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摘要：双江口水电站坝肩岩石为花岗岩，为缓坡薄壁层状结构，层厚5～200cm不等，并存在大量分布广且无规则的伟晶岩脉，节理裂隙较发育，相互切割，岩石破碎完整性差，在坝肩心墙基槽开挖过程中，会出现大规模岩层抬动现象，加之开挖坡比较缓，与岩层平行，经常出现超挖和欠挖现象，本项目针对这一岩层特点和爆破开挖过程中面临的岩层抬动和超欠挖问题进行深入研究和探讨，意在优选施工方案，优化参数和工艺，提高爆破开挖施工质量。
关键词：双江口缓坡薄壁层状结构特殊地质条件控制爆破技术研究
中图分类号：C35文献标识码： A
1、项目概况
双江口水电站大坝为粘土心墙面板堆石坝，坝高314m，是已建和在建的世界第一高坝，坝肩心墙开挖高程2360m，顶部开挖高程2510m，开挖坡比1:1.25，坝轴线处有一灌浆廊道基槽，底宽6m，顶宽11.5m，截面高度5.5m，为一倒梯形基槽，坝肩位置岩层顺坡走向，层状结构，厚度5～200cm，节理裂隙较发育，存在分布较广且不规则的伟晶岩脉，岩脉风化严重，局部呈黄色或横褐色砂粒状，裂隙间填充夹泥和锈膜，花岗岩强度虽高但质脆，受以上不良地质条件的影响，基槽开挖质量较差，超挖现象非常严重，特别是基槽两侧腰线及上口与心墙交汇处的阳角位置，因岩层抬动，爆破后基槽轮廓阴阳角缺失，呈锯齿状，超欠挖非常严重，基槽难以成型。
2、方案研究
心墙灌浆廊道基槽开挖关键是解决缓坡薄壁层状结构岩层抬动和超欠挖问题，使之能够形成完整的预裂面，从以下几个方面进行研究和探讨：
⑴开挖顺序的研究。因基槽位于心墙中心线位置，心墙上下游边坡和灌浆廊道基槽得开挖存在先后顺序，开挖顺序有3大类：①心墙上下游边坡与基槽一次性爆破，一次性开挖成型（图A）；②先进行心墙上下游边坡开挖，再进行基槽的开挖（图B）；③先进行基槽的开挖，在进行心墙上下游边坡的开挖（图C）。
开挖顺序如下图所示：
由以上3类开挖顺序中衍生出来的还有基槽预掏槽，基槽开挖顺序又有一次性爆破成型、多次爆破成型等。
⑵钻孔方式的研究。重在研究基槽底板和两侧边坡如何钻孔，钻孔质量直接关系到爆破质量，基槽开挖的钻孔方式有：①铅垂方向钻孔；②垂直坡面方向钻孔；③水平方向钻孔；④顺层方向钻孔。
⑶爆破方法和起爆顺序。采用了预裂爆破和光面爆破两种控制爆破的方式，全部采用掏槽法，只在预裂孔或光爆孔起爆顺序上有差异。
⑷其他方面。
①孔间距调整和优化。考虑到岩层结构和裂隙的减压卸荷作用，全部采用QZJ-100B型钻机造孔，孔径90mm，孔间距采用90 cm、80 cm、70cm。
②时差的调整和优化。采用毫秒微差起爆网络，微差控制在125ms以内，提高微差破碎效果，采用MS-9以下段位的奇数段导爆管雷管。
③梯段高度上的调整。采用15m、10m为一个梯段，基槽底板钻孔深度达19.5m左右，因坡度相对较缓，梯段高度相对较小更易控制钻孔质量。
通过以上的方案研究和探讨，本着施工操作方便、控制成本、保证质量的原则，选取爆破开挖的方式和参数，在施工过程中予以验证核优化。
3、技术研究与工程实践
基槽开挖先后进行了8个梯段的实践，由于坝区岩石层状结构，顺坡走向，裂隙较发育，岩脉分布较广，EL2450以上的3个梯段爆破效果较差，半孔率低，平整度差，存在层状岩石抬动的现象，也因此造成一定的超欠挖和阴阳角缺失。后5个梯段通过改进工艺和优化爆破参数，在钻孔方式上改进，经过两次生产实践，取得了相对较好的效果。其工艺和参数差异如下：
