CN110986707B

CN110986707B - 一种用于围堰爆破方法

Info

Publication number: CN110986707B
Application number: CN201911166816.0A
Authority: CN
Inventors: 吕跃奇; 翁永明; 管圣军; 李永红; 管朝波
Original assignee: Chun'an Qiandao Huzilong Earth Rock Engineering Co ltd
Current assignee: Chun'an Qiandao Huzilong Earth Rock Engineering Co ltd
Priority date: 2019-11-25
Filing date: 2019-11-25
Publication date: 2022-03-04
Anticipated expiration: 2039-11-25
Also published as: CN110986707A

Abstract

本发明公开了一种用于围堰爆破方法，涉及围堰爆破技术领域。本发明包括：测量围堰体型：确定砼防渗墙、高压旋喷桩墙体型以及岩坎体型；绘制所测体型三维图，建立损伤模型，进行砼石料块度预测计算；根据所测绘砼防渗墙、高压旋喷桩墙模拟布置炮孔孔位、孔深以及孔径；确定水下岩坎爆破水位深度；根据所测绘岩坎体型三维图单位长度内体量划分爆破段，针对每一爆破段模拟布置爆破孔位、孔深以及孔径，根据模拟孔位进行开孔，装药；引水，使用毫秒延时爆破方案爆破，先砼防渗墙、高压旋喷桩墙，后岩坎。本发明通过对围堰中不同成分结构建立模型并进行砼石料块度预测计算，分类爆破、实现精准爆破。

Description

一种用于围堰爆破方法

技术领域

本发明属于围堰爆破技术领域，特别是涉及一种用于围堰爆破方法。

背景技术

围堰是指在水利水电工程建设中，为建造永久性水利设施，修建的临时性围护结构，其作用是防止水或土进入建筑物的修建位置，以便在围堰内排水，开挖基坑，修筑建筑物，一般主要用于水工建筑中，除作为正式建筑物的一部分外，围堰在用完后需拆除。

围堰一般根据地形、地质条件，因地制宜的进行修建。因此，围堰的类型较多，结构复杂。按围堰与水流方向的相对位置，可分为横向围堰、纵向围堰；按导流期间基坑是否允许淹没，可分为过水围堰、不过水围堰；按材料可分为土石围堰、混凝土围堰、岩坎围堰、钢板桩格形围堰、木笼围堰、竹笼围堰、草土围堰等。根据围堰的结构特点、材料性质等，通常可采用人工拆除法、机械拆除法、爆破拆除法中的一种或多种进行拆除。在水电工程中常见的混凝土围堰、土石围堰、岩坎等，一般都以爆破拆除法为主。

而在静水区域中，拆除爆破区域附近通常有重要的水工建筑物，应严格控制爆破冲击波、爆破飞石及爆渣堆积等方面，并减少爆破时对周围环境以及水生物带来的影响，如稍有不慎，后果将不堪设想；加上清渣设备能力有限、水下清渣困难、成本高等因素的影响，出渣难度较大，直接影响后续施工作业，容易延误工期。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于围堰爆破方法，通过对围堰中不同成分结构建立模型并进行砼石料块度预测计算，分类爆破、实现精准爆破。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明为一种用于围堰爆破方法，包括如下过程：测量围堰体型：确定砼防渗墙、高压旋喷桩墙体型以及岩坎体型；绘制所测体型三维图，建立损伤模型，进行砼石料块度预测计算；根据所测绘砼防渗墙、高压旋喷桩墙模拟布置炮孔孔位、孔深以及孔径；根据近三年平均水位，确定水下岩坎爆破水位深度；根据所测绘岩坎体型三维图单位长度内体量划分爆破段，每一爆破段内单位长度爆破量相差不超过10m³；针对每一爆破段模拟布置爆破孔位、孔深以及孔径，根据模拟孔位进行开孔，装药；向围堰的背水面进行引流至少到迎水面水位的1/2，使用毫秒延时爆破方案爆破，先砼防渗墙、高压旋喷桩墙，后岩坎。

