趙逢澤，鄭 祥，陳 明，丁 釔，盧文波，葉志偉

(1.武漢大學(xué)水 資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；2.中國水利水電第七工程局，成都 610000)

在水電站建設(shè)過程中，壩肩槽邊坡的開挖質(zhì)量對(duì)于水利工程后續(xù)的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。通常在預(yù)留一定保護(hù)層的基礎(chǔ)上，采用輪廓爆破技術(shù)控制壩肩槽邊坡的開挖質(zhì)量。壩肩槽邊坡保護(hù)層多輪廓、多傾角、高開挖質(zhì)量要求的特點(diǎn)往往會(huì)給爆破設(shè)計(jì)帶來困難，完全依靠工程技術(shù)人員完成炮孔布置，不僅效率緩慢，而且在輪廓比較復(fù)雜的情況難以提出合理的炮孔布置方案。因此，研究壩肩槽邊坡保護(hù)層炮孔自動(dòng)布置方法，對(duì)實(shí)現(xiàn)水利工程的安全高效施工具有重要的意義。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及新型爆破器材的飛速發(fā)展，爆破行業(yè)的數(shù)字化、智能化正在逐步成為現(xiàn)實(shí)[1]。在臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)系統(tǒng)方面，D E SCHECK等人研制的露天礦爆破設(shè)計(jì)系統(tǒng)，能夠根據(jù)理論和經(jīng)驗(yàn)公式自動(dòng)進(jìn)行爆破參數(shù)計(jì)算[2]。趙明生等人開發(fā)的露天臺(tái)階爆破智能設(shè)計(jì)軟件采用Voronoi理論實(shí)現(xiàn)了炮孔的自動(dòng)布置[3]。劉益超等人基于Floyd算法開發(fā)的中深孔爆破炮孔優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊實(shí)現(xiàn)了中深孔臺(tái)階爆破炮孔布置的快速繪制[4]。劉超等人基于Visual Lisp和VBA開發(fā)的爆破輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，大大提高了爆破設(shè)計(jì)的時(shí)間[5]。在隧洞爆破設(shè)計(jì)系統(tǒng)方面，曹洪洋等人開發(fā)的巖巷掘進(jìn)爆破專家系統(tǒng)能夠自動(dòng)進(jìn)行巷道爆破圖表的自動(dòng)繪制[6]。張繼春等人開發(fā)的隧道爆破設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了掌子面上炮孔自適應(yīng)布置[7]。凌天龍等人利用C#語言結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的煤礦巷道爆破設(shè)計(jì)系統(tǒng)，在現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)中取得了較好的效果[8]。郭進(jìn)平等人基于Dijkstra算法建立了隧道爆破炮孔布置優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，并實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)程序的開發(fā)，提高了爆破設(shè)計(jì)的質(zhì)量[9]。專家系統(tǒng)方面，DonaldE Scheck對(duì)爆破專家系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，并利用Lisp實(shí)現(xiàn)了爆破專家系統(tǒng)的開發(fā)[10]。鄭爽英等人對(duì)臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的組成進(jìn)行研究提出了炮孔自適應(yīng)布置的推理機(jī)制[11]。張繼春等人結(jié)合人工智能的方法建立的臺(tái)階爆破專家系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)爆破參數(shù)的計(jì)算、炮孔的自適應(yīng)布置并能對(duì)爆破效應(yīng)進(jìn)行預(yù)測[12]。眾多研究人員[13,14,15]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能化算法對(duì)爆破塊度、振動(dòng)等爆破效應(yīng)進(jìn)行預(yù)測，為爆破參數(shù)的智能化優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。

總之，目前礦山開采、隧洞開挖等工程建設(shè)領(lǐng)域中的炮孔自動(dòng)布置的研究成果較多，對(duì)水電工程建設(shè)領(lǐng)域中的炮孔自動(dòng)布置研究較少，且大多為二維炮孔布置，并不適用于明顯具有三維特性且情況復(fù)雜的壩肩槽邊坡保護(hù)層的炮孔布置工作。需針對(duì)壩肩槽邊坡保護(hù)層開挖爆破孔的三維自動(dòng)布置，開展更加深入細(xì)致的研究工作。

