拉西瓦水电站左岸高应力卸荷高边坡开挖技术

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摘 要拉西瓦水电站左岸消能区边坡开挖在开挖完之后将形成落差达220m的高边坡，高边坡开挖通过采用深孔缓冲和深孔预裂爆破技术，正确地选择爆破参数，利用爆破作用释放地应力，所形成的高边坡在开挖施工过程中只做简易支护的情况下，在整个边坡开挖施工中保持稳定。

关键词拉西瓦水电站简易支护高边坡 开挖技术

中图分类号： TU74文献标识码：A 文章编号：

1概述

拉西瓦水电站位于青海省贵德县与贵南县交界的黄河干流上，是黄河上游龙羊峡至青铜峡河段规划的大中型水电站中紧接龙羊峡水电站的第二个梯级电站。电站距上游龙羊峡水电站32.8km（河道距离），距下游李家峡水电站73 km，距青海省西宁市公路里程为134km，距下游贵德县城25km，对外交通便利。

拉西瓦水电站工程属大型一等工程，永久性主要水工建筑物为一级建筑物。工程的主要任务是发电。水库具有日调节能力。该工程由混凝土双曲拱坝（坝高250m）、坝后水垫塘及二道坝、坝身泄洪表孔深孔底孔及右岸地下厂房主变开关室组成。大坝建成后将形成10.79亿m3的水库，电站装机容量4200MW（6×700MW）。

开挖技术针对Ⅱ号变形体处理工程及左岸2240m高程以上消能区边坡开挖与支护工程进行。

2工程地质

2.1水文

黄河拉西瓦水电站坝址区多年平均流量659 m3/s，年径流量208亿m3，多年平均含沙量0.05kg/ m3，为全流域含沙量较小的河段。

2.2 气象

拉西瓦水电站坝址区为典型的半干旱大陆气候，一年冬季长、夏秋季短，冰冻期为10月下旬至次年3月。气候干燥，年降雨量小，蒸发量大；冬季干冷、夏季日光照射时间长、辐射热强。一年之中寒潮出现频繁，最大降温达14.5℃，日温差大于15℃的天数为190天。

2.3工程地质

大坝位于石门坝址，该坝址河谷狭窄，河道平直，两岸山体雄厚，对称，无深切冲沟。坝址处基岩为均质中、粗粒花岗岩、完整性较好，岩性单一，力学强度高，风化不严重。坝址基岩中发育的断裂以高倾角为主，多近与垂直河流向展布，顺河构造不发育，且断层规模小，多属Ⅱ、Ⅲ级结构面。拉西瓦水电站的库坝区均位于龙羊峡峡谷内，坝址处谷深680m～700m，两岸山坡陡峻，2400m高程以下两岸平均坡度60～65°，2400m高程以上为40～45°，峡谷内平均水面坡降6.7%，平水期水面宽度45～55m，坝顶高程处天然谷宽365～385m，河谷宽高比1.5左右，河谷中两岸岩石，河床覆盖层深一般5～12m，最深15m。坝址区岩体中裂隙发育规律与断层基本一致，陡倾为主，缓倾次之。其中陡倾裂隙约占裂隙总数的92%～95%，相对而言，左岸裂隙较右岸略为发育。其平均密度0.64～1.2条/m，且以NWW为主；基岩强风化岩体深度较浅，且分布范围较小，仅在平缓岸坡及规模较大的断层破碎带、交汇带处少量分布。左岸2400高程以下10～30m，以上50～75m；岸坡卸荷带浅于弱风化带，一般10～30m。坝址区岩体中发育着NNW、NNE和NE向三组陡倾中小断裂和相应裂隙，发育有一组缓倾裂隙。其中NNW、NNE组断裂规模相对较大，且分属压扭和张扭性断裂，该两组断裂约占陡倾断裂总数的40%。缓倾裂隙系原生节理经后期构造作用演变而成，一般延伸长度较大，属压扭性断裂，拉西瓦近岸坡岩体中断裂虽较深部发育，但相对而言，不论其规模和数量均较小。拉西瓦花岗岩岩体中断裂不甚发育，岩石高弹模高强度，具备较好储能条件，在青藏板块巨大水平构造应力作用下，再加上自重和陡峻峡谷地形的局部调整作用，工程区岩体中储存着较高地应力，在开挖过程中可能产生岩爆，葱皮状剥落，和卸荷回弹变形。主要由构造应力和自重应力组成，属高应力区。

