柔性垫层爆破法在大石峡水利枢纽趾板基础开挖中的应用

李伟 索超 王建军

摘要：新疆大石峡水利枢纽工程拦河坝混凝土面板砂砾石坝坝高247 m，趾板开挖工期紧、要求高，采用快速经济的岩石基础爆破开挖工艺是工程顺利施工的关键。运用定量分析和定性分析方法，介绍了柔性垫层爆破法在大石峡水利枢纽左岸趾板基础开挖的应用，从声波测试和外观质量两个方面进行了分析。结果表明：柔性垫层爆破法不仅可实现快速高效施工，还能降低建基面岩体受爆破震动的影响。大石峡水利枢纽工程趾板柔性垫层法开挖施工实践可为不利地质条件下的趾板开挖提供参考。

关键词：趾板基础开挖； 爆破设计； 柔性垫层爆破法； 大石峡水利枢纽工程

中图法分类号：TV554

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.S2.012

文章编号：1006-0081（2023）S2-0043-03

0 引 言

大坝趾板基础面常见的开挖方式有预裂爆破+浅孔梯段爆破法、上部垂直爆破+建基面光面爆破法、预留保护层爆破+清撬以及柔性垫层爆破法。作为整个混凝土面板砂砾石坝防渗体系中的关键环节，趾板开挖的质量直接关系到大坝工程施工进度、质量和成本。对于趾板基础面以上的开挖，采用先进、高效的开挖方法可最大程度保护基岩的完整性，尽可能减少基岩产生的爆破裂隙。柔性垫层爆破开挖原理是在保护层开挖垂直爆破孔底部加柔性垫层，使炸药爆炸时的应力波得到消减，起到保护建基面的作用。该方法既能高效、快速进行建基面爆破开挖，又能确保建基面所受爆破振动影响最小［1］。

1 工程概况

新疆大石峡水利枢纽工程位于阿克苏地区乌什县与温宿县境内，枢纽位于库马拉克河大石峡峡谷出口。工程主要由大坝、引水发电建筑物及泄水建筑物组成，大坝最大坝高247 m，水库正常蓄水位1 700 m，库容11.74亿m3，装机容量75万kW（25万kW×3台），平均年发电量18.93亿kW·h。该枢纽工程兼具灌溉、防洪、发电等综合效益，为Ⅰ等大（1）型工程。

2 地质条件

新疆大石峡水利枢纽工程大坝左岸趾板基岩为灰色中厚层-薄层微晶灰岩夹紫红色厚层灰质砾岩，岩层产状总体走向NE50°～60°，倾向NW，倾角62°～70°，层面较发育；基本无覆盖层分布，零星小范围的崩坡积块碎石层厚度一般小于3 m。断裂构造主要发育7条断层及8组裂隙，其中，断层均有宽度30～100 cm不等的破碎带，个别断层有较宽的影响带，性状较差。除上述断层及长大裂隙外，岩体中还发育有大量随机分布的裂隙，按产状可归纳为4组，优势结构面产状包括：① NW300°SW∠60°；② NE60°NW∠59°；③ NE62°SE∠42°；④ NW325°SW∠56°。左岸强风化深度一般为3～7 m，局部约10 m；弱风化深度一般为25～45 m，局部可达60 m。

3 柔性垫层爆破法

目前，对于岩石爆破机理的研究，普遍达成的共识是，爆炸冲击波和爆炸产生的气体膨胀压力共同作用于岩石，产生岩石破坏。对于起主导作用的影响因素，主要有两种观点：① 爆炸冲击波的作用只表现在对形成初始径向裂纹的先导作用；② 爆破过程中起主要作用的荷载取决于岩石的波抗阻［2］。

柔性垫层爆破法通常是在采用柱狀不耦合装药结构时，用竹片、泡沫、锯末等可压缩介质作为垫层材料，设置于炮孔底部达到减震的效果。当爆破发生时，产生的爆炸冲击波作用于垫层材料时发生透射和反射，从而消耗能量，造成应力衰减。同时，柔性垫层材料受力压缩膨胀，进而挤压炮孔造成准静态压力降低。因此，当爆破发生时，传导至下伏岩体的应力作用会降低，当基岩内承受的应力小于岩石本身的极限抗拉、抗压强度时，下伏岩体就不会因为爆破产生破坏。

柔性垫层爆破法钻孔采用大型钻机机械化作业，一次性成孔，对比保护层分层爆破法，不采用手风钻打孔，克服了分层爆破的工艺繁琐性；与水平预裂和水平光面爆破法比较，减少水平预裂孔（光面爆破孔），节约了工期，降低了施工成本，大大提高了施工效率。