⑴梯段高度差异：前期采用10m～15m为一个梯段，底板位置，钻孔深度达16m～19m，在缓坡比条件下造孔经常出现飘孔、交叉孔、八字孔现象，且机械效率不能有效发挥，爆破效果差。后期按照7m～8m为一个梯段，缩小钻孔深度，钻爆质量大大提高。
⑵钻孔方式的差异：前期多采用顺层方向和铅垂方向造孔，因岩层顺坡走向，层状结构，致使岩层抬动的现象更加明显，多形成大范围岩层抬动，超挖现象非常严重，铅垂方向造孔对导向架要求非常之高，角度控制非常难，钻机很难在坡面上固定，极易偏斜。后期采用垂直底板阴角线造孔，解决岩层直接抬动的问题，即减小钻孔深度，又利于导向架设置和架钻，爆破成缝和纵向切割作用更加明显，抬动现象明显减轻。
⑶爆破方法的差异：前期多采用预裂爆破施工，基槽多为三面预裂甚至四面预裂同时爆破，使起爆方式、起爆顺序和网络非常复杂，时差控制更难，后期采用光面爆破技术，爆破后成缝明显，形成的开挖面平整、半孔率高，效果明显。
⑷钻孔间距的差异：前期钻孔间距多在90cm～80cm之间，爆破后形成锯齿、尖角、挂连现象，坡面平整度差，半孔率低。后期施工的钻孔间距控制在70cm，采用密集孔施工，特别是岩石破碎和岩脉分布广的区域，爆破后能有效减轻孔距大造成的坡面凸凹不平现象，半孔率也有所提高。
⑸装药结构的差异：前期按照正常的装药结构，即爆破孔采用连续装药结构，造成底部药包过于集中，而堵塞段大石较多，加剧了网络的破坏和岩层抬动的发生，后期采用间隔装药结构，避免药包过于集中，在做好堵孔的情况下，炸药爆破后的高压气体不在作用于抬动岩层，而更主要作用于破碎岩石，减轻爆破初期对岩层的破坏。
⑹爆破时差控制的差异
因当地民爆公司提供1、3、5等奇数段的非电导爆管雷管，为调整时差，采用1、3、5、7、9、11、13、15段雷管，毫秒时差间隔较大，后期采用9段位以下的非电导爆管雷管，时差控制在125ms以内，爆破效果非常明显。
综上所述，为提高施工质量，得到良好的爆后效果，要在施工过程中大胆尝试和摸索，在层状结构岩层等不良地质条件下同步实施多个开挖面爆破是可能实现的，爆破效果也是非常明显。
4、推荐方法和参数
⑴开挖顺序：先进行心墙上下游坡面的预裂爆破，基槽位置采用施工预裂或预掏槽，然后进行基槽的开挖。
⑵爆破方式和梯段选择：采用光面爆破，以8m为一个开挖梯段。
⑶钻孔方式：基槽底板顺坡向钻孔，上、下游端墙垂直底板阴角线钻孔，预留30cm深度保护底板或采用导向孔。光爆孔或预裂孔钻孔间距70cm，爆破孔间排距2m×2m，掏槽孔间距1m。
⑷装药结构：光爆孔或预裂孔采用间隔不耦合装药结构，采用φ32mm2#乳化炸药，单支重200g，采用电工刀均匀分割成3节，按照间距34cm均与绑扎在组片上，线装药密度200g/m；爆破孔采用φ70mm2#乳化炸药，单支重1500g，采用电工刀中分割成两半，连续绑扎在竹片上，集中下孔，炸药单耗4.2Kg/m3；掏槽孔采用单支φ70mm2#乳化炸药下孔。
⑸起爆网络：采用底段位导爆管雷管，毫秒微差控制在125ms以内，三面同时爆破一次性成型。
5、岩层抬动的原因分析和效果对比
通过8个梯段的爆破施工，我们在各种施工方法、爆破方式、造孔方式、裝药结构等对比分析，得出岩层抬动和超欠挖的原因如下：
⑴地质条件差是最主要的原因
从开挖揭露的情况看，坝肩心墙位置岩层顺坡走向，层状结构，层厚0.1m～1.4m,裂隙较发育，岩脉分布较广风化严重，成粉粒状，强度低。花岗岩岩石强度虽高但质脆，为Ⅳ类围岩，存较为严重的地质缺陷。爆破施工过程中，层厚较小的岩石不易剪切成缝更易抬动，岩层抬动造成岩石错动、剪切和相互干扰，超欠挖严重，平整度低。甚至出现开挖完毕后仍有岩层错动、下滑和坍塌的现象。
⑵钻孔方式也是影响爆破效果的原因之一
