李康貴，夏 鵬，米元桃，陳 明，李 桐

(1.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；2.中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，成都 610000)

隨著水電資源的開(kāi)發(fā)利用，目前我國(guó)水利水電工程多修建于高山峽谷且谷坡陡峻的西南地區(qū)。這類水電工程邊坡開(kāi)挖施工作業(yè)面狹窄，自然邊坡陡峻，開(kāi)挖施工工期緊，出渣運(yùn)輸強(qiáng)度高，在不便于布置自卸汽車運(yùn)輸?shù)缆返膮^(qū)域，多采用臺(tái)階爆破、拋渣進(jìn)入基坑的施工方法開(kāi)挖，提高拋擲率便成為了爆破開(kāi)挖的關(guān)鍵目標(biāo)。

高臺(tái)階拋擲爆破技術(shù)起源于20世紀(jì)60年代初期，在美國(guó)的McCoy Coal礦進(jìn)行了嘗試，該礦覆蓋物厚度為18～24 m，拋擲爆破能把40%的覆蓋物拋到采空區(qū)[1]。評(píng)價(jià)拋擲爆破效果的常用指標(biāo)為拋擲率，它是指拋擲爆破后剝離巖石直接拋入指定地點(diǎn)且不需要進(jìn)行二次運(yùn)輸?shù)牟糠终紥仈S爆破破碎巖石總體積的百分比。對(duì)于常規(guī)臺(tái)階爆破，影響爆破拋擲效果的主要因素有巖石性質(zhì)、孔網(wǎng)參數(shù)、臺(tái)階高度、炸藥單耗和起爆方式等。李祥龍等基于理論分析和黑岱溝露天煤礦現(xiàn)場(chǎng)爆破實(shí)驗(yàn)提出[2]，在一定范圍內(nèi)，拋擲率隨臺(tái)階高度的增加而增大，但隨著臺(tái)階高度的增加，拋擲率增大幅度逐漸減小。馬力等研究了炮孔傾角對(duì)拋擲率的影響[3]，認(rèn)為當(dāng)炮孔傾角在60°～75°范圍內(nèi)時(shí)，露天煤礦拋擲爆破效果較好。夏岸雄等探究了露天礦層狀巖體傾向與爆破拋擲方向之間的關(guān)系[4]，認(rèn)為當(dāng)爆堆拋擲方向與巖層傾向垂直時(shí)爆破拋擲效果最好。錢(qián)七虎通過(guò)比較模擬試驗(yàn)、原型大型TNT試驗(yàn)和核拋擲爆破試驗(yàn)的結(jié)果[5]，認(rèn)為重力在大型爆破中，特別是在軟弱巖層、漏斗坑形成過(guò)程中起決定性作用。

上述研究工作主要集中于爆破外在條件對(duì)拋擲效果的影響，而忽略了對(duì)爆源的研究。傳統(tǒng)的邊坡巖體拋擲爆破主要通過(guò)增加單耗來(lái)提高拋擲率，但單純?cè)黾訂魏牟焕谑┕こ杀究刂魄視?huì)增大爆破振動(dòng)效應(yīng)。此外，傳統(tǒng)的拋擲爆破多采用空氣耦合裝藥，空氣介質(zhì)傳能效果一般，爆炸能量利用率不高，制約了拋擲爆破的拋擲效果。對(duì)不耦合裝藥的炮孔注水，使水介質(zhì)充滿藥卷與孔壁之間的空隙，即形成水耦合裝藥結(jié)構(gòu)。陳士海等對(duì)比了水耦合裝藥與耦合裝藥爆破時(shí)的破巖效能[6]，發(fā)現(xiàn)水耦合裝藥爆破能顯著提高炸藥的能量利用率。冷振東等對(duì)炸藥與巖體的相互作用過(guò)程進(jìn)行了分析[7]，指出水耦合爆破荷載峰值高，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，具有更高的能量利用率。龔玖等通過(guò)室內(nèi)爆破模型試驗(yàn)[8]，認(rèn)為水耦合裝藥對(duì)爆炸能量利用率更高，爆破破碎塊度較小，爆破效果好。另外，不同耦合介質(zhì)爆破爆炸能量傳遞效率差異還與不耦合系數(shù)有關(guān)，當(dāng)不耦合系數(shù)增大時(shí)，水耦合爆破與空氣耦合爆破的能量傳遞效率差異增大[9]。在露天邊坡含水預(yù)裂孔進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)也表明，水耦合裝藥結(jié)構(gòu)提高了預(yù)裂爆破中炸藥能量的利用率，具有良好的應(yīng)用前景[10]。

