基于修正爆破作用指数的深水厚淤积覆盖下岩塞爆破方法与流程

本发明涉及水利水电工程领域，尤其是指一种深水厚淤积覆盖的水下岩塞爆破方法，适用于高水头、厚淤积覆盖条件下的进水口岩塞爆破工程。
背景技术：
：水下岩塞爆破是一种水下控制爆破技术，在已建水库或天然湖泊中取水、发电、灌溉供水和泄洪时，为修建隧洞的取水口，避免在深水中建造围堰，采用岩塞爆破是一种经济而有效的方法。由于一些水库或湖泊的水下淤积或覆盖较厚，使得取水口采用洞室爆破的水下岩塞爆破技术难度大大增加，其爆破中的关键技术岩塞药室药量计算，到目前为止还是一个全新的课题，既没有成熟的经验可借鉴，也没有适宜的计算公式可采用，如何较准确地计算深水厚淤积覆盖下岩塞爆破药室药量一直是本领域的技术空白，深水厚淤积覆盖下岩塞爆破方法也成为空白。有关文献也给出了具有覆盖层的水下爆破药量修正计算公式，如：长江科学研究院提出水下爆破岩石单耗药量计算公式，日本工业与火药协会编写的《新爆破手册》装药量修正公式，瑞典提出的考虑水深和淤积覆盖层以及水下岩石膨胀的单耗计算公式。这些公式的药量计算都是与水深、覆盖层厚度呈线性关系。但是，有关文献研究表明，当水深大于30m时，水下爆破药量增加甚微，一般水下爆破可较陆地增加药量20％～30％，可见药量的增加并不是与水深呈线性关系，显然这些公式对于较大水深和淤积覆盖的药量计算是不合理的。此外，这些公式仅适用于水下钻孔爆破。鉴于目前高水头厚淤积覆盖水下岩塞爆破方法仍处于空白状态，研究探讨应用范围广的深水厚淤积覆盖下岩塞爆破方法已成为人们所关注的问题。技术实现要素：本发明提供一种基于修正爆破作用指数的深水厚淤积覆盖下岩塞爆破方法，以解决对于较大水深和淤积覆盖的水下岩塞爆破方法仍处于空白状态的问题。本发明采取的技术方案是：包括下列步骤：(一)收集资料包括岩塞口一定范围内的地形和地质资料、水深、覆盖层厚度，地形图；(二)岩塞周边预裂孔在岩塞周边按岩塞体尺寸的要求钻预裂孔；(三)确定塞体岩石单位耗药量取按下述方法确定的各岩石单位耗药量k的算术平均值作为本塞体岩石的单位耗药量k：1)根据岩石的容重按经验公式计算式中：k——岩石单位耗药量(kg/m3)；γ——岩石容重(kg/m3)；2)根据岩石级别参照经验公式计算k＝0.8+0.085n(2)式中：k——岩石单位耗药量(kg/m3)；n——岩石级别(按16级分级)；3)通过标准爆破漏斗试验确定在相同地质条件下，于平坦地面进行标准爆破漏斗试验，以此确定k值；(四)药室布置和起爆顺序岩塞中的药室爆破，先轴线上的主药室爆破，提供开口和新临空面，然后各辅助药室相继爆破，破碎岩石和为后续药室爆破提供临空面；(五)确定爆破药室最小抵抗线最小抵抗线为药室中心点至岩面的最短距离，运用两点空间距离公式(3)进行计算，其最小值即为最小抵抗线w，w＝min(s1,s2,s3,……,sn)(4)式中：si——空间两点间距离(m)，i＝1，2，3，……，n；w——最小抵抗线(m)；xi，yi，zi——地面点的空间坐标(m)；x0，y0，z0——药室中心点的空间坐标(m)；(六)陆地爆破作用指数n陆值选择1)药室陆地爆破作用指数n陆，岩塞轴线上的上部药室取加强抛掷爆破的爆破作用指数；其它药室取标准抛掷爆破的爆破作用指数，若有夹制作用，取加强抛掷爆破的爆破作用指数；2)岩塞轴线上部药室爆破开口范围，为爆破漏斗下破裂半径r′和上破裂半径r围成的区域ab，①下破裂半径r按照下式计算：式中：r——为爆破漏斗下破裂半径(m)；w——最小抵抗线(m)；n陆——爆破作用指数；②上破裂半径r′按照下式计算：式