西大洋水库除险加固临近土石坝的控制爆破

西大洋水库除险加固临近土石坝的控制爆破
刘治峰
【摘要】为确保溢洪道开挖爆破施工中土石坝的安全,爆破产生的振动不能危及土坝粘土斜墙的稳定,不能产生任何裂缝.在西大洋水库除险加固工程临近土坝的控制
爆破前,根据工程状况、地质情况、爆破方案及爆破参数,专门进行了前期爆破试验、模拟爆破试验,通过试验得出了可靠的安全判据和控制标准,为确保正在运行蓄水的
坝体及整个大坝的安全、稳定提供了依据.
【期刊名称】《水科学与工程技术》
【年(卷),期】2014(000)004
【总页数】5页(P89-93)
【关键词】控制爆破;溢洪道开挖;块度控制;试验坝;爆破参数;土石坝稳定
【作者】刘治峰
【作者单位】河北省水利工程局,石家庄050021
【正文语种】中文
【中图分类】TV641
1.1 工程概况
西大洋水库位于河北省唐县境内大清河南支唐河出山口处，其控制流域面积
4420km2，总库容11.37亿m3，是一座以防洪为主，兼顾城市供水、灌溉、发
电等综合利用的大（Ⅰ）型水库，是唐河上重要的控制性枢纽工程，对下游保定市和京广铁路及以东人口稠密的河北平原，以及京、津两市的防洪起着重要作用。

现状水库枢纽由一座主坝、四座副坝、正常溢洪道、非常溢洪道、泄洪洞、输水洞、发电站等建（构）筑物组成。

主坝为均质土坝，坝顶长1799.55m，最大坝高54.3m，坝顶宽5.0m，坝顶高程151.15m，防浪墙顶高程152.35m。

正常溢洪
道位于主坝右侧，设8孔闸，每孔宽9m，进口为实用堰，堰顶高程133.25m，
平板升卧式闸门挡水，固定卷扬式启闭机控制。

1.2 工程地质
西大洋水库库区及附近地区山脉多呈NE~SW，与本区地质构造线一致，库区最高点高程为450m，最低点为96.8m，相对高差100~350m，除局部河谷外，一般山脉较为平缓，地貌单元主要为低山丘陵、台地、河间盆地等。

1.3 工程难点
西大洋水库主坝安全系数偏低，防洪标准偏低，经安全鉴定为三类坝。

除险加固工程有改建、扩建正常溢洪道、增大正常溢洪道泄洪能力，在改建溢洪道同时，利用溢洪道开采的石渣加高大坝，将下游坝坡放缓加厚。

并将正常溢洪道堰型改建为驼峰堰，堰顶高程为130.45m，单孔净宽15m，共6孔，闸室长32m，闸墩厚
2.8m，底板厚
3.0m，底板高程127.95m，驼峰堰高2.5m。

