某引水工程取水口圍堰和預留巖坎拆除爆破

孫云峰，李 沖，孟 濤，易清元

(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，長沙 410014)

1 工程概況

某引水工程位于湖南省內，分近期(一期)、遠期(二期)、遠景(三期)建設。其中，近期按30萬t/d設計，按40萬t/d校核[1]。一期工程從已建水庫開鑿隧洞，凈水采用重力直流方式，輸送到供水城區。工程于2016年1月1日開工建設，工期為36個月，投資約為12億元。建設內容包括取水口及引水隧洞、凈水廠和輸水管道3部分。已建水庫正常蓄水位282.50 m，死水位239.50 m，正常蓄水位相應庫容81.20億 m3，死庫容28.70億 m3，為多年調節水庫。

本工程取水口布置在水庫右岸，采用岸塔式取水口，分別設置有攔污柵、疊梁閘門、檢修閘門等，取水口塔體底板高程243.00 m，頂高程296.50 m。在施工期，取水口建筑物采用預留巖坎加混凝土圍堰方式進行擋水[2]。擋水圍堰級別為4級，按全年施工進行擋水設計，洪水標準采用1 000年一遇洪水標準，相應水庫水位286.500 m，相應洪峰流量為15 000 m3/s。

圖1 取水口圍堰和預留巖坎Fig.1 Cofferdam and reserved rock ridge of water intake

2 工程難點

1)水下爆破部分深度較深。根據已建水庫1942年～2011年共70年徑流系列月徑流調節計算成果，水庫多年平均水位274.00 m，約有35年可蓄至正常蓄水位282.50 m或汛期防洪限制水位281.50 m，根據全年1～12月中3月份的水庫水位最低，約有45年的3月份降至年消落水位271.50 m附近運行。根據已建水庫5年一遇徑流下水庫各月最高水位統計分析，全年1～12月中3月份的水位最低，其水位為272.00 m，由此確定預留巖坎頂高程為272.50 m，比3月份的最高水位略高。若遇水庫多年平均水位274.00 m，圍堰和預留巖坎共計33.00 m處于該水位以下，水下爆破部分深度較深。

2)預留巖坎拆除方量大。圍堰和預留巖坎總高度46.00 m，預留巖坎縱剖面近似為梯形，形成梯形形狀較“胖”，底部最寬約76.78 m，對應的頂部寬約14.00 m，且受兩側岸坡及底部三面約束。巖坎本身巖性為堅硬的花崗巖，中間溝槽夾制作用大，拆除困難。圍堰和預留巖坎總方量約為2.1萬m3，拆除方量較大。

3)周邊的建筑物保護難度大。預留巖坎距離本工程的取水口塔體較近，其下游坡腳距塔體上游邊緣最小距離為8.00 m。取水口塔體后邊坡為一高陡邊坡，高約80 m，覆蓋層和全風化的厚度較深，預留巖坎距離取水口邊坡亦較近，最小水平距離約39 m。爆破時需關閉閘門，閘門、攔污柵等金屬結構的保護難度大。另外，預留巖坎毗鄰已建大壩，距大壩右壩頭直線距離約460 m，距二級放空洞最近處約255 m，距右岸帷幕最近處距離為200 m。因此距離已建大壩的重點部位均較近，預留巖坎爆破時引起的振動可能對已建大壩產生影響[3]。

4)預留巖坎一次性爆破時需降低水庫水位，已建電站的電能損失較大。已建水庫為多年性調節水庫,水庫庫容巨大。若預留巖坎采取一次性拆除爆破，遇已建水庫水位較高時需降低水庫水位，已建電站的電能損失巨大，當采用已建大壩閘門下泄方式降低水位時，平均電量損失約為3億度。

5)爆破時，巖坎淹沒水深較深，對火工品材料的性能和爆破網路要求高。因為巖坎開挖揭露的地質條件、水庫運行水位、巖坎的形狀與周邊環境的復雜情況，所以在巖坎拆除過程中，對火工品材料的性能、起爆網路的可靠性有著極高的要求。

3 爆破方案

3.1 爆破范圍

本次拆除將左、右側縱向圍堰保留，僅圍堰頂部高程由287.00 m降至283.00 m，橫向圍堰全部拆除。預留巖坎位于取水口塔體前面，其開挖完成后近似一條引水渠，渠道斷面上部為梯形、下部為矩形。引水渠沿塔體中心線全長約84.80 m。渠道底部高程介于241.00～242.00 m之間，底寬8.50 m。圍堰和預留巖坎拆除爆破平面范圍如圖2所示。

