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1、堰塞湖及其爆破处置方法研究“堰塞湖”在“5.12”汶川大地震后引起公众的普遍关注。本文论述了采用爆破方式炸开缺口泄流一类堰塞湖应急排险的有效手段, 较详细地分析了堰塞湖滑坡坝治理中常用的工程爆破技术。包括具体方法的使用特点和工程处治典型实例。新世纪新阶段，我国经济高速发展，针对未来可能发生的突发情况，随着我军的职能使命任务正在发生新的变化，由承担单纯的水电施工逐渐向应急救援领域转变。特别是近年来，由于自然环境恶化，灾害频发，导致重大的人员财产经济损失。作为水电兵，我们在抢险救灾方面拥有得天独厚的专业优势，在抢险救灾中可担任尖刀兵，为抢救人员生命和财产做出重要贡献。从 98 特大洪灾到汶川特大地
2、震灾害，我军在抢险救灾方面积累了丰富的经验。然而，在汶川地震中我军面临了一类新的灾害考验地震堰塞湖。堰塞湖是由于河流被外来物质堵塞而形成的湖泊。常由山崩、地震、滑坡、石流、火山喷发的熔岩流和流动沙丘等造成。长发生在地震活跃，泥石流多发地带。地震堰塞湖的堤坝大多由滑落的松散石块组成，一旦决堤将会对下游民众造成毁灭性的破坏。在治理汶川地震形成的堰塞湖过程中，针对唐家山堰塞湖极难险情，我军联合各领域的专家解决了问题，但同时也反映出在处理这一类灾害上的技能欠缺，经验欠缺，排险措施单一等问题。本文主要是通过对各国处理地震堰塞湖的经验技术进行分析总结，为我军治理堰塞湖提供一定的技术支撑。在汶川地震后，国内
3、学者专家通过对唐家山等地震堰塞湖的应急处理积累了经验。在治理过程中通过多平台，多时相的卫星遥感影像，利用 3S 技术掌握了灾区堰塞湖的位置及范围，并利用先进的数学建模技术模拟灾区堰塞湖模型，为治理方案的产生提供了宝贵的参考依据。这些经验对我们应急抢险都有宝贵的借鉴价值，在处理未来的突发灾难时，我们可以借助先进的卫星通信，遥感成像，计算机模拟等技术为我军抢险救援提供技术支撑。本文以处理堰塞湖方法技术为切入点，通过对爆破处置技术的原理、原则、具体技术措施等进行深入和详细的研究，从而为从事抗震救援等非战争军事行动提供技术支撑, 并为治理地震堰塞湖这一课题的研究提供理论上的参考。堰塞湖应急处置的基本原
4、则是：“安全、科学、快速”。采用的基本方法是：“疏导、引流、降水”。处置堰塞湖的工程措施主要有以下两种：方法一：人工处置方法。对交通极为不便的堰塞体，应充分利用天然低凹地形，开挖溢流泄水槽，按照“分次爆破、分层开挖、挖爆结合、淘冲引流”的方法，有效降低堰体高度和堰前水位。方法二：机械作业方法。把握时机进行高效的机械化施工作业。采取“机械淘渣、水力冲渣、机械运渣、淘冲运结合”的方式，开挖溢流泄水槽，实现可控泄流，降低堰塞体溃决风险。工程应急排险主要采取分层爆破与开挖，降低堰塞坝顶溢流高程，尽可能降低堰塞湖水位和库容。采用机械开挖、爆破、人工开挖相结合；机械淘渣、水力冲渣、装载机运渣的“淘、冲、运
5、”相结合的施工模式，在堰塞坝顶低矮处开挖出满足设计过流要求的泄流槽，达到降低堰塞湖水位，提前引流、泄流，降低堰塞坝整体溃决风险，在泄流槽过流时让水流自然扩宽泄流槽，控制下泄流量，实现堰塞坝体逐步溃决，最终达到排除险情的目的。由于堰塞湖的危害可能非常大，因此对于大多数堰塞湖来说，需要对其进行处理，少部分堰塞湖如果对其进行相关论证之后，认为其不需要处理，则可以不施加相应处理措施。堰塞湖的处理措施主要有以下几个方面：(1)爆破泄洪：爆破泄洪一般是采用人工上堤坝装埋炸药完成的，是及时解决堰塞湖危机的方案。爆破泄洪的决策是在最紧急情况下，即下游地区将面临灭顶之灾，并且在人员情况已经被成功转移的前提下才可