顺岩层方向钻孔易发生岩层抬动，高压气体释放后侧重于于抬动岩石而不是剪切岩石，形成预裂面，垂直岩层方向钻孔，同样产生抬动，且钻孔阴阳角位置出现锯齿状错牙和挂连现象。都影响开挖质量。
⑶心墙灌浆廊道基槽坡度较缓是影响质量的原因之一
梯段开挖过程中，钻孔角度在75°左右最能提供均匀的抵抗线和达到抛掷效果，也能发挥机械的最大效率，而本项目开挖坡比为1:1.25，顺坡向钻孔角度52.4°，钻机自重影响非常明显，飘孔、穿孔非常严重，特别是梯段越高、钻孔深度约大时飘孔现象越严重，钻孔质量直接关系到爆破质量。
⑷开挖顺序是爆破效果差的原因之一
前期采用的是心墙两侧坡面先进行爆破，掏槽部位预留，造成心墙位置抵抗线不均匀，底盘抵抗线较大，掏槽效果不明显。
⑸其他方面的原因
孔距和梯段高度也对爆破质量产生一定的影响，孔距由最初的80～90cm正常孔距调整为密集孔70cm，效果明显改善。梯段高度由最初的15m、10m调整为7m～8m后，钻孔质量明显加强，直接关系到爆破效果的好坏。
通过技术研究和工程实践，我们发现：①装药结构和方式对槽挖爆破效果无太大影响，一般较深预裂孔或光爆孔为克服底部挟制力才增大加强药段的装药密度，采用φ70mm炸药作为底部加强药卷，该基槽钻孔深度8～9m左右，若采用φ70mm药卷，底部将出现严重的爆破裂隙，采用1/3卷φ70mm药卷同两支φ32mm药卷效果一致，因此，没有必要在预裂和光爆孔的装药结构上调整；②采用施工预裂、预掏槽和密集孔的非正常方法进行槽挖，对心墙基槽开挖的成本基本无影响，但有效的提供了均匀的抵抗线，能直接提高爆破质量，有效控制岩层抬动和超欠挖。
6、结语
通过该项目的研究，使我们掌握了在层状结构岩层条件下实施基槽开挖的第一手资料和关键技术，通过国内水工、地质、爆破等相关专家的科技成果评审鉴定，评审结果为“该成果已成功应用于工程实践，经济效益和社会效益显著，项目成果达到国内领先水平”。实现了在缓坡薄壁层状结构特殊地质条件下同时实施多面同时开挖、一次性爆破成型，是一种新型控制爆破技术。
虽然控制爆破技术在国内已经很成熟，但在此不良地质条件下同时实施多个开挖面爆破的工程实例较少，其研究的方法、施工工艺和参数对类似工程施工有一定的借鉴意义。
关键词：双江口缓坡薄壁层状结构特殊地质条件控制爆破技术研究
中图分类号：C35文献标识码： A
1、项目概况
双江口水电站大坝为粘土心墙面板堆石坝，坝高314m，是已建和在建的世界第一高坝，坝肩心墙开挖高程2360m，顶部开挖高程2510m，开挖坡比1:1.25，坝轴线处有一灌浆廊道基槽，底宽6m，顶宽11.5m，截面高度5.5m，为一倒梯形基槽，坝肩位置岩层顺坡走向，层状结构，厚度5～200cm，节理裂隙较发育，存在分布较广且不规则的伟晶岩脉，岩脉风化严重，局部呈黄色或横褐色砂粒状，裂隙间填充夹泥和锈膜，花岗岩强度虽高但质脆，受以上不良地质条件的影响，基槽开挖质量较差，超挖现象非常严重，特别是基槽两侧腰线及上口与心墙交汇处的阳角位置，因岩层抬动，爆破后基槽轮廓阴阳角缺失，呈锯齿状，超欠挖非常严重，基槽难以成型。
2、方案研究
心墙灌浆廊道基槽开挖关键是解决缓坡薄壁层状结构岩层抬动和超欠挖问题，使之能够形成完整的预裂面，从以下几个方面进行研究和探讨：
⑴开挖顺序的研究。因基槽位于心墙中心线位置，心墙上下游边坡和灌浆廊道基槽得开挖存在先后顺序，开挖顺序有3大类：①心墙上下游边坡与基槽一次性爆破，一次性开挖成型（图A）；②先进行心墙上下游边坡开挖，再进行基槽的开挖（图B）；③先进行基槽的开挖，在进行心墙上下游边坡的开挖（图C）。
开挖顺序如下图所示：
由以上3类开挖顺序中衍生出来的还有基槽预掏槽，基槽开挖顺序又有一次性爆破成型、多次爆破成型等。
