聚能切割爆破技術(shù)在水電站應(yīng)急搶險(xiǎn)中的應(yīng)用

王 強(qiáng)，張業(yè)輝，高 峰，趙忠曉

（1.國家能源集團(tuán)四川發(fā)電有限公司，四川成都，610041；2.陜西北方友邦爆破科技有限公司，陜西西安，710000）

0 引言

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度的加快，各類工程建筑設(shè)施和構(gòu)筑物數(shù)量也在不斷增加，因達(dá)到建筑物生命周期或應(yīng)急搶險(xiǎn)等原因需要拆除的建筑設(shè)施和構(gòu)筑物數(shù)量也相應(yīng)增加。在建筑設(shè)施拆除工程技術(shù)方面，一般采用鉆孔爆破拆除、機(jī)械破碎拆除和人工切割拆除等技術(shù)工藝，但對(duì)于作業(yè)條件受限（如作業(yè)區(qū)域環(huán)境復(fù)雜、大型設(shè)備無法到達(dá)作業(yè)面、人工拆除安全風(fēng)險(xiǎn)大等）且拆除對(duì)象為大型鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)急搶險(xiǎn)工程，常規(guī)拆除方法不易實(shí)現(xiàn)。因此，深入研究安全可靠、技術(shù)先進(jìn)的爆破拆除技術(shù)，應(yīng)用到特殊作業(yè)環(huán)境條件下的大型鋼結(jié)構(gòu)拆除工程顯得十分必要。

聚能切割爆破技術(shù)在軍事領(lǐng)域應(yīng)用較多，在民用應(yīng)用到巖土工程、大型構(gòu)筑物拆除方面，尤其是應(yīng)用到特殊作業(yè)環(huán)境條件下的應(yīng)急搶險(xiǎn)工程（如水工鋼結(jié)構(gòu)拆除、深水爆破作業(yè)、沉船打撈、水下切割等）方面還是一個(gè)新課題，工程實(shí)例不多，需加強(qiáng)應(yīng)用研究。

1 聚能切割爆破原理

1.1 聚能爆破基本原理

聚能爆破是利用一定的裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出特定的聚能藥包（或聚能切割索），利用聚能藥包爆炸后的聚能效應(yīng)（通常稱為“門羅效應(yīng)”），通過爆炸產(chǎn)生的高溫、高壓、高速射流對(duì)爆破對(duì)象進(jìn)行作用的一種爆破方法，達(dá)到對(duì)巖土、金屬等爆破對(duì)象進(jìn)行穿孔、切割、破壞的目的。該方法具有能量集中、作用迅速、方向性強(qiáng)、穿透力大等特點(diǎn)，在實(shí)際工程應(yīng)用中，還具有聚能藥包體積小、安全易施工、對(duì)作業(yè)環(huán)境要求低等特點(diǎn)，因此，聚能切割爆破技術(shù)逐漸受到國內(nèi)外爆破界的重視。

1.2 聚能藥包主要結(jié)構(gòu)及作用

聚能藥包由炸藥、藥形罩、隔板、殼體、引信和支架等部分組成。聚能藥包的爆炸性能及爆炸侵徹效果與炸藥種類、裝藥量、藥型罩材料、裝藥結(jié)構(gòu)、起爆方式及其幾何尺寸顯著相關(guān)。

1.2.1 炸藥

炸藥是聚能切割爆破的能量源。炸藥的爆壓越大，聚能威力越大。為得到高爆壓，需高爆速、高密度的炸藥。常用炸藥有TNT、黑索金（聚黑系列）炸藥等，裝藥方法有熔鑄、塑裝和壓裝等。

