吳新霞，胡英國，劉美山，趙 根，楊招偉

(長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010)

1 研究背景

我國水能理論蘊藏量超過6.94億kW，技術(shù)可開發(fā)量接近5.42億kW，居世界首位，其中近2/3的水能資源分布在西南川、滇、藏三省。隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展，加快水能資源開發(fā)速度，已成為發(fā)展低碳經(jīng)濟、改善能源結(jié)構(gòu)、推進節(jié)能減排的重要戰(zhàn)略方針。過去的幾十年，我國處于水電工程建設的高峰期，爆破作為工程建設期的重要施工技術(shù)，迎來了珍貴的發(fā)展契機[1-3]。

巖體爆破破碎，其背后問題的實質(zhì)是巖石動力學問題。巖石動力學主要研究巖石(體)在動荷載如爆炸、沖擊、地震、振動等作用下其表現(xiàn)出的動態(tài)力學性質(zhì)、破巖效應與機理的學科分支[4-6]，工程應用背景較強。實際工程中，動荷載作用下巖體節(jié)理裂隙等結(jié)構(gòu)面、巖石性質(zhì)等因素都會對巖體工程的運行安全產(chǎn)生一定的影響[7-9]。在水工巖石動力學領域，研究者們圍繞巖石力學特性的率相關(guān)效應[10-13]、巖體爆破損傷機理與計算模型[14-16]、巖體爆破過程的數(shù)值仿真[17-20]以及巖體開挖爆破擾動效應[21-24]等方面開展了卓有成效的工作，相關(guān)理論和技術(shù)已應用于我國西南地區(qū)重大水電工程的開挖爆破控制中[25-26]。

由于開挖目的和設計要求的不同，水電工程爆破技術(shù)有其獨特之處。相比礦山、交通或核電領域的爆破技術(shù)要求，水電工程的控制要求更加精細，一方面體現(xiàn)在在水工結(jié)構(gòu)的開挖過程中，由于很多建筑物將來作為永久建筑物，其成型與保護的開挖特征更加鮮明[27-28]；另一方面，在水工級配料料場爆破開采中，爆破開挖上壩料必須達到設計相關(guān)要求，即篩分后得到的級配曲線需處于設計級配包絡線范圍之內(nèi)，這一特性明顯不同于礦山領域爆破開采[29-30]。伴隨著計算機技術(shù)與先進數(shù)學計算方法的發(fā)展，無論從爆破設計的智能化以及鉆爆裝備的精準化，均迎來了良好的發(fā)展契機。但綜合目前的智能爆破研究，往往是從爆破施工的一個環(huán)節(jié)或細節(jié)進行智慧化改造，整體的智慧爆破系統(tǒng)建設仍是國家和行業(yè)面臨的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

本文在查閱大量文獻資料基礎上，結(jié)合參與的大型工程實踐經(jīng)驗和研究成果，針對我國特高拱壩基礎開挖精細爆破控制技術(shù)、水工地下洞室群開挖爆破控制關(guān)鍵技術(shù)、水工級配料爆破開采控制關(guān)鍵技術(shù)以及水電工程智能化爆破技術(shù)等方面進行了綜述，以工程案例的形式重點介紹了上述技術(shù)領域的最新研究進展。研究成果可為土木工程、礦山工程、交通工程以及核電工程等領域的開挖爆破控制技術(shù)提供參考。

2 特高拱壩邊坡及基礎開挖精細爆破控制技術(shù)

2.1 壩肩槽開挖精細控制爆破技術(shù)

混凝土雙曲拱壩是高山峽谷電站最常用的一種壩型，壩肩槽邊坡不僅是水工建筑物的運行環(huán)境，更是其重要的組成部分。拱壩承受的荷載由拱座直接傳遞到壩肩槽，它起到布置水工建筑物、承擔大壩推力與防滲等作用，因此，壩肩槽的開挖質(zhì)量直接決定工程運行期的長期安全。由于拱肩槽開挖成型的質(zhì)量要求很高，需要形成復雜的拱肩槽空間曲面，其開挖成型的要求極為嚴格。