4 爆破设计与施工

基于大石峡水利枢纽工程大坝左岸趾板岩性特征，经爆破试验确定，左岸趾板开挖采用柱状不耦合方式装药，在炮孔底部设置约30 cm厚的锯末作为缓冲垫层，以降低爆破对下伏岩体的影响。

4.1 工艺流程

预留保护层柔性垫层爆破施工工艺流程如下：技术交底→测量放样→孔位布置→钻机就位，复核角度、深度→开钻、特殊地质条件填写钻孔记录→钻至约50 cm时复核角度→控制孔深至建基面预留30 cm→复核爆破设计→按爆破设计装药、联网、爆破→人工配合镐头机、电锤进行保护层开挖。

4.2 装药结构

该工程柔性垫层爆破参数：炮孔间排距3～4 m；孔深以孔底落在基础面为止；孔径与梯段爆破相同（90～110 mm）；炸药单耗 0.30～0.55 kg/m3；采用毫秒微差复式起爆网络；孔底放置约30～50 cm 锯末，药包不接触基面，呈气垫柔性爆破。具体装药结构及起爆网络详见图1。

4.3 操作要点

（1） 测量。左岸板建基面孔位放样由施工单位专人负责，监理测量工程师检查，并对测量数据进行复核计算。按照爆破设计复核孔位、孔深，确保左岸趾板爆破部位的放样、炮孔点位的准确性。

（2） 钻孔。依据放样单检查炮孔间排距是否合格。确认合格后，钻机进场。调整好角度后开钻，钻孔过程中时刻关注钻杆角度，及时调整以避免误差过大。钻孔过程中严格控制孔深、孔斜指标。

（3） 爆破施工。根据炮孔现场检查情况及爆破试验结果，爆破设计时做好药量控制，遇到薄弱或破碎带应适当减少药量。在炮孔孔底垫层区及装药过程中，爆破员、质检员全程监控，根据孔深及时修正装填高度，孔底柔性垫层使用0.3 m锯末作为垫层。然后进行装药、封堵、联网、起爆等工序。

5 施工质量评价

5.1 爆破声波检测

根据DL/ 2010-2005《水电水利工程物探规程》，将弹性波测试声波法作为岩体质量检测的主要方法。在大石峡水利枢纽工程大坝左岸趾板开挖前后，对建基面各进行1次爆前、爆后的单孔声波检测，检测在同一钻孔内进行。根据SL 326-2005《水利水电物探规程》，单孔声波测试采用一发双收换能器，源间距分别为30 cm和50 cm。钻孔中探测部分采用1个换能器和2个接收换能器，声波仪为非金属声波检测仪RSM-SY5。

采用声波检测法判断爆破破坏或岩体质量，以同孔爆后与爆前波速的变化率η来衡量：

式中：η为爆破后声波波速的变化率，%；Vp1为爆破前的声波波速，m/s；Vp2为爆破后的声波波速，m/s。

左岸趾板22组岩体爆前、爆后声波波速的对比见表1。由表中数据分析可知：岩体声波爆破前后波速衰减率为4.2%～6.2%，符合规范和设计衰减率要求（≤10%）；左岸趾板建基面开挖质量优良。

5.2 外观质量

趾板建基面平顺完整，稳定无松动岩块，平整度小于15 cm。岩石整体完整性受控，无明显爆破裂隙，建基面平整。爆破效果见图2。

6 结 语

大石峡水利枢纽工程左岸趾板采用柔性垫层爆破法开挖，无欠挖和较大超挖，爆破后岩体完整性较好，无明显爆破裂隙，开挖形体受控且棱角清晰，建基面平整。

在水利水电工程趾板开挖方案设计时，基于实际地质条件，选取适宜的爆破参数，采用预留0.3～0.5 m柔性垫层爆破工艺，可有效控制爆破，降低对建基面岩层的扰动，取得较好的爆破效果。大石峡水利枢纽工程趾板柔性垫层法开挖施工实践可为不利地质条件下的趾板开挖提供参考。

参考文献：

［1］ 刘振宇，罗志敏.柔性垫层爆破在丰满重建工程开挖技术中的应用［J］.水利水电技术（中英文），2021，52（增1）：200-204.

［2］ 黄霖.大坝基岩保护层开挖中柔性垫层爆破方法及爆破效果研究［D］.武汉：武汉理工大学，2003.