中：r′——为爆破漏斗上破裂半径(m)；β——根据地形坡度和土岩性质而定的破坏系数；3)岩塞轴线的上、下药室的爆破作用指数n上、n下，根据阻抗平衡原则还应满足：式中：k上、k下——上、下药室所处的岩石单位耗药量(kg/m3)，其确定方法同步骤(三)；n上、n下——上、下药室爆破作用指数；f(n上)、f(n下)——爆破作用指数函数，其表达式为：f(n)＝0.4+0.6n3；(七)药室间距复核根据前述确定的各药室最小抵抗线和陆地爆破作用指数，还应对相邻药室最小间距a进行复核，复核计算公式如下：式中：a——药包间距(m)；wcp——相邻药包的平均最小抵抗线(m)；f(ncp)——相邻药包的平均爆破作用指数函数；(八)水中淤泥覆盖下的爆破作用指数n水值根据测量的水深h水和淤积厚度h淤，采用水下淤积覆盖的爆破作用指数公式(9)，对各药包爆破作用指数进行修正计算；式中：n水——为水下爆破作用指数；n陆——为陆地上爆破作用指数；h水——为爆破时覆盖层表面以上水深(m)；h淤——为爆破时最小抵抗线处岩石面上淤积(或覆盖层)厚度(m)；(九)各药室药量计算q水＝kw3f(n水)(10)将计算的n水代入上式，得到所计算的药量；(十)联网封堵爆破根据设计要求，对药室进行联网和封堵爆破。在药量、抵抗线、地形地质条件等相同的条件下，不同接触介质的岩石爆破中，爆破漏斗的开口尺寸是不同的，若岩石表面上分别是空气、水、水下淤泥介质，爆破漏斗半径分别为r气、r水、r淤，则有r气＞r水＞r淤。这是因为，从爆破应力波在两相介质界面上的传播规律讲，由于淤泥密度较大，其波阻抗也较大，岩石中爆破传到界面上的应力波透射到淤泥中就强，界面上形成发射卸载的反射应力波就弱，爆破漏斗开口尺寸就小。此外，密度大的介质对岩石爆破抛掷作用影响也很大，密度大抛掷作用弱，爆破漏斗开口尺寸也小。而爆破作用指数n为爆破漏斗半径r与最小抵抗线w之比，即n＝r/w，它反映了爆破漏斗的几何形状。相同抵抗线下，爆破漏斗开口尺寸大，爆破作用指数就大。因此，在有淤积覆盖的水下岩石爆破中，对药量的计算采用修正爆破作用指数更合理。本发明的优点：本发明理论依据充分，计算步骤清楚，方法可靠，避免了同类工程问题的大量科研试验，解决了深水厚淤积覆盖下岩塞爆破技术问题。药包药量的计算考虑了水和淤积覆盖的影响。考虑水和淤积覆盖的影响是从鲍列斯可夫药量计算公式的爆破作用指数入手，对爆破作用指数进行修正。以往的水下岩塞爆破，在考虑水深和淤积覆盖作用时，基本是对单耗的修正，这显然是不合理的。单耗反映的是岩石本身的特性，单耗的大小与岩石强度、风化程度等有关，爆破作用指数反映的是爆破强度和表征爆破漏斗的几何尺寸。岩塞上部有水和淤积覆盖物的存在，并没有改变岩石本身的物理力学特性，但改变了岩塞开口的大小，所以采用爆破作用指数修正更合理。修正的爆破作用指数是水深和淤积覆盖深度的幂函数，计算的药量不随着水深和淤积覆盖深度的增加而呈线性增加，符合实际工程炸药用量规律。附图说明图1是本发明爆破漏斗开口示意图；图2a是本发明工程实例一的岩塞药室布置正视图；图2b是本发明工程实例一的岩塞药室布置俯视图；图2c是本发明工程实例一的岩塞药室布置侧视图。具体实施方式包括下列步骤：(一)收集资料收集地勘等有关资料，包括岩塞口一定范围内的地形和地质资料、水深、覆盖层厚度等，地形图1:200或精度更高；地质应包括岩石级别、岩性、强度、容重等，收集有关爆破方案等；(二)岩塞周边预裂孔在岩塞周边按岩塞体尺寸的要求钻预裂孔，在岩塞体爆破时，首先进行预裂爆破，使岩塞所处的岩体被预裂面切割成孤立的岩塞体；岩体预裂爆破技术有关文献报道很多，在此不做赘述；(三)确定塞体岩石单位耗药量取按下述方法确定的各岩石单位耗药量k的算术平均值作为本塞体岩石的单位耗药量k：影响岩石单位耗药量的因素主要包括地质条件、岩石强度、容重、岩性，常用以下方法计算：1)根据岩石的容重按经验公式计算式中：k——岩石单位耗药量(kg/m3)；γ——岩石容重(kg/m3)。