水平预裂爆破在小湾水电站建基面保护层开挖中的应用

时间:2022-10-16 07:17:09

水平预裂爆破在小湾水电站建基面保护层开挖中的应用

摘 要 小湾水电站大坝和水垫塘水平建基面开挖面积31220m2,厚2.5m,开挖工程量78050m3。具有钻爆工作量大,开挖强度高,地质条件复杂,建基面开挖质量要求高的特点。鉴于以上特点,采用传统的保护层分层爆破开挖法无法满足建基面基础开挖工期和质量要求,因此小湾水电站建基面保护层开挖采用水平预裂爆破辅以浅孔梯段爆破法。实践证明,该施工方案工艺先进,参数确定合理,施工效率高,对按期保质完成小湾水电站基础开挖起到了决定性作用。

关键词小湾水电站工程基础开挖保护层水平预裂爆破

中图分类号:TV74 文献标识码: A 文章编号:

1工程概况

小湾水电站位于云南省西部南涧县与凤庆县交界的澜沧江中游河段,在干流河段与支流黑惠河交汇处下游1.5km处,系澜沧江中下游河段规划八个梯级中的第二级。

小湾水电站工程属大(1)型一等工程,该工程由高292m的混凝土双曲拱坝、坝后水垫塘及二道坝、左岸泄洪洞及右岸地下引水发电系统组成。大坝建成后将形成149.14×108m3的水库,电站装机容量4200MW(6×700MW)。

2基础开挖工程特性

建基面基岩岩性主要为黑云花岗片麻岩和角闪斜长片麻岩,两种岩层均属薄层透镜状片岩。坝址地段岩层呈单斜构造,横河分布,产状为N75°~85°W,NE∠75°~90°。左岸坝基水垫塘地段主要有F11、F19、F5断层,产状为EW走向,陡倾角,其中F11呈缓坡状延伸,破碎带宽度变化大。岩体风化以表层均匀风化为主,山脊部位的风化厚度大,冲沟和山坳地段风化层相对较薄,左岸强风化岩体底界埋深(铅直方向)一般为10~20m,弱风化岩体底界埋深一般为40~50m。受岸坡高差影响,岩体卸荷作用强烈,卸荷裂隙发育。其中强卸荷带地震波纵波速度Vp一般小于2500m/s,卸荷带地震纵波波速Vp一般为3000~4000m/s。

3保护层开挖方案的确定

鉴于大坝和水垫塘基础开挖工程的以上特点,采用传统的保护层分层爆破开挖法无法满足建基面开挖工期和质量要求,因此小湾电站主体工程建基面保护层开挖必须研究探索新型高效的施工工艺。

经各方认真研究,选择了孔底充填柔性垫层的保护层一次爆破法和水平预裂辅以垂直浅孔梯段爆破法两种方案作为大坝和水垫塘基础保护层开挖的主要方案。

后经现场生产性爆破试验对比,孔底充填柔性垫层的保护层一次爆破法不适于小湾地区的节理裂隙较发育、脆性较大的岩体开挖。因此决定采用水平预裂辅以垂直浅孔梯段爆破相结合的施工方案,快速开挖保护层。

该方案主要利用水平预裂缝减小梯段爆破地震效应对水平建基面的震动作用,可有效阻止梯段爆破在岩体中产生的爆破裂隙使节理裂隙面、层面的破坏延伸到建基面,从而减轻了建基面的整修清理工作量,大大加快了施工进度。

4爆破设计与施工

4.1保护层厚度的确定

根据有关技术规定,并结合小湾水电站坝区的地质条件和现场生产性爆破试验成果对比分析,确定保护层厚度按上一层梯段爆破药卷直径的30倍控制,且不小于2.0m,最终确定保护层厚度为2.5m。

4.2爆破参数的确定

4.2.1水平预裂参数的选择与确定

4.2.1.1大坝建基面水平预裂参数的选择与确定

①钻孔直径D:根据我国水利工程边坡预裂爆破一般采用孔径为89~110mm的施工经验,并结合小湾工程现有的钻孔机械设备的性能特点,选择YQ-100B潜孔钻作为水平预裂孔的主要钻孔机具,钻孔直径为90mm,其次选择手风钻为辅助钻孔机具,钻孔直径为42mm。