3施工特点

拉西瓦水电站左岸边坡开挖工程边坡预裂施工量大，高差大，岩性变化也较大，自上而下依次为混合砂壤土层、全风化岩、强风化岩不等。在施工过程中，既要保证边坡卸荷，又要保证边坡的稳定。工程区岩体中赋存着较高的地应力，将成为岩石开挖综合质量的一大隐患。总体岩石情况较好，但局部边坡存在不利的结构面，在开挖过程中或开挖完成后有产生卸荷、松弛的趋势，会影响岩石开挖质量。

4施工方法

施工中钻孔机具配置为100B潜孔钻及手风钻，施工顺序为：爆破设计审批大面平整测量放点技术人员放孔位钻机就位确定钻孔倾角及方位钻孔装药连线爆破清面下一循环。对于岩体中赋存的较高地应力，加强岩爆的预测，提前钻设一定数量的应力释放孔（结合爆破孔），并向孔内注水使应力释放。选择合适的爆破参数，利用爆破作用释放地应力。

5爆破技术参数的确定

5.1深孔预裂孔、缓冲孔的爆破参数

拉西瓦预裂爆破孔孔深多为20~25 m，而缓冲孔随开挖梯段布置，一般是预裂孔孔深的1/2。由于开挖后形成的高边坡只有简易支护，因此预裂孔、缓冲孔爆破参数的选择是爆后质量和边坡稳定的关键，另外在炸药的选择上我们选用了相对密度低、爆速低、高威力的乳化炸药来增加应力波对孔壁的作用时间。

5.1.1孔径选择

炮孔直径的一致，是为了爆破后产生相同半孔率的效果，同时为施工的方便，边坡边坡预裂孔、缓冲孔均采用100B潜孔钻造孔，造孔后炮孔直径都为120mm，预裂孔最大孔深可达30.0m。

5.1.2孔距

预裂爆破时预裂孔和缓冲孔的孔距同孔径有关：

预裂孔孔距：a=(8~14)d

缓冲孔孔距：a=(10~16)d

在施工中经过多次实验后确定预裂孔孔距为1.0m，缓冲孔孔距为2.0m时爆破效果较好。

5.1.3线装药密度（g/m）

采用合理的线装药密度对爆破岩壁的破坏及半孔率有较好的作用，预裂孔为了控制裂隙的发育以保持新壁面的完整稳固，在保证沿炮眼联心线破裂的前提下，应尽可能少装药，针对不同岩石选择不同的爆破线密度，线密度可以通过实验加以确定。

