白鶴灘水電站左岸導流隧洞進口圍堰拆除施工工藝及應用

(中國水利水電第五工程局有限公司，成都，610066)

1 工程概況

金沙江白鶴灘水電站左岸導流洞進口采用全年圍堰擋水，設計標準10年一遇洪水流量22700m3/s，洪水位624.3m，擋水高程626m；圍堰體約在高程605m以下至585m為預留巖埂，高20m；在高程605m以上至626m為混凝土圍堰體，高21m，重力壩型式，頂寬3m，迎水面為垂直坡，背水面坡比為1∶0.7；設置一排防滲帷幕，幕底高程575m。

圍堰全長約315m，共計16個堰塊，順江、沿左岸坡布置在3個閘門井進口處；1#井對應1#～3#堰塊，1#井與2#井之間的分隔巖體對應4#～5#

圖1 左岸圍堰拆除前工程形象

堰塊；2#井對應6#～9#堰塊，2#井與3#井之間的分隔巖體對應10#～11#堰塊；3#井對應12#～15#堰塊，16#堰塊為3#井右側(cè)保留巖體置換體。

進口圍堰拆除工程量主要有：巖體C15混凝土拆除5.8萬m3，預留堰埂拆除23.3萬m3(其中水上拆除8.2萬m3，水下拆除15.1萬m3)。

2 施工重難點分析

2.1 拆除分區(qū)分序號是難點

進口圍堰軸線分布長度315m，爆破分區(qū)必須充分考慮爆破后江水水位對道路布置的影響及撈、裝、運渣作業(yè)的協(xié)調(diào)。由于圍堰在拆除過程中進口閘門井明渠底板正在澆筑、導流洞內(nèi)正在進行灌漿施工，圍堰拆除過程中還兼顧著擋水防滲的功能，因此，圍堰拆除分區(qū)必須充分考慮相鄰工作面的施工進度情況及江水水位的影響，并能根據(jù)水情變化及時調(diào)整。

2.2 水下爆破鉆孔是難點

根據(jù)2013年實測水位，分析后確定圍堰拆除以602m為水下拆除分界高程，水下造孔孔深達18m，同時鉆孔還必須穿過石渣填筑平臺、斷層帶、層間、層內(nèi)錯動帶。對于鉆孔工藝及鉆機的選擇是難點。

2.3 爆破器材的選擇是難點

由于爆破孔位于水下，且為深孔，普通乳化炸藥藥卷受上浮力的影響難以確保柱狀連續(xù)裝藥的要求，同時普通微差雷管精度難以滿足爆破要求。

2.4 爆破設計是難點

根據(jù)設計、監(jiān)理、業(yè)主單位要求，進口圍堰水下爆破拆除部分，必須嚴格控制單段藥量，采用單孔單響控制爆破，以確保圍堰各區(qū)、各序拆除過程中相鄰的建筑物及未拆巖體不受爆破影響。

2.5 爆破防護是重點

1#井混凝土至堰體最近距離約16m，2#井混凝土至堰體最近距離約11m，3#井混凝土至堰體最近距離約10m，對于閘門井混凝土、進口閘門及啟閉機的防護是拆除重點。

3 圍堰拆除程序

3.1 分區(qū)原則

圍堰拆除順序首先是確定經(jīng)濟斷面巖坎最后整體拆除的時間，并結(jié)合拆除時間段的水位情況確定經(jīng)濟斷面的平面尺寸位置。經(jīng)過施工、設計、監(jiān)理、業(yè)主單位多次討論后確定經(jīng)濟巖坎的拆除時段定在2013年4月，經(jīng)濟巖坎拆除時間確定后再以此為目標，根據(jù)周邊工程施工進度情況及江水水位推算圍堰降低區(qū)域、內(nèi)外減薄區(qū)域的時間段，總體原則是圍堰在拆除期間仍然具備擋水功能，保證進口基坑、洞身建筑物正常進行施工。

3.2 經(jīng)濟巖坎設計

經(jīng)濟巖坎按照5年一遇(P=20%)時4月份金沙江流量3440m3相應水位599.5m為擋水標準進行設計，考慮施工安全最終確定經(jīng)濟斷面的頂部高程為600.0m。