圖2 圍堰和預留巖坎拆除爆破范圍Fig.2 Demolition blasting scope of the cofferdam and reserved rock ridge

3.2 爆破前的必要條件

取水口塔體后接引水隧洞，引水隧洞設置了2條施工支洞，其出口接凈水廠。為確保工程安全和防洪、度汛的要求，取水口塔體施工完成后，檢修閘門下放至取水口塔體閘門的門槽，并啟閉運行和驗收，之后再進行混凝土圍堰和預留巖坎的拆除爆破。

3.3 爆破分區

混凝土圍堰和預留巖坎拆除爆破方案采用自上而下的分層、分區爆破方案。根據預留巖坎穩定分析成果，預留巖坎高程272.50 m以下部分適當削薄[4]，以降低巖坎的拆除難度。圍堰及巖坎拆除總高度46.00 m，從287.00 m到241.00 m共分6個區進行分區拆除[5]，圍堰和預留巖坎拆除爆破分區如圖3所示。

圖3 圍堰及預留巖坎拆除爆破分層分區Fig.3 Demolition blasting layered and zoned in the cofferdam and reserved rock ridge

1)在確保圍堰和預留巖坎穩定情況下，第Ⅰ區為巖坎外部削薄部分，從水庫側向取水口塔體側拆除爆破。

2)第Ⅱ區為高程287.00 m到272.50 m之間橫向圍堰，拆除高度14.50 m。

3)第Ⅲ區為高程272.50～260.00 m范圍內巖坎，拆除高度12.50 m。該區拆除方量較大，是爆破的重點。

4)第Ⅳ～Ⅵ區為高程260.00～241.00 m范圍內巖坎，拆除高度為19.0 m，共分3個區，拆除高度分別為6.0、6.0、7.0 m。

3.4 爆破設計

3.4.1 第Ⅰ區(巖坎外部削薄部分)

1)主爆孔爆破參數。根據裝藥要求，鉆孔孔徑不小于90 mm，孔距1.5 m，排距1.5～2.0 m。炸藥單耗1.3～1.7 kg/m3，炮孔采用袋裝砂填塞，填塞長度1.0～1.4 m。

2)采用非電接力式起爆網路，控制最大單段起爆藥量不大于100 kg。

3)爆破器材。對炸藥的基本要求是：炸藥密度大于1 100 kg/m3，炸藥爆速大于4 500 m/s，做功能力大于320 mL，猛度大于16 mm，殉爆距離大于2 倍的藥徑。藥卷采用乳化炸藥。乳化炸藥具有抗水(5 d)、抗壓(3 kg/cm2)性能，起爆、傳爆性能好。導爆索采用防水型導爆索。

3.4.2 第Ⅱ區(橫向圍堰)

第Ⅱ區為混凝土圍堰，其橫剖面上窄下寬，高度較高，因此選用分層爆破方案，即自上而下分層爆破。由于斜孔控制難度大，采用垂直鉆孔方式，共分5層(見表1)。

表1 混凝土圍堰拆除分層

1)圍堰拆除時單響藥量不大于27.7 kg。根據經驗所得炸藥單耗K取0.25 kg/m3，并根據實際情況調整。單個炮孔裝藥量為0.9 kg。

2)裝藥結構。當鉆孔深度L≥1.5W(W表示最小抵抗線)時，應采用分層裝藥，L=(2.6～3.7)W時，單孔裝藥量Q分為3層裝藥，分別為上部0.25Q，中部0.35Q，下部0.4Q。

3)網路布置(見圖4)。孔內雷管采用MS15，孔間雷管采用MS2，排間雷管采用MS5。

圖4 網路布置Fig.4 Layout of the network

3.4.3 第Ⅲ區(巖坎)

1)主爆孔爆破參數

a)鉆孔孔徑。考慮到巖坎的巖石堅硬，為便于后期水下清渣，采用φ70 mm乳化炸藥，鉆孔孔徑選取φ90 mm。

b)孔距和排距。預留巖坎分左右兩部分先后進行拆除。左側部分的傾斜孔距2.0 m，排距1.0 m。右側部分主爆孔的排距為2.0 m×2.0 m。預留巖坎兩側上、下游邊坡手風鉆淺孔孔、排距為1.0 m×1.0 m，手風鉆淺孔與主爆孔之間孔距1.5 m，排距1.0 m。