在水電工程特高拱壩拱肩槽開挖爆破技術(shù)的發(fā)展過程中，溪洛渡水電站的拱肩槽開挖爆破是一個里程碑式的標志。溪洛渡水電站壩肩槽開挖總方量約400萬m3、開挖高度210 m，開挖輪廓面約4.4萬m2，工程規(guī)模大；壩肩槽巖體巖性復雜、節(jié)理等結(jié)構(gòu)面較為發(fā)育，層間層內(nèi)錯動帶對鉆孔過程影響較大、成孔困難，開挖輪廓自上而下呈呈扇形擴散分布，爆破成型難度大。

圍繞溪洛渡水電站大壩壩肩槽開挖，以長江科學院為代表的爆破技術(shù)團隊在水電工程領域率先貫徹精細爆破理念，初步創(chuàng)立了水電工程開挖精細爆破技術(shù)體系[31]，構(gòu)建了對爆破效果進行定量評估的評價體系，建立了定量化的精細爆破設計方法，形成了壩肩槽開挖的精細爆破施工工藝，初步建立了水電工程精細爆破管理體系，同時開創(chuàng)了水電工程大規(guī)模開挖的水霧降塵環(huán)保爆破。可以認為，我國特高拱壩的拱肩槽開挖爆破控制核心技術(shù)體系自溪洛渡水電站起逐漸形成，如圖1所示，這套技術(shù)和體系在后來的白鶴灘水電站與烏東德水電站被廣泛采用。

圖1 典型的拱肩槽爆破孔位布置Fig.1 Typical arrangement of blasting hole on archshoulder groove

基于上述技術(shù)，溪洛渡大壩壩肩槽開挖取得了巨大成功。梯段爆破清渣工作完成后，均對建基面法線方向進行超欠挖、平整度及半孔率進行檢測，其中超欠挖合格率為97.2%、平整度合格率為98.8%、半孔率為99.8%，爆破開挖過程中通過聲波測試孔爆前爆后聲波波速測試，確定爆破影響深度，其值均在1.0 m以內(nèi)。上述質(zhì)量統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，溪洛渡水電站壩肩槽開挖質(zhì)量達到優(yōu)秀標準，整體開挖效果如圖2所示。

圖2 溪洛渡拱肩槽爆破開挖效果Fig.2 Blasting excavation effect for shoulder grooveof Xiluodu arch

2.2 壩基巖體保護層開挖技術(shù)

水電工程建設中，壩基保護層開挖一直是開挖控制的焦點問題。工程實踐表明，爆破開挖形成的壩基是大壩-庫水-基巖系統(tǒng)的受力承載面，其開挖質(zhì)量關(guān)系到水電工程運行過程中的安全與穩(wěn)定，因此壩基保護層的快速開挖成為了水電工程領域的重要課題之一?！端そㄖ飵r石基礎開挖工程施工技術(shù)規(guī)范》(DLT 5389—2007)指出，大壩應建在堅硬完整的巖體上，且爆破開挖時壩基巖體完整性不應在爆炸應力波作用下受到破壞，以確保壩基巖體的完整性及抗?jié)B性能滿足設計要求。早期，保護層開挖方法主要為層層剝離，這種控制方法雖較為精細，但效率太低，無法滿足施工強度的要求。隨著爆破技術(shù)的發(fā)展，各類保護層一次爆除技術(shù)逐步出現(xiàn)，并在不同工程條件下得到應用。

2.2.1 孔底設墊層的保護層一次爆除法

孔底設柔性墊層的保護層一次爆除法指的是對預留的保護層采取一次鉆至建基面，在炮孔底部設置不同結(jié)構(gòu)的墊層[32]，通過孔間微差有序爆破起爆方式，按規(guī)定的順序逐序一次爆除保護層。圖3給出了該技術(shù)的設計示意圖。

