刘家峡水电站岩塞1：2模型试验综合项目施工关键技术.doc

刘家峡水电站岩塞1：2模型实验施工技术
李江 叶明
（中华人民共和国水利水电第六工程局有限公司 辽宁丹东 118002）
摘要：为了保证刘家峡水电站主体岩塞爆破一次安全成功贯通，结合现场实际状况，进行了1：2模型实验洞岩塞爆破实验。实验洞岩塞体采用集中药室装药，周边布置预裂孔方式，针对岩塞体上部厚达约30m淤泥沙层，采用水下钻孔、线性装药爆破扰动方案，获得了良好效果 ，为原型爆破提供了科学验证根据。
核心词：岩塞爆破 模型实验 钻孔 装药 封堵
1.概述
刘家峡水电站排沙洞进水口采用水下岩塞爆破方案，岩塞体位于黄河左岸洮河出口对面，正常蓄水位如下70m，上有30m厚淤泥沙层。岩塞下开口直径10m，上开口尺寸27.84×20.30m，厚度12.30m，泄流量600m3/s。这样大直径、高水头、厚淤泥沙层岩塞爆破工程国内外尚无先例，技术有很大难度，为此，在岩塞附近进行现场1：2模型实验，以验证在淤沙及深水条件下主体岩塞爆破方案合理性及爆破效果，以保证主体岩塞爆破一次安全成功爆通，为岩塞原型提供科学实验验证。
2.实验洞洞线选取
2.1 实验洞位置选取原则
1）实验洞选取尽量保证与主体工程相似性，在位置选取上尽量接近主体工程，但同步保证爆破时不影响主体工程安全。
2）通过详细勘察尽量保持地形和地质相似性。实验洞进口岩塞处岩面线坡度尽量与主体工程岩塞处岩面线坡度相近，岩性应与主洞相似，围岩分类与主洞接近。
3）实验洞进口上部无不稳定岩体及不利组合构造，保证明验洞进口爆破稳定性。
4）岩塞以上水头和泥沙覆盖层厚度尽量与主体工程岩塞上部水头和泥沙覆盖层厚度接近。
2.2 实验洞洞线选取
为了寻找进口段位置，在拟选实验洞轴线位置上、下游各30m长度范畴内，布置了大量钻探工作。在其下游侧勘探范畴内，未找到适合伙为岩塞口岩面顶板和底板位置。在其上游侧，依照水下岩面线勘探成果，结合区域实际地形、地质构造及岩面线等状况，经各方综合研究，选取其中一种剖面为进口段轴线位置。
2.3 施工出渣竖井位置选取
出渣竖井选取原则：
1）考虑地形特点、地质条件，力求开挖量最小。
2）考虑与原型施工布置干扰，以及对外交通干扰，保证出渣安全、快捷。
3）施工布置充分运用既有地形，做到简朴、实用。
根据上述原则综合考虑，1：2模型实验洞施工出渣竖井位置尽量接近至排沙洞闸门井公路，但要满足施工场地规定。
3.爆破设计原则
1：2模型实验洞洞口岩塞爆破设计详细规定和原则：
1）爆破设计要做到技术办法贯彻、办法可行。
2）岩塞选位、岩塞体型、爆破布置及参数选用等要依照地勘成果，并充分考虑进口和洞脸整体稳定性。
3）岩塞爆破药室布置应满足与原型爆破方案相似性，应保证为原型爆破实行方案提供科学验证根据。
4）岩塞厚度选取应满足稳定规定，并保证导洞、药室开挖施工期安全，同步要满足爆破方案药室布置规定。
5）在保证爆通成型条件下应尽量减少炸药用量，在药包布置上要有助于爆岩充分破碎。
6）淤积层采用爆破办法解决时，要考虑水下爆破水击波作用和影响，对大坝及周边建筑物在岩塞及淤积层爆破解决共同作用下进行安全观测。
4. 岩塞直径与厚度拟定
（1）岩塞直径拟定
岩塞直径拟定原则：
1）实验岩塞口满足岩塞体水压力、淤泥压力、自重等荷载作用下稳定规定。
2）充分考虑岩面线状况。
3）实验岩塞口尺寸应在爆破方案药室布置与原型相似前提下，满足药室布置及施工规定。
综上所述因素，实验洞岩塞设计内径取7.0m、外径不不大于11m。
（2）岩塞厚度拟定
依照已建工程经验，岩塞厚度与岩塞直径之比国内普通取值多为1.0~1.4之间，国外大多取值在1.0~1.5之间。当采用洞室爆破或上游水深较大时其比值宜取较大者。
由于本工程水库正常蓄水位为1735.00m，加之岩塞进口处近25.5m淤泥厚度，增长了岩塞压重，同步考虑地质条件，拟定岩塞厚度比在1.0~1.5之间选用，即岩塞厚度7.0m~10.5m。通过药室布置、施工导洞布置方案比选，考虑岩塞体稳定及岩塞口岩面线复杂状况，综合分析拟定采用岩塞厚度高比为1：1.4，岩塞百度为9.8m。
依照岩塞处边坡地形地质条件，考虑岩塞爆通成型以及塞体爆破渣料顺利下泄至集渣坑，拟定岩塞中心线仰角为72°。