以弧形闸门挡水，液压启闭机控制。

1.3.1 溢洪道开挖
溢洪道土石方开挖量48.4万m3，主坝堆石填筑工程量为124.9万m3，折合自
然方95.3万m3。

石料不足部分另选料场爆破采石。

溢洪道开挖总长874m，最大开挖深度47m，平均38m。

溢洪道两岸由底部向上每隔10m设一条马道，马道宽度1.0m。

溢洪道右岸开挖主要集中在桩号0+275上游至闸室段，开挖厚度较薄，仅为3~6m，大部分开挖工程量在左岸，厚度
10~22m。

1.3.2 开采石料的块度控制
主坝下游坝坡加高加厚采用爆破开挖溢洪道的Ⅵ类及以上岩石，Ⅴ类岩石不允许上坝，不足部分由副坝左侧料场提供。

上坝石渣最大粒径不得大于0.8m，且应有较好的连续级配。

粒径0.1mm以下的沙、土、石粉等颗粒含量不得超过5%，不得含有草、木等有机物质。

填筑层厚度每次不宜超过120cm，填筑时不得发生粗料集中及架空现象。

石渣碾压后要求孔隙率不大于25%，干容重应不小于
20kN/m3。

1.3.3 原闸室的爆破拆除
溢洪道原闸室共8孔闸，9个闸墩，每孔净宽9.0m，顶部为工作桥和检修桥。

闸墩底宽2.0m，顶宽1.15m，顺河长25m，高度24m，高宽比达20倍，因无倾倒空间，前后左右均不能倒塌，只能原地坍塌。

其形状上小下大，形状特殊，作为水工建筑物含钢筋量很高，对拆除工艺提出很高要求。

因原溢洪道扩挖，涉及到与溢洪道紧密相连的土坝的安全。

首先溢洪道开挖的爆破施工必须确保土坝的稳定，不能产生坍塌、滑动和裂缝。

其次爆破产生的振动不能危及土坝中心粘土斜墙的稳定，不能产生任何裂缝，否则会造成正在运行蓄水的坝体产生渗漏，危及整个大坝的安全，因此必须正确进行爆破方案的设计，合理选择爆破参数，严格限制单响药量，准确控制爆破振动影响范围和影响程度，确保工程安全。

如何确保正在运行蓄水的土坝的安全，我国国家安全规程和行业相关规范都没有资料可参照，无章可循，为此专门进行了前期爆破试验，并进行专门的模拟破坏试验，给出可靠的安全判据和控制标准，为确保工程安全给出了科学依据，可为其他土石坝的抗振安全提供重要的参考实例，这一经验数据对同类工程实践有着重要指导意义。

2.1 溢洪道开挖爆破对土坝安全影响的试验研究
2.1.1 试验条件和观测布置
为了近似模拟开挖爆破对土坝接头的破坏影响，在溢洪道开挖区台阶岩坡处，按碾
压土坝的要求用人工填筑了一座高4.5m、顶宽10m、长15m的试验小土坝进行观测。

该试验土坝的平均干容重1.64g/cm3，平均含水量28.6%，根据土料分类标准属粉质粘土。

观测仪器布置如下：
（1）在土坝接头处，布置动土压力计共6个，以测定岩体与土体界面处爆炸动应力情况和土体中的动应力衰减情况。

（2）在相应地点布置了2台速度传感器，观测径向水平振动速度，与动应力观测资料相对照，以检测应力波参数的准确性。

（3）在试验坝与岩体交界面两侧不同距离处布置三分量的振速传感器18台，以观测通过两种不同介质交界面的振波参数变化。

（4）利用改装后的隧洞变形仪测定土坝接头处爆破作用时的变形情况，与宏观情况相对照，以了解坝头的变形特性和破坏准则。

试验炮炮孔沿试验坝轴方向由远至近布置，孔内用耦合装药，逐一放炮进行观测。

炮孔及测点仪器布置情况见图1所示。

2.1.2 主要观测结果及分析
2.1.2.1 岩土界面应力波参数和特性
根据岩土界面附近应力波参数，从波形图中得知界面应力波参数有以下特点：（1）所有应力波具有一个明显的压力峰值，其值与一维应力波σ=ρcV计算值相吻合，压力峰的平均升压时间约为11ms，峰值过后压力迅速下降为零，该压力波的正压作用时间τ+与爆破的折算距离r和压力峰值大小有关。

本试验场区=2.0～6.0），正压作用时间τ+随的增大而减小。

（2）第一个压力峰值过后部分波形出现微弱负压，其值一般小于压力峰值的5%～10%，然后出现明显的周期性衰减振动，其平均振动周期约为20.5Hz，与一般估算土坝自振频率的关系式F=（H为坝高，m）的计算结果相近，而振动衰减的阻尼比为0.197，似略偏大。

（3）每次爆破之后，界面上的压力波曲线大部分不回零，尚有1～3N/cm2的残余压应力。

（4）离界面0.5和1.0m的土坝中的测点压力峰值与折算距离成反比，如图2所示，回归的经验式为：
离土坝与岩体交界面0.5m处，Pr=0.34（11-）；
离土坝与岩体交界面1.0m处，Pr=0.36（11-）。

