大河水库混凝土面板堆石坝石料开采控制爆破试验.pdf

人 民 珠 江P E A R LR I VE R 2 0 0 3年第 3期 大河水库混凝土面板堆石坝石料 开采控制爆破试验 马 忠旭 广 东省水利 水电二局 ， 广 东 增城5 1 1 3 4 0 摘要 介绍 了大河 水库混 凝土 面板堆 石坝石料开采控制爆破 试验初步研 究的基本情 况 。该试 验应 用深孔梯段 爆 破和峒室爆破开采石料， 均达到石料级配优 良、 大块率低、 开采率高及工程成本低等要求， 现场爆料碾压试验也达 到了设计指标的要求。总结该项试验成果， 以供混凝土面板堆石坝的建设参考。 关键词 石料开采 ； 控制爆破 ； 深孔梯段 爆破 ； 峒室爆破 ； 混凝 土面板堆石坝 ； 大河 水库 中图分类 号 T V 6 4 1 ， 4 ； T V 5 4 2 文献标识码 B 文章 编号 1 0 0 1 - 9 2 3 5 2 0 0 3 0 3 ． 0 0 3 2 - 0 3 1 工 程概况 大河水库 位 于广 东省 阳江市 境 内漠 阳江上游 的西 山河 上 ， 是一 项 防洪 、 发 电 、 灌 溉 、 供水 和改善 航运 的综合 水 利工 程。水库总库容为 3 ， 3 2亿 m 3 ， 最大坝高 6 9 ， 5 m， 坝顶长 2 4 0 m， 顶宽 6 m， 上下 游坝 坡均 为 1 1 ． 4 。大 坝上 游为 钢筋 混凝 土面板 ， 向下游依次为垫层区、 过渡层区、 主堆石区和次堆石 区。坝体 总填 筑方量为 7 3 ， 8 6万 m 3 ， 其 中垫 层料 2 ， 1 2万 m 3 ， 过 渡料 3 ， 1 6万 m 3 ， 主堆石 料 4 5 ． o 3 万 m 3 ， 次堆石 料 2 3 ． 5 6万 m 3 。各区石料设计要求指标详见表 1 。 表 1 坝体各 区石料设计指标 2 开采 区工程地质 条件 石料场位于茅田村东北面的大冲沟内侧， 距离大河水库 坝址约 3 ． 5 k r n 。料场产地为 V字型沟谷地貌单元 ， 冲沟两边 岩石成片裸露 ， 沟底地表水长流， 山坡坡度约 3 5 。 5 5 。 ， 局部 地段呈陡崖 。 料场处于泥盆系和寒武系两种不同地层的角度不整合 接触分界线的地段。其中石屋坑地段为寒武系地层 ， 岩性主 要是灰绿色细粒长石石英变质砂岩与灰绿色绢云母页岩互 层 ， 夹有粉细砂 及粉 砂质 绢 云母 页岩 。该 处 岩石 风化 破碎 ， 节理裂隙发育， 抗压强度低。石屋顶地段主要为泥盆系桂头 群下亚群 Da d 岩组 。岩性 以灰 白、 浅 灰色 中粗粒 石英 砂 岩为主， 夹薄层状紫红 、 紫灰色粉细砂岩。岩石坚硬， 抗压强 度较高 ， 受区域断层切割和破碎带影响， 节理、 裂隙和断层发 收稿 日期 2 0 0 2 - 0 9 - 0 2 作者简 介 马忠旭 ， 男 ， 甘肃合作人 ， 从事水 利水电工程施工工作 。 3 2 育。 3 爆破试验设 计 3 ， 1 爆 破试验技术 要求与设计思想 面板堆石坝石料开采爆破 的技术要求与通常的开挖爆 破不同。它充分考虑地质因素、 爆破条件 、 岩体成因、 断层构 造、 裂隙率、 裂隙频率 以及风化程度等因素对爆破石料的颗 粒组成影响， 通过控制爆破技术， 使爆破料的颗粒级配组成 符合设计指标， 满足压实和渗流特性要求。大河水库面板堆 石坝石料的基本技术要求为 ①控制石料的最大粒径分别小 于 3 0 0 m m 过 渡料 和 6 0 0 to n i 主堆 石 ； ②颗 粒组 成位 于设 计级配包络线内， 设法提高 5 to n i 以下的细颗粒含量， 增大石 料的不均匀系数 ； ③扩大孔网面积， 提高石料开采效率 ， 降低 成本 ； ④避 免或减少二 次破碎量 。 