圖3 傳統(tǒng)的柔性墊層爆破技術(shù)Fig.3 Traditional flexible cushion blasting technology

近年來圍繞白鶴灘水電站建基面的開挖，盧文波等[33-34]研發(fā)了巖石基礎開挖成型消能-聚能聯(lián)合控制爆破技術(shù)。其技術(shù)原理是巖石基礎開挖消能-聚能聯(lián)合控制爆破技術(shù)在垂直(或豎直)炮孔底部安裝高波阻抗消聚能結(jié)構(gòu)、鋪設松砂墊層形成復合消聚能結(jié)構(gòu)(見圖4)，利用沖擊波在消能結(jié)構(gòu)表面和底面的兩次反射降低垂直孔爆破對孔底的沖擊影響。當消能-聚能結(jié)構(gòu)采用高波阻抗材料時，在消聚能結(jié)構(gòu)與柔性墊層結(jié)構(gòu)的交界面處發(fā)生的強烈二次反射，使通過消聚能結(jié)構(gòu)中的沖擊波能量僅有少量傳入柔性墊層中，從而能有效地保護孔底巖體。

圖4 消能-聚能墊層爆破技術(shù)Fig.4 Blasting technology with energy dissipating andenergy gathering cushion

2.2.2 保護層一次爆除的水平預裂/光面爆破法

保護層一次爆除的水平光面爆破法是指對主體部位的巖體進行爆除時，光爆面以上的巖體作為保護層，在設計的輪廓線上密集鉆光爆孔并進行不耦合裝藥，形成平整的開挖面。典型的鉆爆設計和炮孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖5所示。水平預裂取消保護層開挖法是指在開挖區(qū)域形成先鋒槽后，采用水平預裂輔助以淺孔梯段爆破的方式開挖最后一層巖體。

圖5 保護層一次爆除的水平光面爆破法Fig.5 Horizontal light explosion method for one-timeblast of protective layer

實際上，水平預裂取消保護層開挖法早在20世紀70年代開始被探索，在溪洛渡水電站壩基保護層開挖的推廣應用表明這項技術(shù)已完全成熟，并發(fā)揮其實用價值，目前在條件適宜的情況下，從控制效果和技術(shù)成熟度的角度，它仍是首選方法。該技術(shù)在溪洛渡與烏東德等大型水電站的建基面開挖中被廣泛采用。

2.3 復雜節(jié)理分布的拱壩建基面爆破控制技術(shù)

在我國已建或在建的多座高拱壩基礎開挖爆破控制實踐中，大多數(shù)建基面的巖體巖性與完整性較為理想，但在白鶴灘水電站大壩基礎的開挖過程中，在左、右岸壩肩槽邊坡均分布有不同發(fā)育程度的柱狀節(jié)理(見圖6)，這是白鶴灘大壩工程建基面的獨特之處，在世界范圍內(nèi)獨一無二。柱狀節(jié)理玄武巖成巖過程中，大量原生節(jié)理、構(gòu)造節(jié)理、卸荷裂隙等結(jié)構(gòu)面伴隨著巖石的形成而生，圖7給出了應力波在柱狀節(jié)理玄武巖中的傳播力學示意圖。

圖6 典型的柱狀節(jié)理巖層Fig.6 Typical columnar jointed rock formations

圖7 柱狀節(jié)理應力波傳輸模型Fig.7 Stress wave transport model for columnar joints

在拱肩槽柱狀節(jié)理的開挖過程中，為保證柱狀節(jié)理玄武巖的開挖爆破效果，采用了如下技術(shù)進行精細控制：①預留雙保護層。雙保護層開挖將為最后一層巖體的爆破最優(yōu)的臨空面條件(如圖8所示)，夾制作用降低，使爆破能量向臨空面方向轉(zhuǎn)移，進而起到保護巖體的作用；同時，保護層外巖體的精細控制爆破，可以有效降低其爆破的累積損傷，更好地保護建基巖體。②保護層預灌漿前處理技術(shù)。白鶴灘水電站在柱狀節(jié)理玄武巖邊坡開挖中使用了“先固結(jié)灌漿后爆破開挖”的爆破工藝。固結(jié)灌漿后節(jié)理面力學參數(shù)的改善，二者波阻抗差異減小，節(jié)理面產(chǎn)生的反射拉應力波減少，同時固結(jié)灌漿改善了柱狀節(jié)理面的力學性質(zhì)[35]，如圖9所示。③基于反復試驗的爆破參數(shù)優(yōu)化。由于柱狀節(jié)理玄武巖比較破碎，若要形成完整的輪廓，對預裂爆破參數(shù)的要求很高。在白鶴灘左右岸的陡坡柱狀節(jié)理開挖爆破控制中，預裂孔采用76 mm的孔徑，線裝藥密度為240 g/m，孔間距為70 mm，是我國近年來水工大壩基礎建基面開挖爆破控制中最為精細的。

