CN1125968C - 地下固壁水库爆炸成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水利工程地下结构物的成形方法。成形过程为：1.爆炸成形初始空腔，球形空腔由集中装药方式爆炸形成，柱形空腔由柱形装药方式爆炸形成；2.固化边壁，将炸药和水泥砂浆放入空腔内，起爆炸药使水泥砂浆喷射到空腔边壁上。相互沟通的地下空腔群构成地下水库，它有不破坏地表地形地貌、布局灵活，建造成本低、水损耗小等优点，适合在干旱区建造地下水库，以存储雨水和积雪融化水等。也适合沿海岛屿淡水缺乏地区建造地下水池，存储雨水或运去的淡水。

Description

地下固壁水库爆炸成形方法

技术领域

本发明涉及爆炸成形地下空腔的方法，特别涉及水利工程的地下结构物的爆炸成形方法。

背景技术

世界诸多国家都存在着缺水问题。对我国来说，缺水的矛盾更为突出。例如，西部、华北、东北等地区均严重缺水，缺水使得这些地区长期处于贫穷落后状态；东南沿海及诸多岛屿严重缺少淡水，许多生活在岛屿上的人完全依靠大陆运送淡水，为距离远的岛屿运送一升淡水需要消耗两倍以上的燃油，代价实在太高。近年来，黄河中下游在干旱季节一直断流，使缺水面进一步扩大；城乡人口大量增加，造成水利设施过大负担，超期使用、滥用；此外，全国许多中小型的河流、湖泊、水库的严重污染，不能用作人的生活用水等等，这就是说，缺水的问题已在全国普遍存在。

新中国成立后，国家非常重视水利建设，投资巨大的人力、物力，修建了各种水利设施，如大中小型水库、人工河渠、水坝、水闸，整治河道等。这些设施已产生并将继续产生巨大的经济效益和社会效益。但是对于某些缺水地区，由于自然条件和地质条件特别恶劣，不能修建水库、人工河道、河流等贮水设施，至今人们仍然处于恶劣的缺水环境中。另外修建水利设施，要占用大量的农田，造成众多的移民，这给国家和当地政府带来严重的后果。此外，修建大型的水利设施对生态环境会产生不良的影响，对文物遗产、旅游资源也会产生不同程度的破坏。

本世纪初，国家提出西部开发战略，把我国经济建设重点转向西部地区。开发西部的首要任务应是环境改善，水土保护，水资源开发利用，交通设施的建设等，以创造可持续发展的条件。目前，对西部地区现有的水资源的开发与利用已提到议事日程上来。综观全局，在一些缺水地区也有雨季，其时不仅大部分雨水白白流掉，甚至常常造成洪水泛滥成灾。如何能有效地保存这些雨水供全年使用，一直是人们研究的课题。此外，对远距离的岛屿如何就地解决淡水问题也是十分重要的课题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种使用爆炸形成地下固壁空腔，以建造用作储水的地下水库的方法。

本发明的目的有以下方式实现。

本发明的地下固壁水库爆炸成形方法，包括在土岩介质层钻孔、装炸药，其特征在于，整个成形过程分为两个步骤：

(一)爆炸成形初始空腔；

所述爆炸成形初始空腔，分为球形空腔和柱形空腔两种情况，其中球形空腔由集中装药方式爆炸形成，其炸药的装药量及装药深度分别由下式确定：(1)球形空腔半径与装药量 $R=k\sqrt[3]{Q}Q={\left(\frac{R}{K}\right)}^3$

                 式中        R——球形空腔半径，单位m；

                             k——系数，单位m/kg^1/3；

                             Q——装药量，单位kg。

系数k取值范围0.1～0.9，对强度较高的岩石k取小值，对强度较小的岩石和土壤k取大值，Q是炸药TNT的重量，如果是其它炸药应换成TNT炸药当量。(2)装药深度 $W\≥\sqrt[3]{\frac{Q}{q_1}}$

   式中

                              W——装药中心到地表的最小距离，单位m；

                              q₁—系数，单位kg/m³；

                              Q——装药量，单位kg。

系数q₁是根据炸药品种，装药密度和土岩介质的性质所确定的常数。根据试验得出，TNT装药密度为1.1g/cm³时，q₁＝0.01～0.3，对强度低、容重小的土岩q₁取小值，对强度高、容重大的土岩q₁取大值；

