复杂地质条件下危岩的爆破排险

　　　　　　　　　　　　　　ENGINEERINGBLASTING　　　　　　　　　　　　　　　March　2006

2006年3月

文章编号:1006-7051(2006)01-0058-03

复杂地质条件下危岩的爆破排险

施富强

(西南交通大学,成都610031)

摘　要:介绍在复杂地质结构条件下,应用控制爆破技术对雨城电站库区岸边巨型危崖排险作业。为了施工的安全,采用光面爆破技术、合理确定爆破参数,采用非电导爆管微差起爆网路、严格控制一次起爆药量减小对危岩振动,分析了大量石方落入水域产生的涌浪危害程度及涌浪到岸边爬升的计算方法,并有针对性地采用安全防范措施。此工程经验对类似地质灾害及水电站库区危崖的处理具有指导意义。

关键词:深孔爆破;危崖处理;地质灾害;涌浪中图分类号:TD2351374　　　　文献标识码:A

BLASTINGOBVIATINGOFDANGEROUSCLIFFUNDER

COMPLICATEDGEOLOGICALCONDITION

SHIFu2qiang

(SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)

ABSTRACT:ThepaperintroducedthedangerrelievingoftheprecipitousdangerouscliffintheareaofreservoiratYuchengpowerstationbytheuseofthetechnologyofcontrolledblastingundercomplicatedgeologycondi2tion1Fortheconsiderationofsafetysmoothblastingtechniquewasadoptedunderreasonableblastingparameters1Theblastingwasdetonatedbynon2electricfusewithmillisecondignitingnetwork1Thequantityofignitingex2plosivewasstrictlylimitedsoastoreducetheresultingvibrationofthedangerousrock1Thedangerofwavesurgeresultedfromstone’sfallinginlargeamountintothewaterareaandthemethodofcalculationofwavesurge’srisingtoriverbankwasanalyzed,andprotectionmeasuresweretaken1Thepresentedblastingisofref2erencevaluetothesimilarengineering1

KEYWORDS:Deep2holeblasting;Treatmentofdangerouscliff;Geologicaldisaster;Wavesurge

1　引　言

金仓岩危岩位于四川省雅安市区以西3km青衣江上游的对岩镇坎坡村一组。地貌上为青衣江右岸陡崖高边坡,相对高差达153m。1998年8月3日下午1点40分,金仓岩突然发生崩塌灾害。崩塌体长约60m,宽约70m,厚1～5m、平均厚3m,土石方约4000m3。

2003年9月22日现场调查时,金仓岩危岩仍

收稿日期:2005-11-07

作者简介:施富强,工程爆破研究所所长,高级工程师、硕士。

有小规模掉块落石现象。由于金仓岩岸坡一旦崩塌

发生,必将严重危及多营镇经济技术开发区和雨城电站的安全,威胁多营镇上坝村3组43户260人及厂矿、学校的安全。111　工程地质环境条件

金仓岩为陡崖岩质高边坡,边坡总体坡度70°～80°,陡崖高153m,陡崖下部已凹陷成负地形,山顶地形相对平缓,为退耕还林地,地貌属构造剥蚀的低山丘陵。根据现场调查,雨城电站坝前库区右岸长约1500m段均为基岩陡崖,自然斜坡70°～80°,大部分稳定,只有局部“凹岩腔”形成危岩(崩塌)体。

金仓岩岩质边坡中节理裂隙发育,主要发育有

施富强:复杂地质条件下危岩的爆破排险・59・三组高角度裂隙:①310°∠78°,可见长25m、缝宽5～35cm,原可见深达5m,现已被表层松散土覆盖填实,但仍可见地裂隙痕迹,每米1条,为张性卸荷裂隙,地裂缝主要沿这组裂隙发育;②69°∠53°,可见长10m、缝宽015～210cm,每米2条,属微张性;③168°∠71°,可见长3m、缝宽015～210cm,每2米1条,为剪性裂隙。由于金仓岩临空面岸坡高陡,被组合裂隙切割成危岩块体,尤其是第①组节理裂隙走向与岸坡低角度相交,倾角陡立,是危岩体的主控裂隙。112　危岩成因分析