1.2.2 藥型罩

藥型罩的作用是把炸藥的爆炸能轉(zhuǎn)化成射流動(dòng)能，從而提高其穿透和切割能力。藥型罩的材料必須滿足四點(diǎn)要求，即可壓縮性小、密度高、塑性及延展性好、在形成射流中不汽化。大量試驗(yàn)證明，用紫銅制作藥型罩效果最好，其次為鑄鐵、鋼和陶瓷。藥型罩的形狀多種多樣，主要有軸對(duì)稱型、面對(duì)稱型和中心對(duì)稱型，其中：軸對(duì)稱型主要有圓錐形、半球形、拋物線形和喇叭形等；面對(duì)稱型主要有直線形（多用于切割鋼板）和環(huán)形；中心對(duì)稱型主要有球形聚能藥包。在工程中常用的是軸對(duì)稱型和面對(duì)稱型兩類藥型罩。

1.2.3 隔板

隔板的作用是改變爆轟波的形狀，提高射流頭部的速度。設(shè)計(jì)合理的隔板可使射流頭部速度提高25%，穿孔深度提高15%～30%。隔板材料一般用塑料和木料等惰性材料，也有用低爆速炸藥當(dāng)作隔板的，直徑不小于藥包最大直徑的一半，其位置、厚薄、大小均可按爆轟波理論進(jìn)行計(jì)算，選出最優(yōu)值。

1.2.4 殼體

殼體會(huì)影響爆轟波的陣面形態(tài)，可以減弱稀疏波的作用，有利于能量有效利用，但控制不好會(huì)造成“反向射流”現(xiàn)象，反而減弱了射流強(qiáng)度，所以聚能藥包也有不用外殼的。

1.2.5 支架

支架的作用是保證最佳炸高。炸高的定義是聚能藥包底面（即藥形罩底線）到穿孔目標(biāo)的最短距離。最佳炸高根據(jù)聚能藥包設(shè)計(jì)決定，一般是藥型罩底部直徑的1～3倍。

2 聚能切割爆破技術(shù)在某水電應(yīng)急搶險(xiǎn)工程中的應(yīng)用

2.1 工程概況及事件背景

某水電站是一座具有日調(diào)節(jié)功能的閘壩有壓隧洞引水式電站，電站總裝機(jī)容量24 MW，1996年6月建成投產(chǎn)。工程由重力壩、泄洪閘、底廊沖砂壩段、防滲墻、防滲帷幕、右岸進(jìn)水口、閘后護(hù)坦及護(hù)岸等建筑組成。大壩為混凝土重力壩，壩頂高程1 637.30 m，最大壩高20.35 m。泄洪閘設(shè)三孔弧形門，閘門尺寸為8.0 m×6.5 m（寬×高），單扇門體自重40 t，采用2×25 t固定式卷揚(yáng)機(jī)啟閉。泄洪閘啟閉機(jī)室底板高程1 638.5 m，泄洪閘底坎高程1 622.0 m。

2019年8月20 日，四川省阿壩州汶川縣境內(nèi)發(fā)生特大山洪泥石流災(zāi)害，造成汶川縣境內(nèi)多座水電站不同程度受災(zāi)，其中臥龍某水電站泄洪流道被泥石流淤堵，大壩工作電源被摧毀，發(fā)生了壩頂過流險(xiǎn)情。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，漫壩洪水位超過壩頂約4.2 m，達(dá)到高程1 641.5 m；壩前淤泥超過泄洪閘底坎約13 m，達(dá)到高程1 635.0 m。由于漫壩水位、壩前淤泥、雜木卡阻等荷載疊加組合，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了泄洪閘門設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致泄洪閘門無法正常提升，搶險(xiǎn)過程中曾先后采用大功率電機(jī)、無電液控應(yīng)急啟閉設(shè)備、液壓千斤頂?shù)榷喾N方案提升閘門，效果甚微。經(jīng)搶險(xiǎn)專家組研究，決定采用聚能切割爆破技術(shù)拆除泄洪閘門。

2.2 工程應(yīng)用

2.2.1 待爆體結(jié)構(gòu)