圖8 雙保護層開挖示意圖Fig.8 Diagram of excavation of double protective layer

圖9 灌漿對柱狀節(jié)理損傷分布的影響Fig.9 Effect of grouting on damage distribution ofcolumnar joint

白鶴灘水電站河床壩基保護層的開挖特征鮮明，左岸設計要求爆除保護層的同時，盡量避免擾動角礫熔巖，右岸則是要求在已固結(jié)灌漿柱狀節(jié)理玄武巖中開挖形成平整的建基面。由于開挖輪廓面傾角過緩且近乎水平，巖體的力學性質(zhì)較差，故無法采用常規(guī)的水平預裂或光面爆破開挖方式。

右岸的開挖要求與常規(guī)保護層開挖相同，要求平整，采取圖10中的方案即可。左岸為保護角礫熔巖，采取了垂直孔爆破與靜態(tài)機械組合的新型開挖方法(如圖11所示)，具體方案為：預留一定深度不鉆孔，孔底設置鐵球和石屑組成的剛?cè)嵝越M合墊層，爆破后清石渣，對于剩余深度采用挖機挖至建基面。爆破監(jiān)測效果表明，緩坡角礫熔巖段的單孔和跨孔平均爆破損傷深度分別為0.4 m和0.25 m左右。角礫熔巖區(qū)域的爆破損傷深度為水平段柱狀節(jié)理的40%～60%。由此可見在緩坡段采用垂直孔爆破與靜態(tài)機械組合開挖爆破方法對角礫熔巖的保護效果非常顯著。

圖10 右岸保護層開挖方案Fig.10 Excavation plan for protective layer onthe right bank

圖11 左岸角礫熔巖區(qū)開挖方案與開挖效果Fig.11 Plan and result of excavation of left bankbreccia lava zone

3 水工地下洞室群開挖爆破技術(shù)研究進展

高山峽谷地區(qū)修建大型水電站，受地形地質(zhì)條件限制，需要開挖規(guī)模巨大的地下廠房洞室群，這些洞室群規(guī)模大、數(shù)量多，地下隧洞群縱橫交錯，地質(zhì)條件復雜，施工期圍巖穩(wěn)定問題突出。復雜地下洞室群開挖爆破設計、施工和安全控制已成為大型水利水電工程建設過程中亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。近年來，依托龍灘、小灣、溪洛渡、白鶴灘和烏東德等國家重點工程，我國水電工程領域的研究團隊對大型水工地下洞室群開挖爆破相關(guān)的設計、施工及安全控制等問題進行了全面系統(tǒng)的研究，已逐步形成大型水工地下洞室群開挖爆破關(guān)鍵技術(shù)體系。

3.1 開挖爆破荷載對深埋洞室圍巖的擾動機理

水工地下洞室群爆破開挖過程中，開挖面上地應力卸荷伴隨著爆破破巖裂紋擴展、爆生氣體逸出以及新自由面形成等過程而發(fā)生。盧文波等[36]、嚴鵬等[37]、楊建華等[38]針對開挖爆破荷載對深埋洞室圍巖的擾動機理，采用理論分析、數(shù)值計算和工程驗證相結(jié)合的方法，開展了系列研究。相關(guān)研究成果表明，當炮孔內(nèi)爆炸荷載壓力衰減至與開挖面上的地應力大小相等時，開挖面上宏觀卸荷效應開始發(fā)生(如圖12所示,圖中σr為初始應力水平)，隨著爆炸荷載壓力進一步衰減至大氣壓時，開挖面上地應力卸荷同步完成。對于深埋隧洞全斷面開挖淺孔爆破，地應力瞬態(tài)卸荷持續(xù)時間為2 ～ 5 ms；中、高地應力條件下，地應力瞬態(tài)卸荷引起的圍巖應變率達到10-1～ 101s-1，為一個動態(tài)力學過程。

