1 综述
1.1 水利水电工程爆破技术历程
中华人民共和国成立前，我国水利水电工程建设十分落后，国内第一座水电站为1912年在云南建成的石龙坝小型水电站，其后也陆续建成了一些规模较小的水电站，截至中华人民共和国成立时，全国水电装机容量仅360MW，其中规模最大的为日本掠夺我国资源在东北修建的丰满水电站。由于小型水电站基岩开挖工程量较小，当时的爆破技术水平较低，主要采用裸露药包、钢钎凿孔爆破和手风镐钻孔爆破等效率很低的爆破方法。
中华人民共和国成立后，国家十分重视水电开发，水电建设迅猛发展，工程规模不断扩大，20世纪50年代开始建设上硐、狮子滩、上犹江、古田溪、新安江、栖溪、新丰江、盐锅峡等水电站；60年代建设刘家峡、丹江口、三门峡等水电站；70年代建设葛洲坝、乌江渡、龚嘴、凤滩、东江、渔子溪一级等水电站。随着这些大中型水电站的建设规模越来越大、大坝坝高也越来越高，基岩开挖工程量越来越多，原来的小规模开挖方式和落后的爆破技术，显然无法满足工程需要，爆破技术也随之得到迅速的提高和发展。
爆破技术的发展离不开爆破器材，爆破器材是采用先进爆破技术的基础；水利水电工程的开挖爆破以钻孔爆破为主体，需要高效先进的钻孔设备；由于水利水电工程的特殊性，水工建筑物承受巨大的水压荷载，既要满足水工结构的强度、刚度及稳定的要求，同时要符合高水头下地基的防渗指标，开挖后的地基基础必须满足设计及规范的要求；为控制爆破的破坏及影响，需要建立一套全面的监测方法，制定合理的爆破安全标准。水利水电工程爆破技术的发展，伴随着引进使用先进的爆破器材、高效的钻孔设备、科学的爆破监测手段，爆破技术，通过精湛的施工工艺和严密的组织管理得以实现。
1.1.1 爆破器材
水利水电工程爆破中早期以黑火药为主，逐步引入使用硝铵类炸药和硝化甘油炸药，硝铵类炸药分为岩石硝铵炸药和露天硝铵炸药，相应不同编号的硝铵炸药，性能有所差异，改变炸药成分后，使其具有一定的抗水性，如2号岩石硝铵和2号抗水岩石硝铵炸药等。另有粉状铵油炸药和铵松蜡与铵沥蜡炸药，以提高其爆炸性能和抗水性能。
自20世纪60年代后期，我国开始生产浆状炸药，水利水电工程逐步开始使用具有抗水性能好、威力大、爆轰感度高的水胶炸药，20世纪80年代我国开始研制生产爆炸性能好、威力大、爆轰感度高而机械感度低、抗水性能好，成分中不含有毒物质，成本低、较为安全的乳化炸药，在水利水电工程中推广使用。另有一些专用炸药，如用于光面爆破，配制生产传爆性能优越的低爆速、低密度炸药，用于预裂爆破加工成一定形状的聚能炸药，用于特殊拆除部位的静态破碎剂等。
安全性能好、成本较低、可现场调配炸药配比，先进高效的现场混装炸药车，自20世纪90年代开始用于三峡水利枢纽工程永久船闸爆破开挖，已在水利水电工程中逐步推广应用，可按需要配制铵油炸药、浆状炸药、重铵油炸药、乳化炸药等。
起爆器材的发展是提高爆破技术的关键材料之一，原始阶段的爆破，采用导火索和火雷管，随着新型起爆器材的使用，因安全及劳动保护要求，导火索、火雷管已不再生产使用。目前，水利水电行业主要使用电雷管、塑料导爆管雷管、导爆索，以及电磁雷管、数码电子雷管等，其中雷管为起爆器材，塑料导爆管为传爆材料，导爆索既为传爆材料也是起爆材料。
电雷管由开始的瞬发雷管、秒差延期雷管，进而研制生产了毫秒延期雷管，毫秒延期雷管的使用，可进行分段起爆，实现多孔一段，单孔一段及孔内分段控制单段药量，扩大一次起爆规模，使水利水电工程既可实现大型爆破，又能有效控制爆破影响，特别是高精度数码电子雷管，其精度可达±1ms，且可任意调整确定延期时差，为水利水电工程爆破技术的创新发展打下了基础，为规模巨大的围堰拆除、大型岩塞等有特殊技术要求的爆破提供了技术保障。
1.1.2 钻孔设备