基于對(duì)水耦合裝藥爆破產(chǎn)生的爆破荷載特性的理論分析，依托葉巴灘水電站邊坡巖體開(kāi)挖工程，進(jìn)行了水耦合強(qiáng)拋擲臺(tái)階爆破現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究水耦合強(qiáng)拋擲臺(tái)階爆破技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，水耦合強(qiáng)拋擲臺(tái)階爆破技術(shù)可以有效提高拋擲率，加強(qiáng)爆破破碎效果，加快施工進(jìn)度。

1 水耦合強(qiáng)拋擲臺(tái)階爆破作用機(jī)理

1.1 水耦合爆破荷載特性

徑向空氣不耦合裝藥時(shí)，爆生氣體在炮孔中膨脹，體積增大，密度降低，當(dāng)爆生氣體充滿整個(gè)炮孔時(shí)，產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)壓力為[11]

(1)

式中：Kd=db/dc，為徑向不耦合系數(shù)，db、dc分別為炮孔直徑與裝藥直徑；ρe、D分別為炸藥的密度和爆速。

考慮徑向不耦合系數(shù)較大的情況，此時(shí)孔壁壓力峰值可用下式計(jì)算[12]

(2)

式中：Pw為平均爆轟壓力，Pw=(ρeD2)/[2(k+1)]；Pk為炸藥的臨界壓力，一般取Pk=200 MPa；n為沖擊波碰撞孔壁的壓力增大倍數(shù)，按文獻(xiàn)[12]給出的方法取值；k、γ為絕熱指數(shù)，通常取k=3，γ=1.3；其余參數(shù)同式(1)。

徑向水不耦合裝藥時(shí)，爆生氣體在水介質(zhì)中產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)壓力可通過(guò)聯(lián)立以下兩式確定[11]

(3)

(4)

式中：rb、rc分別為炮孔半徑與裝藥半徑；δ為爆生氣體的膨脹壓縮過(guò)程結(jié)束后水的徑向壓縮量；kw為水的體積壓縮模型，取kw=2.1×103MPa。

按照彈性理論，水耦合裝藥的孔壁壓力峰值可近似用下式計(jì)算[13]

(5)

式中：B為常數(shù)，取B=72 MPa；α為衰減指數(shù)，取α=0.72；ρm、Cp分別為巖體的密度和波速；ρ0、D1分別為水的初始密度和沖擊波波速，D1按文獻(xiàn)[13]的方法計(jì)算；QVS、QVT分別為所用炸藥和TNT炸藥的爆熱，QVT=4200 kJ/kg。

葉巴灘水電站施工區(qū)域巖性主要為花崗閃長(zhǎng)巖與石英閃長(zhǎng)巖，因此以花崗閃長(zhǎng)巖為例，裝藥結(jié)構(gòu)為70/115(裝藥直徑為70 mm，炮孔直徑為115 mm)，炸藥類型為乳化炸藥(ρe=1300 kg/m3，D=4000 m/s，QVS=3760 kJ/kg)，按上述理論公式分別計(jì)算空氣耦合與水耦合裝藥條件下的爆生氣體準(zhǔn)靜態(tài)壓力與孔壁壓力峰值，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖石物理力學(xué)試驗(yàn)成果，選取花崗閃長(zhǎng)巖的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表 1 花崗閃長(zhǎng)巖力學(xué)參數(shù)

計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表 2 不同條件下的壓力理論計(jì)算結(jié)果

表2的理論計(jì)算結(jié)果說(shuō)明，水耦合裝藥爆破產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)壓力荷載和孔壁壓力峰值均遠(yuǎn)大于空氣耦合裝藥結(jié)構(gòu)，分別為后者的5.63倍、2.15倍，有利于將更多的爆炸能量傳遞到巖體中，加強(qiáng)爆破破碎和拋擲。