5. 集渣坑、施工竖井及平洞设计
1）出渣竖井
竖井开挖顶高程为1742.00m，开挖底高程为1672.50m，竖井深69.5m，开挖断面尺寸为4m×2.5m矩形洞。井口2m高锁口混凝土，厚0.5m；其她部位挂网喷混凝土（12cm厚）。
2）出渣平洞
出渣平洞是竖井和集渣坑连接段，平洞长11.56m，开挖断面尺寸为3.0m×4.0m城门洞型，采用喷混凝土支护（10cm厚）。
（3）集渣坑
模型实验洞岩塞体896m3（自然方），依照岩塞体积拟定集渣坑容积，经计算，集渣坑+平洞容积为1403m3，其容积为岩塞体积1.57倍；集渣坑总长度34.07m，其中底部长14.38m；断面形式由岩塞部位开始自圆形渐变为都市洞型。为了便于运送，集渣坑与平洞间渐变段底部采用1：5底坡相连；集渣坑开挖宽度同岩塞直径（D=7.0m），集渣坑与平洞间渐变段开挖宽度由7.0m渐变至4.0m；集渣坑顶拱及边墙采用锚喷混凝土支护（10cm厚）。
为满足科研实验对于顶拱构造振动和应变观测监测仪器埋设规定，在集渣坑紧邻岩塞顶拱处设立6m长混凝土衬砌实验段，衬砌厚度0.5m。
6.岩塞爆破设计及爆破参数选取
6.1 岩塞爆破构造
1）岩塞尺寸
岩塞内口为圆形，内径7m，外口尺寸11.96m×12.63m；塞体体型内口为圆形，外口近似椭圆，岩塞最小厚度9.8m，方量896m3，岩塞进口轴线与水平面夹角71.7°，岩塞口外口轴线高程1680.0m，内口轴线高程1677.32m。
2）药包布置
爆破采用单层7个药室进行塞体爆破，7个药室呈王字形布置，上部2个药室为1#、2#药室，中部3个药室为3#、4#、5#药室，下部2个药室为6#、7#，其中，4#药室分解成上、下两某些，称之为4#上药室和4#下药室。各个药室通过导洞与外界相连。1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#药室位于同一平面上，该平面位于岩塞体中部偏下游侧，距离下游面垂直距离为4.5m，距离上游面最小距离为5.3m。4#上、4#下药包作用是将岩塞爆通，初步达到一定开口尺寸，然后借助同一平面上1#、2#、3#、5#、6#、7#药包使开口进一步扩大，达到设计断面。
为保证岩塞体成型良好，保护塞口围岩不受大破坏，在岩塞周边布置一圈预裂孔，共计68个，由于岩塞体外口大、内口小，预裂孔布置自岩塞内断面开始向周边扩散，扩散角15°。预裂孔平均孔深6m，孔径42mm，平均孔距37.4m，内口孔距32cm，外口孔距42.8cm。
6.2 爆破参数选取和计算
6.2.1 爆破参数选取
依照地质勘察资料，岩塞部位岩石为云母石英片岩，围岩参数见表6-1。
岩塞围岩参数表
围岩类别
密度
（g/cm3）
内摩擦角
（°）
凝聚力（Mpa）
变形模量（GPa）
泊松比
μ
单位弹性抗力系数（Mpa/cm）
Ⅱ
2.74~2.76
42~45
1.0~1.5
8~9
0.22
60~65
（1）集中药室岩石单位耗药量
影响岩石单位耗药量因素重要涉及：地质条件、岩石强度、容重、岩性，惯用如下办法计算。
1）依照岩石容重按经验公式计算
K=0.4+（γ/2450）2
式中：K—岩石单位耗药量（kg/m3）
γ—岩石容重（kg/m3），按最大饱和容重2900kg/m3计算。
经计算K=1.80 kg/m3
2）依照岩石级别参照经验公式计算
K=0.8+0.085N
式中：K—岩石单位耗药量（kg/m3）
N—岩石级别（按16级分级），依照岩塞处岩石参数应为10级。
经计算K=1.65 kg/m3
3）依照以上两种办法计算成果，其平均值K=1.725 kg/m3
分析国内已建工程水下岩塞爆破设计单位耗药量、炸药量、爆破方量及折合每方岩石耗药状况。因而，1：2模型阶段设计选用单位耗药量K=1.8 kg/m3
（2）水及淤泥荷载影响
岩塞最大淤泥深30m。至今，国内关于水及淤泥荷载对岩塞爆破药量等方面问题影响尚无成熟经验。按航道工程方面经验，把水深折算成岩石厚度作为抵抗线进行药量计算，但这种办法具备局限性，在水很深时不合理。
当水深不不大于30m时，水下爆破药量增长量尚无公式计算，依照其他工程经验普通水下爆破可较陆地增长药量30%左右。