人工凿孔效率低下，只能进行小规模的浅孔爆破。水利水电工程的钻孔设备从手持式风动凿岩机开始，包括气腿式、向上式凿岩机，其钻孔孔径为38～50mm，钻孔深度常为3～5m，采用固定式中低压风压站，经管道输送至工作面，小型凿岩机还有电动式和内燃式，不使用供风系统。导轨式的风动凿岩机其钻孔直径最大可达80mm，钻孔深度超过10m，但总体效率不高，机动性差。20世纪50年代末，三门峡水电站采用100型凿岩机进行直径较大的深孔爆破。
20世纪70年代末，葛洲坝水利枢纽开始使用履带式潜孔钻，钻孔直径可达80～150mm，钻孔深度可达15～20m，其YQ系列产品为国产钻机，总体钻爆成本有所降低，得以广泛使用。孔径更大的回转式及牙轮式钻孔机，因其钻孔直径较大，水利水电工程较少使用。
20世纪80年代开始逐步引进了先进的履带式液压钻机，凿岩钻孔直径一般为76～120mm，钻孔深度为10～20m，为水利水电工程深孔台阶爆破的实施提供了条件。这些进口的钻机质量总体良好，钻孔效率高，为加快施工进度提供了条件。进入21世纪，国产化的液压钻机在水利水电工程得以推广应用。
地下洞室开挖中引进了先进的全液压多臂钻机，具有自动化程度高、钻孔速度快的优势。门架式台车配置风动凿岩机的钻孔方式至今仍较普遍采用，相对成本较低，施工组织严密时，既能保证钻孔质量，也能保持较快的施工进度。
1.1.3 爆破监测
水利水电工程基础开挖中，总体上属于控制爆破，其爆破影响必须控制在允许范围内，爆破监测成为有效控制手段。水利水电工程爆破监测主要分两个方面：一是爆破时的动态参数测量；二是爆破破坏影响范围的确定。自20世纪70年代开始，在葛洲坝水利枢纽工程进行了较为系统的爆破试验，80年代在万安水电站等工程也进行了专项爆破试验，试验中进行的爆破动态测试项目包括爆破质点振动速度（加速度、位移）、爆破动应变、孔隙动水压力、水击波、动水压力及涌浪，以及空气冲击波和噪声等，其中部分测试传感器埋设于岩体内，测量岩体内部的爆破振动参数。为了减少爆破对保留基岩的影响，分别进行了爆破前后的钻孔声波测试、压水试验、孔内电视，以及岩体表面的宏观调查及巡视检查。通过一系列测试与检查，得出了爆破振动的衰减规律，以综合测试资料判断爆破的破坏及影响范围，为制定爆破安全标准积累了大量珍贵的资料。测试信息的反馈，有效地指导爆破设计，提出了改善爆破效果，控制爆破影响的方法。
在大量监测资料的基础上，2005年制定了水利水电行业的专用爆破监测标准《水电水利工程爆破安全监测规程》（DL/T 5333—2005），规范了水利水电工程爆破监测的内容和方法，提出了爆破安全监测设计的要求，规定了爆破安全允许标准。
水利水电系统已经形成了由科研单位、部分高等院校和施工企业组成的专业爆破测试队伍，对重点工程的爆破进行了有效的监测。
1.1.4 爆破技术
随着水利水电工程建设的规模和数量的不断扩大，爆破技术不断创新发展，经试验研究和工程实践，成功实施了深孔台阶爆破、预裂和光面爆破、基岩保护层一次爆除、水工洞室爆破、水工拆除爆破、地下工程爆破、水下工程爆破等具有复杂技术要求的工程爆破，适时制定了相应的标准与规范，指导工程爆破，及时解决工程爆破的难题，有效控制了爆破影响，确保了工程的安全和质量，满足了工程的需要。
（1）深孔台阶爆破。20世纪50年代末和60年代，三门峡水电站和刘家峡水电站开始使用深孔台阶爆破，规模相对较小；70年代在葛洲坝水利枢纽工程，经试验后全面使用了直径超过80mm、高10m左右的深孔台阶爆破。深孔台阶爆破具有两个以上的临空面，采用毫秒延时雷管有利于爆破能量的利用和释放，改善了爆破效果，扩大了爆破规模，提高效率加快了施工进度，有效控制了爆破影响，随即在其他工程中得到推广应用。
