上游高水位下黏土坝爆破拆除技术研究应用*
时间：2023-04-22 09:40:03 来源：千叶帆 本文已影响人
杨 帆，高朋飞,，马国强，肖 健，王 峰，陈 欢，胡坤伦，韩体飞
(1.安徽江南爆破工程有限公司，宣城 242300；
2.安徽理工大学，淮南 232001)
自2019年以来，我国自然灾害以洪涝、台风灾害为主，特别是2020年主汛期南方地区遭遇1998年以来最重汛情。2021年进入第三季度后，7月份相继发生河南、四川、山西、河北等地严重暴雨洪涝和“烟花”台风灾害，其中，7月中下旬河南特大暴雨洪涝灾害影响范围广、造成损失重；
8月份湖北、陕西局地发生严重暴雨洪涝灾害；
9月份发生四川雅安天全县山洪泥石流灾害，造成较大损失。对于洪涝、台风以及山洪泥石流等都应用到了爆破技术来进行抢险救灾[1,2]。
土作为一种最普遍的基础材料，广泛应用于各类民用和国防工程建设。黏土分布广泛，是一种力学性质极为复杂的材料，爆炸作用下的土结构物的耦合机制影响因素多而复杂[3,4]。《爆炸动力学及其应用》[5]、《岩土中的冲击爆炸效应》[6]等书中讨论了土中爆炸效应实验和理论研究方面的成果。其中爆腔主要从四个方面来阐述，第一种是依据模型相似理论确定爆腔体积，但该方法不能鉴别、区分土体各组分的影响。
(1)
式中：R爆腔为爆腔半径，m；
RW为炸药半径，m；
Q为装药量，kg；
K、K′为经验系数。
第二种是将土体看成流体，爆生气体不能渗透进土体孔隙中的准静态理论，爆腔体积只与周围介质压力有关。
(2)
式中：R爆腔为爆腔半径，m；
RW为炸药半径，m；
D为炸药爆速，m/s；
ρW为炸药密度；
Patm为大气压力，Pa；
γ0为土壤容重，m；
σs为土中内力达到平衡极限时的爆腔压力，Pa；
ω为炸深，m；
g为重力加速度，m/s2。
第三种是将土介质作为弹-粘-塑性介质处理，其动力变形曲线呈非线性压实，介于静态曲线和极限动态曲线之间，利用爆轰波参数计算，但是该方法有一定的局限性，即爆破介质必须是弹-粘-塑性介质且加荷载速度近似一维线性加速、卸载与变形速度无关。
(3)
第四种是在封闭爆炸中将土介质作为流体，内部虚拟静水压力P0等于动力屈服值和真实静水压力之和。建立一种土在爆炸波通过后密度由ρ0增加到ρ1后不可压缩介质的模型，该方法适用于自由孔隙率高的塑性岩土。
(4)
(5)
a=3+β1/3(1+β1/3+ρ2/3)
(6)
式中：μW为R爆腔=RW时的岩土质点速度。
D Ambrosini[7]、王海亮和万晓智[8-10]、李海超、魏连雨等人通过实验[11-13]，针对爆腔半径计算的公式进行了推导，并通过数值模拟进行了相关验证，但探索的范围均在上述四种模型内。王海亮依据第一种球形药包爆炸相似理论的模型，通过试验爆破的炸药量和爆炸后形成的爆腔体积能确定一个与炸药和土壤性质有关的无量纲常数，依据文献[8]中可得出含水黏性土取证范围为0.56～0.71，试爆得出的半经验公式在同等条件下计算的爆腔体积都较准确。通过对上述四种模型给出的爆腔体积计算方法比较，结合爆破试验测试结果，可以看出大体积土质建筑物拆除工程中并不需要十分精确的爆腔体积，实际上为了施工操作的方便性和连续性，我们的爆腔体积要大于需装药量的体积。
但抗洪抢险过程中仍需要解决两个问题：一是在汛期上游洪水上涨，水压力不断增加，土质堤坝挡水时间越长堤身含水率及渗漏量增大，容易发生散浸、漏洞等危险，若使用大型挖掘机械施工，会造成湿陷性塌陷危险，有机毁人亡的风险；
二是如何确定快速爆破拆除的方案及参数，使施工时间短、爆破可控、拆除有效。