通過對(duì)爆區(qū)頂部及底部的輪廓線和控制點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)識(shí)，確定側(cè)面開挖輪廓，根據(jù)輪廓孔布孔特點(diǎn)，在側(cè)面開挖輪廓上進(jìn)行輪廓孔布置，結(jié)合現(xiàn)有的二維炮孔布置方法，考慮保護(hù)層的輪廓的特點(diǎn)，采用偏移輪廓線的方式處理保護(hù)層頂部及底部輪廓面上的二維布孔問題，將炮孔三維布置問題轉(zhuǎn)換為由爆區(qū)頂部、底部以及側(cè)面開挖輪廓組成的二維平面問題，提出了一種壩肩槽保護(hù)層三維布孔算法，并選擇C#語言開發(fā)了三維炮孔的自動(dòng)布置系統(tǒng)，可為同類爆破炮孔布置提供技術(shù)支撐。

1 壩肩槽邊坡保護(hù)層爆破特點(diǎn)

1.1 水電站壩肩槽開挖特征

拱壩所承受的荷載大部分是通過拱結(jié)構(gòu)傳遞到兩岸的壩肩，若壩肩槽邊坡開挖質(zhì)量不佳，將會(huì)對(duì)拱壩整體的穩(wěn)定性造成很大的影響。水電站壩肩槽邊坡的開挖一般遵循“自上而下、分層開挖”的程序，為了有效地降低邊坡所受到的爆破損傷，保證保留巖體的完整，性往往會(huì)在開挖過程中預(yù)留一定的保護(hù)層。壩肩槽邊坡保護(hù)層爆破設(shè)計(jì)的難度較大，一方面是因?yàn)楸Ｗo(hù)層輪廓數(shù)目較多且頂部以及底部的輪廓線數(shù)目可能不一致，另一方面則是由于輪廓的組成復(fù)雜使得開挖質(zhì)量的要求可能不同。如圖1所示為葉巴灘水電站壩肩槽邊坡開挖示意圖。

1.2 保護(hù)層開挖爆破孔布置特點(diǎn)

通常情況下邊坡保護(hù)層爆區(qū)是由保留巖體的輪廓(永久輪廓)以及自由面邊界組成。壩肩槽保護(hù)層一般采用輪廓爆破(預(yù)裂爆破或光面爆破)技術(shù)進(jìn)行爆破開挖，由此需要布置主爆孔、緩沖孔以及輪廓孔三類炮孔，輪廓孔有預(yù)裂孔和光爆孔。在炮孔布置時(shí)底部坐標(biāo)無法落在底部輪廓面內(nèi)的炮孔稱為浮孔。炮孔布置時(shí)，應(yīng)至永久輪廓向自由面依次布置輪廓孔、緩沖孔及主爆孔，且由于保護(hù)層開挖質(zhì)量的要求輪廓孔必須嚴(yán)格沿著永久輪廓布置。

2 邊坡保護(hù)層爆破孔三維自動(dòng)布置算法

炮孔的三維布置可以看作是在頂部和底部輪廓上分別進(jìn)行炮孔的布置，并協(xié)調(diào)每排炮孔的數(shù)目和位置達(dá)到相應(yīng)要求后，即可確定炮孔的頂部及底部坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)炮孔的三維布置?；谠撍悸?，提出的壩肩槽邊坡保護(hù)層開挖炮孔的三維自動(dòng)布置算法包含爆破參數(shù)的初步計(jì)算、炮孔布置計(jì)算、爆破參數(shù)及炮孔布置優(yōu)化三個(gè)部分，如圖2所示。

圖 1 葉巴灘水電站壩肩槽邊坡開挖示意圖Fig. 1 Bam abutment groove excavating diagram of Yebatan Hydropower Station

圖 2 炮孔三維自動(dòng)布置流程Fig. 2 Three-dimensional automatic arrangement process of blast holes

2.1 爆破參數(shù)初步計(jì)算

爆破參數(shù)初步計(jì)算主要根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)確定，其中各類型炮孔孔距、排距以及堵塞段長度確定方法如表1所示。