為保護帷幕防滲線，經(jīng)濟巖坎順江軸線與圍堰帷幕軸線一致，因巖坎巖層走向順層發(fā)育，傾向河心且與圍堰走向斜交，為了減少垮塌，迎水面坡比為1∶0.1，背水坡比為1∶0.3；橫剖面高程為600.0m，寬10m，底部高程為585.0m，寬16m，如圖2所示。

圖2 經(jīng)濟巖坎斷面設計

經(jīng)濟巖坎平面位置、斷面尺寸確定后，按照重力壩受力模型對其進行受力分析驗算，以驗證其安全穩(wěn)定性，驗算結(jié)果如下：

圖3 經(jīng)濟巖坎受力簡圖

3.2.1 抗剪斷分析

式中：Ks′——抗剪斷安全系數(shù)；

∑G──作用在擋土墻上全部垂直于水平面的荷載(kN)；

∑P——接觸面以上的總水平力(kN)；

f——接觸面間的抗剪斷摩擦系數(shù)。

根據(jù)SL 319-2018《混凝土重力壩設計規(guī)范》規(guī)定，通過地質(zhì)資料的查詢，該段地質(zhì)屬于Ⅲ類巖體，依最不利條件分析，查詢可知f′=0.8，c′=0.7MPa。通過圖3中所示可知：

∑G=G1+G2+G3+G4+G5-U1-U2=15×0.1×15/2×10+(15×0.1×15/2×15.36+9.64×0.1×1/2)+(15×7×15.36+25×7)+3×15×25+15×0.3×15/2×25-10×14×(15×0.1+7)-10×14/2×(3+15×0.3)=2327.332

∑P=10×14×14/2=980

所以，Ks′=2327.332×0.8/980=1.90>1.10，滿足要求。

3.2.2 抗浮穩(wěn)定計算

式中：Kf──施工期沉井抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)；

∑V──作用在沉井上全部向下的垂直力之和(kN)；

∑U──作用在沉井基底面上的揚壓力(kN)。

3.2.3 抗傾覆穩(wěn)定計算

式中：K0──擋土墻抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)；

∑MV──對擋土墻基底前趾的抗傾覆力矩(kN·m)；

∑MH──對擋土墻基底前趾的傾覆力矩(kN·m)。

(1)對A點分析：

∑MV=G1×15×0.1/3+G2×1.5×2/3+G3×5+G4×10+G5×13=31387.28

∑MH=U1×(11/2+15×0.1)/2+U2×(3+1.5+7+1.5)×2/3=8715

所以，K0=31387.28/8715=3.6>1.5，滿足穩(wěn)定要求。

(2)對B點分析：

∑MV=G1×15.5+G2×15+G3×11+G4×6+G5×3=33290.03

∑MH=U1×(4.5+3+4.5)+U2×7.5×2/3+∑P×15/3=21805

所以，K0=33290.03/21805=1.53>1.5，滿足要求。

綜合結(jié)果，經(jīng)濟巖坎梯形斷面體型設計穩(wěn)定、安全，滿足規(guī)范要求。

3.3 圍堰拆除程序

根據(jù)進口圍堰平面分布特性及周邊工程施工進度情況，總體將圍堰拆除分為3個作業(yè)區(qū)，其中1#閘門井對應的預留巖坎為拆除Ⅰ區(qū)、2#閘門井對應的預留巖坎為拆除Ⅱ區(qū)、3#閘門井對應的預留巖坎為拆除Ⅲ區(qū)。單個區(qū)域分6序進行拆除，其中：①序為進口混凝土圍堰602m高程以上部位巖體拆除，并借渣進行堰外水下作業(yè)平臺的填筑；②序為圍堰混凝土拆除；③序為經(jīng)濟巖坎內(nèi)側(cè)預留巖坎降低減薄；④序為經(jīng)濟巖坎水下巖體拆除；⑤序為經(jīng)濟巖坎頂部預留巖坎拆除；⑥序為經(jīng)濟巖坎拆除。

圖4 圍堰總體拆除程序斷面

表1圍堰拆除施工時段與江水水情對照

從表1看出，圍堰采用分序拆除，確保了拆除過程中圍堰剩余巖坎均發(fā)揮了擋水功能，為進口基坑及導流洞洞內(nèi)作業(yè)提供了有利條件。

4 拆除爆破設計

4.1 混凝土堰體爆破設計

重力式混凝土堰體的拆除爆破設計以便于鉆孔作業(yè)、爆破飛石方向向江心、爆破粒徑滿足反鏟、裝載機就地轉(zhuǎn)運至外側(cè)填筑水下巖坎拆除作業(yè)平臺的要求，爆破后形成平整的建基面以便于巖坎后續(xù)拆除作業(yè)為設計原則。

