深孔预裂爆破技术在泽城水电站溢洪道边坡开挖中的应用

张俊峰

（山西省水利建筑工程局 山西太原 030006）

1 溢洪道简介

1.1 工程概况

山西省泽城西安水电站工程位于晋中市左权县境内的清漳河干流上，电站枢纽工程距左权县县城约35 km。溢洪道布置于大坝右岸，距坝轴线约200 m，轴线方向为78.71°，由引渠段、闸室控制段、泄槽段、挑流消能段组成。根据设计图纸溢洪道进口最大开挖深度102 m。开挖长为307 m，宽60.0～71.5 m，马道高度约为20 m一层，即预裂孔深度为20 m以上，总计石方开挖量约149万m3。具有高边坡开挖、深孔预裂爆破、控制爆破等特点。

1.2 工程地质

溢洪道底板以上出露地层为常州沟组第三至第五岩组长石石英砂岩、石英岩状砂岩和含铁质长石石英砂岩，厚20.0～70.0 m。溢洪道进口平距140.0～300.0 m段为第五岩组（Chc-5）白色或紫、肉红色长石石英砂石，硅质胶结；中部夹薄层细粒粉砂岩，岩性较软，厚30.0 m。其上为第六、七岩组含铁质长石石英砂岩和长石石英砂岩，厚45.0～70.0 m。出口段（300.0～475.0 m）为第四、第三岩组石英岩状砂岩和条带状石英砂岩，二者硅质胶结，块状构造，岩性坚硬。岩石极限抗压强度σ压=80～120 MPa，坚固系数等级 f约为 8～12 级。

为了最大限度地减少开挖时对边坡的破坏，施工后形成的边坡岩体稳定、平整、美观，边坡采用深孔预裂爆破施工方法。

2 预裂爆破成缝机理

预裂爆破是指在开挖断面区未爆破时，或在开挖断面区其他炮孔起爆以前，沿设计轮廓线钻周边孔并先于主炮孔起爆。采用不耦合装药结构，周边炮眼起爆后，形成有一定宽度的贯穿裂缝（称为预裂面），将开挖主爆区与保留区岩体分开，使后来进行的主爆区爆破时产生的应力波，在预裂面发生反射或折射，从而使边坡岩体在主爆区爆破时受到的震动或破坏大为减轻；加之孔与孔间彼此的聚能作用，使孔间连线产生应力集中，孔壁连线上的初始裂纹进一步发展，而滞后的高压气体的准静态作用，使沿缝产生气刃劈裂作用，使周边孔间连线上的裂纹全部贯通成缝，结果使保留区的岩石沿预定的轮廓留下光滑平整的岩壁。

3 预裂爆破技术参数的确定

预裂爆破参数指钻孔孔径、孔距、炸药卷直径、堵塞长度、线装药密度、不耦合系数等。其中主要参数线装药密度和钻孔孔距改变时，预裂效果会受到相应的改变。

3.1 炮孔深度

根据设计图纸开挖层垂直高差为20 m，设计坡比为1∶0.5，炮孔深度为：

式中：L1为超钻深度，L1=0.5 m。

3.2 炮孔直径d

本工程地处山区，地形复杂，钻孔设备采用QY-100B型潜孔钻，钻头直径为φ90 mm，炮孔直径d=100 mm

3.3 炮孔间距a

预裂爆破炮孔间距的确定，应考虑岩石的物理力学性质，炸药爆炸性能和装药结构及其参数等。预裂爆破孔间距的确定方法较多，本工程主要参照瑞典兰格弗尔斯给出的公式确定。

式中，a为炮孔间距；d为炮孔直径；对软石或结构破碎的岩石，取小值，对硬岩或完整性好的岩石取大值。该工程岩石较硬取预裂孔间距为100 cm。

3.4 炸药的选择

在同样的岩石性质和爆破参数条件下，低爆速炸药爆破断裂面光滑平整，残孔率与用乳化炸药的爆区相比明显提高，而且孔壁完整、裂纹少。为提高溢洪道边坡的预裂爆破质量，采用低猛度、低爆速、低密度和传爆性能良好的2号岩石炸药（直径32 mm，密度 0.95 g/cm3，爆速 3 050 m/s，猛度 12 mm）。