②钻孔间距:钻孔间距a和钻孔直径D的关系可用间距系数n来表示:a=nD;n值的大小决定着钻孔的数量,n值过大,不能保证预裂缝的形成,影响预裂效果;n值过小,将增加钻孔数量,不经济,并且影响施工进度。根据经验—般认为n值取7~12较合适。

经多次生产性试验和施工总结,确定采用YQ-100B潜孔钻施工时,设计钻孔间距80~100cm,n值为8~10;采用手风钻施工时,设计钻孔间距45~50cm,n值为10。

③不偶合系数E:根据钻孔直径D的大小选择药卷直径d。不偶合系数E是指钻孔直径与药卷直径的比值,可用E=D/d表示。用于小湾工程预裂爆破和光面爆破的药卷直径有32mm和25mm两种,钻孔直径为90mm时,选用Φ32mm药卷底部加强,上部Φ25mm药卷间隔装药,E值为3.6。钻孔直径为42mm时,选用Φ25mm直径的药卷,E值为1.68。

④钻孔深度L:水平预裂的钻孔施工难度较大,当钻孔深度过大,孔深超过10m时,钻孔水平精度难以掌握,往往出现向下偏斜,造成孔口与孔底不在同一高程上,最大偏差达50cm,为保证建基面的开挖平整度,实际钻孔过程中除严格控制开孔孔位高程和角度外,还必须控制钻孔深度。当采用YQ-100B钻机时,钻孔深度以≤10m为宜,最长不超过15m;采用手风钻钻孔时,钻孔深度以≤3m为宜。

⑤线装药密度QL:根据小湾水电站坝区岩体特性,微新岩石的抗压强度一般在130~170Mpa,参照其它水电工程的经验,选择经验公式为:

QL=kd(g/m)

d——炮孔直径(mm);

a——炮孔间距(cm);

k——岩石系数,坚硬岩石为0.6,中等强度岩石为0.4~0.5,软岩为0.3~0.4。

依据上式计算的结果,并经生产性试验不断调整线装药密度,最终确定线装药密度为350~400g/m。

⑥装药结构设计:水平预裂与一般边坡预裂有着本质上的区别。一般边坡预裂爆破是在无限体中进行的,底部夹制作用较大,而水平预裂爆破是在2.0~3.0m厚的有限体中进行,类似于光面爆破,底部夹制作用小。爆破施工过程中,根据钻孔深度的不同,将确定的线装药密度均匀分布在孔内,孔底40cm范围内装药密度适当增加一倍,孔口堵塞长度以下50cm适当减小一半药量。典型装药结构见图l。

图1 水平预裂孔典型装药结构图

⑦堵塞长度L1 :堵塞长度一般按经验公式L1=(1~1.2)a考虑。实践证明,孔口堵塞长度对水平预裂面的效果有一定影响,堵塞长度过短,则爆破时气体逸出,不易形成预裂缝或预裂缝宽度不够;堵塞长度过长,则在孔口附近部位易残留水平炮孔。实际施工中的堵塞长度根据爆破效果进行不断调整修正,一般取100~120cm为宜,手风钻所造预裂孔堵塞长度为40~50cm。

4.2.1.2水垫塘建基面水平预裂参数的选择与确定

根据大坝水平建基面开挖经验,结合水垫塘开挖的特点,水垫塘建基面开挖采用新型爆破技术——聚能预裂爆破技术。

①聚能预裂孔孔距

a=K1·K2(18~30)D

式中

K1——岩石抗压强度系数,当岩石普氏系数f≥6时,K1=1.0,当f≤6时,K1=0.86;

K2——岩石完整性系数,当岩石为弱风化且完整性好时,K2=1.15,当岩石为强风化且完整性差时,K2=0.83;

D——钻孔孔径,单位mm。

YQ-100B潜孔钻钻孔,孔径为90mm,a=1.0×1.15×(18~30)×90=1863~3105mm,根据工程类比,一般选取a=2.0m效果好。

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