（2）预裂和光面爆破。20世纪70—80年代，在葛洲坝水利枢纽、东江水电站、万安水电站等工地进行了专项预裂爆破试验研究，分别针对砾岩、砂岩、花岗岩等不同岩性，以及裂隙发育的破碎岩体进行深孔预裂爆破试验，生产性试验证实，通过调整孔距和装药量，不同的岩体均可取得较为理想的预裂效果。采用预裂爆破有效地利用预裂缝隔离，削减了台阶爆破对保留岩体的爆破振动影响，获得理想的开挖基岩面，预裂爆破同样适用于小孔径的浅孔爆破。
进入21世纪，研究采用了带有双向聚能槽的聚能药包进行预裂爆破，由于聚能药包的定向爆破作用，可以明显加大预裂孔孔距减少钻孔，并获得理想的预裂面。由于预裂爆破的优越性，早已作为水利水电工程的常规爆破技术，适用于垂直、水平及各种角度的斜坡基岩面，只要能钻孔的部位，均可获得理想的预裂面。
光面爆破对临近保留基岩面的钻孔减少装药实施缓冲爆破，最终起爆基岩面钻孔，也可控制爆破影响并获得较好开挖基岩面。光面爆破技术在水利水电工程中也得到推广应用，尤其在地下洞室工程开挖中广泛使用。
预裂和光面爆破技术，可有效控制爆破影响，获得形体良好的开挖基岩面，解决了水利水电工程爆破开挖的难题，在施工中采用导向架等综合技术提高钻孔精度后，所获得的开挖面半孔率接近100%，形同爆破雕刻，这也是水利水电工程率先全面推广预裂和光面爆破的原因。
（3）基岩保护层一次爆除。水利水电工程岩石基础开挖时，为了控制建基面的爆破影响，施工规范规定必须预留保护层，早期的施工规范中对保护层的开挖只允许采用小孔径钻孔逐层爆破，且每层不允许超过层厚的1/2，例如2m的保护层将进行三次爆破后再经撬挖完成，效率低下，费时费工，严重影响施工进度。20世纪70—80年代，经专项试验研究，在万安水电站工地采用孔底设置柔性垫层，进行毫秒延时的小孔径台阶爆破一次爆除保护层；在东江水电站工程采用水平预裂，上部使用浅孔台阶或水平孔台阶爆破一次爆除保护层，均获得成功。同时，还进行了采用水平预裂，控制钻孔直径改变底部装药结构，取消保护层进行深孔台阶爆破至基岩面的施工方法。
保护层一次爆除技术的研究和推广应用，简化了施工工序，明显提高了爆破开挖的效率。在修订的施工规范中，明确规定了实施基岩保护层一次爆除的具体要求，已广泛在水利水电工程中推广应用。
（4）水工洞室爆破。水利水电工程的洞室爆破主要应用于定向爆破筑坝，利用高山峡谷的有利地形，于两岸山体布置洞室，实施抛掷爆破或松动塌落爆破，由爆破堆积体堵塞河道形成大坝，再建造相应的泄洪道和引水发电系统，建成水电站。我国使用定向爆破技术形成了40余座岩土堆积体大坝，坝高为数十米，其中部分大坝坝高近90m。由于配套的发电及泄洪系统规划建设较为困难，堆石坝体有效防渗体难以形成，自20世纪80年代开始已不再实施。
自20世纪90年代，洞室爆破技术开始应用于堆石坝坝体石料的开采，针对合适的岩性及岩体结构，利用有利的地形，选择符合堆石坝设计要求的山体进行洞室爆破。只要洞室布置合理，采用合理的装药结构和炸药品种，就可获得满足大坝设计要求的级配料。由于洞室爆破规模大施工相对简便，可以较快速度获得大量的坝体石料，可满足高强度的大坝填筑要求，已有多个大型堆石坝工程中采用，获得较为理想的综合效益。
（5）水工拆除爆破。水利水电工程拆除爆破主要应用于大型的施工围堰及水工建筑物混凝土大坝或钢筋混凝土结构的局部拆除。由混凝土或岩坎组成的施工围堰规模巨大，大江大河上的大型水电站围堰高达数十米，甚至超过百米。一些围堰距已建的水工建筑物仅数米，爆破防护要求高，有很多水电站围堰拆除时已蓄水发电，大坝及闸门已挡水，机组已运行，围堰承受的水压荷载巨大，只允许一次爆破成功。围堰拆除的石渣需水下清除，爆破块度有相应要求。作为特殊的拆除控制爆破，实施中针对每个围堰的特点，采用钻孔爆破或小型药室装药结构，毫秒延时多段一次起爆，使用预裂爆破、水下气泡帷幕、防浪设施等综合爆破防护技术措施。常规土石围堰一次起爆药量为数吨，三峡水利枢纽工程三期碾压混凝土上游围堰拆除爆破起爆药量达191t，延时近13s。经综合的爆破监测证实，拆除的数十座大型围堰均总体上实现了一次成功拆除，且有效地控制了爆破影响，已形成了一个系统的水工围堰爆破拆除技术。