其中柱形空腔由柱形装药方式爆炸形成，其炸药的装药量及装药深度分别由下式确定：

(3)圆柱空腔半径               R＝ kr

     式中                     R——圆柱空腔半径，单位m；

                              k——系数；

                              r——装药半径，单位m。

系数 k根据土岩介质的性质，炸药品种，装药密度所确定的常数；对于TNT炸药，装药密度为1.1g/cm³时， k＝1.2～40，对强度高的岩石 k取小值，对强度低的岩石和土壤 k取大值。

(4)装药深度                   h＝q₂H

                    式中      h——装药深度，单位m；

                              q₂——系数；

                              H——钻孔深度，单位m。

系数q₂是根据炸药品种、装药密度与钻孔直径确定的常数，由试验得到，对于TNT装药密度为1.1g/cm³时，q₂＝0.5～0.9。当装药半径较小时q₂取大值，当装药半径较大时q₂取小值。

(5)装药量                      Q＝πr²hρ，

                     式中      Q——装药量，单位kg；

                               r——装药半径，单位m；

                               h——装药深度，单位m；

                              ρ——装药密度单位kg/m³。

在实际操作过程中，所述球形初始空腔常需分次扩腔完成；首次用小药量，爆炸后形成小球腔，使其体积大小能装下计算总药量。小球腔体积大小与装药量按公式 $R=k\sqrt[3]{Q}$ 计算。对粘土来说，通常只需两次爆炸即可完成扩腔任务。对风化岩石，需多次扩腔，用药量逐次增加；

(二)固化边壁

所述固化边壁是在初始空腔形成后，将炸药和水泥砂浆放入空腔内，然后再起爆炸药，则炸药爆炸产生冲击波，将水泥砂浆喷射到空腔的边壁上，使边壁固化。砂浆中也能够加入钢纤维或尼纶纤维或石棉纤维或碳素纤维或玻璃纤维等，其中所述纤维的掺量占混凝土体积的0.1％～40％。

其中炸药及水泥砂浆的配比及用量分别由以下公式计算得到：

(6)装药量                     Q₁＝k₁Q

                    式中      Q₁——装药量，单位kg；

                              Q——形成初始空腔用总炸药量，单位kg；

                              k₁——系数，k₁＝0.05～0.3。

(7)水泥砂浆配比参数及用量

水泥砂浆中各组分的重量配比为：

水泥∶砂∶石子(粒径小于20mm)＝0.5～2∶1～3∶0～5；

球形空腔水泥砂浆用量          V＝4πR²δ

                      式中    V——水泥砂浆体积，单位m³

                              R——球形空腔半径，单位m；

                              δ——水泥砂浆层厚度，单位m；

柱形空腔水泥砂浆用量          V＝2π Rhδ

                      式中    V——水泥砂浆体积，单位m³；

                              R——圆柱空腔半径，单位m；

                              δ——水泥砂浆层厚度，单位m

                               h——柱形空腔高度；

(8)炸药与水泥砂浆的放置方式

球形空腔：炸药置于腔底中部，水泥砂浆覆盖在炸药上面，雷管的引爆线穿过水泥砂浆层引出，通向起爆点；

圆柱形空腔：将与钻孔深度相同的一根或多根标准导爆索放入相应长度的包装袋里，然后置于孔中，从包装袋口部向下倒水泥砂浆并使导爆索在孔的中心位置，所述导爆索使用根数的选择标准是：圆柱空腔半径 R＝0.5～2m时用3～10根，圆柱空腔半径 R＜0.5m时用1～2根。