c)爆堆形狀和爆破塊度。因為預留巖坎拆除立足于水下機械挖渣，所以一方面要使爆渣具有適合挖渣的塊度，另一方面要使爆堆具有合理的堆積體型，不至于過度飛散，不利挖渣。最大爆破塊度按50～60 cm設計，主體塊度分布在30～40 cm間，由于細顆粒在水下并不方便撈渣，因此小于10 cm的細粒料控制不超過5%。因為圍堰及預留巖坎為檢修閘門下閘關門爆破，不需要爆破瞬間的水流沖渣，因此不限定爆堆的最低高程，以最適合機械清渣的爆堆形狀和爆堆位置來進行設計。又由于采用迎水面首先起爆的開口方式，受水壓影響，向前的拋擲有限，因此爆堆以原地堆積為主。

d)炸藥單耗。巖坎基巖為燕山期侵入巖—中粗粒花崗巖，堅硬均一。正常的花崗巖巖石破碎單耗為0.5～0.6 kg/m3；爆渣的平均塊度按30～40 cm 控制，所需要的單耗為0.8～1.0 kg/m3；考慮迎水面的壓渣及水壓條件影響，按目前的孔、排距，炸藥單耗在1.0～1.5 kg/m3之間。同時根據KUZ-RAM塊度預報模型[6]，主體塊度按照0～40 cm控制時，底部基巖的炸藥單耗也應大于1.5 kg/m3，考慮取水口有很多保護物，所以選取炸藥單耗為1.5 kg/m3。

按此炸藥單耗，爆渣的平均塊度可控制在30～40 cm之間，此塊度的爆渣為水下機械清渣提供了方便。

2)裝藥結構

a)主爆孔裝藥結構。主爆孔采用φ70 mm乳化炸藥連續裝藥結構，在裝藥段1/3 和2/3 處各設置1發非電高精度雷管起爆。

b)光爆孔裝藥結構。兩側邊坡及后邊坡光爆孔采用φ32 mm乳化炸藥不耦合裝藥結構，線裝藥密度600 g/m左右，孔口填塞1.0 m，采用雙股防水導爆索將φ32 mm乳化炸藥藥卷綁扎在竹片上成串裝的裝藥結構，孔內放1發非電高精度雷管起爆。

c)單孔裝藥量。單孔裝藥量由于孔深和填塞長度變化較大，最小單孔裝藥量僅1.2 kg，最大單孔裝藥量為54 kg。

d)填塞長度。對于孔、排距為2.0 m×2.0 m的炮孔，填塞長度取2.0 m，用黃泥或袋裝砂進行填塞。

3)起爆網路

起爆網路采用高精度非電復式起爆系統。孔內起爆雷管選擇1 025 ms延時雷管，排間傳爆雷管選擇42 ms的雷管。

4)巖坎兩側邊坡炮孔爆破參數

為確保巖坎兩側邊坡穩定，在巖坎左右兩側布設1排預裂孔，鉆孔孔徑φ90 mm，排距均為1.0 m(見圖2)。采用φ45 mm 震源藥柱連續裝藥，水深超過6.0 m時，可不填塞。

3.4.4 第Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ 區(巖坎)

采用垂直鉆孔方式，孔徑定為φ90 mm，爆堆形狀和爆破塊度與第Ⅲ區的要求相同，炸藥單耗亦取1.5 kg/m3，孔、排距為2.0 m×2.0 m，超深1.5～2.0 m。炸藥為高密度、高威力的銨梯型震源藥柱，根據孔深，各孔內連續裝φ70 mm的高密度銨梯型震源藥柱，避免對藥柱進行切割。為保證孔內裝整節數的藥柱，靠近孔口位置不裝藥。采用非電導爆管雷管起爆網路，為了確保每個孔的準爆，每孔裝2發非電導爆管雷管。

巖坎兩側邊坡炮孔爆破參數同第Ⅲ區一樣。

4 爆破施工

2017年8月1日～2017年12月10日，預留巖坎第Ⅰ區拆除爆破。在施工中，第Ⅰ區根據水深、水下地形、爆破振動監測和方便清渣等因素被分成若干個小塊先后進行爆破和清渣。施工內容主要有水下爆破和水下清渣。水下爆破施工工藝主要為：水下鉆孔、裝藥、填塞、連線及起爆。

1)定位。施工前進行嚴格的水下鉆孔施工技術交底。按照設計圖紙進行鉆孔測量定位并編號，監理工程師復測合格后開鉆。

2)鉆孔。采用潛孔鉆機，鉆頭在套管內鉆孔，達到設計深度后采用測斜儀及時對鉆孔角度進行校對，以糾正偏差，確保鉆孔質量。若出現異常現象，立即停止鉆進。確定處理方案，處理完畢后，重新鉆孔。