优选地，炮孔为竖直孔、水平孔或倾斜孔的一种或至少两种组合。

优选地，破堆的推进方向为围堰内。

优选地，砼防渗墙、高压旋喷桩墙整体爆破，采用竖直炮孔，炮孔位为“V”型排布，相邻两排炮孔交错布置，其“V”角小于60°。

优选地，岩坎的迎水面上外露炮孔为三角形式布孔方式，倾斜孔、竖直孔交替设置，其倾斜孔、竖直孔的底端为一条直线，岩坎的背水面为三角形分布的竖直孔。

优选地，根据所测绘砼防渗墙、高压旋喷桩墙模拟布置炮孔孔位、孔深以及孔径前，随机取砼防渗墙、高压旋喷桩墙、岩坎样料并分析该样料硬度，根据样料分析和围堰体积确定模拟布置炮孔中每一炮孔内装药量。

优选地，根据样料数据通过LS-DYNA程序中自定义材料模型进行演示损伤演化，根据爆破块度损伤模型建立了砼石料块度预测计算机模拟系统，确定爆破参数、炮孔布设。

优选地，岩坎水下部分装药量采用q_水＝q_陆+0.01H_水+0.02H_介质+0.03H_梯计算得出；

其中q_水—水下钻孔爆破的炸药单耗，单位kg/m³；

q_陆—相同介质的陆地爆破炸药单耗，单位kg/m³；

H_水—水深，单位m；

H_介质—炸药在介质中的埋深，单位m；

H_梯—钻孔爆破的梯段高度，单位m。

优选地，根据样料硬度分析建造砼防渗墙、高压旋喷桩墙预爆破段，进行试样爆破。

优选地，围堰外侧布设有气泡帷幕。

本发明具有以下有益效果：

1、利用LS-DYNA程序用户自定义材料模型功能，将砼石料动态损伤模型嵌入到LS-DYNA程序的用户材料子程序中，对围堰爆破进行了数值模拟。模拟结果较好地反映了砼石料爆破破碎机理，为爆破块度损伤模型的现场应用奠定了基础。

2、利用爆破块度损伤模型，建立了砼石料块度预测计算机模拟系统。利用该系统可以实现砼石样料度级配预报，并可以进行误差分析，可以调整爆破参数、孔网参数等进行修正，实现了现场的爆破快速设计，通过试验验证很快可以推广使用。避免了通过试验调整爆破参数，具有显著的经济效益。

3、爆破顺序有上至下按照结构类型进行分别爆破，并根据每一结构类型进行单独设立爆破网络，实现精准爆破。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种用于围堰爆破方法流程图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明为一种用于围堰爆破方法，具体的针对常见岩坎围堰，即通过在岩坎上修建砼防渗墙并且在砼防渗墙内外造高压旋喷桩墙，包括如下过程：测量围堰体型：确定砼防渗墙、高压旋喷桩墙体型以及岩坎体型；

根据所测绘砼防渗墙、高压旋喷桩墙模拟布置炮孔孔位、孔深以及孔径前，随机取砼防渗墙、高压旋喷桩墙、岩坎样料并分析该样料硬度，根据样料分析和围堰体积确定模拟布置炮孔中每一炮孔内装药量。

绘制所测体型三维图，利用LS-DYNA程序用户自定义材料模型功能，将砼石料动态损伤模型嵌入到LS-DYNA程序的用户材料子程序中，对围堰爆破进行了数值模拟。

利用爆破块度损伤模型建立了砼石料块度预测计算机模拟系统。该系统对砼石样料度级配预报，并进行误差分析。当级配曲线偏离设计包络线时，就可以调整爆破参数、孔网参数并进行网孔布设等进行修正，实现了现场的爆破快速设计。

根据所测绘砼防渗墙、高压旋喷桩墙模拟布置炮孔孔位、孔深以及孔径；优选地，炮孔为竖直孔、水平孔或倾斜孔的一种或至少两种组合。

根据近三年平均水位，确定水下岩坎爆破水位深度；根据所测绘岩坎体型三维图单位长度内体量划分爆破段，优选的单位长度在2-3m之间，每一爆破段内单位长度爆破量相差不超过10m³，通过分节爆破避免通过计算机模拟爆破带来的误差，精准按点爆破，提高预定设想爆破的成功率；

针对每一爆破段模拟布置爆破孔位、孔深以及孔径，根据模拟孔位进行开孔，装药；

向围堰的背水面进行引流至少到迎水面水位的1/2，优选的围堰背水面的水位在迎水面水位的2/3以上，使用毫秒延时爆破方案爆破，先砼防渗墙、高压旋喷桩墙，后岩坎。

优选地，破堆的推进方向为围堰内，进而使得岩坎爆破能循环进行。

优选地，岩坎的迎水面上外露炮孔为三角形式布孔方式，倾斜孔、竖直孔交替设置，其倾斜孔、竖直孔的底端为一条直线，优选的倾斜孔和水平面的夹角在55°-75°，岩坎的背水面为三角形分布的竖直孔。