圖12 開挖爆破作用的力學模型Fig.12 Mechanical model of excavation blasting action

為了定量衡量爆破擾動對水工地下洞室群的損傷與振動特性，同時考慮爆破荷載的動力特征與初始應力的重分布的動靜耦合分析方法成為研究的熱點。眾多研究表明，高地應力條件下巖體爆破開挖振動由爆炸荷載和開挖瞬態(tài)卸荷共同作用引起。相關(guān)研究結(jié)果表明開挖面上的地應力越高，瞬態(tài)卸荷激發(fā)的振動速度越大，如圖13所示。中、高地應力條件下，開挖面上地應力瞬態(tài)卸荷會增大圍巖總體振動響應，甚至可能會超越爆炸荷載而成為圍巖爆破振動主要影響因素。

圖13 高應力下的爆破振動成分分析對比Fig.13 Analysis and comparison of blasting vibrationcomponents under high stress

從巖體的損傷控制角度，研究者們建立了動靜耦合損傷模型，揭示了深部巖體爆破開挖過程中的圍巖損傷由重分布的靜態(tài)二次應力、爆炸荷載以及開挖面上應力瞬態(tài)卸荷附加動應力共同作用引起[39-42]。爆炸荷載作用下，圍巖主要表現(xiàn)為張拉損傷破壞，地應力相當于提高了巖體抗拉強度，對爆破張拉效應起抑制作用。上述研究成果揭示了一個統(tǒng)一的現(xiàn)象，在高應力條件下，爆破荷載本身產(chǎn)生的損傷效應只在表層或局部部位，伴隨開挖引起的應力重分布可能是產(chǎn)生圍巖損傷的重要原因。

3.2 大型水工地下洞室群爆破安全控制標準與效果評價

地下洞室群的爆破安全控制標準問題一直是困擾爆破施工期開挖安全控制的核心問題。我國《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)規(guī)定水工隧道的安全允許振速為7～15 cm/s，交通隧道的安全允許振速為10～20 cm/s，礦山巷道的安全允許振速為15～30 cm/s。質(zhì)點峰值振動速度損傷判據(jù)雖然獲得了廣泛的運用，但在使用過程發(fā)現(xiàn)其沒有區(qū)分爆破地震波傳播引起的振動損傷和爆破地震作用下建(構(gòu))筑物動力響應誘發(fā)振動損傷的不同力學機理。

基于白鶴灘、烏東德、錦屏以及龍灘等重大水電工程地下洞室群的開挖爆破控制，研究者們采用引用標準法、工程類比法、數(shù)值分析法以及現(xiàn)場試驗法等多種方法綜合的手段確定了地下廠房分層的爆破振動安全控制標準。以龍灘水電站為例，開挖爆破安全控制標準見表1。新噴混凝土安全控制標準，在距離爆區(qū)20 m，應按5 cm/s的設計標準進行控制，在距離爆區(qū)3～5 m，應按15～25 cm/s的校核標準進行設計。

表1 龍灘地下廠房的爆破振動安全控制標準Table 1 Safety control standard for vibration speedof underground powerhouse excavation

3.3 大跨度洞室群復雜結(jié)構(gòu)精準爆破成型控制技術(shù)

巨型水工地下洞室群開挖爆破的總體方案為：合理進行立體分層和平面分區(qū)，建立“通道合理、立體分層、平面分區(qū)、支護有序”的開挖方案；針對各層的地質(zhì)條件與開挖特征，開展爆破試驗，確定精細化的爆破開挖參數(shù)。