表 1 爆破參數(shù)確定方法

炸藥單耗通過綜合考慮爆區(qū)工程地質(zhì)條件與爆破塊度、爆堆形態(tài)等條件確定；輪廓孔線裝藥密度采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)值[16]。臺(tái)階高度頂部及底部輪廓控制點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算確定。

2.2 爆破孔炮孔布置計(jì)算

輪廓孔、緩沖孔以及主爆孔依次按照以下流程進(jìn)行布置計(jì)算：

(1)獲取保護(hù)層爆區(qū)頂部以及底部輪廓控制點(diǎn)坐標(biāo)，并對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，依據(jù)編號(hào)信息對(duì)輪廓線及輪廓控制點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)識(shí)，標(biāo)識(shí)類別如表2所示。

表 2 輪廓線及其控制點(diǎn)標(biāo)識(shí)分類

(2)在由頂部永久輪廓以及底部永久輪廓或控制點(diǎn)組成的布孔平面內(nèi)完成輪廓孔的布置。布孔平面可分為三種情況，具體如表3所示。

表 3 輪廓孔布孔平面分類

在所有布孔平面內(nèi)完成輪廓孔布置后，將永久輪廓構(gòu)成的多段線按照排距進(jìn)行偏移，與自由面邊界形成新的爆區(qū)，以進(jìn)行下一排炮孔的布置，具體偏移計(jì)算方法如下(后文永久輪廓線均按該方法進(jìn)行偏移)：

(1)

(3)在偏移后的輪廓線上布置緩沖孔。按照如圖3的流程完成每排的緩沖孔的布置。

圖 3 緩沖孔布置流程Fig. 3 Arrangement process of buffer blast hole

(4)在偏移后的輪廓線上布置主爆孔。完成緩沖孔布置后的爆區(qū)稱為主爆區(qū)，首先確定主爆孔布置的限制范圍用于浮孔的布置，該限制范圍是由頂部及底部的永久輪廓線構(gòu)成的曲面與自由臨空面邊界之間的范圍?？紤]爆區(qū)頂部及底部尺寸的差異，主爆孔的布置可分為三種情況，具體如表4所示。

表 4 主爆孔布置情況分類

2.3 爆破參數(shù)及炮孔布置優(yōu)化

完成炮孔的布置后需要判斷設(shè)計(jì)結(jié)果是否需要優(yōu)化，判別條件如式(2)所示。如若不滿足則調(diào)整炮孔堵塞段長度及孔排距后利用式(3)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算；若滿足要求則無需進(jìn)行優(yōu)化。式(2)中F(a,b;a′,b′,N,L,LD)為2.2節(jié)中第(4)步由主爆孔炮孔布置計(jì)算方法抽象出的函數(shù)，式中“；”后表示由函數(shù)確定的參數(shù)，“；”前表示函數(shù)計(jì)算需要的參數(shù)。

式(2)、(3)具體如下所示

(2)

(3)

式中:qs為設(shè)計(jì)單耗;V為爆區(qū)臺(tái)階體積；Q0為主爆孔平均單孔裝藥量，為Qa炮孔每米裝藥量；N為主爆孔總數(shù)；LY為主爆孔平均炮孔裝藥長度；L為主爆孔平均長度；LD為主爆孔堵塞段長度；LD′為調(diào)整后的平均堵塞段長度；Δq為允許的單耗誤差；Er為允許的單孔裝藥量百分比誤差；a、b為調(diào)整前的孔距、排距；a′、b′為調(diào)整后的孔距、排距。

3 三維自動(dòng)布置的程序?qū)崿F(xiàn)

3.1 三維自動(dòng)布置系統(tǒng)

C# WinForm是一種Windows應(yīng)用程序，在桌面應(yīng)用程序開發(fā)方面有非常大的優(yōu)勢，其中的GDI+接口具有強(qiáng)大的圖形繪制及處理功能。以Visual Studio為程序開發(fā)平臺(tái)，通過建立處理炮孔三維布置的三維計(jì)算模型并利用C# GDI+接口實(shí)現(xiàn)圖像的繪制及處理，完成了軟件程序的開發(fā)。