以上经验式的适用范围是=2～10。

2.1.2.2 试验坝坝肩接头爆破变形
该项观测时利用改装的隧洞变形仪测定交界面附近坝肩的残余变形情况，仪器的一端固定在岩石的混凝土基础上，另一端则固定在土坝坝面预埋的混凝土基础上，同一地点布置了两种不同跨距的仪器（1#～5#仪器跨距为 2.0m，6#～10#跨距为3.5m）以资比较。

其主要观测结果如图3所示，从图3可知：
（1）在每次爆破后，各测点都有不同程度的残余变形出现，该值随折算距离的减小而增加。

（2）所有同地点而跨距不相同的测点所记录到的残余变形量几乎一样，此点可说明土坝接头部位在爆炸应力波作用下变形区域范围很窄。

（3）在爆炸动力作用下，土坝接头有明显的蠕变性质，每次爆破后的残余变形量随时间逐渐减少。

产生最大残余变形的3#测点，在一次爆破最大变形量达
2.4mm，而多次爆破的累计变形量达4.1mm情况下尚未发现宏观破裂现象。

（4）从每次爆破实测的最大残余变形量δ与相应的值关系曲线如图4所示。

从图4清楚看出，当＞5时，爆破产生的残余变形的变化率差异不很大；当＜5之后，其变化率显著增大；当≤2.5时，土坝接头部位的土体有可能产生逆流状态，可能导致开裂破坏。

2.1.2.3 爆破振动效应
爆破振动效应观测主要集中于试验土坝坝肩岩土交界面两侧，以了解岩体内爆破振动波进入土体时的性状及参数变化规律，为此在交界面两侧分别布置了三分量振速传感器。

（1）根据实测振动数据得到振速V与折算距离的关系曲线如图5所示，从图5可知，竖直向和水平径向振速VL和Vr均较水平横向振速Vc为大，相差达一倍以上。

（1）在所有的值范围内，岩石上的三个分量振速值都较土体处大，说明振动波进入土体后明显衰减。

（2）在振动频率方面，交界面后试验土坝接头处的振动频率较界面前岩石一侧的频率普遍降低，这说明土体有明显的高频滤波作用。

（3）对典型振动波进行了富氏谱分析，从结果中看到，在岩石一侧，各测点振动的卓越频率在25Hz以上，最大达50Hz，而在试验土坝一侧，卓越频率在25Hz
以下，最低为十几个Hz，富氏谱基本上只有一个（最多两个）明显的峰值，而在
其他频率下的振幅谱值都很小，说明在单个小药量、近距离爆破时，测点振动具有频率较高、频带较窄和衰减较快等特点。

从本次试验实测标准加速度反应谱图中可以看到，单个炮孔爆破反应谱曲线β值
较峒室爆破为小，当T＞0.1s后，相应的β值仅为0.1，这说明了小药量、近距离对于自振周期在0.1s以上的建筑物来说，振动反应都很微小，与通常由于地震引
起顶部破坏的情况不同，建筑物的破坏主要发生在基础下部，并由应力波参数控制。

2.1.2.4 土体内部深层变形
土体内部深层变形观测是用伺服加速计式测斜仪进行的。

先用钻机在试验土坝上钻孔，埋入斜管，周围用中砂回填，并用电动振捣器振密实，每次爆破前后进行观测，以了解每次爆破时不同深度土层的变形情况，从观测成果中可以看到：
（1）第10炮之前，每次爆破后测斜管的变形量不大，一般都在0.5mm以内，
总的累计变形量在2mm左右，4个测斜管的变形量大同小异，配合宏观观察，测
斜管周围砂子无下沉现象，试验土坝上也未出现裂缝。