⑵钻孔方式的研究。重在研究基槽底板和两侧边坡如何钻孔，钻孔质量直接关系到爆破质量，基槽开挖的钻孔方式有：①铅垂方向钻孔；②垂直坡面方向钻孔；③水平方向钻孔；④顺层方向钻孔。
⑶爆破方法和起爆顺序。采用了预裂爆破和光面爆破两种控制爆破的方式，全部采用掏槽法，只在预裂孔或光爆孔起爆顺序上有差异。
⑷其他方面。
①孔间距调整和优化。考虑到岩层结构和裂隙的减压卸荷作用，全部采用QZJ-100B型钻机造孔，孔径90mm，孔间距采用90 cm、80 cm、70cm。
②时差的调整和优化。采用毫秒微差起爆网络，微差控制在125ms以内，提高微差破碎效果，采用MS-9以下段位的奇数段导爆管雷管。
③梯段高度上的调整。采用15m、10m为一个梯段，基槽底板钻孔深度达19.5m左右，因坡度相对较缓，梯段高度相对较小更易控制钻孔质量。
通过以上的方案研究和探讨，本着施工操作方便、控制成本、保证质量的原则，选取爆破开挖的方式和参数，在施工过程中予以验证核优化。
3、技术研究与工程实践
基槽开挖先后进行了8个梯段的实践，由于坝区岩石层状结构，顺坡走向，裂隙较发育，岩脉分布较广，EL2450以上的3个梯段爆破效果较差，半孔率低，平整度差，存在层状岩石抬动的现象，也因此造成一定的超欠挖和阴阳角缺失。后5个梯段通过改进工艺和优化爆破参数，在钻孔方式上改进，经过两次生产实践，取得了相对较好的效果。其工艺和参数差异如下：
⑴梯段高度差异：前期采用10m～15m为一个梯段，底板位置，钻孔深度达16m～19m，在缓坡比条件下造孔经常出现飘孔、交叉孔、八字孔现象，且机械效率不能有效发挥，爆破效果差。后期按照7m～8m为一个梯段，缩小钻孔深度，钻爆质量大大提高。
⑵钻孔方式的差异：前期多采用顺层方向和铅垂方向造孔，因岩层顺坡走向，层状结构，致使岩层抬动的现象更加明显，多形成大范围岩层抬动，超挖现象非常严重，铅垂方向造孔对导向架要求非常之高，角度控制非常难，钻机很难在坡面上固定，极易偏斜。后期采用垂直底板阴角线造孔，解决岩层直接抬动的问题，即减小钻孔深度，又利于导向架设置和架钻，爆破成缝和纵向切割作用更加明显，抬动现象明显减轻。
⑶爆破方法的差异：前期多采用预裂爆破施工，基槽多为三面预裂甚至四面预裂同时爆破，使起爆方式、起爆顺序和网络非常复杂，时差控制更难，后期采用光面爆破技术，爆破后成缝明显，形成的开挖面平整、半孔率高，效果明显。
⑷钻孔间距的差异：前期钻孔间距多在90cm～80cm之间，爆破后形成锯齿、尖角、挂连现象，坡面平整度差，半孔率低。后期施工的钻孔间距控制在70cm，采用密集孔施工，特别是岩石破碎和岩脉分布广的区域，爆破后能有效减轻孔距大造成的坡面凸凹不平现象，半孔率也有所提高。
⑸装药结构的差异：前期按照正常的装药结构，即爆破孔采用连续装药结构，造成底部药包过于集中，而堵塞段大石较多，加剧了网络的破坏和岩层抬动的发生，后期采用间隔装药结构，避免药包过于集中，在做好堵孔的情况下，炸药爆破后的高压气体不在作用于抬动岩层，而更主要作用于破碎岩石，减轻爆破初期对岩层的破坏。
⑹爆破时差控制的差异
因当地民爆公司提供1、3、5等奇数段的非电导爆管雷管，为调整时差，采用1、3、5、7、9、11、13、15段雷管，毫秒时差间隔较大，后期采用9段位以下的非电导爆管雷管，时差控制在125ms以内，爆破效果非常明显。
综上所述，为提高施工质量，得到良好的爆后效果，要在施工过程中大胆尝试和摸索，在层状结构岩层等不良地质条件下同步实施多个开挖面爆破是可能实现的，爆破效果也是非常明显。
4、推荐方法和参数
⑴开挖顺序：先进行心墙上下游坡面的预裂爆破，基槽位置采用施工预裂或预掏槽，然后进行基槽的开挖。
⑵爆破方式和梯段选择：采用光面爆破，以8m为一个开挖梯段。