2)根据岩石级别参照经验公式计算k＝0.8+0.085n(2)式中：k——岩石单位耗药量(kg/m3)；n——岩石级别(按16级分级)；3)通过标准爆破漏斗试验确定在相同地质条件下，于平坦地面进行标准爆破漏斗试验，以此确定k值，试验方法有关文献有介绍；(四)药室布置和起爆顺序水下岩塞爆破的药室布置形式有“王”子形分散药室布置、岩塞轴线上下主药室加四周分布药室布置等。上述无论哪一种药室布置形式，布置在岩塞轴线用于岩塞开口的主药室是不可缺少的，实际工程可根据具体情况对药室进行合理布置；岩塞中的药室爆破，先轴线上的主药室爆破，提供开口和新临空面，然后各辅助药室相继爆破，破碎岩石和为后续药室爆破提供临空面；(五)确定爆破药室最小抵抗线最小抵抗线为药室中心点至岩面的最短距离，为了提高精度，减少人为误差，采用经过整理后的三维数字地形成果，运用两点空间距离公式(3)进行计算，其最小值即为最小抵抗线w，w＝min(s1,s2,s3,……,sn)(4)式中：si——空间两点间距离(m)，i＝1，2，3，……，n；w——最小抵抗线(m)；xi，yi，zi——地面点的空间坐标(m)；x0，y0，z0——药室中心点的空间坐标(m)；(六)陆地爆破作用指数n陆值选择4)药室陆地爆破作用指数n陆，应根据地形和药包所处位置选取，在保证爆通的条件下，爆破对洞脸岩石产生的震动影响要小，并且要满足开口尺寸要求，一般岩塞轴线上的上部药室宜取加强抛掷爆破的爆破作用指数；其它药室宜取标准抛掷爆破的爆破作用指数，但若有夹制作用，宜取加强抛掷爆破的爆破作用指数。5)岩塞轴线上部药室爆破开口范围，为爆破漏斗下破裂半径r′和上破裂半径r围成的区域，如图1所示ab区域，该区域应满足设计开口尺寸要求。①下破裂半径r按照下式计算：式中：r——为爆破漏斗下破裂半径(m)；w——最小抵抗线(m)；n陆——爆破作用指数。②上破裂半径r′按照下式计算：式中：r′——为爆破漏斗上破裂半径(m)；β——根据地形坡度和土岩性质而定的破坏系数，由表1查得；表1根据地形与土壤性质而定的β值6)岩塞轴线的上、下药室的爆破作用指数n上、n下，根据阻抗平衡原则还应满足：式中：k上、k下——上、下药室所处的岩石单位耗药量(kg/m3)，其确定方法同步骤(三)；n上、n下——上、下药室爆破作用指数；f(n上)、f(n下)——爆破作用指数函数，其表达式为：f(n)＝0.4+0.6n3；(七)药室间距复核根据前述确定的各药室最小抵抗线和陆地爆破作用指数，还应对相邻药室最小间距a进行复核，如果不满足要求，应进行药室间距的调整，复核计算公式如下：式中：a——药包间距(m)；wcp——相邻药包的平均最小抵抗线(m)；f(ncp)——相邻药包的平均爆破作用指数函数；上述药室的布置、最小抵抗线和陆地爆破作用指数的确定，是一个循环设计过程，但最终应达布局合理，满足上述相关要求；(八)水中淤泥覆盖下的爆破作用指数n水值根据测量的水深h水和淤积厚度h淤，采用水下淤积覆盖的爆破作用指数公式(9)，对各药包爆破作用指数进行修正计算；式中：n水——为水下爆破作用指数；n陆——为陆地上爆破作用指数；h水——为爆破时覆盖层表面以上水深(m)；h淤——为爆破时最小抵抗线处岩石面上淤积(或覆盖层)厚度(m)；(九)各药室药量计算q水＝kw3f(n水)(10)将计算的n水代入上式，得到所计算的药量；(十)联网封堵爆破根据设计有关要求，对药室进行联网和封堵爆破，这些均为成熟经验在此不做赘述。