金仓岩岸坡高陡,临空面倾向300°,中下部岸坡已形成向内凹陷的“凹岩腔”。上部岩体被地层层面和3组节理裂隙切割成危岩块体,在卸荷作用和重力作用下,形成不稳定块体,并有向下运动的趋势。卸荷裂隙在地面形成地裂缝(主要是第①组裂隙),大气降雨、地表水沿地裂缝渗入岩体,进一步加剧了岩体的风化,裂缝逐渐扩大,同时岩体内部结构面进一步贯通,结构面间的抗剪力减弱,此时岩体便处于临界稳定状态,在重力作用下失稳下落;大量的降水沿节理裂隙渗入岩体,改变岩体结构面的动、静水压力,也可能破坏岩体的临界稳定状态,从而形成倾倒式崩塌。

本次爆破消除危岩范围大约为长度120m、宽度8～11m,最大高差40m,估算需清除的危岩为211万m3。

工艺、排险过程、坍落形式、涌浪控制、库区蓄水等多

项因素,并对最大危害做出相应的防范措施,为此提出如下设计要求:

(1)严格控制最大单响药量,限制爆破震动波的影响范围;

(2)采用较大的延时网路,延长危崖坍落时间;(3)按最不利条件下的库区涌浪,确定安全防范措施。213　爆破参数选择根据勘测资料,选梯段高度H=20m较为合理,在可形成台阶处,选台阶宽度≥310m。

(1)岩边光面爆破参数选择。由于山体风化严重、结构破碎,采取准光面爆破工艺较为合理。

炮孔直径d≤100mm,孔距a=110～115m,孔深h=20m,线装药密度q1≤115kg/m,孔底加强段为3m、线装药密度取q2≤310kg/m,孔口堵塞Δh≥215m。

(2)局部深孔爆破参数设计。为了使爆破危岩呈较小体积坍落,在岩体较大的区域布置深孔,参数如下:

d≤100mm,a=215～310m,b=310m,h≤

20m,平均单耗q≤400g/m3,分层装药,堵塞段Δh

≥310m。

(3)装药结构。光面爆破装药结构按线性均布,根部加强段也按线性均布加强。深孔爆破采用导爆索间隔装药,每段均设单独的起爆体。

(4)起爆网路。采用毫秒微差起爆技术,主爆孔根据最大单响药量控制要求确定单段孔数。光面爆破各孔较主爆孔滞后100ms以上,并用最大单响药量控制要求调整孔网段位。

采用MS1段非电毫秒雷管联网,终端用瞬发电雷管引爆。联网选用双雷管复式网路。

2　爆破排险方案设计

211　爆破排险的特点和难点

(1)必须保证一次排险成功,同时确保距爆区20m处的输电塔及跨越爆区上方的电网安全;

(2)在施工过程中时刻监测岩体变化,尽量减小

施工影响,确保施工过程中危岩不会自行坍塌;

(3)充分考虑垮塌方量与涌水水浪的关系,防止库区涌浪造成水灾;

(4)处理好爆后边坡,既不能形成新的危岩,也不留下安全隐患;

(5)施工工艺应确保排险过程的施工安全。212　方案比选

3　爆破安全设计

311　爆破震动控制

爆区最近的保护设施为输电杆,距爆区最近点

约20m、最远点约140m。根据输送电力设施安全的要求,控制该电杆处的最大振动速度v≤5cm/s。据此,按如下公式计算爆破震动衰减规律:

v=K(

3

在充分听取专家意见的基础上,经现场调研和方案比选,最终决定采取一次清除211万m3危崖体的深孔爆破排险方案。要求边坡采用光面爆破技术,爆后边坡坡度与附近原有陡崖的坡度接近,且相邻两端平缓过渡到原始崖体。同时,充分考虑爆破

Q/R)

α

(1)

式中:v为控制点地表质点振动速度,cm/s;Q为允许的最大单响药量,kg;R为控制点距爆源的距

α分别为由地形、离,m;K、地质条件决定的衰减

系数和衰减指数。

・60・工　程　爆　破

α=根据相关地质资料,这里选定K=250、210,由此计算出不同距离条件下的允许安全用药量

如下:

R/mQ/kgR/mQ/kg

则取ΔHmax=11145m。

考虑到库区、大坝安全及降水后水域的变化,爆前最终将库区水位下降12m。

202216801448

307614902062

40181101002828

50353161204887

60610191407761

7097011

4　安全施工与监测

为保证排险施工的顺利进行,我们制定了详细的安全施工管理条例,并根据现场实际情况,进行实时监测。411　危崖位移监测(1)在保留稳定岩体上设置经纬仪,随时观测爆区危岩体特征点位的坐标。若发现变化,及时报告指挥长,发出撤场疏散警报。