系統(tǒng)輸入?yún)?shù)的操作界面如圖4所示。從圖中可以看出輸入?yún)?shù)共包括工程地質(zhì)條件、爆區(qū)參數(shù)、炸藥及鉆孔參數(shù)、爆破效應(yīng)控制參數(shù)等。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了工程數(shù)據(jù)文件的導(dǎo)入、保存，初始參數(shù)、控制條件的輸入以及炮孔布置的計(jì)算繪圖等功能。

圖 4 智能爆破設(shè)計(jì)系統(tǒng)操作界面Fig. 4 Operation interface of intelligent blasting design system

3.2 工程應(yīng)用

葉巴灘水電站位于四川與西藏界河金沙江上游河段上，系金沙江上游13個(gè)梯級(jí)水電站的第7級(jí)。壩區(qū)巖石主要為石英閃長巖，蝕變現(xiàn)象不明顯，抗風(fēng)化的能力一般，由表及里風(fēng)化程度變?nèi)醯那闆r，斷層發(fā)育，總體屬于高偏極高地應(yīng)力區(qū)。取2894 m高程處的壩肩槽保護(hù)層爆區(qū)如圖5(a)所示(圖中布置藍(lán)色炮孔的為永久輪廓線)，該爆區(qū)輪廓組成較復(fù)雜，共有四條永久輪廓，其中包括了兩條普通邊坡的輪廓線和兩條壩肩槽邊坡的輪廓線。普通邊坡坡度為1∶0.393；壩肩槽邊坡坡度為1∶0.970。

根據(jù)葉巴灘工程的實(shí)際情況向系統(tǒng)內(nèi)輸入工程地質(zhì)條件如圖4(a)所示；根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測的控制點(diǎn)坐標(biāo)利用AutoCAD繪制頂部及底部輪廓的dxf圖像，將dxf圖像導(dǎo)入到系統(tǒng)，并對(duì)控制點(diǎn)及控制線進(jìn)行標(biāo)識(shí)，如圖4(b)所示；根據(jù)設(shè)計(jì)要求輸入鉆孔及炸藥參數(shù)，其中輪廓孔孔徑為90 mm，緩沖孔及主爆孔孔徑為115 mm，其余參數(shù)如圖4(c)所示；根據(jù)設(shè)計(jì)要求輸入爆破效應(yīng)控制條件，其中炮孔密集系數(shù)為1.0，其他參數(shù)詳見圖4(d)。由此系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行炮孔坐標(biāo)計(jì)算并進(jìn)行炮孔布置圖的繪制，壩肩槽邊坡保護(hù)層開挖爆破設(shè)計(jì)效果如圖5所示。

圖 5 壩肩槽邊坡保護(hù)層開挖爆破設(shè)計(jì)圖Fig. 5 Dam abutment groove slope protection layer excavation blasting design drawing

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)針對(duì)壩肩槽邊坡保護(hù)層爆破開挖，通過對(duì)爆區(qū)頂部及底部輪廓線的標(biāo)識(shí)和浮孔的設(shè)置，將保護(hù)層炮孔的三維布置分解成為了在側(cè)面開挖輪廓上布置輪廓孔，頂部、底部輪廓面內(nèi)通過相互協(xié)調(diào)布置緩沖孔和主爆孔這三個(gè)二維平面問題。結(jié)合現(xiàn)有二維布置方法，采用了偏移輪廓線的方式解決了保護(hù)層頂部及底部炮孔的二維布置問題，由此提出了一種三維炮孔自適應(yīng)布置算法，有效地解決了保護(hù)層炮孔的三維自動(dòng)布置問題，為同類型工程炮孔三維自動(dòng)布置的研究提供參考。

(2)基于提出的三維炮孔自動(dòng)布置算法，采用VS平臺(tái)，選擇C# WinForm應(yīng)用，利用C#GDI+接口實(shí)現(xiàn)了三維炮孔布置系統(tǒng)的開發(fā)，并以葉巴灘工程作為實(shí)例進(jìn)行炮孔布置設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果表明了應(yīng)用該系統(tǒng)能夠自動(dòng)、快速、高效地完成壩肩槽邊坡保護(hù)層的炮孔布置，驗(yàn)證了算法的可行性。