3)裝藥、填塞。驗孔合格后將準備好的藥柱裝入孔內，裝完后檢驗炸藥是否到位，檢驗合格后進行填塞，填塞長度1.0～1.5 m。

4)聯網、移船、起爆。待爆破區的爆破孔聯網后，移動水面上工作船，撤至安全區并引爆。

水下清渣施工工藝主要流程為：搭建水下清渣平臺、布纜絞錨定位、下斗挖渣、石渣裝駁、運輸卸渣。具體的施工是先將6.0 m×3.0 m×1.5 m的鋼制浮箱吊運至施工水域，并進行水面拼裝(組裝成施工船舶)，再用25 t旋轉吊配2 m3梅花挖石抓斗至船上集渣斗內，然后用10 t塔機吊運至岸上10 t自卸汽車內，運至棄渣場堆棄。

2018年8月15日，取水口混凝土塔體澆筑完成，檢修閘門安裝調試完成并驗收，因此圍堰具備拆除條件。第Ⅱ區的混凝土圍堰進行了拆除爆破，拆除高度14.50 m。本區為陸地爆破和陸地清渣。陸地清渣是先用長臂鉤機清渣及轉運(1 km之內)，再用短臂鉤機進行裝車。

第Ⅲ區由于拆除工程量較大，以取水口塔體中心線(順水流向)為界分成左右側兩部分。爆破時水庫水位約為267.00 m，低于預留巖坎頂高程272.50 m，故預留巖坎的鉆孔和裝藥在干地施工，爆破完成后水下清渣。爆破施工工藝主要為：施工前準備→設計布孔→測量定位→鉆孔→裝藥→填塞→連線→起爆。清渣施工工藝同第Ⅰ區的工藝。2018年8月16日～2018年8月29日，本區右側部位先行拆除爆破，之后進行了水下清渣。2018年10月10日～2018年10月30日，預留巖坎本區左側部位拆除爆破，之后進行了水下清渣。

2019年3月10日～2019年5月30日，第Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ區相繼拆除爆破和水下清渣。施工過程中已建水庫水位約為267.50～269.00 m。

5 振動監測與飛石控制

1)振動監測。混凝土圍堰和預留巖坎爆破時，在取水口和附近的已建大壩共布置有13個監測點[8]。其中在取水口邊坡高程296.00 m馬道、取水口塔體疊梁門庫門槽分別布置了振動監測點，其余監測點分別布置在已建大壩部位。爆破前在各測點埋設儀器。

在圍堰和預留巖坎拆除爆破的同時，完成了相應的爆破振動監測。根據監測結果，取水口邊坡高程296.00 m馬道監測的爆破振動速度為0.63～3.79 cm/s，取水口塔體疊梁門庫門槽監測的爆破振動速度為0.59～4.23 cm/s，均小于爆破振動速度控制值10 cm/s；右岸二級放空洞啟閉機房監測的爆破振動速度為0.03～0.37 cm/s，小于爆破振動速度控制值5 cm/s；其余監測點未觸發或監測數據遠小于爆破振動速度控制值。

2)飛石控制。在巖坎拆除爆破施工時，為防止巖坎拆除過程中的滾石和水石流(水和爆炸的混合物)沖擊取水口塔體，在塔體前豎向布置簡易疊梁門[7]。簡易疊梁門從塔體底部高程242.00 m到高程290.00 m進行布置，其結構為鋼框架竹排結構。鋼框架采用工字鋼和槽鋼焊接組成。鋼框架里面鋪設一層竹跳板，竹跳板表面(迎水面)鋪設兩層土工布。在簡易疊梁門安裝完成后，采用20 mm 厚的橡膠墊充填在簡易疊梁門與塔體攔污柵邊墻之間，減弱疊梁門對塔體混凝土的擠壓破壞。

為減弱巖坎爆破時對塔體產生的水平方向作用力，在巖坎和塔體之間的空腔從塔體底部高程242.00 m到高程272.00 m充填細砂。拆除爆破完成后利用泵進行抽砂和轉運。

6 結語

1)本工程取水口混凝土圍堰和預留巖坎拆除爆破經歷一年多時間的精心施工，嚴格執行拆除爆破方案，控制爆破參數和優化爆破網路，爆破時進行爆破振動監測，安全有效地完成了拆除爆破，達到了預期的目的。

2)在爆破施工中保證了周邊建筑物的安全，同時確保了按期取水。

3)由于取水口混凝土圍堰和預留巖坎總高度大，位于大型水庫的岸邊，預留巖坎水下淹沒深度較深，因此選擇分層分區爆破方案，從而解決了拆除爆破時水庫水位較高而不需人為降低水庫水位的難題。