1.2 水耦合強(qiáng)拋擲臺(tái)階爆破破巖過(guò)程

炸藥爆炸瞬間產(chǎn)生沖擊波和爆生氣體，在沖擊波和爆生氣體的共同作用下，巖體發(fā)生破碎和拋擲[14,15]。水耦合爆破時(shí)，考慮到水相較于空氣具有較高的密度、較大的流動(dòng)粘度，因此水中爆轟產(chǎn)物的膨脹速度相較空氣中要慢，在耦合水中激起爆炸沖擊波的作用強(qiáng)度高且作用時(shí)間長(zhǎng)。高壓水在爆生氣體作用下滲入巖體裂隙，使初始破壞進(jìn)一步發(fā)展擴(kuò)大，并相互貫通切割破碎巖體，形成水楔作用。當(dāng)爆生氣體的準(zhǔn)靜態(tài)作用衰減到一定程度時(shí)，水楔不再驅(qū)使裂縫擴(kuò)展，最終在爆炸應(yīng)力波及爆生氣體的共同作用下，巖體發(fā)生破碎及拋擲。另一方面，實(shí)際工程中巖體內(nèi)部多含有節(jié)理裂隙，在水耦合環(huán)境下，裂隙中充滿水，巖體發(fā)生吸水軟化，巖體性質(zhì)產(chǎn)生一定程度的劣化，使得巖體在同等爆破情況下，相比空氣耦合更容易發(fā)生破壞。

相同條件下，一般單耗越大，爆破拋擲效果越好。前排炮孔臨空條件較好，產(chǎn)生理想爆破拋擲效果所需的炸藥量較少，后排炮孔與臨空面的距離逐漸增加，為保證爆破拋擲效果所需的炸藥量將隨之增加，因此前排炮孔到后排炮孔的單耗逐步合理增加可以優(yōu)化爆炸能量分布，提高后排炮孔的爆破拋擲效果。單耗顯著提高的一排炮孔，可以加強(qiáng)此排炮孔前部巖體的爆破拋擲效果，減少對(duì)后排炮孔爆破拋擲的阻礙。

炮孔傾斜可減小臺(tái)階底部巖體的阻力，同時(shí)可避免采用垂直炮孔爆破時(shí)，臺(tái)階下部部分巖體與水平面成俯角斜向下拋擲的問(wèn)題，該部分巖石拋擲距離很短，會(huì)降低拋擲爆破整體的拋擲效率，而傾斜炮孔能夠保證臺(tái)階大部分巖體與水平面成仰角斜向上拋擲，故可適當(dāng)增大炮孔間距，傾斜炮孔可以取得較好的破碎和拋擲效果。

1.3 施工流程

水耦合強(qiáng)拋擲臺(tái)階爆破施工流程包括，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破區(qū)域進(jìn)行鉆爆參數(shù)設(shè)計(jì)及技術(shù)交底，之后按照設(shè)計(jì)進(jìn)行炮孔鉆設(shè)和驗(yàn)收；驗(yàn)收合格后根據(jù)裝藥要求進(jìn)行裝藥，緊接著進(jìn)行炮孔注水，形成水耦合狀態(tài)；注水完成后進(jìn)行炮孔堵塞，然后開(kāi)展補(bǔ)充注水以維持水耦合狀態(tài)，最后進(jìn)行起爆、出渣，其施工流程見(jiàn)圖1。

圖 1 施工流程

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

目前水耦合強(qiáng)拋擲臺(tái)階爆破技術(shù)已成功應(yīng)用于葉巴灘水電站邊坡巖體爆破開(kāi)挖。葉巴灘水電站壩區(qū)出露基巖地層為華力西期侵入中酸性簡(jiǎn)單復(fù)式巖株，巖性主要為花崗閃長(zhǎng)巖與石英閃長(zhǎng)巖。隨風(fēng)化程度不同，巖石干抗壓強(qiáng)度為65～146 MPa，濕抗壓強(qiáng)度為45～114 MPa，巖體聲波速度為3275～5300 m/s。

2.2 爆破參數(shù)