巖壁梁是水工地下廠房開挖的核心控制部位。巖壁梁利用錨桿將鋼筋混凝土梁體錨固在巖石上，其承受的荷載通過錨桿和與巖石壁面之間的摩擦力傳到巖體上，形成巖壁梁和巖體共同受力的結(jié)構(gòu)，巖壁梁發(fā)揮作用需要充分利用圍巖自身的承載能力，如圖14所示。巖壁梁巖臺的開挖成型極為關(guān)鍵，不允許欠挖，同時也要嚴格控制超挖。

圖14 典型的巖壁梁開挖效果Fig.14 Result of excavating typical rock wall beamstructure

巖壁梁部位開挖是水電站地下廠房開挖質(zhì)量要求最高、工藝要求最嚴格、施工難度最大的開挖關(guān)鍵部位，是地下廠房開挖的重點和難點。巖壁梁爆破施工的關(guān)鍵技術(shù)點包括：樣架導管定位；精確鉆孔，光爆孔間距偏差≤3 cm，開孔偏差≤1 cm，孔斜偏差≤2°，孔深偏差控制在3 cm以內(nèi)，光爆孔互相平行，上下一一對應；保護層各區(qū)采用“雙層光面爆破技術(shù)”；采用“均勻微量化裝藥”技術(shù)。

3.4 引水工程巖塞爆破技術(shù)

為了合理配置水資源，引水及調(diào)水需求逐漸增大，這就需要在已經(jīng)正常運行的水庫增建水工隧洞。這些增建的水工隧洞進口常位于水面以下數(shù)十米甚至百米深處。采用常規(guī)的圍堰施工方法成本高、工期長，而且還需要降低庫水位，水量損失大。

以長江科學院為代表的爆破科研團隊針對以上問題研發(fā)了“水下巖塞排孔法爆破技術(shù)”[43]，如圖15所示，該技術(shù)具有不受水位消漲和季節(jié)條件的影響，可省去工期長、成本高的圍堰工程，施工與水庫的正常運行互不干擾等優(yōu)點，主要核心技術(shù)包括：①揭示了深水條件下大斷面長巖塞爆破貫穿機理，大直徑巖塞爆破中導洞全排孔巖塞爆破的孔網(wǎng)參數(shù)確定方法，針對該技術(shù)建立的中導洞全排孔爆破技術(shù)。②建立了微差爆破條件下氣墊式巖塞爆破堵頭壓力的修正計算公式，提出了氣墊式巖塞爆破閘門井水位的確定方法。③研發(fā)了深水條件下全套大直徑全排孔巖塞爆破施工工藝，包括排孔鉆孔施工樣架、藥卷加工及安裝方法、集碴坑充水及補氣工藝。④建立了巖塞爆破有害效應監(jiān)測系統(tǒng)，水擊波、爆破振動及邊坡變形等多方位綜合的巖塞爆破效果評價方法。

圖15 水下巖塞爆破技術(shù)原理示意圖Fig.15 Schematic diagram of underwater rock plugblasting technology

4 水工級配料開采控制爆破技術(shù)

4.1 基于KUZ-RAM模型的爆破塊度控制方法

目前我國關(guān)于級配料爆破參數(shù)確定的主要方法為：在現(xiàn)場進行爆破試驗，研究地質(zhì)構(gòu)造對爆破塊度和級配的影響，以及爆破諸參數(shù)對級配料的影響，使其通過很少的試驗次數(shù)得到滿足工程要求的爆破參數(shù)，從中總結(jié)出規(guī)律，從而得到滿足設計要求的級配料。在此過程中，需要建立合理的爆破塊度預測模型。