一些水电站由于改扩建工程的要求，需进行局部拆除，如某水电站对坝顶的原启闭机排架实施一次爆除，大坝混凝土坝体局部爆除等，均取得良好效果。
（6）地下工程爆破。在高山峡谷河道，根据地形及地质条件，兴建了一批高水头引水式水电站，采用地下厂房，抽水蓄能电站也大部分采用地下厂房形式。地下水电站的引水系统由承受高水头压力的引水平洞、斜井、竖井以及调压井与气垫式调压室等组成，其开挖爆破均有特殊的要求。复杂的洞室及地下施工通道的布置，通风排烟系统等，对开挖程序的科学安排，相邻地下洞室相互影响，及时锚固支护，开挖面的变形控制，岩壁吊车梁等部位的特殊开挖要求等，均与地下工程爆破技术密切相关。通过试验研究及工程实践，对大断面地下厂房布置侧向保护层，采用预裂及光面爆破技术；对厂房及引水隧洞交叉部分采用先墙后洞或先洞后墙，先开挖部位进行预锚固处理，有效防止交叉部位的爆破影响；对Y形的交叉管道采用特殊的钻孔控制爆破；对相邻洞室采用合理安排爆破施工顺序，减小爆破振动影响；对斜井、竖井采用反井钻机形成导井后正向扩挖；对需承受巨大厂房桥机荷载的岩壁吊车梁，采用精细控制爆破。相应的地下工程爆破开挖已形成了一批国家级或省部级的施工工法，地下工程爆破技术总体上满足了工程的需要，具有特殊的水利水电行业特色。
（7）水下工程爆破。水利水电工程最复杂的水下爆破为岩塞爆破，因为引水、排淤或扩建工程的需求，扩建新的水电机组，设置取水口等，需要在高水头的部位重新开挖引水通道，在下游进行开挖的隧洞完成后，对岩塞实施爆破。爆破的岩渣需要排除或聚集在开挖的集渣坑内，根据不同的岩塞结构和水头压力，常采用排孔爆破、药室爆破、排孔与药室两者结合的爆破方案，岩塞爆破使用泄渣或聚渣方案处理爆渣。从20世纪70年代开始，我国已实施约30余个岩塞爆破，均获得成功，并有效控制了爆破影响，首次在抽水蓄能水电站中用岩塞爆破形成取水口。在岩塞爆破中较大的岩塞一次爆破药量达4.1t。
其他水下爆破如水下钻孔爆破、水下裸露爆破、水下爆破挤淤等，在水利水电工程建设中相对较少。
（8）标准与规范。为了规范水利水电工程的开挖爆破，确保工程的安全和质量，水利水电系统从20世纪60年代开始制定了相应的施工规范和标准。1963年由原水利电力部水电建设总局审定颁发了《水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范》，主要规范手风钻为主的水电爆破开挖要求，1983年修订为SDJ 211—83版本，主要规定了潜孔钻为主的深孔台阶爆破和预裂爆破等要求，国家部委机构调整后，该规范1994年由水利部修订颁发了SL 47—94版本，2007年电力行业修订颁发了DL/T 5389—2007版本。1983年制定了《水工建筑物地下开挖工程施工技术规范》（SDJ 212—83）版本，水利部、电力工业部两部调整后，水利部2007年修订颁发了SL 378—2007版本，电力行业于1999年和2011年二次修订该规范，颁发了DL/T 5009—1999和DL/T 5009—2011版本。
电力行业水电工程系统于2001年制定了《水电水利工程爆破施工技术规范》（DL/T 5135—2001），于2005年制定了《水电水利工程爆破安全监测规程》（DL/T 5333—2005）。这些规范规程的制定和修订，是根据水利水电工程爆破技术的创新和发展，及时总结爆破技术，规范爆破施工、爆破监测，制定爆破安全标准，对确保水利水电工程爆破安全和质量，促进水利水电工程爆破技术的发展起了良好的推动作用。