针对上游高水位下黏性土堤坝爆破拆除抢险工程需要，通过设计具有吸泥排土功能的钻机进行钻孔作业，通过选取合适品种爆破器材和爆破参数配套新的施工工艺解决长时间高水压下大体积土体快速爆破难题。
荒草二圩和荒草三圩位于全椒县武岗镇滁河干流与襄河交汇处，已列入国家蓄滞洪区名册，总蓄洪面积超过10 km2，设计总蓄洪量为6071万m3。为应对滁河防洪的压力，保证滁河流域其他圩口内人员生命和财产免受威胁，荒草二圩和荒草三圩曾分别于1991年、2003年2008年、2015年和2020年5次运用。
2020年7月18日安徽省抗洪指挥部决定对滁河下游土质堤坝进行爆破泄洪，安徽江南爆破工程有限公司承担此次爆破泄洪任务。土质大坝纵向剖面形状为梯形，上边长 5.0 m，迎水面侧边长约2.0 m，背水面侧边长7.0 m，堤坝高出水面1.0 m。见图1。
图 1 土质堤坝示意图(单位：m)Fig. 1 Diagram of clayey dyke(unit:m)
2.1 钻孔机械的设计
针对黏性土较软，可选用转速慢的手持钻机作为空心钻杆的动力，将空心钻杆通过软管与活塞相连，人工用锹在炮孔位置挖一个近似长方体的小坑，钻孔前往小坑和活塞装置内注满水，这样小坑、钻杆和活塞通过水产生了密闭空间，利用活塞往复运动将钻头破碎的泥土和小坑内的水沿空心钻杆吸到活塞内，并排出。钻孔的同时将钻出的泥巴吸走，既可以对爆破孔进行清理，又避免了爆破孔容易塌陷、堵塞的情况。见图2。
图 2 吸泥清孔钻机示意图Fig. 2 Mud suction and soil discharge drilling rig
2.2 施工工艺
土质堤坝爆破拆除方法由球状药包的扩腔爆破方法和空腔大药量强抛掷爆破方法组成，主要流程为布孔→钻孔→装扩腔药→爆破扩腔→检查扩腔质量→插管装药→装起爆药包→填塞炮孔→连接网路→警戒→起爆→检查，其具体工艺流程如下：
(1)爆破前准备：确定孔网参数、强抛掷爆破的大药量、爆腔体积和扩腔所需药量四个关键参数，孔网参数包括孔距、孔深。见图3。
图 3 关键参数确定流程图Fig. 3 Flow chart for determining key parameters
(2)布孔和钻孔：人工用锹按照设计的孔网参数在堤坝顶相应的位置挖一个小坑，使用钻孔设备移动至小坑长边的一端进行钻孔，钻好孔后使用直径小于孔径的一端堵塞的空心塑料管或竹竿检查钻孔质量。
(3)扩腔爆破：在钻好的孔内装入扩腔药包，爆破扩腔，并检查扩腔质量。
(4)插管装药：
1)在爆腔上部插入空心塑料管，使用空心塑料管快速装入炸药，避免因泥孔粗糙、粘性大导致装药过程中发生堵孔的现象，装药完成后，拔掉空心塑料管。
2)装入起爆药包：在装入一半药量时，装入一个起爆药包，如果药量较大，则分两次装入两个起爆药包。
(5)堤坝爆破。
1)填塞炮孔：使用钻孔出来的泥巴进行堵塞。
2)连接网路：沿着堤坝放爆破主线，将每个孔的起爆雷管接入主线；
一般所有孔一次起爆，如果药量太大，也可延期一次，延期时间间隔不超过25 ms。
3)警戒：警戒安全距离为500 m。
4)起爆：待警戒完成后，爆破拆除土质堤坝。
(6)注意事项：
1)检查扩腔质量是在扩腔爆破完成后观察炮孔处堤坝外观，如果堤坝顶未出现明显裂纹、塌陷，再使用竹竿或一头堵塞、直径略小于孔径的空心塑料管进行孔深测量，通过钻孔孔深和扩腔后的深度进行比较，当扩腔的孔深大于或等于钻孔孔深，即可确认爆破扩腔质量合格。
2)警戒距离设置为500 m，警戒完成后起爆，结束爆破15 min后至现场检查是否有盲炮。如果有盲炮按《爆破安全工程》(GB 6722—2014)相关规定处理。