6、以实施。爆破泄洪比较适合于库区水容量不是很大的情况下，并且实施爆破泄洪的最佳时机在堰塞湖形成的初期。(2)人工开挖泄流措施：此类方法治理的原理是按照疏导水流，控制堰塞湖水位。泄流措施包括人工开挖明渠、泄流槽或泄洪洞。该类处理措施是在保证堰塞坝稳定的条件下进行的，通过水流下泄，保持上游水位不变或逐渐降低上游水位来保证堰塞坝上下游的安全。但是这种方法不容易对上游淤积物进行很好的处理，将使得堰塞坝上游河床不断抬升，因此，在处理的过程中需要考虑如何下泄上游淤积物。这种方法是解决分散、水位较低、流量较小的中小型堰塞湖和灾害晚期、重建工程开始的情况下所采用的决策。(3)堰塞坝加固：在详细的工程地质勘测和未
7、掌握下游人员疏散情况的决策背景下，通常会采用加固堰塞坝的方法。这种方法对下游将存在安全隐患，通常不建议采用。对于工程实际来说，应结合现场工程地质条件、上下游生命财产安全等实际情况，然后采用合理的处理措施。当然，一些小型堰塞湖在形成不久之后将会自动溃决或者水位漫顶，并不需要采用一定的工程处理措施5。下面我们主要讲一下堰塞湖爆破处理的具体措施。堰体主要有二种基本结构：一是块石结构，主要由大块石堆积而成，个别石头巨大，体积有几十至几百立方米，堰体结构松散；二是土质结构，主要为土夹个别小石或全风化岩堆积而成，这种堰体结构稍紧密，透水性差，堰塞体按过流情况还可分为已过流堰塞体和未过流堰塞体。堰塞湖所处的
8、位置一般都在山沟峡谷内，经过强烈地震，道路已被完全破坏，钻孔机械、挖运机械等设备根本无法到达堰塞体，因此只能采用非机械的方式形成泄流槽。由于堰塞湖水位在不断上涨，溃决的可能性在不断增加，时间每拖延一个小时，危险就增加一分，抢险时间非常紧迫，完全用人工的方法显然不能满足要求，只能采用爆破的方式形成泄流槽。要形成“槽” ，仅把石头解小炸碎还不行，必须要尽可能多地把土石抛走，才能形成可以泄流的“槽” 。因此在方案的选择上应以抛掷爆破为主，同时要尽可能地将泄流沟渠(尤其是块石堰体沟渠)底部的岩石充分破碎，以便过流后容易被水能冲刷带走。根据爆破理论，炸药在土岩表面至内部一定距离内任意一点爆炸后，都将使得
9、土岩被破碎或抛掷。将药包设置在土岩表面而进行的爆破称为表面接触爆破，对药包不加覆盖就称为裸露接触爆破。裸露接触爆破的药包爆炸后能将距药包一定距离内的土岩破碎并抛走一部分。将药包设置在土岩内部而进行的爆破称为内部爆破，药包爆炸后将形成一个漏斗坑，其大小与装药量多少和土岩性质、结构有关。图 8 中 r 为漏斗半径，h 为最小抵抗线， P 为可见深度。r 与 h 的比值为爆破作用指数 n，即 n=r/h。当 n=1 时为标准抛掷爆破，当 n1 时为加强抛掷爆破。n 值是一个很重要的参数，当 h 不变、n 值加大时 r 也随着增加，但 n 值加大到某一数值时，r 随 n 值的变化不明显，通常 n 值的
10、取值范围为 13。可见深度 P 是一个随 n 值而变化的参数，当 n=1 时，P=0.5 h；当 n=1.5 时， P=h；当 n=2 时 P=1.4 h。图 9 中当相邻两个药包之间的距离 ar时，两个漏斗坑就联接起来，形成一条沟，而且中间没有埂子。图 8爆破漏斗示意图 9两列药包爆破示意根据上述理论，我们就可以设置多排多个药包爆破出符合长宽高要求的泄流沟渠了 6。采用裸露接触爆破法开设块石堰体泄流沟渠时，可根据设计要求的沟渠宽度、深度、长度来确定药包排数或个数以及其它爆破参数。排数的确定。排数按下式计算：m=D /(1.5H)-1 1 式中,m 为装药的排数； D 为泄流沟渠的设计宽度；H
