张戈平¹  刘治峰²  高文平³
                                            (1．南水北调中线干线工程建设管理局，河北石家庄，050035；
                                                          2．河北省水利工程局，河北石家庄，050021)
摘要：本文通过在王快水库除险加固工程溢洪道高边坡扩挖工程中，采用精细爆破理念，优化爆破方案，合理选择爆破参数，科学监测与评估，提出了溢洪道高边坡开挖的控制爆破技术和高边坡施工的振动控制标准，并进行了开挖爆破对高边坡安全的动力稳定影响分析。
关键词：高边坡；动力稳定；振动；控制标准
 
1工程概况
王快水库位于河北省保定市曲阳县境内大清河南支沙河上游，控制流域面积3770km²，水库总库容13．89亿立方米。是以防洪为主，结合灌溉、发电的大型水利枢纽工程。除险加固的主要工程项目有：溢洪道扩挖和拦河坝加高培厚堆石填筑。下游坝坡加高培厚的填筑石料取自溢洪道扩挖的弱风化岩石，将工程开挖与石料开采相结合，节约生产成本，加快工程进度，有利于自然环境保护。
2溢洪道高边坡开挖的安全控制
2．1高边坡安全控制的重要性
王快水库溢洪道最大开挖深度7lm，开挖宽度17~38m，岩石风化相对严重，岩石的片麻理产状倾向于溢洪道内，且岩体局部有层间夹泥膜，出露的断层、破碎带及褶皱对岩体边坡稳定不利。若再加上开挖爆破对边坡的冲击、振动等破坏作用，边坡失稳问题就更加突出。为保证施工期及水库后期运行的稳定与安全，必须采取控制爆破技术，减少爆破开挖对边坡的影响。
2．2  高边坡开挖技术要求与施工方法
设计边坡坡比为l：0．3，呈陡坡状，轮廓面的开挖偏差不应大于开挖高度的±2％。且爆破施工产生的振动与飞石不能影响周围环境的安全，保证周围变电站的正常运行。在满足爆破开挖规模与进度的同时，确保临时边坡与永久边坡的稳定。为提高装运效率，加快施工进度，则要求控制爆破石碴块度，降低大块率，最大岩块粒径不能大于0．8m。
施工方案采用自上而下分层开挖。沿周边轮廓线进行预裂爆破，主爆孔采用深孔控制爆破，两岸各设三条水平马道(见图1)。
                                   
3深孔爆破参数选择
3．1钻孔孔距和排距
为降低爆破振动效应和破碎块度的要求，控制单段起爆药量，控制爆破规模，并适应不同的台阶高度和钻孔深度，经爆破试验，确定孔距为2．5m，排距为2．5m，梅花形布孔。
3．2  钻孔深度、堵塞长度和单位耗药量
(1)钻孔深度L=(H+h)/sina=(H+h)／sin73．3°=14．5m；
(2)堵塞长度L₂=30d=2．7m；
(3)单位耗药量q=0．80kg,／m³。
装药长度L₁=L一L₂=14．5—2．7=11．8m，炮孔直径90mm，装药结构为耦合装药，单孔装药量为Q=qabH=0．8×2．5×2．5×13=65kg。式中，H为台阶高度，h为钻孔超深厚度，a为孔距，b为排距。
3．3起爆网路
采用塑料导爆管接力起爆网路，以实现多段顺序毫秒延迟起爆，采用孔内9段毫秒雷管引爆，孔外接力雷管用2段或5段毫秒雷管。
4顶裂爆破参数设计
为防止爆破区外的岩体或其他建筑物遭到破坏，沿设计开挖线采用预裂爆破，选用的爆破参数为：孔径为90mm，钻孔间距100cm，线装药密度取400g／m，不耦合系数取2．8，预裂孔底部1m线装药密度1200g／m，顶部1m减半。
5开挖爆破对高边坡的动力稳定影响分析
5．1  影响高边坡稳定的因素及造成滑动的成因与机制
开挖爆破对岩质高边坡的稳定问题是许多重要工程中亟需研究解决的关键技术问题。岩体高边坡的安全稳定问题不仅与地形地质条件有关，而且与开挖过程中采用的爆破技术和爆破方案有直接关系，评估岩体边坡的安全稳定性并提出相应的技术安全措施，则是高边坡开挖爆破动力稳定分析的重要环节。
5．1．1  岩质边坡的稳定条件