据此按增长药量30%，即考虑水深影响时相应单位耗药量K1=1.8×1.3=2.34 kg/m3
本方案考虑防水及水深影响，采用水胶炸药。其与原则炸药换算系数e=0.76，虽然用水胶炸药时，单位耗药量K2=2.34×0.76=1.78kg/m3 。因而，选用单位耗药量K1=1.8kg/m3水胶炸药是合理。
（3）集中药室爆破作用指数n值选取
集中药室爆破作用指数，是依照地形和药包所处位置选用，本方案取值原则是：在保证爆通条件下，各个药包对洞脸岩石要产生最小震动影响。为克服淤泥及水阻力，4#上药室爆破作用指数n=2；为使下部岩石充分破碎以及与4#上药室作用力平衡，，4#下药室爆破作用指数n=1.4；考虑4#上药室爆破后依然对后部药包有强大压制作用，因此取1#、2#、3#、5#、6#、7#药室爆破作用指数n=1.2。
6.2.2 爆破参数计算
（1）洞室药包爆破参数计算
1）药量计算
Q=kw3f（n）
式中：Q—炸药用量（kg）
K—原则抛掷爆破单位耗药量（kg/m3）
W—最小抵抗线（m）
f（n）—爆破作用指数函数 f（n）=0.4+0.6n3
n—爆破作用指数
2）压缩圈半径R1
R1=0.062（（Q/△）μ）1/2
式中：R1—压缩圈半径（m）
△—炸药密度g/cm3，按1.0 g/cm3计算
μ—压缩系数，依照岩石状况取10。
3）爆破漏斗半径R、R2
下破裂半径R：
R=w（1+n2）1/2
上破裂半径R2
R2=w（1+βn2）
式中：R、R2—分别为爆破漏斗下、上半径（m）
w—最小抵抗线（m）
β—依照地形坡度和土岩性质而定破坏系数，依照地形岩塞药包取4.0。
4）药包间距
a=wcp（fncp）1/3
式中：a—药包间距
wcp—相邻药包平均最小抵抗线（m）
fncp—相邻药包平均爆破指数函数
m—药包间距系数。m=（fncp）1/3
5）预留保护层厚度ρ
为了减少周边集中药包对岩塞周边破坏影响，采用预裂爆破。爆破形成预裂面能对随后主药包爆破产生破坏起限制作用，同步也起减震作用。
预裂孔药量计算：
△L=9d2
α=8~12d
式中：△L—线装药密度（g/m）
d—钻孔直径
经计算△L=159g/m。与实际比较，此成果偏小，为保证爆破效果，参照关于工程经验，设计选用预裂孔线装药密度270g/m。
预裂孔平均单孔长6.0m，装药长度5.0m，每孔装药1.35kg。
7.淤泥扰动爆破设计
7.1淤泥扰动爆破设计原则
由于岩塞口附近有厚约25m左右淤泥层，对该淤泥沙沉积层应采用可靠解决办法，使其在岩塞爆破同步，能及时形成过水通道，不致阻碍水流通过进水口，导致爆渣在进口处堵塞。
当淤泥扰动后，能瞬间形成自上而下排砂通道，当岩塞爆通后，在水力冲刷条件下，有助于把淤积泥沙排走。
扰动爆破方案采用爆扩成井原理，采用水下钻孔、线性装药爆破扰动方案。
7.2 淤泥扰动爆破目
1：2模型实验洞淤泥扰动爆破重要目如下：
1）在沉积层中，谋求简朴易行淤泥扰动方案，减少岩塞向库区方向爆破阻抗，并为排沙提供较好通道。
2）通过1：2模型实验谋求炮孔布置方式和关于爆破参数。
3）谋求高水头、厚淤泥爆破施工方案（OD法）和关于办法。
4）验证在深水爆破中火工材料防水性能。
5）为原型岩塞爆破淤泥扰动方案提供实验验证数据，提供科学指引、参照根据。
7.3 淤泥扰动爆破设计
1）装药量计算
线装药量计算公式采用爆扩成井控制爆破计算公式
Qt=b×d2
式中：Qt—线装药密度（kg/m）
B—介质压缩系数，采用2#岩石炸药，取b=1.3~3.7，结合现场实验拟定。
D—爆扩成井井径（m）
2）计算参数选用
初步计算采用介质压缩系数b=1.5（黄土类粘土、湿土）
结合现场实际状况，扩井井径D选为D=1.8m。
则线装药密度Qt=1.5×1.82=4.86kg/m，取线装药密度Qt=5kg/m
3）淤泥钻孔平面布置
依照实验洞岩塞口布置，以及顶部淤泥厚度、扰动范畴和淤泥构成状况、性质，拟定在淤泥层中钻爆破孔4个，分布在进水口轴线上和左右两侧，呈棱形布置，钻孔直径为φ100mm，钻孔间距为1.8m。孔内持续装药，但距淤泥表面0.25倍孔长作为封堵段。
淤泥炮孔平面布置图