綜合比較，有在圍堰頂部布置豎向斜孔及在巖體背坡布置水平孔兩種方案，選擇后者進行混凝土堰體爆破設計，具體爆破參數(shù)如下。

4.1.1 布孔參數(shù)

混凝土堰體梯段爆破孔間距1.5m、排距1.5m、孔徑90mm，矩形布置；預裂孔間距0.8m、孔徑90mm，頂部按照排距1m、間距1.5m布置3排垂直孔。具體布孔形式見圖5。

圖5 混凝土堰體爆破布孔

4.1.2 爆破網(wǎng)絡

混凝土堰體拆除采用水平預裂微差控制爆破，預裂孔采用導爆索起爆，主爆孔采用塑料導爆管雷管起爆，孔間采用MS1、MS3段雷管、排間采用MS3、MS5段雷管、孔內(nèi)采用MS13段雷管進行傳導爆，為控制爆破質(zhì)點振動速度最大單響藥量控制在100kg以內(nèi)。

圖6 混凝土堰體拆除爆破網(wǎng)絡設計

4.1.3 裝藥

梯段爆破主爆破孔采用柱狀連續(xù)裝藥、預裂孔采用不耦合間隔裝藥且藥卷采用竹片進行綁扎，裝藥線密度為450g/m，為確保整個網(wǎng)絡爆破安全，孔內(nèi)傳爆雷管全部雙發(fā)布置。

4.2 預留巖坎水下拆除爆破設計

4.2.1 單耗選定

查閱參考書籍，有多種經(jīng)驗公式，其計算結(jié)論差異較大，在此推薦使用我國水利系統(tǒng)常用的經(jīng)驗公式：

q水=q陸+0.01H水+0.02H介質(zhì)+0.03H臺階

式中：q水——水下鉆孔爆破炸藥單耗(kg/m3)；

q陸——表示相同介質(zhì)的陸地爆破炸藥消耗(kg/m3)；

H水——水深(m)；

H介質(zhì)——炸藥在介質(zhì)中的埋深(m)；

H臺階——鉆孔爆破的臺階高度(m)。

在公式中，硬巖選用q陸=0.8kg/m3，H水=15m，H介質(zhì)=19m，H臺階=17m，代入式中計算得：q水=1.84kg/m3。

再結(jié)合周邊電站(溪洛渡)拆除的經(jīng)驗，咨詢了專家建議，爆破炸藥單耗在2.0kg/m3～2.5kg/m3之間。

4.2.2 主爆破孔參數(shù)

(1)鉆孔直徑：滿足φ70mm藥徑炸藥的裝藥要求，不小于90mm。

(2)炮孔間排距：以585m高程為準控制，排距不大于1.2m，間距不大于1.5m，滿足爆破塊度40cm的控制技術要求。

(3)布孔方式：在頂部高程601m平臺上矩形布孔，見圖8所示。

(4)炸藥單耗：2kg/m3～2.5kg/m3。

(5)鉆孔深度：從高程600m到585m，超鉆深度1m～2.0m。

4.2.3 周邊孔布孔參數(shù)

(1)孔距：以585m高程控制，在該高程孔距不大于0.8m。

(2)炮孔傾角：與輪廓面坡度一致。

(3)線裝藥密度：450g/m～500g/m。

(4)炮孔深度：從高程600m到585m，預裂孔不超深。

圖7 水下爆破布孔平面

圖8 水下爆破布孔斷面

4.2.4 爆破網(wǎng)絡

水下爆破拆除要求單孔單響，根據(jù)爆破分區(qū)的劃分，水下爆破網(wǎng)絡采用孔外延期、孔內(nèi)延時中間起爆左右分區(qū)延時起爆的網(wǎng)絡。其中孔內(nèi)采用雙發(fā)16段位(1020ms)延時雷管，為確保孔外最大延期小于孔內(nèi)延時，孔間延期雷管采用2段位(25ms)，排間延期采用4段位(75ms)延期雷管，區(qū)間跳段雷管采用5段位(MS110)延期雷管，連接爆雷管采用1段位，預裂采用導爆索傳爆。