边坡的稳定性通常受不连续构造面，如断层、层面以及由应力状态所产生的局部破坏面与边坡面的组合控制。从岩体结构看，边坡要发生滑动破坏应具备两个条件：首先边坡破坏一定是沿层面发生；其次必须有一个切割面的最小抗剪面。因此，边坡的稳定性主要取决于结构面的产状、走向、倾向、倾角及临空面的空间关系。王快水库溢洪道岩体倾向上游，结构面走向与边坡走向斜交，且倾角较缓，仅20°左右，对边坡稳定是不利的，在开挖过程中发现的断层正处于开挖边坡交界面上，岩石破碎，开挖时将其清除，使边坡位于断层下盘，保证了边坡的稳定。
5．1．2边坡变形机制
边坡的稳定性受边坡与岩层的相互关系、顺坡向软弱结构面发育程度及强度控制。开挖施工时，坡脚的开挖深度常大于坡顶，滑坡体前部赖以阻滑的部分岩体被挖掉，不均衡减载破坏了边坡局部平衡。开挖后边坡内部不利于稳定的软弱结构面或组合面暴露于坡面或处于边坡变形的敏感部位，尤其坡脚开挖时对缓倾角岩体切断层面，降低岩体整体性，若有侧向临空面或地质构造，侧向应力被消除，岩体应力产生新的调整，形成垂直边坡走向的拉应力，造成滑坡所具备的边坡条件。这种拉应力将产生平行于边坡的张裂缝，在一定外界诱发因素下，岩体则将沿某一弱面滑移或剪切错动，因结构面上内聚力和抗摩擦阻力均小于岩体强度，变形破坏则以软弱结构面为突破口而发展。
5．1．3爆破对边坡动力稳定的影响
岩体地质条件本身提供了某种潜在的破坏可能性，施工与外部环境和边界条件变化则是外部诱发因素。爆破开挖对边坡稳定的影响有两个方面：一是开挖形成的新边坡，改变了原地形及覆盖层与坡脚的约束边界条件和力学平衡条件。开挖后的岩体卸荷作用不仅产生水平与垂直位移，还使边坡结构及相互间力学关系也发生变化，尤其当开挖面切断层理时，形成下部临空面，产生滑动破坏的几何条件。二是爆破振动荷载的振动作用对边坡稳定产生不利影响，不仅爆破振动产生的惯性力增加了岩体下滑力，而且由于频繁的振动影响也会造成岩体中原有裂隙的松动、错动与扩展，降低了结构面的力学强度，加速了滑体的蠕动过程，阻滑力减小导致结构体沿优势产状失稳、滑出或剪出。
研究边坡稳定影响时，爆破地振波的传播特征是研究的主要内容。爆破对边坡的影响程度与范围主要与爆破规模、爆源距离、起爆顺序和地质条件有关。爆破技术是人为的也是可以控制的，爆破设计方案的基本前提应当不破坏基岩，不降低滑动面的抗剪指标，尽量不改变边坡的力学平衡条件。根据边坡已有层理弱面形状、方位、倾向，先查明滑面特征位置，估算滑面抗剪指标，判定可能产生滑动的岩体部位与方向，根据允许影响的程度确定爆破规模，制定爆破办案以及施工开挖程序，为尽量减小爆破振动影响应缩小梯段爆破台阶高度，减小炮孔直径与孔深，减小每个炮孔所负担的岩体体积，尽量增加分段，减小单段药量及总装药量，并根据实际地形地质条件调整爆破参数和装药结构，并采取其他有效措施，避免爆破振动直接诱发边坡的破坏。
5．2岩质高边坡开挖爆破动力稳定分析方法
5．2．1  安全稳定分析
岩体高边坡的稳定分析计算有静态的极限平衡法、动力有限元法、离散元法等方法，但由于爆源特性的复杂以及岩体材料各向异性、不均匀性、动力特性的差别造成爆破地震波的传播过程是复杂多变的，加之边界条件和岩体的本构关系等问题，准确的模拟爆破荷载和地质条件进行动力分析将是非常困难的，从工程角度出发，有限元法可以估算岩体内的应力应变状态，确定潜在滑面的位置，而岩体的稳定分析计算通常心应用极限平衡法来进行。
极限平衡法是目前国内外设计与施工单位判断岩体稳定性常用的方法，用滑移面上摩擦力和凝聚力作阻滑力，滑体在自重和外来惯性力作用下在极限状态建立平衡方程式，根据抗滑力与滑动力比值作标准判断边坡是否失稳。进行动态分析时，除考虑到静力条件外，还应将地震波参数(如波长、频率、相位差)引入到分析方法中，根据岩体的动力特征和动应力在岩体中的分布规律，将爆破振动引起的动荷载通过动载系数折算成等效静荷载参与稳定分析，以此来评价边坡稳定。该方法物理概念清楚，计算方法简便，符合目前技术水平和工程实践，便于解决工程实际问题。