4）钻孔长度及装药量
淤泥钻孔长度及装药量见下表
钻孔、装药登记表

部位
线装药密度（kg/m）
淤泥钻孔孔径/长度
（mm/m）
装药长度（m）
装药量（kg）
封堵长度（m）
1#
5
100/16
12
60
4.0
2#
5
100/18.5
13.5
67.5
5.0
3#
5
100/21
15.5
77.5
5.5
4#
5
100/18.5
13.5
67.5
5.0
小计
100/74

272.5

8.岩塞爆破方案爆破参数汇总表
1：2模型实验洞岩塞爆破方案爆破参数汇总见下表
1：2模型实验洞岩塞爆破方案爆破参数汇总表
部位
单耗
Kg/m3
爆破作用指数
抵抗线
m
药量
kg
压缩圈半径m
药室宽度
m
备注
k
n
w
q
R1
B

1#、2#、3#、5#药室
1.8
1.2
3.4
406.6
0.62
0.56
50毫秒
4#上药室
1.8
2.0
3.8
513.6
1.07
0.96
25毫秒
4#下药室
1.8
1.4
3.0
99.46
0.62
0.56
25毫秒
6#、7#药室
1.8
1.2
3.4
203.3
0.62
0.56
75毫秒
共计

1222.96

淤泥药包
5kg/m

272.5

0毫秒
预裂孔
孔径
孔深
平均孔距
孔数
孔口封堵长度
线装药密度
单孔药量
总药量
mm
m
m
个
m
g/m
kg
kg
42
6
0.37
68
1.0
270
1.35
91.8
爆破顺序
第一响
第二响
第三响
第四响
总药量