维普资讯 基于上述爆破技术要求， 综合考虑施工强度要求 月上 坝石料 1 0万 r n 3 、 开采区地貌与地质因素以及现场具体施工 条件 ， 确定 采取深孔梯段 和峒室两 种爆破 方式 。在 岩石 强度 较高， 层理、 节理及原生隙较不发育， 完整性较好的地层进行 深孔梯段爆破 ， 在岩石强度低， 层理、 节理及裂隙发育 、 风化 程度高等山势陡峭地带进行大规模峒室爆破 ， 这样， 既满足 设计技术要求， 又可以达到生产强度指标， 还解决了由于山 势陡峭而施工困难的问题 。 3 ． 2 深孔梯段爆 破 3 ． 2 ． 1 钻机 和爆 破器材 钻机为 Q Z J 一1 0 0 B型架 钻 ， 钻 头直 径 为 9 4 m m。炸药 为 国营九六五五厂生产的 串 7 5 m m卷装 A E型乳化炸药。其主 要指标为 猛度大于 1 6 m m， 爆 速 4 5 0 0 m ／ s 左右 ， 殉爆 距离大 于 3 e m， 起爆器材 为广西大华化 工厂生产 的非 电毫秒雷管 。 3 ． 2 ． 2 爆 破参数设计 基于前述爆破设计思想 ， 结合地质条件和梯段诸要素， 确定了各级爆破试验的爆破参数， 详见表 2 。为了便于分析 爆破因素和爆破 效果 的关 系 ， 每 组试 验 实际钻 爆 参数 、 装 药 情况 的现场记 录 ， 整 理于表 3 。 需要进一步说明的是第一组爆破充分利用层理 、 裂隙的 爆破方式 ， 采用了较大的孔 网参数， 使每米钻孔 的控制爆破 方量 达到了 1 0 r n 3 左 右 ， 并采用 了较 小 的单 耗药 量 。第 二组 爆破试验则采用孔距与排距基本相同的钻孔布置， 并适当提 高单耗药量， 起爆方式采用孔问微差爆破 ， 以增加爆碴的细 颗粒含量， 从而改善爆料颗粒组配。第三组爆破试验采用了 较宽的孔距和较小的抵抗线 ， 孔、 排距之比为 2 ． 0左右， 使岩 体在爆破时产生较大的扭曲和撕裂， 达到较充分利用炸药能 量及破碎 均匀的效果 。 3 ． 3 峒室爆破 石屋坑峒室爆破试 验 ， 采用 了多层 多排 条形布 药。共布 置了 5 条 导洞 ， 1 2个药 室 ， 总 长为 2 2 3 ． 3 m， 计 5 5 9 ． 9 m 3 。条 形药 室的 设 计 装药 量 ， 按 鲍 列 什 柯 夫 公 式 计算 ， 总装 药 量 3 0 5 4 5 ， 2 k g ， 共爆 石方 5 2 5 3 5 m 3 。爆破 设计计算成 果见表 4 。 表 2 堆石料爆破试验爆破设计 参数一览表 4 爆破效果及爆料颗 粒组成分析 4 ． 1 爆破效果分析 三组深孔梯段爆破试验， 由于施工现场具体条件的影 响， 与原设计孔网参数有一定误差， 但总体还是体现出了原 设计的思想意图。第一组爆破的台阶面最不整齐。 是未经开 挖的裸露基岩岩面， 台阶抵抗线方向和侧向均有突出的脱离 33 维普资讯 母岩的大岩块 ， 爆破试验的同时安排 了数十个手风钻钻孔 ， 但仍有爆破时直接滚落的岩块， 其中最大 的一块体积达 2 ． 6 r n 3 ， 该场爆破试验的大块率较多， 据统计大于 8 0 0 i n l n的超径 大块石多达 2 0余块 ， 总体积为 4 0 m 3 ， 占爆破方量的 1 ． 6 ％， 其余两场爆破， 抵抗线方向的台阶面已经开挖修整 ， 所以爆 后 超径大块较少 ， 仅为爆破试 验方量 的 0 ． 5 ％左 右 ， 主要产 生 于台阶表面的堵塞段。三组爆破试验 ， 爆后堆碴都 比较集 中， 未发生抛散和冲炮现象。 石屋坑峒 室爆 破试 验 ， 由于该 处 岩石 节理 裂 隙发 育 ， 岩 层较薄， 爆后石料颗粒较碎， 一般粒径在 1 0 0～3 0 0 i n ln范围 内， 大块石数量 不到 1 ％ ， 无 明显 飞石 抛散 ， 堆 于爆 破边 坡根 部 。 4 ． 2 爆破石料 颗粒级配分 析 堆石 体的力 学 性 质 在很 大 程 度上 取 决 于 石 料 的级 配 。 