①保证不损坏孔壁的线装药密度

=2.75σ压0.53γ0.38

式中：——线装药密度，单位为g/m。

σ压——岩石极限抗压强度，0.1MPa，

γ——预裂孔半径，单位为mm；

该式使用范围是：σ压=10~150Mpa；γ=46~170mm

②保证形成贯通邻孔裂缝的装药密度：

=0.36σ压0.63а0.67

式中：а——预裂孔间距单位为cm；

该式使用范围是：

σ压=10~150Mpa；γ=46~170mm、а=40~130cm

左岸消能高边坡预裂爆破中线密度根据以上公式经计算在250g/m~330g/m之间，通过多次爆破实验，最后采用300g/m。

缓冲孔既要保证靠边坡所开采坝体填筑料的质量和利用率，又要减小震动保证边坡的稳定。

根据炮孔直径、孔间距、和缓冲孔最小抵抗线，缓冲孔线装药密度在1100g/m~1500 g/m之间，根据多次爆破实验，采用1200g/m效果较好。

5.1.4装药结构

由于深孔预裂孔底夹制作用大，为保证预裂到孔底，边坡开挖中底部增加的药量为线装药密度的2~5倍，装药时将加强药量平均分布在孔底1.0~1.5m的长度上。

缓冲孔由于孔深为预裂孔的一半，底部加强2~3倍就可以了。

5.1.5堵塞长度

良好的孔口堵塞是保持高压爆破气体所必需的，预裂孔堵塞长度过短而装药太高，有造成孔口成为漏斗状的危险，过长的堵塞和装药过低则难以完成使顶部形成完整预裂逢，堵塞长度一般取直径 的12~20倍。根据边坡开挖爆破的经验：预裂孔和缓冲孔堵塞长度取1.2~1.5m效果较好。

5.1.6起爆间隔时间

预裂孔起爆时为了降低对边坡的震动，应使预裂孔的起爆早于主爆孔，一般超前时间在100ms以上，在满足单响药量控制范围内时，最好一次性起爆。缓冲孔在最后一排主炮孔之后起爆，起爆时间与爆破孔排间起爆微差一致。

5.2缓冲原理与不耦合系数的确定

设有一柱状药包，其半径为r，当它在半径为R的炮孔内爆炸时，如图a：

炮孔内的压力可按理想气体绝热膨胀定律得：

Pb(4πr3/3)γ= P0(4πR3/3)γ

或Pb= P0(R/r) -3=P0（D/d）-3γ= P0K0-3 ①

式中

P0——炸药爆炸时表面产生的压力（爆压）N；

Pb——经环状空隙缓冲后作用于孔壁上的压力，N；

R——炮孔半径，cm；

γ——定压比热与定容比热（绝热指数）。

这时在孔壁介质上所产生的的应力σb与介质所受的作用力Pb成正比，取其比例系数Kb，则有

σb=Kb Pb= Kb P0 K0-3 ②

如药卷直径d不变，加大炮孔直径D，即加大不耦合系数K0，使σb等于破碎圈外沿应力σf。这种情况下的不耦合系数，称为临界不耦和系数Klj,即:

Klj=（KbPb/σf）1/3γ③

当K0>Klj 时，在炮孔周围将不产生破碎圈，爆炸生成的应力波只是弹性应力波。此时，距爆炸中心Re处的应力为：

σl=Kb P0 K0-3γ（Re/D）-n

式中n——弹性圈内岩体中应力波衰减系数。

当K0

σf=σl=Kb P0 K0-3γ（Rf/D）-m 见下图b

图中表示炮孔外侧的破碎圈。同样可以求出破碎圈内距药包中心任一点R处的应力为：

σ=Kb P0 K0-3γ（R/D）-m ④

式中m——破碎圈内岩体应力波衰减指数（m=1.5~2.5，硬岩石取最大值，软岩石取最小值）。

从上式④中可以求出破碎圈的半径

Rf= D（Kb P0/σf）1/m K0-3γ/ m⑤

从①式、⑤式可以看出，当药卷直径不变时如加大炮孔直径，即增大不耦和系数K0，就可以使作用在炮孔壁上的压力降低，且使破碎圈的范围Rf减小。这就是说，不耦合装药可以减少炸药在爆炸瞬间产生的冲击波的初始压力值，使它在相应的空隙内得到缓冲，从而减少了用于被爆介质粉碎圈的能量损失，延长了应力波的作用时间。

在施工中钻孔直径受钻具和成本的限制，边坡开挖时边坡预裂孔和缓冲孔均采用CM351、460PC潜孔钻造孔，造孔后炮孔直径都为120mm，为了尽可能降低边坡震动，确保边坡的稳定，在钻孔直径不变的情况下尽可能的减小药卷直径来增大不耦合系数，我们采用缓冲孔为连续柱状不耦合装药，不耦合系数为2.4；预裂孔为间隔不耦合装药，不耦合系数最大为4.8。（φ25mm药卷）

