摘要 黃豐水電站泄洪閘和廠房粘土巖開挖根據粘土巖巖質軟弱，強度低，開挖爆破過程中易受到擾動，在水的作用下引起軟化、泥化、膨脹、崩解、收縮干裂等工程特性，選用合理的施工方法與合適爆破參數(shù)最大限度避免開挖爆破對基巖的擾動破壞、以及有效的建基面保護措施，為類似工程粘土巖施工提供參考與借鑒。

關鍵詞　黃豐水電站 粘土巖開挖 建基面保護
1工程概況
黃豐水電站位于青海省循化縣境內的黃河干流上，是黃河上游龍羊峽—劉家峽河段中的第十個梯級。電站樞紐工程主體由電站廠房、泄洪閘、土石壩、開關站等建筑物組成，樞紐布置由左至右依次為河床式電站廠房、泄洪閘、右岸土工膜防滲砂礫石壩等建筑物。樞紐前沿總長度556.60m，壩頂高程1883.50m。工程主要任務是發(fā)電，兼顧下游少量灌溉、供水等綜合利用效益。電站等別為三等中型工程，主要建筑物級別為3級。水庫正常蓄水位1880.5m，庫容5900萬m3，具有日調節(jié)性能。電站總裝機容量225MW，多年平均發(fā)電量8.654億kWh，5臺燈泡貫流式機組，額定水頭16.00m。
壩址區(qū)各建筑物基礎及邊坡的巖石均屬強度低，易軟化，易泥化的巖石。巖性主要為含粉砂質泥巖，其次為含粉砂粘土質石膏巖夾層。右岸土壩壩段河床覆蓋層厚度4.9～6m，基底巖石為含粉砂質泥巖，基巖頂板高程1854～1858m。土石壩壩基工程地質條件較好。廠房及泄洪閘壩段壩基巖石均為弱～微風化含粉砂質泥巖，其中發(fā)育順層裂隙及層間石膏膜，且發(fā)育少量陡傾角裂隙，局部陡緩相交呈網格狀發(fā)育。裂隙一般充填石膏細脈。相對較差的含粉砂粘土質石膏巖在閘（壩）建基面下埋藏深度2.0～2.5m以上，弱～微風化巖體均為相對隔水層。
尼那水電站粘土巖開挖與黃河康揚水電站粘土巖的開挖，均采用預留保護層、梯段爆破開挖方法，基坑大面積開挖前先進行爆破實驗，并在爆破前后進行了聲波監(jiān)測和對比分析。
2爆破試驗
黃豐水電站為取得與粘土巖開挖相適應的爆破參數(shù)以及檢測爆破震動對建基面的影響程度，在開挖初期進行了爆破試驗。
爆破試驗選在在電站廠房左岸臨近岸坡臺地位置（樁號：壩下0+040.0～壩下0+070.0、壩右0+060.0～壩右0+80.0），分兩個試驗塊進行。
2.1鉆爆設計
參照類似工程經驗，初擬鉆爆試驗參數(shù)如下：
爆破試驗Ⅰ區(qū)鉆孔采用Atlas D7鉆車鉆孔，孔徑100mm，孔深3.0mm，孔距3m×2.6m，炸藥采用乳化炸藥，藥卷直徑70mm，單孔裝藥量9.5kg；
爆破試驗Ⅱ區(qū)鉆孔采用YT－28手風鉆鉆孔，孔徑45mm，孔深1.5m，孔距1.5m×2m，炸藥采用乳化炸藥，藥卷直徑32mm，單孔裝藥量為0.60kg。
2.2爆破觀測
2.2.1觀測儀器設備與技術標準
爆破破壞范圍觀測儀器使用RS—ST01C型聲波儀，爆破地震效應觀測儀器使用Idts3850型爆破檢測儀。工作前、后對所用儀器設備進行了常規(guī)檢查，檢查結果表明所使用儀器設備性能穩(wěn)定，滿足有關要求。
物探觀測執(zhí)行《水利水電工程物探規(guī)程》(DLS010 92)中的有關技術要求和標準。
2.2.2觀測孔的布置與測試
爆破破壞范圍觀測共布孔15個，孔徑100mm，每3孔一組，試驗Ⅰ區(qū)布置3組，分組編號為：4#～6#、7#～9#、10#～12#，孔深6m；Ⅱ區(qū)布置2組，分組編號為：13#～15#、16#～18#，孔深3m。
觀測方法采用聲波穿透法，分爆前、爆后，兩次進行，且要求爆前與爆后均在同一孔中進行。
爆破地震效應觀測工作分4次進行，每次布置兩個測點，每個測點安置3個速度傳感器，分別接收垂向、徑向和切向等三個方向爆破震動速度。
2.2.3爆破地震效應觀測
爆破地震效應的觀測是為了研究爆破地震效應的規(guī)律，找出減小爆破振動的措施和確定爆破安全距離或確定最大允許藥量，以爆破周邊保證建（構）筑物安全。
目前國內外爆破工程多以建筑物所在地表的最大質點振動速度作為判別爆破振動對建筑物的破壞標準。通常采用的經驗公式為：
 V=K（Q1/3/R）a
式中：
V一質點最大振動速度，cm／s；
Q一炸藥量，kg；
R一測點與炮點距離，m；
k一與震源、巖土等因素有關的系數(shù)；
a一衰減系數(shù)。
本次測試通過4次各2個點的觀測，針對不同藥量和不同收發(fā)距離所對應的三個方向(垂直、徑向和切向)最大質點速度，采用最小二乘法進行回歸，得出上式中的k和a值：
①垂向：K=93.2,a=1.437
②徑向：k=22.7,a=1.028
⑧切向：K=68.0,a=1.285
根據上述結果得出黃豐水電站壩址區(qū)爆破震動的傳播規(guī)律為：
①垂向：V＝93.2（Q1/3/R）1.437
②徑向：V＝22.7（Q1/3/R）1.028
③切向：V＝68.0（Q1/3/R）1.285
 