在坝工建设中， 堆石料的颗粒级配组成是以不均匀性和细颗 粒含量 为研究对象 。为此 ， 本 次爆破试 验对 每次爆 破的石 料 都随机取样进行了筛分， 合计筛分量 7 8 5 6 7 ． 7 3 k g ， 其中 3组 深孔梯段爆破的筛分量依次分别为 1 1 5 5 0 ． 4 k g 、 2 7 7 8 8 ． 5 l g 、 2 9 2 6 2 ． 1 k g ， 石屋 坑峒 室爆 破 的筛分 量为 9 9 6 7 k g 。 由整 理的颗分级配曲线可看出 3组深孔梯段爆破的颗粒组成大 同小异 ， 其共同特点 是 ①颗 粒大小级 配 曲线 是光 滑渐 变的 ， 石料粒度分布连续； ②粗颗粒含量满足设计要求， 均落入设 计包络线 内 ， 只有 6 O O～8 0 0 i n l n的大 块 石含 量 稍 大 ； ③ 1 0 0 i n l n以下 的较细粒 含量 的颗分曲线位 于设计包络 线上 限 的外 侧， 表明含量偏小 ， 根据已建成的堆石坝经验 ， 在碾压过程中 石料将会产生二次破碎 ， 细粒含量将会迅速增加， 因此， 总体 来看 ， 本次试验 的石料级配是 较好的 。 4 ． 3 爆破试 验料 的碾压结 果 爆料 碾压试验 在 专辟 的碾 压场 上进 行 。主堆 石料 碾 压 试 验共进行 了 2 大场 1 2 小场 ， 铺层 厚度分别为 8 0 0 i n l n 、 1 0 0 0 i n l n ， 碾压机械为陕西省水利机械修造厂生产的Y Z J 一1 8型牵 引式振动碾， 其工作质量 1 8 t ， 滚筒质量 8 ． 7 t ， 激振力 4 O O k N， 静线压力 8 8 2 N ／ c m。过渡料碾压试验进行了 1大场 1 6小 场， 铺层厚度分别为 4 O O～5 0 0 i n l n ， 碾压机械为徐州产的 C A 一 2 5 D型 自行式振动碾 ， 其重量为 9 ． 1 t ， 静线压力 2 3 0 N ／ c m， 激振力 为 2 0 2 k N 。在此 ， 仅 以主堆 料 的试验 结果 来说 明 ， 结 果表明 ①爆料的碾压结果取决于其颗粒大小级配 ， 级配优 良的爆料其碾压质量是保证的； ②加水量对砂岩地区的堆石 料的压实有显著的影响， 对碾压的沉降率有着十分显著的影 响， 而沉降量随碾压遍数的增加变化迟缓； ③在 1 8 t 振动碾 碾压条件下， 铺料厚度 8 0 0 m m与 1 0 0 0 i n l n的压实效果无显 著的变化； ④碾压后 的干密度都达到或超过了设计指标， 表 明爆破设计是合理的。 表 4 峒 室爆破设 计计算成果表 5结语 大河水库坝料 开采爆破试验经 过两 个 阶段 ， 历 时两 个多 月 ， 共进行 了 4组 现场 爆破 试 验 ， 其 中 3组深 孔 梯段 爆 破 ， 1 组峒室爆破。综合本次试验的研究分析成果 ， 有以下几点体 会 a 爆 岩的工 程地 质 条件 是 爆破 设 计 的依据 ， 是 影 响爆 破效果 的重要 因素 ， 因此 ， 对爆 岩地质 情况 的掌握 十分重 要 ， 在爆 破设 计前须对爆 岩做充分 的地质 调查分析 。 b 装药结构是影响爆破效果 的重要环节， 是改善爆料 级配、 降低大块率及提高炸药爆破能量有效利用率的途径之 一 。结合本次试验 ， 通过经济技术分析认为， 将单孔药量的 2 ／ 3 ～3 ／ 4 做 为 5的药卷放 在炮孔 底部 ， 下转 第 5 3页 维普资讯 表 3 溢流坝段 有限元计算结果 5 结 果分 析 有限元计算结果显示， 坝基面及其附近的应力分布与材 料力学方法的计算结果有较大差别， 经试算分析发现， 此范 围的应力分布主要跟坝体材料弹模与基岩弹模的相对比值 有关， 因缺乏有关坝体应力及位移的监测资料来对计算结果 进行校核或对计算参数进行反分析以使计算结果更准确可 靠， 以及所采用的计算模型与坝体实际运行状况之间存在的 差异 ， 有 限元计算 的结果只能 是一定程 度上 的定量 分析 。