20世紀90年代在面板堆石壩級配料開采爆破試驗研究中總結(jié)出的KUZ-RAM模型目前是應用最廣泛的模型之一[44]。以模型中反映巖體地質(zhì)條件影響的A值為例，已有的研究中巖石系數(shù)A的取值多依靠經(jīng)驗估算。研究者們?yōu)楸ＷC預測的準確性，采用現(xiàn)場試驗結(jié)果確定并動態(tài)優(yōu)化的方法，即通過多次爆破的試驗篩分結(jié)果，確定A值并進行動態(tài)復核。基于KUZ-RAM模型的相關(guān)表達，巖石系數(shù)A的數(shù)學表達式為

(1)

4.2 數(shù)理統(tǒng)計方法在爆破塊度預測中的應用

水電工程料場爆破開采過程中，爆破塊度直接關(guān)系到堆石體的穩(wěn)定性與滲透性，篩分后爆破塊度級配曲線需處于設計包絡線之間，因此爆破塊度預測是巖體爆破領域科研工作者關(guān)心的熱點問題之一。迄今為止，國內(nèi)外針對爆破塊度預測已取得較為豐富的成果，但是由于爆破塊度影響因素較多，受巖體特征、性質(zhì)及爆破等參數(shù)影響，導致已有預測模型大多只適用于特定的爆破現(xiàn)場，缺乏一定的普適性。鑒于此，如何建立多影響因素與多爆破控制指標之間的映射關(guān)系，進而實現(xiàn)爆破塊度的快速、準確預測是目前工程爆破領域亟需解決的熱點問題。目前較為成熟的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(Artifcial Neural Network，ANN)以其強大自學習能力及非線性特征和不許預設預測模型等優(yōu)點為爆破塊度準確預測提供了可能。

因此在已有爆破塊度預測模型的基礎上，通過機器學習與統(tǒng)計學習理論的引入，進而建立綜合考慮多參數(shù)的時空動態(tài)調(diào)整的爆破塊度預測模型是十分有必要的[45]。圖16給出了基于支持向量機算法基礎上改良的計算結(jié)構(gòu)示意圖。

圖16 爆破塊度預測機器學習算法示意圖Fig.16 Topological computing structure of machinestudy on blasting fragmentation

4.3 基于其他效果指標預測的爆破塊度預測模型

基于其他爆破效果指標建立爆破塊度預測模型并進行控制是研究者們采用的另一種方法，爆炸振動本質(zhì)上是爆炸應力波在巖石或結(jié)構(gòu)中傳播造成的質(zhì)點振動。一般而言，巖體介質(zhì)質(zhì)點的振動峰值速度越大，巖石材料受到的擾動和損傷也越大。爆炸沖擊荷載作用下材料的斷裂體積分布可表示為[29,46]

Nc=N0exp(-Rv/Re) 。

(2)

式中：Nc表示半徑大于Re的空隙累計數(shù)量；N0表示裂紋總量；Rv表示空隙半徑；Re表示空隙半徑Rv的期望值。已有研究成果表明，爆破塊度分布可用R-R分布函數(shù)進行表示，表達式為

R(x)=1-exp(-x/x0) 。

(3)

式中：R(x)表示粒徑

基于彈性力學的基本理論，可以得到基于PPV的塊度分布模型，即

4.4 基于天然塊度的爆破塊度控制技術(shù)

大量的爆破巖塊表面特征的統(tǒng)計資料表明，爆破形成的巖塊的大多數(shù)表面是原生地質(zhì)結(jié)構(gòu)弱面，其數(shù)量占形成巖塊表面總量的80%以上。要從根本上解決爆破塊度問題，必須將天然節(jié)理或結(jié)構(gòu)面等地質(zhì)構(gòu)造引入巖體爆破的物理力學過程，才能更為貼近實際地指導巖體爆破塊度的控制。

近年來，長江科學院的爆破科研團隊利用三維激光掃描技術(shù)實現(xiàn)爆區(qū)巖體自由面的快速掃描，實現(xiàn)巖體原生結(jié)構(gòu)面的快速統(tǒng)計與建模，實現(xiàn)巖體天然塊度空間分布特征的確定；結(jié)合現(xiàn)場開挖試驗實測篩分數(shù)據(jù)及爆破塊度分區(qū)數(shù)值分析，建立一包含巖體天然塊度及爆破塊度數(shù)據(jù)庫；結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡算法理論，通過數(shù)據(jù)庫分析，建立基于巖體天然塊度的爆破塊度預測模型，最終實現(xiàn)考慮巖體原生結(jié)構(gòu)特征條件下的巖體爆破級配的主動控制?；谔烊粔K度的爆破塊度控制實施的技術(shù)路線，以新疆玉龍喀什水利樞紐為例，得到巖體爆破塊度與天然塊度的對應關(guān)系，如圖17所示。