公式是我国水利系统在水下和半水下爆破中常用的经验公式，该公式借鉴于瑞典的水下爆破装药量公式岩坎水下部分装药量采用 q_水＝q_陆+0.01H_水+0.02H_介质+0.03H_梯计算得出；

其中q_水—水下钻孔爆破的炸药单耗，单位kg/m³；

q_陆—相同介质的陆地爆破炸药单耗，单位kg/m³；

H_水—水深，单位m；

H_介质—炸药在介质中的埋深，单位m；

H_梯—钻孔爆破的梯段高度，单位m。

优选地，围堰外侧布设有气泡帷幕，并且通过搭建气泡帷幕减少爆破对水生动植物的冲击。

具体的以千岛湖配水工程进水口围堰爆破拆除为例子。

进水口处所设的围堰主要包括涉水的岩坎以及在岩坎上修建的砼防渗墙和砼防渗墙内外两侧的高压旋喷桩墙，其中岩坎部分漏出水表。

根据设计引水渠结构尺寸，引水渠底宽17.5m，两侧坡比1:2。对应混凝土防渗墙拆除范围为堰0+00～堰0+172，长度172m。需将引水渠中间的防渗墙爆破至▽82.0m并开挖至原状土，防渗墙顶部高程▽105.0m，底部高程为▽82.0m，砼防渗墙拆除面积为3013m²，体积2410m³。

根据设计对应混凝土防渗墙拆除范围为堰0+00～堰0+172，长度172m；防渗墙顶部高程▽105.0m,底部高程为▽82.0m，砼防渗墙拆除面积为3013 ㎡,体积2410m³。设计范围内防渗墙两侧高压旋喷加固拆除部分为堰0+15～堰0+159，拆除部分长度为144m；顶部分高程为▽105.0m,底部高程为▽ 90.0m，进水渠防渗墙两侧的高喷爆破至▽93.0m；对应砼高压旋喷加固拆除部分爆破拆除面积约为3384㎡(单侧1692m2)，体积约4061m³。

围堰背水侧堰下NK0-067.20桩号开挖揭露岩石面顶高约▽89.0m，需爆破至进水渠设计底面▽82.0m，根据岩石出露部分测量及防渗墙钻孔地质情况推测，岩坎顺水流方向长度约15.7m，岩石爆破工程量约1800m³。

在围堰爆破拆除中，围堰体炸成一定粒径的爆渣实现爆破后即时过流，形成过流缺口，使爆渣能在水流的作用下，被水流顺利冲走。

建立损伤模型

LS-DYNA程序的用户自定义材料模型功能将样料岩石损伤演化本构关系嵌入到LS-DYNA程序的用户材料子程序中，对岩石的冲击损伤进行数值模拟，并通过实验数据对数值模拟结果进行校核，验证模拟结果和实验结果的吻合程度。

用户自定义材料模型的步骤和实现的方法如下：

1)、正确定义本构模型的方程，包括：

(1)应力的显式定义；

(2)应力变化率的定义；

(3)定义与时间、温度或场变量相依赖的变量定义；

(4)使用显式或率的形式定义内状态变量。

2)、使用一个适用的积分方法将本构关系的率的形式转化为增量方程的形式，其中显式积分方法简单，但缺少稳定性，因此，显式积分时，必须控制时间增量。

3)、需要按照FORTRAN程序的语言规则对定义的本构模型方程进行程序编码化。并对编写的代码进行向量化，从而尽可能地使计算处理快速。

4)、保证所有的变量被定义和正确地初始化，并且为历史状态变量 (HISV)分配足够的存储空间，确保所有的应变分量都以应力的形式返回主程序。

5)、设置主程序及入口条件。在FORTRAN环境下，利用PC和UNIX平台对向量化的本构模型程序进行链接编译生成新的求解器LS-DYNA.exe。

6)、在LS-DYNA的输入数据文件(.K)中使用*MAT_USER_DEFINED_MAT._ MODELS为自定义本构提供参数，完成分析。

7)、对编译的程序和材料本构模型进行校验，若有问题返回第1步，调试程序。

在运用LS-DYNA有限元分析软件进行模拟时，砼石料采用 *MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONTRETE材料模型(JHC模型)。通过压力、应变率和损伤的函数来表示等效应力，其中，压力表示为体积应变(包含破碎形态)的函数，累积损伤表示为塑性体积应变、等效塑性应变和压力的函数建立了砼石料块度预测计算机模拟系统，并分进行爆破块度的数值模拟、炸药单耗对爆破块度影响的数值模拟、炸药单耗对爆破块度影响的数值模拟、炮孔堵塞材料对破碎效果影响的数值模拟、药包起爆位置对破碎效果的影响。