（2）从4个测斜管的变形趋势可以明显看到，SN向变形大，E-W向变形小。

分析认为这是由于土坝的东面与岩体交接，受到约束所致。

（3）从每一测点沿深度变形情况看，一般都是表面变形大，深层变形小，愈往深处变形愈小，这和土坝易在表面出现裂缝而往深层逐渐尖灭的现象是一致的。

（4）第 11炮爆破后，测斜管变形骤大，达 4～8mm，爆后发现测斜管周围的砂子明显下沉，试验土坝表面出现了多条大小裂缝。

2.1.3 爆破振动的安全判断与控制标准
2.1.
3.1 近区爆破
试验资料表明，爆破对土坝的安全影响主要是坝肩接头处受应力波和振动波作用。

当爆破折算距离＞5.0时，土岩界面附近的压力峰值Pr≈20N/cm2；相应的最大竖直向振速≤7.5cm/s；水平径向振速rr≤11.0cm/s，此时试验坝接头处2.0m范围内爆后产生的残余变形δ≤0.63mm，仍属安全范围。

当r≤4.0时，最大振速约为12～14cm/s；土岩界面压力峰值Pr为25N/cm2；而残余变形δ=0.8mm，则处于临界状态。

当r≤2.5～3.0 时，最大振速达 18～20cm/s；土岩界面压力峰值Pr≤30N/cm2；残余变形δ=1.2～1.6mm，试验坝接头部位碾压较差的表面地方有微小裂缝出现。

最后作破坏试验时，=1.5（实际距离R=3.5m）最大振速达20cm/s以上，试验坝接头和坝肩都发生了十分严重的破坏，多条纵向裂缝宽达1.5cm，深度达20cm以上，延伸长度达10m以上。

此时试验土坝接头部位已属爆破破裂区范围。

考虑到水库工程的重要性，施工安全应留有足够的余地；也考虑到多次重复爆破对建筑物的影响及试验模拟方法和量测手段仍不够理想，可能存在误差。

采用一定的安全系数是完全必要的。

但也不应控制过严，为此，采用土坝接头岩石一侧的最大振速控制在Vmax=5～6cm/s是可行的。

2.1.
3.2 远区爆破
应根据爆破振动的波谱特性，结合到土坝本身的结构状态，进行动力分析，求出坝体所能容许承受的振动量值。

作为初步的判断，本着从严要求并留有余地的精神，采用控制地面（坝基）振动速度不超过2～3cm/s，也是可行的。

2.2 爆破方案与爆破参数
2.2.1 爆破方案
采用预留侧向保护层，分别进行预裂爆破加光面爆破的控制爆破方案。

在距离设计开挖边线3.0m处设置预裂爆破孔，主爆孔起爆前先进行预裂爆破，先形成一条较为规整的开挖边线，为下一步光面爆破创造良好的临界面条件，使抵抗线基本均匀一致。

这条预裂缝的形成可以有效地降低主爆孔爆破造成的振动影响，确保保留岩体的安全稳定。

同时主爆孔起爆造成岩体后缘的裂缝扩延到预裂缝处，动态拉应力衰减为零造成裂缝尖灭，防止裂缝向保留岩体延伸。

该预裂缝形成位置距开挖边线为3.0m，可以有效地防止主爆孔或预裂孔对保留岩体造成的任何不良影响。

在设计开挖边线位置，设置光面爆破孔，距光爆孔1.2m处设置爆破孔，爆破孔的孔网参数均小于主爆孔，产生的振动影响远小于主爆孔。

光面爆破孔的抵抗线仅为
1.2m，而且都比较均匀，炮孔间隔略小于此值为1.0m，二者之比为0.8，故将光爆孔之间爆通形成规整边线的同时，抵抗线方向岩体也被拉裂、推出。