圖17 天然塊度與爆破塊度的對應關(guān)系Fig.17 Corresponding relation between naturalfragmentation and blasting fragmentation

5 水電工程智能爆破設計技術(shù)

在智慧建造對我國水電工程建設發(fā)展發(fā)揮重要引領作用的時代背景下，爆破作為重要的工程建設手段，唯有從設計方法、技術(shù)措施與決策方式等全方位加快智慧改造，才能滿足國家高質(zhì)量發(fā)展的建設需求。智能爆破的定義為采用5G、人工智能、大數(shù)據(jù)與云計算等新一代信息技術(shù)，將爆破的設計、施工、評估、管理與服務等各環(huán)節(jié)生產(chǎn)活動相聯(lián)結(jié)與融合，建立具有信息深度自感知、智慧優(yōu)化自決策、精準控制自執(zhí)行等功能綜合集成的智慧爆破系統(tǒng)。智能爆破系統(tǒng)的總體實施路線如圖18所示。

圖18 智慧爆破系統(tǒng)的總體實施路線Fig.18 Overall implementation route of intelligentblasting system

在水電工程領域，智能爆破的研究主要集中于設計和管理系統(tǒng)的開發(fā)與應用。圍繞白鶴灘與兩河口等重大工程的建設，針對爆破設計校審、火工品管理以及爆破信息的電子存檔，以長江科學院爆破科研團隊為代表，開發(fā)了相關(guān)的爆破智能化信息管理系統(tǒng)。例如以兩河口水電站堆石壩壩殼料的開采為工程背景，建立了水電站級配料開采爆破智能設計系統(tǒng)，總體包括基本資料、智能設計、反饋優(yōu)化以及施工信息管理4個部分，如圖19所示。系統(tǒng)針對工程爆破的環(huán)節(jié)，結(jié)合現(xiàn)代信息技術(shù)，形成一個人與智能技術(shù)相結(jié)合的閉環(huán)。

圖19 智能設計平臺設計界面Fig.19 Interface of intelligent design platform

在兩河口水電站壩殼料智能爆破設計系統(tǒng)中設計人員只需在數(shù)據(jù)庫中選擇地質(zhì)條件與爆破開采要求，計算機可根據(jù)前期的試驗成果以及施工過程中不斷補充的篩分以及碾壓檢測數(shù)據(jù)修正預報分析模型并給出下一循環(huán)合理的爆破參數(shù)，智能輸出合理級配的爆破設計。需要說明的是，當下水電工程領域智能爆破技術(shù)往往是針對某一個環(huán)節(jié)，距離全過程的智能控制，還有很長的路要走。

6 結(jié) 語

本文在查閱大量文獻資料基礎上，結(jié)合參與的大型工程實踐經(jīng)驗和研究成果，針對我國特高拱壩基礎開挖精細爆破控制技術(shù)、水工地下洞室群開挖爆破控制關(guān)鍵技術(shù)、水工級配料爆破開采控制關(guān)鍵技術(shù)以及水電工程智能化爆破技術(shù)等方面進行了綜述，主要基于我國重大工程建設面臨的重要科學技術(shù)問題進行論述，在中國水電工程建設高峰的數(shù)十年里，還有很多其他方面的爆破技術(shù)取得明顯進展，限于篇幅原因，這里無法一一列舉。上述內(nèi)容一方面是我國水電工程爆破技術(shù)近10年來的簡要總結(jié)，上述技術(shù)將作為重要基礎，為我國的智能爆破技術(shù)發(fā)展起到促進作用。