下面通过具体工程实例来进一步说明本发明。工程实例1(一)收集资料某工程进水口采用水下岩塞爆破方式修建。设计岩塞呈倒截锥体，上开口近似椭圆，尺寸为21.60m×20.98m，下开口圆直径为10m。岩塞处于水深以下54.5m，其中淤积覆盖层厚24.5m。岩塞部位的岩石为云母石英片岩，主要为弱风化岩石，见有少量微风化岩石，岩石强度较高，岩石饱和抗压强度平均值为60.mpa，平均饱和容重2820kg/m3，为坚硬岩，岩石较完整，属于ⅱ类岩石(按16级分级，相当于10级)，从1:200地形图量得，地形坡度为40°～60°；岩塞爆破采用高能乳化炸药，电子毫秒雷管，在岩塞药室爆破前，对岩塞周边采用预裂爆破，使岩塞体通过预裂缝与岩体隔开；(二)岩塞周边预裂孔及装药在岩塞周边布置了一圈预裂孔，共计98个，预裂孔自岩塞下底面，直径为10m的圆周上钻孔，钻孔方向与岩塞轴线成15°，预裂孔孔深为11.9m～17.2m，孔径76mm，最小孔距32cm，最大孔距51cm。线装药密度950～1100(g/m)，预裂孔在岩塞体起爆之前进行起爆；(三)确定单位耗药量根据勘察资料采用以下方法确定岩石单位耗药量；1)根据岩石的容重，按经验公式(1)计算，将岩石容重γ＝2820代入式中，得k＝1.72(kg/m3)，2)根据岩石级别，参照经验公式(2)计算，将n＝10代入式中，得k＝1.65(kg/m3)，3)通过现场爆破漏斗试验确定。在相同地质条件下，于平坦部位进行标准爆破漏斗试验，确定岩石单位耗药量，试验结果为k＝1.70(kg/m3)；取通过以上三种方法得的算术平均值，岩塞的岩石单位耗药量k选为1.69kg/m3。(四)药室布置和爆破顺序本实例工程的药室布置成：沿岩塞轴线布置上下2个主药室z1、z2；在两个主要室连线中部，做一垂直岩塞轴线的平面，平面到岩塞下口距离和到岩塞上口距离之比应满足1.1～1.3，在所截得的圆平面内布置6个辅助药室y1、y2、y3、y4、y5、y6，如图2a～c所示的岩塞药室布置示意图；由三维地形图和药室布置结果，各药室布置后的坐标如下表2：表2各药室布置后坐标点爆破顺序为z1、z2同时起爆，上下爆破漏斗初步形成爆破通道，同时为其它辅助药室创造临空面。接着y1、y2同时起爆，解除本部分岩石，然后y3、y6同时起爆，最后y4、y5同时起爆。各药室分步起爆，也有利于降低最大单响药量，减少振动危害；(五)计算岩塞药室最小抵抗线根据勘察成果构建的岩塞体三维数字模型图，采用公式(3)、(4)计算得到各药室抵抗线，各药室最小抵抗线如表3所示：表3各药室最小抵抗线成果表药室编号抵抗线w(m)药室编号抵抗线w(m)z15.45y35.88z25.00y45.34y14.99y55.09y25.47y65.00(六)陆地爆破作用指数n陆值选择为满足开口尺寸要求，z1药室陆地爆破作用指数n1＝1.54；为使下部岩石充分破碎并与z1药室作用力的平衡，z2药室陆地爆破作用指数n2＝1.05；考虑z1药室爆破后仍然对后部药包有强大的压制作用及对各个药室的开口大小要求，取y1、y2、y3、y6药室陆地爆破作用指数分别为1.05。y4、y5药室位于底部，所受约束作用最明显，取陆地爆破作用指数分别为1.21；1)z1药室处在岩塞轴线上部，主要作用为岩塞提供上开口爆破漏斗；由公式(5)和(6)对n1的取值进行复核：因地形坡度为40°～60°，岩石坚硬较完整，查表1得β为3.0。