接着则需应控制爆堆方向，相应的通过抛掷弹道理论对石块进的运行轨迹进行理想预测，并结合散粒体材料的干燥休止角和水下休止角、爆堆松散系数的测定，并结合相应的炮孔方向进行，进而定下砼防渗墙、高压旋喷桩墙、岩坎上的孔位、装药量、装药结构以及相应的孔距。

材料选用；炸药：采用Φ32mm 2#砼石料乳化炸药；引爆材料：采用非电雷管引爆；传爆材料：岩坎爆破采用导爆管传爆，砼防渗墙及高压旋喷加固部分孔内采用导爆索(抗水导爆索)传爆。

防渗墙及高喷爆破参数

围堰砼防渗墙

①孔径：Φ＝110-120mm，炸药规格Φ32mm；

②孔距：a＝1.5m，单排孔；

③孔深：L＝15-26m；

④超深:l＝3m；

⑤炸药单耗:q＝2.0kg/m3；

⑥单孔装药量Q＝39kg-72kg；

⑦堵塞长度L2＝1.5m-2.0m；

⑧总孔数：115孔；

⑨起爆方式:用导爆管雷管起爆。

⑩最大单孔起爆药量，取72kg；

围堰砼防渗墙钻孔总长：1962m。

砼防渗墙两侧高压旋喷加固部分

①孔径：Φ＝110-120mm，炸药规格Φ32mm；

②孔距：a＝1.5m；

③孔深：L＝8m-16m；

④超深：l＝1m；

⑤炸药单耗：q＝2.0kg/m3；

⑥单孔装药量Q＝18kg-42kg；

⑦堵塞长度L2＝1.5-2.0m；

⑧总孔数：98×2＝196(孔)；

⑨起爆方式：用导爆管雷管起爆；

⑩最大单孔起爆药量，取42kg；

砼防渗墙两侧高压旋喷加固部分钻孔总长：1127×2＝2254m。

防渗墙及高喷布孔、装药及网路设计：

防渗墙及高压旋喷墙布孔；

沿围堰混凝土防渗墙及两侧高压旋喷加固拆除部分各布置一排爆破孔，砼防渗墙及高压旋喷加固拆除部分孔距均为1.5m。砼防渗墙炮孔超钻深度3m，高压旋喷加固拆除部分超钻深度1m。爆破孔采用XY-2地质钻机造孔，钻孔直径110mm-120mm。严格控制钻孔精度，施钻前，采用测量放样精确定位，通过测斜仪及时纠偏，确保钻孔垂直度。

防渗墙及高压旋喷墙装药：

防渗墙及高压旋喷装药结构底部采用连续装药，上部分采用间隔装药方式，装Φ32mm乳化炸药，堵孔长度均为1.5-2.0m。钻孔后立即在炮孔内装Φ90mm PVC管，装药时由爆破员先将孔底药卷用胶布与导爆索绑扎起来，送入孔底，底部连续段装药时用绳索将药卷慢慢吊入，上部间隔断装药时用胶布将导爆索和药卷及竹片绑扎起来装入，或者中间用堵塞袋间隔，为确保全爆，可在所有的中间装药段增加一发起爆雷管，每个炮孔装2发高精度导爆管雷管与导爆索连接，并联分别形成两套独立的起爆系统，孔口堵塞段采用用砂子、钻孔岩粉堵塞。

防渗墙及高喷爆破网络设计：

使用高精度导爆管雷管起爆，整体采用从右到左顺序起爆，共分为115 段，段间间隔延时30ms，先启爆防渗墙，随后两侧高压旋喷墙以“V”字型起爆方式跟进。三孔一响，控制最大单段起爆药量不超过156kg。

岩坎垂炮孔爆破参数：

岩坎垂直孔爆破参数设计：

(1)钻孔形式及钻孔直径。

内侧高压旋喷墙采用垂直孔钻孔形式。钻孔采用配有高风压空压机的钻爆船进行钻孔，考虑到爆破区距离周边建筑物较近，故钻孔时采用φ 180mm的套管，钻孔直径φ140mm，药卷直径φ110mm，每米装药量10kg。