(2)在山顶岩体裂缝区的两侧设置桩点,在每对桩点上设置标尺,由安全员随时观察记录裂缝变化情况。在施工过程中,没有发生任何异常现象。412　爆破震动监测在输电塔基础上,设置爆破震动传感器,记录爆破过程中该处的震动波形,分析爆破震动影响程度。测试结果表明,该处的最大振动速度峰值为vmax=3151cm/s。我们认为主要是被爆岩体有较好的临空面,因而在爆破过程中岩石间的夹制作用很小,对周边的震动影响程度亦有所下降。413　涌浪观测

在岸边设置高程桩点,爆破完成后,根据水线观测涌浪上升到岸上的最大高程。

根据水库放水情况,考虑到河道的自然流量,爆破坍落区仍保留有6～8m的水深。爆后观测,涌浪在坍落区对岸出现的最大峰值约为5115m,没有超过正常水位限制,亦没有造成水害。

　　根据设计资料,主爆区在距控制点(输电杆)50～110m之间,因此应分两区,即在50～80m范围内,控制最大单响药量小于350kg,而在80～110m之间,控制最大单响药量小于1400kg。

光面爆区最近点距控制点约20m,最远点为140m。考虑到光面爆破具有较大的临空面,爆破震动较小,因此可选择在20～30m范围内取为1段,在30～50m范围内为第2段,50～140m为第3段。

综合考虑,主炮孔选择MS7段、MS9段;光面爆破孔选择MS11段、MS13段、MS15段。MS1段联网,根据实际情况个别炮孔可插入MS3段联网,以调整最大单响药量符合控制要求。312　涌浪分析计算

在库区陡岩爆破,爆岩落水会产生涌浪,涌浪上岸会影响傍岸建筑物的安全。根据下式估算涌浪高度ΔH:

2/3

ΔH=0145λLT/(BhR)

(2)

式中:λ为抛体前沿宽,T为抛体厚,L为抛体滑距,B为抛掷堆积区水面宽,h为水深,R为距离;单位均为m。根据现场资料,λ=120m、T=40m、

L=100m、B=100m、hmax=16m、R=300m,于

ΔH=11134m是

涌浪高度是一个重要的控制指标,但更重要的是产生涌浪后,涌浪到达岸边时出现爬升现象。根据能量理论分析,结合现场环境因素,涌浪爬升几何平均高度可用下式计算:Δh=MH/(ρSh)

(3)

5　爆破效果和体会

这次爆破排险效果十分理想,一次爆破完成了约2万m3的排险工程,达到了预期的目标,保护了周围的环境设施,有许多经验值得总结。

(1)由于延时效果较明显,可清晰地辨出崖体依不同的时序下落坍塌,减少了涌浪同时生成的危险;

(2)爆破后边坡整齐与原始稳定岩体的自然边坡相近,可较长时间地保持相对稳定的状态;

(3)由于爆前水库库区采取了降水措施,从安全上确保了最危险情况下的涌浪不超过正常水位。实践证明本文采用能量法做出的涌浪及爬升的分析计算,是比较科学、合理的;

(4)由于临空面较好,排险过程中爆破震动对周

(下转第65页)

式中:Δh为涌浪几何平均爬升高度,m;M为抛体质量,t;H为抛体几何落差,m;ρ为水的密度,1t/m;S为涌浪波及面积,m;h为水域深度,m。

3

3

这里,M=2×21000=42000t、H=150m、S=300m×300m、h=16m,于是Δh=41375m。综合涌浪与其爬升,估计此次排险导致库区水浪涌向岸时的几何平均高度为ΔH+Δh=51509m。从安全角度出发,这里给出涌浪爬升的峰值高度Δhmax:

Δhmax=Δh/01424=101318m

(4)

徐成光:瀑布沟水电站地下厂房顶拱层开挖与爆破震动控制・65・支护结构的安全振动速度标准范围之内。对比相关安全振速标准表明,诱发的爆破震动不会对隧洞围岩及支护结构构成危害。