2.2.4爆破破壞范圍聲波測試成果分析
根據典型孔組聲波測試成果分析：7#～8#、8#～9#孔組Vp－H曲線自爆破面以下80cm與爆前波速值重合，以及實際超挖0.4cm，確定7#～8#、8#～9#孔組間巖體爆破擾動破壞深度為1.2m。
10#～11#、11#～12#孔組Vp－H曲線也是自爆破面以下80cm與爆前波速值重合，以及實際超挖1.2m，確定10#～11#、11#～12#孔組間巖體爆破擾動破壞深度為2.0m。
同理，根據4#～6#、13#～15#、16#～18#孔組聲波跨孔測試成果，確定4#～6#、13#～15#、16#～18#孔組間巖體爆破擾動破壞深度分別為：2.0m、0.6m、0.8m。
2.5小結
通過黃豐水電站粘土巖開挖爆破試驗和爆破觀測成果分析，主要結論如下：
（1）粘土巖的開挖應采用淺孔梯段爆破、預留保護層開挖方法。
（2）采用爆破試驗所用爆破參數(shù)，巖體最大爆破擾動破壞深度為2.0m，確定基巖保護層厚度為2.5m。當然，需要說明的是由于試驗區(qū)域的局限性和巖層巖性分布的不均一性，施工中還要進一步驗證。
（3）根據試驗Ⅱ區(qū)爆破破壞范圍聲波測試成果：巖體爆破擾動破壞深度0.6m～0.8m，保護層的開挖可采用預留30cm左右人工撬挖層后，一次爆除。
（4）實施爆破作業(yè)前，先要根據爆破地震效應規(guī)律，測算爆破安全距離；若不滿足安全要求時，須采取相應減震和安全防護措施。
3.粘土巖開挖施工
3.1基坑開挖
3.1.1基坑粘土巖梯段爆破開挖
基坑粘土巖開挖采用分區(qū)、分層自上而下逐層、鉆爆開挖方法，建基面以上預留2.5m作為底部水平保護層，保護層以上粘土巖采用淺孔梯段爆破法開挖，梯段高度3m，開挖鉆孔機具采用Atlas D7液壓鉆車，炸藥采用2#巖石乳化炸藥，先開先鋒槽，然后向兩側擴大開挖。
梯段鉆爆參數(shù)見下表2：
表2                     梯段爆破參數(shù)表

 
3.1.2水平建基面粘土巖保護層開挖
水平建基面保護層厚度2.5m，開挖采用孔底加柔性墊層的小梯段一次爆除法。鉆孔采用煤電鉆鉆孔，孔深1.5m，孔徑45mm，炮孔間排距1.5m×1.2m，2#巖石乳化炸藥，藥卷直徑32mm，火花起爆。
3.1.3人工撬挖層開挖
粘土巖人工撬挖層的開挖設計要求原則上采用人工鋪以小型機具（風鎬、鐵鍬等）進行，主要是為防止大型機械輪壓對建基面粘土巖可能造成的破壞和擾動。實施過程中，由于進度十分緩慢，新開挖敞露出來的建基面不能及時采用混凝土覆蓋，表層很快出現(xiàn)龜裂和風化現(xiàn)象。
黃豐水電站粘土巖人工撬挖層的開挖過程中，采用了小型液壓反鏟先站位于撬挖層作業(yè)板塊外一端，薄層開挖兩側撬挖層粘土巖，棄土攤鋪在中間撬挖層上，攤鋪厚度至少在50cm以上，然后反鏟進占蹲位其上，進行撬挖層作業(yè)板塊中間部分開挖，依次循環(huán)，由作業(yè)板塊的一端至另一端進行開挖。液壓反鏟作業(yè)時，嚴格控制開挖深度，預留5cm～10cm人工清面。
3.2邊坡預裂爆破開挖
邊坡開挖采用自上而下分臺階開挖方法，主體石方開挖采用Atlas D7和YQ100型潛孔鉆鉆孔、深孔梯段微差爆破；設計坡面開挖采取預裂爆破技術，預裂爆破鉆孔采用煤電鉆鉆孔。開挖邊坡巖體較厚時，坡面3～5m以外主體開挖可采取大孔徑炮孔進行正常的爆破作業(yè)；坡面3m以內即保護層范圍采取“梯段－預裂爆破法”一次開挖，。
邊坡預裂爆破參數(shù)見下表：
表3                     邊坡預裂爆破參數(shù)表
 