药量（kg）
364.3
613.06
406.60
203.30
1587.26

备注
预裂孔、淤泥孔药包
4#上药室
4#下药室
1#、2#、3#、5#药室
6#、7#药室

0毫秒
25毫秒
50毫秒
75毫秒

注：计算参数岩石压缩系数μ=10、β=4。4#上药室破裂半径为15.67m，下破裂半径为8.50m；4#下药室上破裂半径为6.71m，下破裂半径为4.24m；1#、2#、3#、5#、6#、7#药室上破裂半径为8.84m，下破裂半径为5.31m。
9.爆破网路设计
9.1 爆破网路设计方案设计原则
考虑到岩塞爆破工程岩塞口爆破必要保证一次爆破成型、水流畅通，因而在设计岩塞爆破电爆网路时，必要遵循安全准爆原则，设计时注意如下事项：
1）设计电爆网路时，在考虑安全准爆前提下，尽量作到施工以便、网路简朴、材料消耗量少。
2）水下岩塞爆破工程中，个别药包拒爆将给整个工程带来严重后果。因而，规定电爆网路具备较高可靠性，要保证药包所有安全准爆。在这种状况下电爆网路采用并串并连接形式，甚至采用重复双套网路型式。
3）为了使电爆网路中所有电雷管都能准爆，在设计网路时，使每发电雷管获得相等电流值。
4）各支路电阻值规定相等，如果不等时，需要在支路配备附加电阻，进行电阻平衡，保证每发电雷管获得相等电流值。
5）在正式爆破前，要进行电爆网路实际操作实验，验证电爆网路可靠性和准爆性，最后拟定电爆网路型式。
由于淤泥上水深30多m，在如此水头作用下，电爆网路必要做好防水办法：此外电爆网路必要考虑对外来电流防护，防止电雷管因外来电流侵入而发生早爆事故。
9.2 爆破网路设计方案目
1）在水下岩塞爆破施工中谋求通过复式电爆网路达到安全准爆。
2）通过1：2模型实验检查爆破网路可靠度。
3）检查爆破网路中各种爆破材料参数及性能。
9.3 爆破网路设计
1：2模型实验洞岩塞药室为上、中、下三层布置，上部1个药室、中部6个药室、下部1个药室，岩塞口底面周边设有68个预裂孔。为减少爆破对洞脸边坡、洞内构造及其他主体工程影响，设计将主药室三响起爆，岩塞爆破起爆顺序为：第一响为淤泥药包及预裂孔，第二响为4#上、4#下药室，第三响为1#、2#、3#、5#药室，第四响为6#、7#药室，爆破雷管采用毫秒电雷管，每响每隔25毫秒，采用雷管段数为三段。
为使起爆安全可靠，采用并—串—并网路。依照起爆部位不同，布置5条支线，每条支线中药包内2枚雷管并联以保证可靠起爆，并在每一响同段雷管中加闭合导爆索连接。五条支路分别为：①岩塞药室主网路；②岩塞药室副网路；③岩塞预裂孔网路；④淤泥网路；⑤信息线网路。其中岩塞预裂孔网路每10（8）孔设一处雷管爆点，别的9（7）孔以导爆索与之连接。
每一支路支线自岩塞掌子面连接线引出至出渣竖井外一定距离处连线，再与主线连接，接380V电源形成完整爆破网路体系。
10.封堵
各药室均以木板加木方封闭药室，封闭木板后1.0m处采用编织袋（装满砂）垒砌隔墙，隔墙与木板间采用粘土堵实，人工捣实，药室间连通洞以砂填实。其中，为保证4#上和4#下药室起爆时抵抗线，4#上与4#下药室间导洞采用速凝水泥砂浆封堵。
上、下主导洞采用速凝水泥砂浆封堵，在上、下主导洞洞口各设立一块钢板，采用膨胀螺栓锚因在转岩上进行锁口，以形成主导洞灌浆区，在灌浆区设注浆管和排气管。用置于岩塞掌子面柴油驱动砂浆泵进行灌注，砂浆搅拌槽设于竖井顶部，砂浆经搅拌后，由输浆管沿竖井和平洞输送至砂浆泵，为争取初期强度，在砂浆中加入早强剂，规定24小时水泥结石强度不低于120kg/cm2。
预裂孔采用机械装药，对于有渗水孔，需安顿细塑料管将水引出孔外；预裂孔封堵长度1m，紧邻炸药处采用黄泥封孔，用竹炮棍捣实，捣实封孔黄泥时，注意不得损伤引爆电线，黄泥封孔长度为0.5m；孔口剩余0.5m采用速凝水泥砂浆封孔，砂浆需人工捣实。
淤泥孔采用水封，与库区水位同高。
7.结束语
通过现场实行，刘家峡水电站1：2模型实验洞岩塞成功爆破，有效验证了在淤沙及深水条件下主体岩塞爆破方案合理性及爆破效果，为岩塞原型提供科学实验验证。施工中获得宝贵经验：
1、合理布置水下淤泥孔，保证淤泥孔持续装药和准爆，可以保证淤泥扰动后，能瞬间形成排沙通道，当岩塞爆通后，在水力冲刷条件下，顺利将淤积泥沙冲走。
2、药室开挖及预裂孔钻孔时，必要保证施工精度，并做好渗、涌水解决预案。
3、炸药、雷管等火工材料应做好防水解决，并事先进行性能实验和网络模仿实验。
4、加强现场组织管理和过程控制是保证成功爆通核心，必要高度注重。

作者简介：
李江（1980年10月6日），男，辽宁省凌源市人，大学本科，学士学位，工程师，水电六局刘家峡项目总工，从事水利水电工程施工技术与管理工作。

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