圖9 水下爆破網(wǎng)路設計

5 圍堰拆除

5.1 混凝土堰體拆除

進口圍堰堰體混凝土拆除采用扣件式腳手架搭設鉆孔平臺，采用100B潛孔鉆機造水平爆破孔及水平預裂孔，鉆孔孔徑φ90mm，采用普通φ70mm、φ32mm乳化炸藥進行水平預裂梯段爆破。

5.2 內(nèi)側(cè)減薄

進口圍堰預留巖坎，經(jīng)濟巖坎內(nèi)側(cè)石方降低減爆屬于典型的旱地梯段爆破，其爆破鉆孔采用D7液壓鉆機及CM351高風壓潛孔鉆機進行，鉆孔孔徑均為φ90mm。采用普通乳化炸藥進行垂直梯段爆破。

5.3 水下巖坎拆除

5.3.1 設備、材料選擇

水下巖坎的拆除首先克服的是墊渣區(qū)域、破碎地段鉆孔難點和水下深孔上浮力對裝藥質(zhì)量的影響，以及水下環(huán)境對炸藥、雷管安全起爆性能的影響。

對此，本工程在進行了大量的市場調(diào)研及現(xiàn)場試驗后，從施工設備及火工產(chǎn)品上進行了選型比較，最終選擇成都哈邁70～90跟管鉆機進行鉆孔作業(yè)、選擇硬殼絲扣乳化炸藥及抗水性能良好的高精度雷管進行爆破網(wǎng)絡的設計。

5.3.2 操作要點

5.3.2.1 鉆孔

測量測放的爆破孔位進行鉆機初步就位，調(diào)整鉆孔角度及方向后再由測量人員進行復測，確認無誤后方可開孔，開孔時選用短鉆桿、半風壓進行鉆進，分別鉆進0.2m、0.5m、1m時進行一次鉆孔角度及方向的校正，如出現(xiàn)偏差應及時調(diào)整鉆機位置再繼續(xù)鉆進。鉆孔至設計孔深后采用高壓風、水聯(lián)合進行清孔，將孔內(nèi)殘渣全部清理干凈。鉆孔過程中鋼套管應隨鉆孔的加深及時跟進，待終孔驗收后拔出套管安裝PVC護孔管。

5.3.2.2 裝藥

水下深孔爆破裝藥需克服高壓水頭的擠壓影響、江水上浮力的影響，因此，水下爆破采用φ70mm塑殼絲扣炸藥及抗水性良好的高精度卡扣式連接雷管。

裝藥人員必須是經(jīng)過相關機構(gòu)培訓合格持證并具有多年爆破經(jīng)驗的專業(yè)炮工。

堵塞質(zhì)量的好壞是保證爆破效果和爆破安全的重要環(huán)節(jié)，為了保證堵塞質(zhì)量，選擇黃泥作為堵塞材料。使用編制袋包裹黃泥，做成長30cmφ80mm的土卷，由專人負責加工備用。

5.3.2.3 聯(lián)網(wǎng)、爆破

按設計依次先左后右、先內(nèi)后外、先上后下的原則連接網(wǎng)絡，預裂孔單獨連接后再統(tǒng)一上網(wǎng)，分段雷管、并網(wǎng)雷管采用膠管包裹保護，并用不同的鮮艷顏色標示。

5.3.2.4 爆后檢查

爆破安全后，及時進入爆區(qū)檢查爆破情況，首先檢查爆破是否完整，是否存在拒爆現(xiàn)象，如有應查明原因，再進行處理；其次是檢查爆破效果，分析爆破粒徑大小、爆破飛石對相鄰周邊建筑物的影響情況、爆破振動是否滿足爆破設計要求，根據(jù)爆破進行下一爆破循環(huán)參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整。

5.3.2.5 水下?lián)圃?/p>

巖坎水下深度達15m，采用普通液壓反鏟難以將爆破渣料撈干凈，因此，采用0.4m3的長臂反鏟進行水下?lián)圃?/p>

6 爆破防護

6.1 爆破振動控制

爆破振動是本次圍堰爆破拆除控制的重點，需保護的建筑物有閘室混凝土和閘門等，閘室混凝土為大體積鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，閘門屬于鋼結(jié)構(gòu)。進口圍堰與進口閘室的最小距離約30m。《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2003)中未明確規(guī)定其抗震標準。參考其它類似工程經(jīng)驗數(shù)據(jù)，要求進口區(qū)域混凝土(28d齡期)小于10cm/s，閘門按7cm/s設計，12cm/s校核。在閘門井土石方開挖期間，進行了爆破振動效應試驗，推算出垂直向k=70.4、α=1.364；水平向k=66.1、α=1.341。根據(jù)上述數(shù)據(jù)經(jīng)過計算確定最大單響藥量不大于150kg。因此，在圍堰水下爆破時，要求單孔單響。