5．2．2爆破荷载的计算
由于地震波是行进波，边坡岩体各部位所受到的地震力作用的分布是不一样的，存在明显的相位差，甚至会出现正负反相分布的情况，从而导致边坡整体所受到的爆破振动动力反应有所减小。因此，施加的爆破动荷载要考虑振动波长与边坡特征长度之间的相互关系，实质上，这是对爆破地震力作用下的瞬时加速度荷载进行拟静力化修正。爆破地震波的传播是随时间和空间而变化的，边坡体某部位所受到的振动加速度值达到峰值，而另一部位的加速度可能还未到峰值，对于不同空间位置的相位差影响，理论上可以通过多个谐波的幅值谱和相位谱的迭加来构成边坡各部位地震波形输入计算。
5．2．3计算结果与分析
对王快水库工程边坡各个剖面进行了静态安全系数的计算，根据王快水库室内实验给出的抗剪强度，安全系数K为1．52~1．79，如果将滑面向外移10~15cm，安全系数最低降为1．36。又用纯摩擦系数，即不考虑内凝力C，进一步进行校核，上述各剖面安全系数最小值为1．26，若将滑面位置向外侧移动1 5cm，安全系数将为1．01，整个岩体将处于临界稳定状态。表明只要严格控制爆破规模，采用正确的爆破技术、合理的工程防护措施，可以保证本工程的边坡安全。根据安全系数大小，优化爆破设计方案和爆破参数，调整施工顺序，针对实际情况，有效地采取加固措施，科学地指导施工。事实表明，在开挖爆破动力稳定分析指导下，王快水库工程边坡开挖得以顺利实拖，说明对边坡问题的分析方法和采取的计算参数是合理有效的。
5．3高边坡爆破施工的安全控制标准
我国现行的《爆破安伞规程》(GB 6722—2011)未对高边坡开挖的安全控制指标作出具体规定，目前还没有一个精确的理论方法评估爆破对边坡动态稳定影响，重大工程只能按经验方法施工。岩体边坡的稳定不仅与地形地质条件有关，而且受到开挖中采用的爆破技术与爆破方案的直接影响。良好的爆破设计与施工即可高效率高质量开挖岩体，又可防止爆破对周围环境产生不利影响。
5．3．1  控制边坡稳定的安全判据
国内外工程界目前根据工程类比或现场实测岩体质点振动的速度或加速度进行统计分析，选其最大峰值作为安全判据，给出经验表达式。目前数值模拟计算方法发展很快，但边界条件的假定和采用各项力学参数的准确程度对这些方法的计算结果往往会有较大影响，而且安全控制标准难以确定。一般常取10～20cm／s作为边坡稳定的振速控制标准。
5．3．2安全系数作控制标准
边坡安全稳定系数是判断边坡稳定性，确定边坡处理工程范围与程度的一项重要指标。边坡的安全系数需根据具体边坡的实际情况，分析影响边坡稳定安全系数的各种因素，类比同类工程实践经验综合分析确定。
根据安全系数K来评定边坡的稳定程度，K<1边坡处于不稳状态，K=1为临界状态，K>1边坡处于稳定状态。对静态体系而言，K<1意味着一定失稳，但从动态稳定来看，当爆炸荷载施加于有微裂隙的岩体表面时，应力强度因子不是立即上升到与材料临界断裂应力相对应的值，而是逐渐增加，先到达静态应力强度，然后上升达到动态应力强度，此过程中裂纹经历了启动和非稳定扩展阶段，应力不断集中，承载力逐渐降低，变形速度不断加快，有一个时间与空间发展过程，动力过程的发展与超载时间、超载量级及边坡允许破坏的程度有关。
爆破振动造成的地面振动也是往复循环的，地面振动加速度总是不断变化方向，在这一运动过程中，安全系数K会不止一次瞬间小于l，由于运动方向与幅值都是随时间而变化的，虽然动应力瞬间多次达到动态破坏强度，一旦地面运动停止，产生进一步变形的力也就停止了，岩体的滑动呈现往返的或同一方向的间歇性滑移，瞬间失稳并不意味着最终失稳。此处取准静态的安全系数K=1，作为边坡稳定的临界判据实际上是偏于安全的，爆破振动对边坡安全稳定系数的影响控制在5％之内，不会影响边坡的整体稳定。
5．3．3  炸药量与安全距离作为控制标准
