取水首部预留岩坎爆破设计

王冬

（辽宁省水资源管理集团有限责任公司，辽宁沈阳110003）

1 工程概况

辽宁省重点输水二期柴河供水施工取水首部工程，由进口引渠、取水建筑物等组成。进口引渠长度为91.40 m，引渠后布置取水建筑物，断面尺寸25.00 m×9.30 m×36.04 m（长×宽×高），取水建筑物设置1 道拦污栅6.30 m×16.00 m（宽×高），两道工作闸门4.00 m×4.00 m（宽×高），取水建筑物后接压力隧洞。

根据设计图纸、地质资料及现场实际情况，对岩坎前引渠进行分层分块开挖。分层分块图见图1。

图1 引渠分区分块图（单位：m）

B 区主要为弱风化花岗岩，岩石强度较高，无法采用反铲直接挖除的方式进行开挖。B 区分层厚度为7.70 m，采用垂直深孔爆破，周边预裂爆破方式一次开挖成型，爆破后，由作业船上18.00 m长臂反铲将水中石渣抓运至出渣船，满载后运至出渣码头，由2 台1 m3液压反铲接力装到自卸汽车，通过取水首部进场路转运至弃渣场存放。开挖施工时，先进行B-1 区施工再进行B-2 区，各区按照Ⅰ块→Ⅱ块→Ⅲ块的顺序进行施工，B 区分块图见图2。

图2 B 区分块图（单位：m）

2 预留岩坎稳定性计算

取水首部预留岩坎分2 次开挖，先进行引渠部分开挖，待取水首部闸门安装调试完成后再进行预留岩坎部分开挖。

预留岩坎底宽26.70 m，顶宽4.00 m，岩坎迎水面石方开挖边坡坡比为1.0∶0.5，强风化层挖除后结构面内部结构稳定性一般。

2.1 抗倾覆稳定性计算

抗倾覆计算按式（1）计算：

式中：Ko——抗倾稳定安全系数；∑My——作用于墙体的荷载对墙前趾产生的稳定力矩，kN/m；∑Mo——作用于墙体的荷载对墙前趾产生的倾覆力矩，kN/m。

计算得：

其中：G 为岩体自重，取413 kN/m3；γo为水容重，取1 kN/m3；h 为水头高程，取24.00 m；L1为稳定力力臂，取2.77m；L2为倾覆力力臂，取14.70 m。计算得∑My=13 744.64 kN/m3，∑Mo=352.80 kN/m3，则Ko=38.96>1.3，满足抗倾覆稳定安全。

2.2 边坡稳定性分析

岩坎部分岩性主要为混合花岗岩，上半部为强风化层厚3.20～4.00 m，卸荷裂隙发育，强度较低。下半部为弱风化层，坚硬岩，抗压强度多大于40 MPa，节理较发育，节理面多闭合～微张，结构面 倾 角为44°～51°，设计 开 挖坡 比 为1.0∶0.5（63.44°），正常蓄水位静水头压力为240 kN，预留岩坎底部宽度为26.70 m，岩石块体密度为2.78 g/cm3，计算参数见表1。

计算简图见图3。

图3 边坡稳定性计算简图

使用软件“理正岩土6.0”，将表1 参数输入后计算，安全系数为1.968>1，边坡稳定。

3 爆破

3.1 爆破设计

爆破设计相关参数取值参照GB6722-2014《爆破安全规程》、DLT 5135-2013《水电水利工程爆破施工技术规范》中“水下爆破章节”。

表1 边坡稳定性计算参数表

根据现场试验及前期开挖形成的地质资料显示，引渠A 和B 区岩性为花岗岩，岩石强度较高，弱风化岩抗压强度稳定在51～62 MPa 之间，面积节理数小于20条/m2，水下开挖平均水深在12.00 m。

根据以往施工经验，爆破粒径控制标准：不大于40 cm 的占40%以上，40～60 cm 的占20%～45%，不小于60 cm 的占15%以下。根据地质情况，在保证爆渣不大于40 cm的占40%以上的条件下，所需要的单耗为0.6～1.2 kg/m3。考虑到此处岩石强度偏高，完整性较好，水下爆破炸药单耗初步拟定为1.0 kg/m3，明挖爆破炸药单耗拟定为0.7 kg/m3。爆破器材选择防水抗压性能好，接近零氧平衡的炸药，在爆破施工前对爆破器材进行防水抗压性能试验。

3.2 松动爆破

1）布孔形式及孔深、孔径

松动爆破主要针对C 区开挖施工。C 区最大钻孔深度为4.80 m，采用CM-351型潜孔钻钻机钻孔，一次成孔。钻孔孔径D=90 mm，装ϕ 70 mm 乳化炸药，采用矩型布孔方式。

2）炸药单耗计算

根据现场岩石岩性、岩石抗压强度及节理发育情况，单耗拟选用0.6 kg/m3。

选取孔距a=1.50～2.50 m，排距b=1.00～2.20 m，在实际施工中要根据试爆情况进行孔排距修正。

单孔装药量Q 计算公式：

式中：Q——单个炮孔装药量，kg；q——炸药单耗值，取0.6 kg/m3；a——孔距，m；b——排距，m；H ——设计开挖深度，1.00～4.80 m。

经计算可得：Q=0.9～15.8 kg

松动爆破参数参考见表2。

表2 松动爆破参数参考表

3.3 明挖爆破

明挖爆破主要针对B 区及岩坎第一、二层开挖，钻爆在陆上完成，引渠采用垂直深孔爆破，岩坎采用斜孔爆破，倾向迎水面，钻孔倾角82.00°。此部分岩石主要岩性为花岗岩，弱风化，强度较高，完整性较好，为确保出渣效率，降低岩渣大块率，炸药单耗选取0.7 kg/m3。

爆破参数：

孔径ϕ=90 mm；超深h=1.00 m；孔深H=5.20～9.00 m；钻孔倾角82.00°，90.00°；最小抵抗线W =2.20～2.30 m；孔距a=2.50 m；排距b=2.30 m；单耗药量：q=0.7 kg/m3；单孔装药量：Q=q×a×b×H =18.2～36.2 kg；堵塞长度：Lc=2.3～2.5 m；布孔型式：梅花形布孔；装药结构：连续装药。

明挖爆破参数见表3。

3.4 预裂爆破

1）布孔形式及孔径：预裂孔孔径取ϕ 90 mm，70 mm 药卷；按设计坡比进行钻孔。

2）炸药单耗：根据类似工程施工经验，预裂孔线装药密度Qx取0.4 kg/m。

表3 明挖爆破参数表

3）孔网参数：孔距a=（7～12）D，a 取1.00 m。

4）孔深和堵塞长度：预裂孔最大孔深15.5 m，预裂孔爆破时堵塞1.00～1.50 m。

5）装药量及装药结构：渠道两侧边坡预裂孔底部1 m 连续装药，其余采用间断不耦合装药。单孔装药量Q=L ⋅Qx，其中：L 为炮孔长度，L=H/sin α =（9+1）/sin（82°）=10.10 m，Qx 为预裂孔线装药密度。经计算：单孔最大装药量4.01 kg，采用导爆索连接起爆。

4 结语

辽宁省重点输水二期柴河供水施工取水首部工程B 区施工部位，文中根据预留岩坎特征进行稳定性计算，并提出提出松动爆破和明挖爆破以及预裂爆破设计方案及参数，计算成果对类似工程有重要的参考价值和借鉴意义。