11、 为拟破碎深度。装药个数的确定。装药个数按下式计算：N=L/(1.5H)-1m 2式中 N 为总的装药个数；L 为设计的沟渠长度；其它符号意义同前。间距、排距均为 1.5H，设置 2 排药包时要对称布置，设置 3 排以上药包时要交错布置。单个药包装药量的确定。单个药包装药量可按下式计算： 33Q=9kH式中，Q 为单个药包装药量； H 为拟破碎深度； 为岩石抗力系数，根据Qk岩石性质确定，取值范围通常为 1.55.0，岩石越坚硬取值越大，反之取值就越小。总药量。总药量计算公式为：Q=NQ 3(2)采用内部爆破法开挖泄流沟渠时，可根据设计要求的口宽或底宽、深度、长度来确定药包排数或个数以及其它爆
12、破参数。排数的确定。当满足口宽要求时可按下式计算：m=kD /P-1 4式中 m 为装药的排数； k 为随 n 值变化的系数，一般为 0.41.0， n 值越大取值越小，为节省劳力和时间，通常取 n=2， k=0.7；D 为沟渠的设计口宽；P为沟渠的设计深度，当 n=2 时， P=1.4 h。当满足底宽要求时可按下式计算：m=kD/P+0.4 5式中 D为沟渠设计底宽，其它符号意义同前。装药个数的确定。装药个数按下式计算：N=(L/r-1)m 6式中 N 为总的装药个数；L 为设计的沟渠长度；其它符号意义同前。间距、排距均为 r，设置 2 排药包时要对称布置，设置 3 排药包时要交错布置。单个
13、药包装药量的确定。单个药包装药量可按下式计算:Q=kQ 7 3式中 Q 为单个药包装药量；h 为最小抵抗线；kQ为装药系数，根据土岩性质、装药作用指数 n 及现场地形条件确定，取值范围通常为 317，土岩越坚硬取值越大，n 值越大取值越大，反之取值就越小，在平坦地形取值稍小，沟内加深取值要稍大。需要说明的是，这是一个经验性较强的参数，要靠经验的积累才能准确选取。堰塞体抢险施工中在 712 范围内选取的较多。总药量。总药量计算公式为：Q=NQ 以上各式中长度单位均以米计算，药量单位均以千克计算。炸药选择：根据堰体所处的环境及当地气候情况，同时也为设置药包方便，一般选用具有防水性能的乳化炸药。起爆
14、网路：为了保证爆破效果和起爆网路本身的安全，堰塞体的爆破，不管是大石解小破碎爆破还是裸露接触爆破或挖孔抛掷爆破，都应同时起爆，同一网路不需分段。可采用导爆索起爆网路，即所有药包全部用导爆索引出后用导爆索连通起爆也可采用非电起爆网路，即在所有药包内装相同段位的高段位非电毫秒雷管( 如 811 段) ，然后用非电毫秒雷管 1 段将所有药包连通后用电雷管起爆。未过流块石堰体表面乱石林立、高低不平，而且个别石头巨大，因此首先应将表面的大石炸碎至基本平整后，再在表面设置药包逐层爆破。未过流块石堰体表面大石爆破方案如下：(1)药包设置。应将药包设置在石头底部或侧面与堰体表面相交的位置，这样既能将大石炸碎并
15、尽可能地抛出去，又能将大石底部一定深度内的石头炸碎，以便第二次爆破设置药包。如果石头较大，药量较多，可将炸药分成数个药包对称布置在石头周围。(2)药量计算。单个块石的药量按下式计算：C=qV式中，C 为爆破单个块石所需要的药量； V 为单个块石的体积； q 为炸药系数，在堰塞体抢险施工中根据岩石性质通常按 1.54.5 选取。(3)炸药装填。炸药要装填密实并与岩石表面紧密接触，药量装完后要用土或碎石覆盖填塞。块石堰体在表面大块石破碎后，即可在表面设置药包逐层爆破。主要参数按式(1) 式(5)计算。由于裸露接触爆破药量较大，为防止引发新的滑坡，应从堰体的下游向上游分段分别起爆(同一网路内不分段)。有些堰体尽管已经过流，但泄流能力远远不够,随着水位的不断涌高,加之汛期即将来临,危险性依然很大,因此过流断面必须要尽快加宽加深。块石已过流断面的加宽，可在已过流沟渠的一侧(可以到达的一侧) ，按未过流块石堰体实施装药爆破。不同的是，在进行表面大块石破碎后，作业面并不平整，而是一个向着已过流沟渠倾斜的斜坡，在这个斜坡上布置两排以上的药包时，拟破碎深度应背着沟渠逐排加深,装药量也应逐排加大，使得爆破后过流沟渠底部平顺，便于过流。如果需要加深，通常有两种方法可以采用：