4建基面保護
根據類似地質條件工程研究成果資料和現(xiàn)場觀察：新開挖敞露出來的巖面，隨含水量損失快慢程度，一般6～8小時左右就有微裂隙產生，開始風化。因而，除做好粘土巖建基面不受重壓或擾動保護外；還須做好粘土巖開挖周邊與巖體內部層間排水，以及混凝土覆蓋前建基面天然含水量的保持工作。
4.1作業(yè)面截排水
撬挖層施工前須先進行作業(yè)面周邊地表水和出露裂隙水的截排。周邊地表水采用截水溝、攔水埂截排；邊坡巖層裂隙滲水采用安插導管或沿坡面架設集水管槽外排；工作面局部巖體滲水采用前期設臨時工作坑外排、或前期在出水點安插導管引排，后期封堵。
4.2建基面混凝土覆蓋前的保護
建基面混凝土覆蓋前的保護包括：撬挖層施工過程中的保護、以及地震波波速測試、基巖面驗收、地質素描等、覆蓋混凝土澆筑前后等過程保護。
為保持建基面天然含水量，避免基巖出現(xiàn)干縮龜裂、風化和表層裂隙的產生，撬挖層的開挖應根據結構混凝土澆筑分倉分塊，由短邊開始順長邊方向進行，每撬挖一段（段長按1小時左右撬挖層撬挖長度）即用塑料薄膜和彩條布覆蓋，隨后再行撬挖、跟進覆蓋，依次進行。
建基面的清理由始端開始，揭開覆蓋一塊、清理一塊，清理一塊、覆蓋一塊。同理，地震波波速測試時也要揭開覆蓋一塊、測一塊，測一塊、覆蓋一塊，先橫向后縱向。地震波波速測試合格后，即按驗收程序組織驗倉、地質素描，并同時進行墊層混凝土覆蓋澆筑準備工作。
驗倉結束和混凝土未入倉前，建基面仍要全面覆蓋，混凝土澆筑時逐塊揭膜、逐塊澆筑。
 
5結語
通過黃豐水電站粘土巖開挖全過程的實踐、總結和分析，得出以下主要結論：
（1）粘土巖是屬變形大、強度低、賦存環(huán)境效應和時間效應強烈軟巖中性狀極差的一類巖體，對工程建設施工開挖的進度、質量、成敗起關鍵控制作用。因此，在進行工程建設施工時必須加以高度重視和慎重。
（2）粘土巖開挖爆破參數(shù)、建基面保護層厚度的確定，應根據爆破試驗確定。
預裂（光）爆破和建基面保護層開挖鉆孔機具，易采用42mm直徑的煤電鉆（實際成孔直徑45mm）鉆孔。
（3）粉砂質粘土巖含有膨脹礦物成分，有遇水膨脹、干燥收縮的特點，受水浸泡、或敞露的巖面、以及干濕狀態(tài)下的粘土巖，易于崩解，抗壓強度降低。施工排水與新開挖敞露建基面含水量保持，至關重要。
新開挖敞露出來的粘土巖建基面必須及早進行覆蓋保護。一般在混凝土覆蓋前，采用兩層覆蓋，一層塑料地膜貼巖面保水覆蓋、一層彩條布遮陽覆蓋；混凝土覆蓋：水平建基面采用混凝土墊層覆蓋，邊坡采用噴射混凝土覆蓋。
最早覆蓋時間應以粘土巖出現(xiàn)微風化、干縮前為限。
（4）水平建基面人工撬挖層的施工，在有保證建基面粘土巖巖體不擾動破壞的條件下，應優(yōu)先以機械設備開挖為主、人工清理為輔，以加快施工進度，縮短粘土巖建基面敞露時間。
 
參考文獻
[1] 北京工業(yè)學院．爆炸及其作用(上)．北京：國防工業(yè)出版社,1979,230
[2] 亨利奇J.爆炸動力學及其應用．熊建國等譯．北京：科學出版社．1987，168
[3] 張明，王乃重，周江.康揚水電站粘土巖開挖與防護施工[J].青海水利發(fā)電，2005（2）：30-35
[4] 曹明杰，張向東.眉郡水電站泄水閘導流明渠粘士巖開挖及基巖面保護[J].青海水利發(fā)電，2000（3）：29-31
[5] 趙根等.粘土中的控制爆破[J].爆破，1993：67-69
[6] 任啟香，李克信，等.尼那水電站粘土巖開挖技術分析與探討[J].青海水利發(fā)電，2003（1）：49-53
[7] 徐志英.巖石力學.北京，1986
[8] 馮英.小浪底水庫T15、T16粘土巖特性分析.巖石力學.北京，1994。