⑶钻孔方式：基槽底板顺坡向钻孔，上、下游端墙垂直底板阴角线钻孔，预留30cm深度保护底板或采用导向孔。光爆孔或预裂孔钻孔间距70cm，爆破孔间排距2m×2m，掏槽孔间距1m。
⑷装药结构：光爆孔或预裂孔采用间隔不耦合装药结构，采用φ32mm2#乳化炸药，单支重200g，采用电工刀均匀分割成3节，按照间距34cm均与绑扎在组片上，线装药密度200g/m；爆破孔采用φ70mm2#乳化炸药，单支重1500g，采用电工刀中分割成两半，连续绑扎在竹片上，集中下孔，炸药单耗4.2Kg/m3；掏槽孔采用单支φ70mm2#乳化炸药下孔。
⑸起爆网络：采用底段位导爆管雷管，毫秒微差控制在125ms以内，三面同时爆破一次性成型。
5、岩层抬动的原因分析和效果对比
通过8个梯段的爆破施工，我们在各种施工方法、爆破方式、造孔方式、裝药结构等对比分析，得出岩层抬动和超欠挖的原因如下：
⑴地质条件差是最主要的原因
从开挖揭露的情况看，坝肩心墙位置岩层顺坡走向，层状结构，层厚0.1m～1.4m,裂隙较发育，岩脉分布较广风化严重，成粉粒状，强度低。花岗岩岩石强度虽高但质脆，为Ⅳ类围岩，存较为严重的地质缺陷。爆破施工过程中，层厚较小的岩石不易剪切成缝更易抬动，岩层抬动造成岩石错动、剪切和相互干扰，超欠挖严重，平整度低。甚至出现开挖完毕后仍有岩层错动、下滑和坍塌的现象。
⑵钻孔方式也是影响爆破效果的原因之一
顺岩层方向钻孔易发生岩层抬动，高压气体释放后侧重于于抬动岩石而不是剪切岩石，形成预裂面，垂直岩层方向钻孔，同样产生抬动，且钻孔阴阳角位置出现锯齿状错牙和挂连现象。都影响开挖质量。
⑶心墙灌浆廊道基槽坡度较缓是影响质量的原因之一
梯段开挖过程中，钻孔角度在75°左右最能提供均匀的抵抗线和达到抛掷效果，也能发挥机械的最大效率，而本项目开挖坡比为1:1.25，顺坡向钻孔角度52.4°，钻机自重影响非常明显，飘孔、穿孔非常严重，特别是梯段越高、钻孔深度约大时飘孔现象越严重，钻孔质量直接关系到爆破质量。
⑷开挖顺序是爆破效果差的原因之一
前期采用的是心墙两侧坡面先进行爆破，掏槽部位预留，造成心墙位置抵抗线不均匀，底盘抵抗线较大，掏槽效果不明显。
⑸其他方面的原因
孔距和梯段高度也对爆破质量产生一定的影响，孔距由最初的80～90cm正常孔距调整为密集孔70cm，效果明显改善。梯段高度由最初的15m、10m调整为7m～8m后，钻孔质量明显加强，直接关系到爆破效果的好坏。
通过技术研究和工程实践，我们发现：①装药结构和方式对槽挖爆破效果无太大影响，一般较深预裂孔或光爆孔为克服底部挟制力才增大加强药段的装药密度，采用φ70mm炸药作为底部加强药卷，该基槽钻孔深度8～9m左右，若采用φ70mm药卷，底部将出现严重的爆破裂隙，采用1/3卷φ70mm药卷同两支φ32mm药卷效果一致，因此，没有必要在预裂和光爆孔的装药结构上调整；②采用施工预裂、预掏槽和密集孔的非正常方法进行槽挖，对心墙基槽开挖的成本基本无影响，但有效的提供了均匀的抵抗线，能直接提高爆破质量，有效控制岩层抬动和超欠挖。
6、结语
通过该项目的研究，使我们掌握了在层状结构岩层条件下实施基槽开挖的第一手资料和关键技术，通过国内水工、地质、爆破等相关专家的科技成果评审鉴定，评审结果为“该成果已成功应用于工程实践，经济效益和社会效益显著，项目成果达到国内领先水平”。实现了在缓坡薄壁层状结构特殊地质条件下同时实施多面同时开挖、一次性爆破成型，是一种新型控制爆破技术。
虽然控制爆破技术在国内已经很成熟，但在此不良地质条件下同时实施多个开挖面爆破的工程实例较少，其研究的方法、施工工艺和参数对类似工程施工有一定的借鉴意义。