经计算开口下破裂半径r＝10m，上破裂半径r′＝15.53m，开口尺寸为22.93m，满足设计开口尺寸要求；2)z2药室处在岩塞轴线下部，主要作用为岩塞提供下开口爆破漏斗，其最小抵抗线为5.0m，由爆破作用指数定义，开口半径5.25m，满足下开口10m要求；3)岩塞部位的岩石单耗基本一致，有k上＝k下，将z1和z2选取的爆破作用指数值代入公式(7)，得：满足要求。4)各药室陆地爆破作用指数选择结果见表4。表4各药室陆地爆破作用指数药室编号爆破作用指数n陆药室编号爆破作用指数n陆z11.54y61.05z21.05y31.05y11.05y51.21y21.05y41.21(七)药包间距复核采用公式(8)对相邻药室最小间距进行复核，若实际药室布置大于公式计算的最小间距要求，应对药室最小抵抗线和爆破作用指数进行调整。各相邻药室间距计算结果见表5，实际药室间距满足公式计算的允许间距；表5相邻药包允许间距表相邻药室实际间距(m)计算允许间距a(m)y1和y2药室4.066.97y1和y6药室5.986.48y1和z1药室4.997.97y2和z1药室5.588.27y2和y3药室6.197.71y6和z1药室5.547.68y6和y5药室5.986.48z1和y3药室5.427.64z1和y5药室5.818.86z1和y4药室5.988.27y3和y4药室6.497.71y5和y4药室4.146.97(八)水中淤泥覆盖下的爆破作用指数n水值将h水＝30m，h淤＝24.5m代入公式(9)，计算得各药室水下淤积覆盖的爆破作用指数见表6：表6各药室水下爆破作用指数药室编号爆破作用指数n水药室编号爆破作用指数n水z11.98y61.35z21.35y31.35y11.35y51.55y21.35y41.55(九)药室药量计算根据公式(10)、(11)计算各药室药量。将选取的单耗k＝1.7和表3最小抵抗线以及表6水下爆破作用指数代入公式中，得各药室药量见表7：表7各药室药量计算结果(十)爆破结果岩塞爆破后，采用水下机械人和声纳技术，测得水下上开口尺寸23m×21m，岩塞下开口直径10m，达到设计预期效果。工程实例2(一)收集资料某工程进行现场岩塞爆破试验,根据1:200地勘成果，进口段岩体边坡陡峭，沿塞口处岩面线不平整，岩面线复杂，坡度一般75°～85°，围岩为石英云母片岩和云母石英片岩，岩石平均饱和容重2900kg/m3，岩质坚硬，岩石呈弱～微风化状态，表部岩石完整性较差，未发现不利于岩塞稳定的软弱结构面，属于ⅱ类岩石(按16级分级，相当于10级)，岩塞体上方水深为59m,岩塞体上覆淤积层深度为29m。设计岩塞内口为圆形，内径7m，外口尺寸11.96×12.63m，近似椭圆，岩塞最小厚度9.80m，岩塞进口轴线与水平面夹角72°；岩塞爆破采用高能乳化炸药，密度1210kg/m3，电子毫秒雷管，在岩塞药室爆破前，对岩塞周边采用预裂爆破，使岩塞体通过预裂缝与岩体隔开；(二)岩塞周边预裂孔为保证岩塞体成型良好，在岩塞周边布置68个预裂孔，扩散角为15°，预裂孔线装药密度为270g/m，药卷直径20mm；(三)确定单位耗药量根据勘察资料采用以下方法确定岩石单位耗药量。1)根据岩石的容重，按经验公式(1)计算。将岩石容重γ＝2900代入式中，得k＝1.80(kg/m3)。2)根据岩石级别，参照经验公式(2)计算。将n＝10代入式中，得k＝1.65(kg/m3)。3)通过现场爆破漏斗试验确定。