本发明应用炸药爆炸在地下快速形成空腔，并用水泥砂浆固化边壁，从而成为经久耐用的地下空腔，由于爆炸成形的实施过程中，人员、设备不需要在地下作业，因此施工过程十分安全。根据地质条件和实际使用需要，这种地下空腔的体积可以从几个立方米到百十个立方米不等。根据地形条件，可形成一个地下空腔群，每个空腔可以是一个独立结构，也可以相互沟通。储水时不渗漏，且蒸发面极小。相互沟通的庞大的地下空腔群，即构成了地下水库。这种地下水库不占用耕地，不破坏地表的地形地貌，不破坏生态环境。地下水库在地下贮水，上面土地照样能种植庄稼、种草、种树、绿化等，也就不需要移民。另一方面，这种水库是由众多的地下空腔群组成，每个空腔是一个独立的结构，因此水库的规模可大可小，可一次投资建成，也可分次投资建造。并可根据地质地形条件方便灵活布局，建造成本低廉，周期短，见效快，技术易掌握。这种地下水库与地面仅有一个小通道口，水对地面的蒸发很小，与露天水库相比，不仅水损耗很小，而且能不受外界污染的影响。本发明所述应用炸药爆炸在地下快速形成空腔方法，适合在我国西部地区、三北地区及其它干旱山区用于建造地下水库，以存储雨季时的雨水、夏季山上积雪融化的水等。也适合沿海岛屿淡水缺乏地区建造地下水池，用作存储雨水或运去的淡水。

本发明应用炸药爆炸在地下快速形成空腔，并用水泥砂浆固化边壁，从而成为经久耐用的地下空腔的方法，还可用作城市建造消防、工业用水的备用仓、蔬菜生产基地的贮水库和肥料库等；也可用作建造燃油等物质的储存仓，这种储存仓具有良好的防火、防爆功能，安全可靠；在军事上也可用作设施的掩体、物资备用库等。

下面通过实施例及附图作进一步描述。

附图说明

图1是用集中装药爆炸形成球形空腔时的装药结构示意图。

图2是用集中装药爆炸形成的球形空腔的结构示意图。

图3是用柱形装药爆炸形成柱形空腔时的装药结构示意图。

图4是用柱形装药爆炸形成柱形空腔时的装药结构示意图。

图5是对球形空腔喷水泥砂浆时的装药结构示意图。

图6是对柱形空腔喷水泥砂浆时的装药结构示意图。

具体实施方式

参见图1，(1)为炸药，它放在装药孔的底部的小球腔中，(2)为设置在炸药上部的雷管，其引爆线伸至孔外。图中的W表示装药中心到地表的最小距离。

参见图2，(3)是用集中装药爆炸形成的球形空腔结构，其R为球形空腔半径。

参见图3，图中示意表达需形成柱形空腔时的装药结构，(1)为炸药，它放在装药孔中，(2)为设置在炸药上部的雷管，图中的h表示装药深度，H为钻孔深度。

参见图4，(4)是柱形装药爆炸形成柱形空腔结构，其 R为圆柱空腔的半径。

参见图5，(5)为放置在球形空腔底部的水泥砂浆，炸药(6)埋设在其中，(7)为雷管及引爆线。

参见图6，(8)为标准导爆索。(9)为水泥砂浆包，该包被吊放在柱形空腔中，其内装有水泥砂浆(5)，标准导爆索插入在水泥砂浆内，(7)为雷管及引爆线。下面给出两个具体工程算例1.球形空腔算例

当地介质为粘土要求炸出R＝1.2米即体积为7.2立方米的球形空腔，根据介质状况，取系数k＝0.4，由式 $Q={\left(\frac{R}{K}\right)}^3$ 可算出需用炸药Q为27公斤；取系数q₁＝0.03，则由式 $W\≥\sqrt[3]{\frac{Q}{q_1}}$ 可算出放置炸药时其装药中心到地表的最小距离为9.6米。放置27公斤炸药的小球腔(即通称药室)的半径可根据炸药的体积算得，例如取放药密度为900公斤/立方米，则其小球腔的半径为0.2m；根据式 $Q={\left(\frac{R}{K}\right)}^3,$ 取系数k＝0.4时，则可算出爆炸形成该小球腔需炸药0.125公斤。由Q₁＝k₁Q，取系数，k₁＝0.1喷浆用炸药量Q₁为2.7公斤；由V＝4πR²δ，取喷浆厚度δ＝0.02m，则喷浆体积为0.36m³，即所需水泥砂浆的体积。2.柱形空腔算例

当地介质为粘土，要求炸出R＝0.7米、h＝10m、体积为15立方米的圆柱形空腔

根据粘土状况，取系数 k＝17.5，由式 R＝ kr，可算出装药半径r为0.04米，当装药密度为ρ＝900kg/m³时，由Q＝πr²hρ则需用炸药Q为45公斤；根据装药深度h＝q₂H，取系数q₂＝0.8，可算出钻孔深度为12.5米。爆炸后形成15立方米的柱形空腔；由V＝2π Rhδ，取喷浆厚度δ＝0.02米，则喷浆体积为0.88m³，可用标准导炸索3根作为喷射炸药量。