边坡工程确定之后地形地质条件也相应确定，岩体的内在特征是无法改变的，根据工程要求整体设计完成后，对施工单位而言就是如何选择良好的爆破方案，保证施工安全与质量。对爆破施工技术来讲，对边坡稳定影响最大的因素就是单段药量的选取和安全距离的确定。
我国目前颁布实施的爆破开挖有关规程、规范仅规定开挖爆破施工中，单段药量不大于500kg，没有涉及爆源距离和地形地质条件，适用性差。根据王快水库工程地形地质特点，结合施工进度、设备、场地条件等因素综合比较，确定单药量为计算值的一半，取100kg，施工中采取预裂爆破，大大削弱主炮孔的振动对保留岩体的影响，保证边坡稳定，预裂孔的单段药量为不大于40kg，一般以10～15孔为一段，施工过程中未发现任何因爆破产生的坍塌问题。
6保持边坡安全稳定的技术措施
边坡安全稳定治理措施总的原则是减少下滑力，增加阻滑力，具体的工程措施要根据本工程滑坡体实际情况与施工条件具体研究确定。对爆破技术而言，要根据边坡的实际地形地质件和能允许的影响程度确定爆破规模和爆破方案，以及开挖空间顺序，既要高质量开挖岩体又要尽量减小爆破对周围环境产生不良影响。下面简要介绍本工程采用的爆破方案和相应的参数与工程措施。
(1)孔网参数。为尽量减小爆破振动影响，应降低台阶高度，减小炮孔直径和孔深，缩小孔网参数。本工程炮孔直径为90mm，正常情况下孔网面积一般为10．5m²，本工程采用6．25m²，减小单孔装药量，降低单段药量。
(2)减小单段药量。减小单段药量是减小振动影响范围与破坏程度的有效措施。严格控制爆破规模，减小每段起爆药量，不仅可以降低振动幅值，而且可以提高振动频率，频率高，衰减快，影响范围也减小，一般控制在100～150kg。根据开挖条件的变化要不断调整爆破参数，坡顶开挖覆盖层较厚时单段药量较大，随着开挖高程的降低，单段药量也相应降低，一般控制在100kg以下。
(3)增加起爆段数，采用合理的起爆顺序。王快水库工程采用非电塑料导爆管系统，孔内用6段毫秒雷管引爆，孔间用2段、5段低段位传爆，采用孔间顺序毫秒延迟爆破。
(4)合理起爆时差。毫秒延迟起爆技术可以保证破碎质量，又使两次起爆产生的地震波在同一空间位置迭加的不利影响最小。爆源距离愈小，振动愈大，对K值影响越大。爆源近区K值变化剧烈，爆心距的影响甚至比药量的变化更灵敏，因此沿设计边线开挖和坡脚爆破时，要充分采用保护边坡不被损害的技术措施，提高整体稳定性。王快水库工程施工时采用预裂爆破，以减少对保留岩体的破坏影响。
(5)针对不同地形地质条件不断调整爆破方案和装药结构，根据每个炮孔实际孔深、抵抗线和孔距，确定每孔实际装药量和堵塞长度，对施工过程中钻孔、装药、堵塞、起爆网路等各个环节加强检查、监督和施工管理。
(6)安全监测是确保爆破施工安全和质量的可靠技术手段。滑坡体的形成都有从渐变到突变的过程，可以在岩体表面设监测点，监测边坡的整体稳定。关系重大的地方(如易产生滑动剪出的层面)进行重点监测，也可在岩体内部设点，内外结合，局部与整体结合，保证资料完整连续。根据监测资料及时整理与综合分析，一方面将爆破振动控制在允许范围内，另一方面可根据信息反馈优化爆破设计，指导爆破施工，检验加固措施的合理性和有效性。王快水库历次爆破，距爆源10m处测得岩体最大质点振动速度为3．68～4．27cm／s，振动最大加速度为0．265g，最大规模的总药量为40．97t，单段最大药量为100kg，远低于安全控制标准。在5个剖面进行变形观测结果表明，各剖面测点距离月平均收敛量在±lmm范围内，历时一年之久的观测结果为岩体各测点间距相对于第一次读数最大收敛量仅lmm，边坡变形甚微，稳定性好。
7 高边坡爆破开挖效果
由于设计的爆破方案合理，选择的爆破参数正确，采取的工程措施有效，在施工过程及后续运行中未见任何滑坡或坍塌，确保了工程开挖质量和生产安全。
参考文献
[1]刘治峰，张戈平，等 ． 人型病险水库除险加固控制爆破技术[M]．北京：中国水利水电出版社，2011．
[2]中国工程爆破协会．CB 6722—2011爆破安全规程[S]．北京：中国标准出版社．2012．
摘自《中国爆破新进展》