(2)单位炸药消耗量：q＝0.45+(0.05～0.15)H

式中：q为炸药单耗，q＝0.45是陆域一般台阶爆破的炸药单耗，kg/m3； H为水深。本工程水深23m，取q＝2.8～3.2kg/m3。

(3)超钻深度△H：国内水下钻孔超深值一般采用1.0m-1.5m，考虑到水下深孔越深，孔底偏差越大等因素，本工程钻孔超深取△H＝2.0m。

(4)布孔方式：采用梅花形布孔方式。

(5)最小抵抗线W：考虑水深对爆堆松动的影响及水深对炸药能量利用率的影响，取1.5m。

(6)孔网参数(a、b)：孔距a：1.5m～1.8m，炮孔浅时取小值排距b： 1.5m～1.8m，炮孔浅时取小值；

(7)爆层厚度H：2～6m；

(8)孔深L：L＝H+△H＝4～8m；

(9)堵塞长度：1m；

(10)单次爆破规模：不大于1000kg。

水下钻孔岩坎爆破主要参数如下表

岩坎炮孔爆破网路设计

高压旋喷墙外侧岩坎炮孔采用竖直和倾斜交替排布，倾斜孔内装药长度按照对应该排竖直孔内长度比值进行换算实际装药长度。

多段同时起爆，每一段采用孔内同列同段，排间毫秒延时逐孔或多孔一响起爆网路，孔内装2发毫秒延期导爆管雷管，孔内雷管应考虑脚线长度满足要求，排间采用2发5段毫秒延期导爆管雷管，起爆采用导爆管雷管，其原则是避开孔内有两个及以上同时起爆的雷管。

值得注意的是，上述系统实施例中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims

1.一种用于围堰爆破方法，其特征在于，用于对在岩坎上修建砼防渗墙并且在砼防渗墙内外造高压旋喷桩墙进行爆破，包括如下过程：

测量围堰体型：确定砼防渗墙、高压旋喷桩墙体型以及岩坎体型；

绘制所测体型三维图，建立损伤模型，进行砼石料块度预测计算；

根据所测绘砼防渗墙、高压旋喷桩墙模拟布置炮孔孔位、孔深以及孔径；

根据历年平均水位，确定水下岩坎爆破水位深度；

根据所测绘岩坎体型三维图单位长度内体量划分爆破段，每一爆破段内单位长度爆破量相差不超过10m³；

向围堰的背水面进行引流至少到迎水面水位的1/2，使用毫秒延时爆破方案爆破，先砼防渗墙、高压旋喷桩墙，后岩坎；

其中，围堰为配水工程进水口围堰，围堰设置在静水区，爆破堆的推进方向为围堰内，砼防渗墙、高压旋喷桩墙整体爆破，采用竖直炮孔，炮孔位为“V”型排布，相邻两排炮孔交错布置，其“V”角小于60°，岩坎的迎水面上外露炮孔为三角形式布孔方式，倾斜孔、竖直孔交替设置，其倾斜孔、竖直孔的底端为一条直线，岩坎的背水面为三角形分布的竖直孔，倾斜孔和水平面的夹角在55°-75°。

2.根据权利要求1所述的一种用于围堰爆破方法，其特征在于，根据所测绘砼防渗墙、高压旋喷桩墙模拟布置炮孔孔位、孔深以及孔径前，随机取砼防渗墙、高压旋喷桩墙、岩坎样料并分析该样料硬度，根据样料分析和围堰体积确定模拟布置炮孔中每一炮孔内装药量。

3.根据权利要求2所述的一种用于围堰爆破方法，其特征在于，绘制所测体型三维图：根据样料数据通过LS-DYNA程序中自定义材料模型进行演示损伤演化，根据爆破块度损伤模型建立了砼石料块度预测计算机模拟系统，确定爆破参数、炮孔布设。

4.根据权利要求3所述的一种用于围堰爆破方法，其特征在于，岩坎水下部分装药量采用

，计算得出；

其中

—水下钻孔爆破的炸药单耗；

—相同介质的陆地爆破炸药单耗；

—水深；

—炸药在介质中的埋深；

—钻孔爆破的梯段高度。

5.根据权利要求1所述的一种用于围堰爆破方法，其特征在于，围堰外侧布设有气泡帷幕。