Claims (4)

1.一种地下固壁水库爆炸成形方法，包括在土岩介质层钻孔、装炸药，其特征在于，整个成形过程分为两个步骤：

(一)爆炸成形初始空腔

所述爆炸成形初始空腔，分为球形空腔和柱形空腔两种情况，其中球形空腔由集中装药方式爆炸形成，其炸药的装药量及装药深度分别由下式确定：(1)球形空腔半径与装药量 $R=k\sqrt[3]{Q}Q={\left(\frac{R}{K}\right)}^3$

                 式中  R——球形空腔半径，单位m；

                       k——系数，单位m/kg^1/3，其取值范围0.1～0.9；

                       Q——装药量，单位kg；(2)装药深度 $W\≥\sqrt[3]{\frac{Q}{q_1}}$

                 式中  W——装药中心到地表的最小距离，单位m；

                       q₁——系数，单位kg/m³，其取值范围0.01～0.3；

                       Q——装药量，单位kg；其中柱形空腔由柱形装药方式爆炸形成，其炸药装药量及装药深度分别由下式确定：(3)圆柱空腔半径             R＝ kr

                 式中  R——圆柱空腔半径，单位m；

                       k——系数，其取值范围1.2～40；

                       r——装药半径，单位m；(4)装药深度                 h＝q₂H

                 式中  h——装药深度，单位m；

                       q₂——系数，其取值范围0.5～0.9；

                       H——钻孔深度，单位m；(5)装药量                  Q＝πr²hρ

                 式中  Q——装药量，单位kg

                       r——装药半径，单位m

                       h——装药深度，单位m

                       ρ——装药密度kg/m³；

(二)固化边壁

所述固化边壁是在初始空腔形成后，将炸药和水泥砂浆放入空腔内，然后再起爆炸药，炸药爆炸产生冲击波，将水泥砂浆喷射到空腔的边壁上，使边壁固化，其中炸药及水泥砂浆的配比及用量分别由以下公式计算得到：

(6)用炸药量               Q₁＝k₁Q

                    式中  Q₁——用炸药量，单位kg；

                          Q——形成初始空腔用总炸药量，单位kg；

                          k₁——系数，其取值范围0.05～0.3

(7)水泥砂浆配比参数及用量

水泥砂浆中各组分的重量配比为：

水泥∶砂∶粒径小于20mm的石子＝0.5～2∶1～3∶0～5，

球形空腔水泥砂浆用量       V＝4πR²δ

                式中       V——水泥砂浆体积，单位m³

                           R——球形空腔半径，单位m；

                           δ——水泥砂浆层厚度，单位m；

柱形空腔水泥砂浆用量       V＝2π Rhδ

                式中       V——水泥砂浆体积，单位m³

                           R——圆柱空腔半径，单位m；

                          δ——水泥砂浆层厚度，单位m；

                           h——柱形空腔高度，单位m；

(8)炸药与水泥砂浆的放置方式

对于球形空腔：炸药置于腔底中部，水泥砂浆覆盖在炸药上面，雷管的引爆线穿过水泥砂浆层引出，通向起爆点；

对于圆柱形空腔：将与钻孔深度相同的一根或多根标准导爆索放入相应长度的包装袋里，然后置于孔中，从包装袋口部向下倒水泥砂浆并使导爆索在孔的中心位置。

2.如权利要求1所述的地下固壁水库爆炸成形方法，其特征在于所述球形初始空腔需分次扩腔完成；首次用小药量，爆炸后形成小球腔，使其体积能装下计算总药量。

3.如权利要求1所述的地下固壁水库爆炸成形方法，其特征在于所述固化边壁的砂浆中加入钢纤维或尼纶纤维或石棉纤维或碳素纤维或玻璃纤维，其中所述纤维的掺量占砂浆体积的0.1％～40％。

4.如权利要求1所述的地下固壁水库爆炸成形方法，其特征在于，所述标准导爆索使用根数是：圆柱空腔半径 R＝0.5～2m时用3～10根，圆柱空腔半径 R＜0.5m时用1～2根。

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