及洪水位(20a一遇)1321.0m，流量为636m3/s。

水电站坝址基岩主要为夹石英片岩和大理石岩互层的千枚岩，岩性变化明显。石英片岩质硬且致密，具备较强的抗风化能力，而千枚岩质软并呈夹泥碎块状。溢洪道预裂爆破开挖所产生的振动会影响闸首、围堰及新浇筑混凝土的安全，为此必须在预裂爆破开挖前进行爆破试验，并加强爆破参数的合理选择，以保证施工安全和爆破开挖施工质量。

2 预裂爆破开挖方案

2.1 施工方案

有压段预裂爆破开挖断面直径16.5-17.1m，并划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个开挖层，层高分别为9.0m、4.5-5.1m、3.0m，具体见图1。Ⅰ层开挖先进行9.0m*9.0m中导洞开挖，再两侧扩挖，并保证两侧扩挖滞后于中导洞开挖20-30m。待完成上层开挖支护后随进行Ⅱ层开挖，先开挖中部抽槽，按照30-40m的滞后距离开挖两侧保护层，最后开挖底板保护层。

图1 有压段预裂爆破开挖分层设计

无压段预裂爆破设计开挖断面尺寸为15.6×20.6m-17.0×22.0m，并划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个开挖层，层高分别为9.0m、9.1-10.5m、2.5m，具体见图2。Ⅰ层采用与有压段相同的开挖方式，Ⅱ层则进行直墙预裂爆破，最后开挖底板保护层。

龙落尾段斜井段设计开挖坡度22°，一次开挖到位存在较大难度，为此分两个斜井段进行开挖施工。完成上平段底板、下平段上中导洞、中部施工支洞开挖后采用100B钻机一次钻孔、多次爆破方式开挖溜渣斜井，完成后自上至下扩挖并支护。

图2 无压段预裂爆破开挖分层设计

2.2 主要施工方法

在进行上层开挖时，先开挖中导洞后跟进扩挖，并采用自制台车手风钻钻孔，中导洞楔形掏槽，起爆采用乳化炸药非电毫秒雷管联网进行，引爆采用安全磁电雷管。一般地质段采用3.0m的爆破循环进尺，不良地质段则采用2.0m循环进尺。

有压段中层开挖先挖出先锋槽，再挖出两侧保护层，乳化炸药装药并由非电毫秒雷管联网起爆，出渣通过反铲和20t自卸车联合完成。

无压段中层开挖通过直立边墙预裂爆破方式，在梯段开挖底部留出2.5m保护层，搭设预裂钻孔样架，乳化炸药装药并由非电毫秒雷管联网起爆，单响药量应控制在100kg以内，综合爆破单耗不超出0.7kg/m3，起爆雷管选用安全磁电雷管。

3 爆破试验

预裂爆破试验的目的主要在于了解爆破震波的传播及衰减规律以及周围建筑对爆破振动的动力响应，进行爆破炸药用量的确定，安全距离的校核及爆破参数优化。预裂爆破试验场地选择在与该水电站坝址相距3.5km处的地质条件基本相同的原溢洪道，并实施多排深孔梯段式爆破。设计孔径90mm，孔距3.0m，排距2.5m，孔深6.5m，孔斜倾角75°，使用2#岩石硝铵炸药，单孔装药量10.5kg，炸药耗用量0.25kg/m3，单响药量最大值分别为42.8kg和53.5kg。

3.1 测点布置

在预裂爆破开挖试验过程中进行岩体质点振动速度现场观测，并以振速为结构物安全程度的判断依据。5个测点中测点1、2设置在爆破源附近的地面岩石处，测点3、4、5分别设置在原溢洪道下游导墙顶端、溢洪闸门槽混凝土底板及边墩顶部。测点1-4高程基本与爆破源一致，且测点4、5平面投影坐标均为16m。在每个测点垂直向和水平向2个质点布置自振频率4.5Hz，频率响应范围5-100Hz，记录器转换系统为32通道模数的电磁式振速传感器。

3.2 试验结果

预裂爆破试验过程中所得出的不同单响药量情况下测振结果详见表1。由表中试验结果可以看出，单响药量最大值42.8kg时与爆破源距离小，但是其水平振速和垂直振速均比单响药量最大值53.5kg大，仅考虑对周围建筑物的影响，应选择单响药量最大值为42.8kg的爆破方案。

表1 单响药量最大值的振速测定结果

3.2.1 地震波传播衰减规律

所检测到的波形水平振速比铅垂向振速大，表明体波在波形中占比较大。体波比面波衰减速度快，随着传播距离的增大，振速衰减更快，对周围结构物的影响也更小。预裂爆破所产生的振动属于随机性过程，振幅与振动周期均为受试验条件、时间、空间影响的隐函数，对试爆破过程所观测到的数据进行回归分析，便可得出基于现场爆破条件的地震波传递函数，表示如下：

v水平=484(Q1/3/R)2.05

(1)

v铅垂=210(Q1/3/R)2.0

(2)