计 算结果中的坝踵拉应力不代表该处真实的应力值 ， 它随采用 的计算单元网格尺寸大小不同而有所改变 ， 单元越细， 拉应 力值往往越大， 但其分布的趋势和范围相对稳定； 对不同工 况的计算采用相同的单元网格， 所得结果具有可比性。 计算中没有考虑坝踵受拉时开裂对坝体应力的影响， 当 坝踵拉应力超过材料抗拉强度时将产生开裂， 从而使坝踵拉 应力得到释放并转移 ， 所以坝踵实际拉应力值会比计算得出 值 小 ， 但拉应 力区范 围变化 不大 。坝踵 开裂 有可能破 坏 防渗 帷幕， 增大坝底扬压力， 所以计算结果中的坝基面上受拉区 宽度是一个值得重视的指标。非溢流坝段防渗帷幕离坝踵 的距离 为 l 2 ． 9 5 m， 溢 流坝 段 为 l 1 ． 0 2 m， 大 坝运 行过 程 中要 控制坝基 面上拉应力 区的宽度不宜扩 大到 防渗帷幕 的位 置。 由表 2非溢流坝段计算结果看出， 在校核洪水位时坝基面上 拉应力 区的宽度为 l 1 ． 2 m， 距 防渗 帷幕 1 ． 7 5 m， 相 对应 的坝 踵 主 拉 应力 o 达到 3 ． 0 2 MP a ， 此工况运行对 防渗帷幕 的威 胁很 大 ； 设计 洪水位 时坝 基面 上拉 应力 区 的宽 度为 1 0 ． 0 m， 距防渗帷幕 2 ． 9 5 m， 相应坝踵主 拉 应力 o ， 为 2 ． 8 5 M P a ， 此 工况下运行时防渗帷幕的安全度相对要大一些。校核和设 计洪水位时溢流坝段坝基面的拉应力范 围距 防渗帷幕 的距 离分别为 1 ． 5 2 m和 3 ． 0 2 m， 坝踵拉应力值较非溢流坝段处 小 ， 所 以控制断 面在非溢流坝段 。 由表 2 、 表 3 计算结果可知 ， 坝体在各运行工况下的 主 压应力都不高， 不会发生受压破坏。 坝 堰 顶水平位移值的大小与荷载的大小及坝体材料 弹性模量的取值有关， 若大坝运行期间有准确的位移监测资 料， 则对校核计算可有很好的帮助。 采用拟静力法进行的地震工况计算结果显示此工况下 坝体的安全度介于正常蓄水位与设计洪水位之间。浆砌石 坝体在实际动力荷载作用下的动力反应特性则有待于更进 一 步的研究 。 6 结语 因缺乏原始的施工资料和一些必要的监测资料以及计 算方法本身的简化和近似 ， 计算结果只能是一定程度上的定 量分析。结果显示在校核洪水位时坝踵拉应力及拉应力区 的范 围均很 大 ， 已威胁 到 防渗 帷幕 的安 全 ； 设计 洪 水位 时大 坝防渗帷幕距拉应力区约有 3 ． 0 m左右的距离， 因此大坝的 运行 水位 以不超 过校核洪水位 为宜。 建议建立有效的位移监测系统， 这样不仅可直接掌握大 坝的变形状况 ， 也可为更准确的计算分析提供依据。 参考文献 [ 1 ]华东水利学院 ． 水工设 计手册 第 4卷 土石 坝 [ M] ． 北 京 水 利电力 出版社 ， 1 9 8 4 ． ‘ [ 2 ]S L 2 59 1 ， 浆 砌石坝设计规范 [ s ] ． 责任编辑 卜 一 上接 第 3 4页 把单孔药量的 1 ／ 3 1 ／ 4 ， 为 中 6 0的药卷放于炮孔上部， 并取 堵塞长度为 0 ． 8 倍的最小抵抗线， 采用粘粒含量较高的土作 为堵孔材料 ， 实践表明， 既降低了大块率和爆破成本， 又便于 施工 。 c 在开采能力不足 、 供料强度低时， 在适 当地层进行一 定规模 的峒室爆破 ， 是抢时 间赶 工期的有效措施 。 d 钻孔深度应严格控制在同一高程上， 以使钻孔底面 平整 ， 避免台阶面高低相差较大， 不利钻孔布置， 改变爆破作 用 ， 影响钻爆 效果 。 责任编辑 卜 一 5 3 维普资讯