5.3其它缓冲方法的采用

根据公式

Kr=D/d=[（βK/ν）2][ Pk/12.5ρ]1/6 ⑥

式中P0——爆生气体的初始压力；

Pb——经缓冲后作用在孔壁上的压力；

β——缓冲比；

ρ——药卷内的炸药密度，kg/m3；

ν——炸药爆速，m/s；

Pk——爆生气体的临界压力，pa；

K——由空气向岩石传递时的压力损失系数。

从该式可以看出,不同的缓冲比对应不同的不耦合系数，当炸药选定之后(即炸药的容重、爆速已知)，为达到简易支护高边坡开挖的要求，缓冲后的炮孔压力达到使炮孔周围裂纹得以扩张时的最小压力，根据有关资料得知，此压力为岩石介质抗拉强度极限σ+值的18倍，因此可直接采用公式

Kr=[ρPk /25.92][（νK/σ+）2]1/6⑦

从上式可以看出空隙中填充其它物质时，如水等，则压力波通过填充物传播后，其能量在填充物中传递和由填充物再传向被爆介质的过程中将有两次损失，压力将显著下降，作用在孔壁上的压力为

Pb= P0 K1 K2（d/D）2⑧

式中K1——爆炸能由炸药传递到填充物时的损失系数；

K2——爆炸能由填充物向岩石等介质传递时的损失系数。

由公式可知不耦合装药时孔内填充其它介质孔壁上的压力将成倍减小，因此边坡料场开挖爆破时除分段微差起爆以外，我们在边坡前沿缓冲孔一般填充干黄土或岩粉，预裂孔孔内竹片作为填充物统一（预裂孔间隔装药，药卷绑在竹片的同一侧）放在山体一侧，以减小爆破对边坡的直接压力。

6 高边坡深孔预裂爆破钻孔控制方法

6.1确定孔位

施工准备阶段，首先让测量放出施工预裂段的开口点及示坡方向点，为保证在开孔时不出现较大误差，要求测量每隔2.0~3.0m放出一开口点及相对应的方向点。现场技术人员再用罗盘、线锤、线绳、三角架、钢尺用平行四边形方法按设计坡比和预裂孔间距进行加密放出每个孔位及方位点，且用红油漆号孔、编号，并加以保护。

6.2确定钻孔的倾角及方位

钻孔倾角可直接用罗盘确定，亦可利用自制坡尺量测，再用罗盘校核。在实际施工中，考虑到钻进开始后机具有“抬头”现象，每次确定顶角时，一般比设计角度大1°~1.5°。方位利用吊锤法确定，在孔位的方向点上设置一个自制三角架，三角架正中吊一小吊锤，使吊锤铅锤指向方向点，调整钻机钻进方向，使其与吊锤线在同一条线上，即为确定后的钻进方向。若已造出两三孔，其余孔可利用在已造孔插标杆，再用目测进行校核钻孔的倾角。

6.3复测

待钻进至0.50m~1.0m时，应停钻对顶角及方位进行复测，若变化较大时，应及时纠偏、调整。

7结束语

高边坡开挖过程中，通过爆破参数的合理选择，钻孔质量的严格控制，采用孔内填充黄土、岩粉等介质来减小孔壁的压力，并达到爆破时对开挖边坡减震的目的，利用爆破作用释放地应力，同时边坡形成后，预裂面较平整，半孔率在90%以上，中高边坡保持稳定。充分说明了深孔预裂、深孔缓冲爆破技术在卸荷高边坡开挖中效果明显，可为以后同类工程借鉴。

参考文献：

①中南矿冶学院等六院校合编，《爆破工程》，冶金工业出版社，1959年。

②陶松霖主编，《爆破工程》，冶金工业出版社出版，1979年。

③王宏亮主编，《水利水电工程施工组织设计与施工规范使用全书》，中国城市出版社出版，1999年。