3)安全技术措施执行《爆破安全工程》(GB 6722—2014)以及其他相关的规程。
2.3 参数选取与设计
为了达到泄洪要求，爆破形成加强抛掷爆破漏斗效果最佳。根据堤坝尺寸，为降低洪水位r必须大于r1，一般情况下r/w1取值1.2～2.5，同时根据相似三角形可以得出r1/r=(w1-1)/w1，计算得3.09≤w1≤4.53，同时结合钻机设备和人员操作的方便些选取钻孔深度为3.6 m。其中r为爆破漏斗半径，r1为距坝顶1 m处堤坝横截面长度一半，本次工程r1为4.23 m，w1为最小抵抗线。见图4。
图 4 加强抛掷爆破漏斗示意图Fig. 4 Schematic diagram of enhanced throwing blasting funnel
一般压实土的抛掷爆破单耗取0.4～0.5 kg/m3，考虑到上游高水压作用，本次施工取0.8 kg/m3以上。按照孔间距2.5 m计算，单孔负担坝体体积101 m3，即单次强抛掷爆破装药量要达到80.8 kg，按照直径32 mm小药卷装箱标准约3.5箱，其体积约为0.27 m3。
本次施工选用的钻孔设备的钻头直径为 45 mm，孔径不宜过大，过大的孔径易造成爆生气体快速溢出，不利于爆腔形成。布孔的方式为根据堤坝顶宽度沿堤坝长边在堤坝顶中心位置布置一排孔。
爆破所采用的炸药为直径 32 mm、长度200 mm、重量200 g的乳化炸药或直径35 mm、长度300 mm、重量200 g的水胶炸药。本次施工选用的是水胶炸药。雷管选用高精度毫秒延期导爆管雷管。
空心PVC塑料管的长度大于孔深、内径大于炸药直径、外径小于炮孔直径，空心塑料管外径为40 mm，内径为36～39 mm。见表1。
表 1 爆破参数表
在堤坝顶中间位置布置小坑，即长50 cm、宽30 cm、深40 cm的长方体小坑，间隔2.5 m一个，共12个；
钻孔深度为3.6 m；
装入扩腔药包，药包包括：两卷规格为φ32 mm×200 mm×200 g的水胶炸药，一发7 m MS3段高精度毫秒延期导爆管雷管。网路为导爆管连接，所有孔同时起爆。扩腔爆破后仔细检查扩腔质量，质量合格才能进行下一步空腔大药量强抛掷爆破。
插入PVC管装入一箱半(36 kg)的规格为φ32 mm×200 mm×200 g的水胶炸药后，抽出PVC管，装入两个起爆药包，雷管为7 m长导爆管的MS3段导爆管雷管，每个孔雷管段别统一为MS3段导爆管雷管，再插入PVC管装入两箱(48 kg)规格为φ32 mm×200 mm×200 g的水胶炸药。
空腔强抛掷爆破网路设计：孔内雷管导爆管直接搭接到爆破主导爆管上，前6个孔和后6个孔采用孔外延期，延期雷管段别为MS2导爆管雷管。
本段共12个孔，扩腔爆破共使用炸药量4.8 kg，使用雷管MS3共12发；
空腔大药量强抛掷爆破使用总药量为1008 kg，使用雷管MS3共24发、MS2共2发。见图5。
图 5 爆破效果图Fig. 5 Blasting effect
(2)通过设计手持钻机带动钻杆作为压实土介质钻孔装置，配合通过活塞装置的运动产生吸力将钻孔时产生的泥由空心钻杆吸出的吸泥清孔装置，在能钻孔的同时将钻出的泥巴吸走，对爆破孔内部进行清理，解决了爆破孔容易堵塞的困难，避免了大型挖掘机械在长时间高水位下的挡水土堤坝工作时塌陷风险。
(3)2020年7月19日凌晨滁河土质堤坝爆破拆除工程的圆满成功，验证了以吸泥排土钻机为基础的扩腔+强抛掷爆破拆除技术应用于防汛抢险中土介质建筑物拆除的可行性和有效性。
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