即保证开挖边线整齐又大大降低了对保留岩体的影响。

这种施工方案虽然成本增加，但对后边土石坝的保护是非常有效而可靠的。

2.2.2 爆破方案设计和参数选取
（1）布孔方案及起爆顺序。

为减小爆破振动，布孔时在光爆孔前方设置一道预裂孔。

起爆顺序分两次爆破，首先爆破预裂孔及前部主爆孔，第二次起爆光面爆破孔，第一次爆破时此排孔兼起防震孔作用。

（2）钻孔设备。

采用KQJ-B100潜孔钻。

（3）钻孔倾角。

溢洪道闸室段设计坡比为1∶0.3，为保证边坡稳定，所以预裂孔钻孔倾角选为1∶0.2，光面爆破孔钻孔倾角为1∶0.3，缓冲孔钻孔倾角同预裂孔
钻孔倾角，临空面主爆孔钻孔倾角根据临空面边坡确定，其他主爆孔钻孔倾角为1∶0.3。

光面爆破孔孔距为1.0m，爆破孔孔距为3.0m，光面爆破孔与爆破孔排
距为1.2m，爆破孔与预裂孔排距为2.0m。

预裂孔孔距为1.0m，缓冲孔孔距为3.0m，预裂孔与缓冲孔排距为1.2m，缓冲孔与主爆孔排距为3.0m，主爆孔孔距为3.8m。

（4）孔深。

孔深由岩面线钻至高程136.0m，并钻孔超深60cm。

（5）预裂、光面爆破线装药密度及结构。

预裂及光面孔线装药密度q线
=420g/m。

预裂及光面孔底部采取加强装药，每3卷标准卷为1捆，共5捆，正常装药段为每隔30cm连续装2卷标准药卷，堵塞长1.5m，先堵编织袋，后用粘土堵塞，分次夯实。

（6）主爆孔单耗及装药结构。

主爆孔单耗根据实际地质情况取0.42kg/m3，装药采取耦合装药结构，堵塞长度为3.0～3.5m，先堵一编织袋，后用粘土堵塞，分
次夯实。

（7）爆破网路。

主爆孔内采用2发10段毫秒导爆雷管起爆，孔外采用2发2段毫秒导爆雷管接力起爆，排间采用2发5段毫秒导爆雷管接力起爆，第一道预裂
孔3孔一响，用2段毫秒导爆雷管分段连接。

（8）单响药量及爆破规模。

控制最大单响药量为50.9kg，控制爆破规模不超过3.0t。

2.2.3 技术措施
为减小爆破振动对土坝的影响及尽量控制飞石影响，顺利完成溢洪道钻爆任务，在装药爆破过程中采取以下措施：①采用粘土堵塞，分段夯实，堵塞由专人负责，保证堵塞质量，保证堵塞长度≧最小抵抗线；②临空面位置抵抗线较大部位适当加孔，
减小单孔药量；③爆破作业面孔口进行覆盖防护，用荆笆相互搭接，砂袋压重；④采取空气间隔装药结构，减小初始压力；⑤严格控制单孔单响药量，保证主爆孔一孔一响；⑥对整个网路的每个结点进行逐个检查，保证整个网路完全起爆。

为观测爆破对主坝的影响，判断它们的安全性，并为调整爆破参数和控制爆破规模提供依据。

施工中采用T0PBOX508S振动信号自记仪进行振动监测，经过4次爆破振动监测数据可知，最大爆破振速为3.26cm/s，小于控制标准5~6cm/s；爆破后经过对土坝观察，土坝没有出现裂缝等不良现象。

可见采取的爆破参数是合理的，爆破对土坝没有造成影响。

【相关文献】
［1］姜凤海，徐文林，牛运华，等.水布垭混凝土面板堆石坝填筑料开采爆破试验［J］. 长江科学院院报，2003，20（S0）：48-52.
［2］（南非）Cunningham，长沙岩石力学技术公司编译.预估爆破破碎的Kuz-ram模型［A］.第一届爆破破岩国际会议论文集［C］.1985.
［3］吴新霞，彭朝辉，张正宇.Kuz-ram模型在堆石坝级配开采爆破中的应用［J］. 长江科学院院报，1998，15 （4）：39-41，45.
［4］DL47—94，水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术［S］.
［5］SL203—97，水工建筑物抗震设计规范［S］.。