葉巴灘水電站左岸邊坡EL2973～EL2960梯段、樁號(hào)0-000～0-035范圍內(nèi)巖體爆破開(kāi)挖采用水耦合強(qiáng)拋擲臺(tái)階爆破技術(shù)，爆破區(qū)域的具體位置如圖2所示。爆破開(kāi)挖區(qū)域共布置14排115個(gè)炮孔，炮孔直徑為115 mm，裝藥直徑為70 mm，按照強(qiáng)拋擲臺(tái)階爆破對(duì)每排炮孔單耗的要求，前6排炮孔設(shè)計(jì)單孔藥量32～48 kg，后8排炮孔設(shè)計(jì)單孔藥量65～82 kg，總藥量約為6.9 t，具體的爆破參數(shù)見(jiàn)表3，前排炮孔到后排炮孔的單耗逐步合理增加，其中第9、14排炮孔單耗顯著加強(qiáng)。本次爆破采用數(shù)碼電子雷管起爆網(wǎng)路，炮孔平面布置及起爆延時(shí)參數(shù)如圖3所示。

圖 3 炮孔平面圖

表 3 爆破參數(shù)表

根據(jù)炮孔裝藥長(zhǎng)度和單孔藥量要求，不需劃破藥卷即可滿足單孔藥量要求的裝藥結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示，需要?jiǎng)澠扑幘聿拍軡M足單孔藥量要求的裝藥結(jié)構(gòu)如圖4(b)所示，劃破的藥卷裝在炮孔下部，炮孔內(nèi)起爆雷管位置設(shè)置在炮孔下部。

2.3 爆破效果分析

(1)有效拋擲率

爆破區(qū)域位于高邊坡上，部分巖塊被拋擲到基坑，難以測(cè)量統(tǒng)計(jì)；部分巖塊松散堆積在爆區(qū)，通過(guò)估算這一部分松散巖塊體積可以間接算出拋擲率，計(jì)算公式為

(6)

式中：Ep為有效拋擲率；a為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，表示巖塊實(shí)方體積和松散堆積體積之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，一般取1.40～1.50，此處取1.45；VD為實(shí)方體積，即拋擲爆破破碎巖石的體積；VS為爆后堆積在爆區(qū)的松散巖塊體積。

根據(jù)邊坡等高線地形圖及測(cè)量所得的爆區(qū)邊界，在Civil 3D軟件中建立如圖5所示的爆區(qū)三維模型圖。根據(jù)表3列出的各排炮孔間排距、平均孔深得到拋擲爆破實(shí)方總體積約為12 018 m3。

由于現(xiàn)場(chǎng)鉆機(jī)鉆孔能力和鄰近邊坡自然輪廓的限制，總體上前排炮孔較后排炮孔長(zhǎng)度短，導(dǎo)致各排炮孔底部高程不一致，爆后在爆區(qū)底部前方形成了反傾巖埂，如圖6所示。

圖 4 水耦合裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

圖 5 爆區(qū)三維模型圖

反傾巖埂部分巖體受爆破破碎作用小，這種由于現(xiàn)場(chǎng)鉆機(jī)鉆孔能力和鄰近邊坡自然輪廓限制所導(dǎo)致的未拋擲巖體，不應(yīng)計(jì)入拋擲爆破破碎巖石總體積。爆后采集到的圖像如圖7所示，松散巖塊堆積在爆區(qū)范圍內(nèi)，前6排炮孔前的巖體基本全部被拋擲到基坑。根據(jù)爆后多角度拍攝的爆堆圖像以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，繪制出爆后堆積在爆區(qū)的松散巖塊三維模型圖，如圖8所示，由三維模型計(jì)算得到堆積在爆區(qū)的松散巖塊體積，即式(6)中的VS約為9104 m3；計(jì)算得到的反傾巖埂體積約為1381 m3，不考慮反傾巖埂的實(shí)際拋擲爆破實(shí)方總體積，即式(6)中的VD約為12 018 m3。根據(jù)式(6)，計(jì)算得到本次爆破的有效拋擲率Ep為47.8 %。

圖 6 爆區(qū)底板反傾巖埂

圖 7 爆后圖像

圖 8 堆積在爆區(qū)的巖塊三維模型

目前葉巴灘水電站邊坡巖體拋擲爆破拋擲率一般在35%左右，而本次爆破拋擲率達(dá)到47.8%，顯著優(yōu)于現(xiàn)場(chǎng)常規(guī)拋擲爆破，拋擲效果較好，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