式中：v水平为地震波水平向传播速度，cm/s；v铅垂为地震波铅垂向传播速度，cm/s；Q为地震波品质因数；R为预裂爆破振动影响半径，m。

由式(1)和(2)可知，地震波水平向传播和铅垂向传播衰减指数均在2.0以上，再加上千枚岩风化程度严重，裂隙发育，所以内摩擦系数较小；岩层走向与溢洪道轴线向平行，导致地震波在节理和裂隙面发生多次反射和透射，能量衰减速度快，十分有利于周围建筑物抗震。试验显示的周围构筑物允许振速5.0cm/s时，爆源距离30m对应的单响药量最大值为30kg，而爆源距离50m对应的单响药量最大值150kg。

3.2.2 振频变化规律

预裂爆破地震波会在不同地质构造界面形成不同的反射、绕射和透射，甚至会因入射角度特殊而发生波形转换及波系叠加作用，试验所记录的地震波为不同频率、不同幅值及不同相位波形叠加的结果。R水电站预裂爆破试验随机震动过程中引起建筑场地振动最显著的地震波的振动频率见表2。根据表中试验结果，随着预裂爆破试验振动波传播距离的增大，其在岩土介质高频率滤波的作用下，振频呈持续降低趋势，且在150m以内高出建筑物自振频率，不会引发结构物共振，结构物也表现出较小的动力反应。振动强度相同的条件下，振频越高，则越有利于预裂爆破周围结构物的安全，结构物抗振荷载能力也越强。

表2 引起建筑场地振动最显著的地震波的振频

3.2.3 起爆时差

预裂爆破毫秒微差爆破减震效果主要受装药量、炮孔间距和排距、起爆时差、岩体属性等影响较大，当上述参数较为匹配时，振动影响可控。R水电站预裂爆破试验实测振频15-30Hz，振动半周期为17-33ms，若通过微差顺序起爆，则应使用雷管系列第二段25ms时差才不至于造成振峰叠加；若时差为50ms，则效果更佳，但是会导致总起爆延时，并增大飞石破坏网路的可能。所以，应综合考虑上述可能的影响因素，加强防护，并采用多层胶布裹好雷管末端，防止金属飞片飞溅，同时加强覆盖，避免出现盲炮。

3.2.4 结构物动力放大

原溢洪道及闸室在预裂爆破振动的影响下会发生动力响应，为进行结构安全状态分析，还应在闸墩顶板和底板处相同水平面坐标下设置测点，实测水平向和铅垂向放大倍数分别为2.15和2.36。按照我国GB51247-2018水工建筑物抗震设计标准，地震影响后的混凝土闸墩动力放大系数允许值应为2-3[1]，所以试验结果符合设计要求，闸墩运行状态正常。然而，预裂爆破振频随与爆源距离的增大逐渐减弱，但闸墩放大倍数却呈增大趋势，水平向从1.1增加至2.15，铅垂向则从1.24增大至2.36，所以，预裂爆破施工过程中的低频振动对周围结构物存在较大影响。

3.3 安全判据及控制

在全面考虑爆源类型、装药结构、地形地质、结构物性质、建筑材料、受力状况、使用年限、振害的严重程度等的基础上进行R水电站溢洪道预裂爆破施工安全判据及控制标准的确定。按照我国爆破安全规程，混凝土框架结构基础允许的振速为5cm/s，混凝土结构物爆破开挖方案基本根据此标准进行设计[2]。R水电站溢洪道水工建筑物基础尺寸均较大，爆破振频设定为30Hz时振动波长仅为数十米，且建筑物基础空间内存在振动相位差，振向相反，这便导致建筑物对基础振动反应程度的减小，抵抗冲击能力的增大。R水电站位于Ⅵ度地震区域内，其水工建筑物能承受按照天然地震标准衡量的5-9cm/s的振动速度，由于预裂爆破振频较高且持续时间比天然地震短，所以按照这一标准执行时，存在一定的安全储备，溢洪道等水工建筑物较安全。

4 结 论

对R水电站溢洪道预裂爆破开挖测振试验结果表明，地震波传递衰减指数至少为2.0，且主要受工程现场千枚岩风化程度及裂隙发育的较大影响。岩土介质所具有的高频滤波作用会使振频不断降低，且不会引起周围建筑物的共振及地震波的峰峰叠加。R水电站溢洪道开挖过程模拟试验结果还表明，预裂爆破开挖振速为18cm/s时坝体出现裂纹，按照三倍安全系数在6cm/s振速下施工，工程完工后运行过程中并未出现任何病害。工程实践表明，按照此标准进行预裂爆破过程控制对于类似工程溢洪道开挖施工切实可行。