在相同地质条件下，于平坦部位进行标准爆破漏斗试验，确定岩石单位耗药量，试验结果为k＝1.73(kg/m3)。取通过以上三种方法得的算术平均值，岩塞的岩石单位耗药量k选为1.73kg/m3。(四)药室布置和爆破顺序沿岩塞轴线布置上下2个主药室#4上、#4下；在两个主要室连线中部，做一垂直岩塞轴线的平面，平面至上口d1＝4.5m，至下口d2＝5.3m，d2/d1＝1.18，在所截得的圆平面内布置6个辅助药室#1、#2、#3、#5、#6、#7。各药室布置后的坐标如下表8：表8各药室布置后坐标点爆破顺序为#4上、#4下同时起爆，上下爆破漏斗初步形成爆破通道。接着#1、#2同时起爆解除本部分岩石，然后#3、#5同时起爆，最后#6、#7同时起爆；(五)计算岩塞药室最小抵抗线各药室最小抵抗线如表9所示：表9各药室最小抵抗线成果表药室编号抵抗线w(m)药室编号抵抗线w(m)#13.4#4下3.8#23.4#53.4#33.4#63.4#4上3.0#73.4(六)陆地爆破作用指数n陆值选择取#4上药室爆破作用指数为1.54；#4下药室爆破作用指数为1.05；#1、#2、#3、#5药室爆破作用指数分别为1.05；#6、#7药室位于底部，所受约束作用最明显，爆破作用指数分别取1.21；1)#4上药室处在岩塞轴线上部，由公式(5)和(6)对爆破作用指数的取值进行复核：因地形坡度为75°～85°，岩石坚硬较完整，查表1得β为4.0；经计算开口下破裂半径r＝5.51m，上破裂半径r′＝9.71m，由几何关系开口尺寸为13.86m，满足设计开口尺寸要求；2)#4下药室处在岩塞轴线下部，其最小抵抗线为3.8m，开口半径3.99m，满足下开口7m要求；3)计算的#4上和#4下阻抗平衡为1.33，满足公式(7)要求。4)各药室陆地爆破作用指数见表10；表10各药室陆地爆破作用指数药室编号爆破作用指数n陆药室编号爆破作用指数n陆#4上1.54#31.05#4下1.05#51.05#11.05#61.21#21.05#71.21(七)药包间距复核采用公式(8)对相邻药室最小间距进行复核，若实际药室布置大于公式计算的最小间距要求，应对药室最小抵抗线和爆破作用指数进行调整。各相邻药室间距计算结果见表11，实际药室间距小于公式计算的允许最小间距，满足要求。表11相邻药包允许间距表相邻药室实际间距计算允许间距a(m)#1和#2药室3.644.23#1和#3药室3.704.23#1和#4上药室4.154.74#2和#4上药室4.154.74#2和#5药室3.704.23#3和#4上药室4.144.74#3和#6药室3.704.49#4上和#5药室4.144.74#4上和#6药室4.145.00#4上和#7药室4.145.00#5和#7药室3.704.49#6和#7药室3.644.75(八)水中淤泥覆盖下的爆破作用指数n水值计算将h水＝30m，h淤＝29m代入公式(9)，计算得各药室水下淤积覆盖的爆破作用指数见表12：表12各药室水下爆破作用指数药室编号爆破作用指数n水药室编号爆破作用指数n水#4上2#31.365#4下1.365#51.365#11.365#61.573#21.365#71.573(九)药室药量计算根据公式(10)、(11)计算各药室药量。将选取的单耗k＝1.8和表9最小抵抗线以及表12水下爆破作用指数代入公式中，得各药室药量见表13。表13各药室药量计算结果(十)爆破结果岩塞爆破后，采用水下声纳技术，进行了岩塞口附近水下地形图测量，由于坡面覆盖淤沙，地形图呈漏斗状，岩塞已爆通，满足开口要求。当前第1页12