(2)爆破塊度

爆破后爆堆的塊度分布及大塊率直接影響后續(xù)翻渣、推渣的施工效率，同時(shí)也是爆破參數(shù)優(yōu)化的重要參考依據(jù)。采用照片攝影法進(jìn)行爆破塊度分析，基于塊度分析軟件WipFrag得到本次爆破的塊度分布曲線如圖9所示。

圖 9 爆破塊度分布曲線

利用WipFrag軟件得到的爆破塊度主要參數(shù)見(jiàn)表4。爆破塊度分布曲線最直觀的評(píng)價(jià)指標(biāo)為巖塊的平均粒徑x50及級(jí)配料的不均勻系數(shù)Cu。Cu<5表示粒徑分布均勻，不均勻系數(shù)越大表示粒徑分布越不均勻。爆后巖塊的平均粒徑為327.3 mm，不均勻系數(shù)為2.71，爆后巖塊平均粒徑較小，粒徑分布均勻，有利于提高翻渣效率。

表 4 塊度分布主要參數(shù)表

(3)爆破振動(dòng)速度

按照“近密遠(yuǎn)疏，對(duì)數(shù)布置”原則，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，共布置了6臺(tái)爆破振動(dòng)儀器，其分布位置如圖10所示。各測(cè)點(diǎn)記錄的爆破振動(dòng)峰值如表5所示，其中測(cè)點(diǎn)1#的振動(dòng)波形如圖11所示，圖中時(shí)間軸的起點(diǎn)為-0.1 s，表示儀器記錄延時(shí)為0.1 s。

圖 10 爆破振動(dòng)儀器布置圖

圖 11 1#測(cè)點(diǎn)振動(dòng)波形

表 5 爆破振動(dòng)峰值

由表5可知，最小爆心距為20.0 m左右的1#測(cè)點(diǎn)爆破振動(dòng)峰值較大，其水平徑向和豎直向爆破振動(dòng)峰值超過(guò)15.0 cm/s；最小爆心距超過(guò)50.0 m，位于永久邊坡的2～6#測(cè)點(diǎn)的爆破振動(dòng)峰值均小于3.5 cm/s。可見(jiàn)在本次爆破中，當(dāng)逐排起爆的最大單段藥量約為350 kg、逐孔起爆的最大單段藥量約為80 kg時(shí)，距離爆區(qū)50.0 m以外的永久邊坡的爆破振動(dòng)可控制在安全允許范圍內(nèi)。

(4)爆破煙塵

對(duì)爆破過(guò)程拍攝的影像資料進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)水耦合強(qiáng)拋擲臺(tái)階爆破產(chǎn)生的爆破煙塵相較于普通臺(tái)階爆破有明顯的減少。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)理論分析，比較了水耦合裝藥結(jié)構(gòu)與空氣耦合裝藥結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的爆破荷載，以花崗閃長(zhǎng)巖為例，當(dāng)裝藥直徑為70 mm、炮孔直徑為115 mm時(shí)，水耦合裝藥結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)壓力和孔壁峰值壓力分別是空氣耦合裝藥結(jié)構(gòu)的5.63倍、2.15倍，有利于爆炸能量傳遞至巖體，加強(qiáng)巖體破碎與拋擲。

(2)在葉巴灘水電站邊坡巖體開(kāi)挖中進(jìn)行的水耦合強(qiáng)拋擲臺(tái)階爆破試驗(yàn)說(shuō)明，水耦合強(qiáng)拋擲臺(tái)階爆破技術(shù)可以將拋擲率提高到47.8%以上，同時(shí)可增強(qiáng)爆破破碎效果，粒徑分布較為均勻，有利于提高后續(xù)施工效率。

(3)水耦合強(qiáng)拋擲臺(tái)階爆破技術(shù)在合理增加裝藥量的同時(shí)，可保證保留邊坡的爆破振動(dòng)峰值在安全允許范圍內(nèi)，同時(shí)可顯著降低爆破煙塵，減少爆破等待時(shí)間。