(2)厂房底板、边墙以及相邻隧洞边墙等特征点的爆破震动效应不完全相同。在同等药量及爆心距条件下,试验爆源(扩挖工作面)前方底板测点峰值振动速度相对其它测点要大;对底板同一测点而言,水平向振速一般大于垂直向振速,因此可以选择厂房扩挖工作面前方底板测点水平轴向振速作为爆破震动控制关键点。

(3)总体说来,厂房底板的质点爆破振动速度具有较明显的衰减趋势。根据实测资料按萨道夫斯基公式进行回归计算,可以得到如下的爆破振动速度衰减规律:

竖直方向:v=58(Q相关系数γ=0199

1/3

失);爆破对已开挖的洞室及其它建筑物的质点振动速度控制在设计允许的范围以内,赢得了监理、设计、业主和全国质量巡检专家的一致称赞。

4　结　语

由于厂房顶拱层是开挖质量要求很高的部位之一,有着严格的开挖成型要求和爆破损伤控制要求。通过对瀑布沟水电站地下厂房顶拱层开挖与爆破震动控制的具体实践,并在对爆破效果和振动观测数据进行分析的基础上,得出如下主要结论:

(1)瀑布沟水电站地下厂房顶拱层确定的开挖程序和开挖方法是合理的。

(2)通过对厂房底板、边墙以及厂房交叉洞室、相邻洞室边墙等特征部位大量的沿程爆破震动观测,掌握了厂房侧体扩挖爆破震动响应特点及传播特性,并根据实测数据总结出了厂房底板的质点爆破振动速度衰减规律,即式(1)和式(2)。在实际施工中,依据不同的被保护对象的相应的安全振动控制指标来不断修正爆破设计参数和优化起爆网路。爆破震动测点典型波形表明:采用的微差起爆网路较合理,没有发生重段、串段和明显的爆破震动叠加现象。瀑布沟水电站地下厂房顶拱层爆破震动控制总体上是成功的。

(3)由于确定了合理的开挖程序和开挖方法,并进行了控制爆破,比较有效地减弱了岩爆发生的强度;但在高地应力复杂地质条件下进行如此特大型地下厂房开挖施工中,如何完全杜绝岩爆的发生,还需进行更深入的研究和探索。参考文献:

〔1〕中国水利发电工程工程地质卷[M]1北京:中国电力出

版社,20001〔2〕孙广忠1工程地质与地质工程[M]1北京:地震出版社,

19931〔3〕刘兰亭1爆破工程地质[M]1陕西:陕西机械水电学院出

版,19891〔4〕水利电力部水利水电规划设计院1水利水电工程地质手

册[M]1北京:水利电力出版社,19851

/R)

1143

(1)(2)

水平轴向:v=117(Q相关系数γ=0193

1/3

/R)

1164

式中:v为质点振动速度,cm/s;Q为最大单段起爆药量,kg;R为爆心距离,m。

在实际施工中,可依据相应的安全振动控制指标[v]来确定允许的最大单段药量,及时调整钻爆参数,使开挖爆破对保护对象的振动影响控制在安全范围之内。

(4)从实测典型波形图分析,各段波峰基本按设计的微差间隔时间分隔开,并且由于雷管跳段使用,没有出现明显的振动峰值叠加现象,其爆破分段是基本合理的。314　爆破效果

具体爆破实践表明,厂房顶拱层开挖质量和爆破震动完全处于受控状态:开挖质量在整个瀑布沟水电站施工单位中处于最高水平,优良率达95%,开挖半孔率达到90%以上,炮孔痕迹保存率达98%以上(在开挖断面起拱线以上和边墙靠近底部区域,虽采取了多种预防岩爆措施,但仍没完全杜绝。某些洞段放炮后2～8h以内、也有滞后1～3d的,发生中等强度的岩爆,产生片状脱落,炮孔痕迹随即消

(上接第60页)

边的影响较小,有利于周围设施的安全;

(5)施工过程对危岩的观测很重要,它是保障安全生产的前提。参考文献:

〔1〕刘殿中,杨仕春1工程爆破实用手册[M]1北京:冶金工

业出版社,20031

〔2〕中国力学学会工程爆破专业委员会1爆破工程[M]1北

京:冶金工业出版社,19921

〔3〕中华人民共和国国家标准1爆破安全规程(GB6722-2003)[S]1北京:中国标准出版社,20041