3.5 不耦合系数

工程实践表明，预裂爆破炮孔直径d=60～200 mm情况下，不耦合系数m取2～4为宜。

式中，de为预裂孔装药直径，炮孔直径d=100 mm，预裂孔装药采用φ32 mm卷状岩石炸药，所以其不耦合系数为m=3.125。

3.6 平均线装药量

炮孔内装药部分单位长度装药量叫线装药密度。预裂爆破只要求形成贯通预裂缝，而不是大量崩落岩石，也不能损伤围岩，因此不宜采用过大的装药量，适合岩体性质的线装药密度使炮孔周围产生压缩破坏，对周围岩体破坏程度越小，留下的孔痕完整度越高。采用经验公式计算。

式中，q线为预裂炮孔每米装药量，kg/m；σ压为岩石极限抗压强度，MPa，根据资料，次坚石取 σ压=80～120MPa，坚石 σ压>120 MPa；a为预裂孔间距，a=1.0 m。那么q线=0.376～0.460 kg/m。在以上计算的基础上，结合现场试验，并考虑布药方便，将预裂孔平均线装药量确定为：次坚硬岩体q线=400 g/m；坚硬岩体q线=500 g/m 。

3.7 孔底加强药量

根据众多预裂爆破实践经验，要使预裂缝贯穿质量好，阻震效果佳，在预裂炮孔底部一定范围内应加大用药量，本工程由于预裂炮孔深度较大，底部夹制力大，所以将孔底2 m范围内的线装药量增大3倍，即q线=1 200～1 500 g/m。

3.8 封堵长度

根据工程经验取L2=1.2 m。

封堵段过短，容易形成漏斗，过长则不能出现裂缝。

4 预裂爆破施工

4.1 预裂爆破施工的工序

预裂爆破施工的工序包括测量放样、钻孔角度控制、装药、堵塞和起爆。严格控制各工序施工环节是确保质量的关键。

4.2 炮孔的布置

实施预裂爆破时，其主爆破区、辅助炮孔和预裂炮孔可一次性打孔完成之后实施爆破作业。主爆区的炮孔布置要遵守不伤害边坡的原则，预裂炮孔的布置一定要控制在测放的开口线上，钻孔时控制炮孔的斜度与边坡的坡率一致。钻孔的准确度对预裂爆破面的平整极为重要，因此潜孔钻钻孔时，必须经常检查样架的钻孔倾斜度是否符合标准，并及时调整。

4.3 装药和堵塞

装药时要保证线装药量符合设计要求，使炸药按照设计要求分散在炮孔的各个部位，其具体方法为：按照设计的线装药量将炸药放在竹片上，将导爆索从头到尾也安放在竹片上，使其与炸药密贴，再用细绳或胶布将炸药、导爆索捆绑在竹片上，然后将绑扎好的炸药缓缓地放入预裂孔内，炸药面向溢洪道中心，半圆竹片贴在坡面孔壁。若没有毛竹也可以用其他不易受挤压变形的材料代替，以达到使炸药按照线装药分布在炮孔内，保护边坡不受太大伤害为目的。

预裂炮孔的堵塞长度符合设计要求，其方法为：用现场的炸药袋或其他材料弄成比炮孔稍微大一点的圆球状堵塞球，用炮棍将堵塞球缓缓送入炮孔的堵塞位置卡住，然后再用钻孔岩粉填塞，由轻到重，靠近孔口位置用炮棍捣固密实。

4.4 起爆网络设计

预裂孔采用导爆素连接，一定要注意导爆索传爆的方向性，操作过程中不能有差错。为控制单响药量，预裂孔可分段起爆，导爆索端部绑两个同段非电毫秒雷管，各段非电毫秒雷管并联在主导爆索上，时差不大于25～50 ms。主炮孔采用孔间微差串并联网络，即在各排孔口装上同一高段非电毫秒微差雷管，孔外采用低段非电毫秒微差雷管串联，然后并联在主导爆索上，用8号工业电雷管引爆。预裂孔爆破超前主爆破孔第一响75 ms。

4.5 爆破安全距离

预裂爆破与主爆区的深孔爆破进行一次性爆破，其爆破安全距离按照深孔爆破设计计算，计算过程在此不赘述，根据爆破安全规程，露天岩土爆破飞石安全距离取300 m。

5 结语

经过合理参数设计以及精心施工作业，边坡总体上爆破效果良好，清理好的边坡面上，较坚硬的围岩上的残孔率达85.8%，边坡面平整度小于20 cm，在软岩或较破碎岩的层段上虽然没有保留明显的预裂残留半孔，但坡面比较平顺，岩石片落现象较少。溢洪道边坡工程实践证明，采用深孔预裂爆破施工技术比普通的爆破法施工，大大降低爆破对保留岩体的震动，边坡稳定及美观方面的质量都有明显的提高，同时加快施工进度，降低施工成本，取得了良好的社会、经济效益。