6.2 飛石防護

嚴格控制裝藥量和堵塞長度及質(zhì)量，是防止飛石的重要措施。飛石防護手段有兩種：

一是覆蓋防護，就是在被爆體上用沙袋或其他材料進行覆蓋，本次爆破主要是在頂部孔口位置覆蓋沙袋。

二是保護性防護，即對被保護建筑或構(gòu)筑物進行防護。本次爆破防護重點是閘門井混凝土與閘門，對閘門槽座進行重點防護，其方法除采用堆碼沙袋防護外，還可用鋼板罩進行防護。洞門口和閘門附屬構(gòu)件均視其具體情況，頂面采用兩層沙袋，迎水面掛草袋竹包進行防護。

6.3 水擊波控制

經(jīng)濟巖坎采用下閘關門爆破，基坑內(nèi)部充水，為了防止爆炸水擊波對閘門造成危害，在閘門前設置兩道氣泡帷幕。氣泡帷幕設置方法為：在圍堰與爆區(qū)之間的漸變段底板混凝土上敷設2道橫過建筑物長度、φ80mm的鋼管作為噴氣管，間距2m，各由1臺20m3/min空壓機提供壓縮空氣。為防止充氣后噴氣管受到浮力而上浮、擺動，還需加沙袋壓重。

噴氣管上鉆3排噴氣孔，第1排孔口豎直向上，第2排孔口與第1排夾角60°，第3排孔口與第2排夾角60°，第2、3排孔口朝向爆破區(qū)；每排內(nèi)的氣孔間距60mm，氣孔φ2.0mm。

經(jīng)試驗可行后，噴氣管在爆前15min啟動。

爆破后，及時將噴氣管從水中撈出。

圖10 爆破沖擊波防護

7 工程應用

水下爆破采用雙發(fā)高段位、高精度雷管進行延時起爆，確保了大梯段爆破單孔單響，在不影響拆除進度的條件下最大限度降低了單段藥量，極大地減少了對周邊建筑物的爆破影響，同時提高了爆破網(wǎng)絡的安全可靠性，采用下閘沖水進行經(jīng)濟巖坎斷面一次爆破，充分利用了水壓力對爆堆的反作用力，減少了爆堆對閘門的擠壓作用，并設置氣泡帷幕有效地減少了爆破沖擊波對閘門的影響，采用跟管鉆機，有效地克服了預留巖坎層間、層內(nèi)錯動帶、斷層帶、填渣區(qū)成孔難的問題，同時采用PVC管全孔護孔，有效地保護了爆破孔，使各區(qū)爆破與鉆孔平行作業(yè)，保證了施工進度。

圍堰拆除采用跟管鉆孔工藝、采用高精度雷管、可實現(xiàn)復雜地質(zhì)條件下水下巖體的大梯段規(guī)模爆破，減少了爆破作業(yè)的循環(huán)次數(shù)，節(jié)約了施工工期，利于機械設備的連續(xù)作業(yè)，減少設備的轉(zhuǎn)序閑置，從而節(jié)約施工成本。同時，由于采用單孔單響控制爆破，有效降低了爆破最大單段藥量，減少了爆破對周邊建筑物的影響，節(jié)約安全防護成本的投入。

8 結(jié)語

在水電工程、航道工程、疏浚工程以及其他設計明挖、地下洞室開挖工程中，控制爆破技術是一項應用較為廣泛也相對比較成熟的施工技術，但不同類型的工程，其工程規(guī)范、施工邊界條件又存在較大差異，因此，其施工參數(shù)具有差異。本工程以高單耗、低單段為爆破設計理念，利用高段位雷管孔內(nèi)延時、高精度低段位雷管孔外延期，實現(xiàn)了700多孔的單孔單響控制爆破，并通過分區(qū)分序拆除，確保了工程總體按期完工。本工程的總體施工理念及施工經(jīng)驗，在后續(xù)工程中具有較大的推廣應用價值。