泄洪閘門為鋼構(gòu)件，由槽鋼和鋼板焊接而成。材質(zhì)為鋼（Q235C），閘門鋼板結(jié)構(gòu)尺寸見圖1，槽鋼結(jié)構(gòu)尺寸見圖2，腹板鋼板尺寸見圖3，閘門現(xiàn)場(chǎng)照片見圖4。

圖1 閘門鋼板結(jié)構(gòu)尺寸Fig.1 Dimension of the gate plates

圖2 槽鋼結(jié)構(gòu)尺寸Fig.2 Dimension of the channel steel

圖3 腹板鋼板結(jié)構(gòu)尺寸Fig.3 Dimension of the web plates

圖4 閘門現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.4 Photo of the floodgate

2.2.2 爆破方案設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況為：洪水漫壩、應(yīng)急搶險(xiǎn)施工條件差，人工切割泄洪閘門方案安全風(fēng)險(xiǎn)非常高，無法實(shí)施；常規(guī)爆破方案施工條件不允許，且因泄洪閘壩段壩體內(nèi)鋼筋縱橫交錯(cuò)，常規(guī)爆破效果得不到保證。根據(jù)閘門鋼板厚度δ=16 mm，借鑒同類工程，可采用聚能切割索進(jìn)行爆炸切割，使閘門鋼板充分解體后形成泄洪通道。

為確保切割爆破效果，保證聚能切割索能徹底切穿閘門鋼板，首先采用乙炔-氧氣熱熔切割方案切穿閘門后部的腹板、翼板槽鋼及水平方向的部分腹板，再將切割索安放在閘門鋼板表面并進(jìn)行固定。

2.2.2 .1 爆炸切口設(shè)計(jì)

為使切口充分，在豎直方向連續(xù)布置切割索8條（編號(hào)1～8），在水平方向連續(xù)布置切割索2條（編號(hào)A、B），在腹板和翼板布置切割索（編號(hào)C1～8、D1～8和E1～6），具體爆炸切口布置見圖5。

圖5 爆炸切口Fig.5 Explosion cut

2.2.2 .2 藥型罩設(shè)計(jì)

此次切割對(duì)象為泄洪閘門鋼板，切割藥型罩采用直線型方案，炸藥采用聚黑-16型，見圖6。

圖6 聚能切割索示意圖Fig.6 A shaped charge cutting cable

2.2.2 .3 起爆網(wǎng)路

為減少閘門鋼板的振動(dòng)，確保切割爆破效果，采用高精度導(dǎo)爆管雷管，延期時(shí)間選用瞬發(fā)段（0 ms），爆破網(wǎng)路采用簇連方式（一把抓），具體連接方式見圖7。

圖7 爆破網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.7 The blast network

2.2.2 .4 主要爆破材料

主要爆破材料見表1。

表1 主要爆破材料Table 1 Main blasting agents

2.2.2 .5 試爆試驗(yàn)

為確保閘門爆破切割成功，爆破器材進(jìn)場(chǎng)后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試爆試驗(yàn)，切割試驗(yàn)分兩種。

（1）閘門鋼板（槽鋼）切割試驗(yàn)：試驗(yàn)閘門鋼板厚度δ=16 mm，尺寸為0.5 m×0.5 m，試驗(yàn)裝置見圖8。切割索布置好后，人員撤離，引爆，爆后觀看切割效果，并做好試驗(yàn)記錄。

圖8 δ=16 mm試驗(yàn)示意圖Fig.8 Test as δ=16 mm

（2）腹板（工字鋼）切割試驗(yàn)：工字鋼厚度δ=24 mm，面寬B=0.8 m，進(jìn)行兩邊對(duì)切，以提高爆破切割效果，試驗(yàn)裝置見圖9。根據(jù)要求將切割索布置好后，人員撤離，引爆，爆后觀看切割效果，并做好試驗(yàn)記錄。

圖9 δ=24 mm試驗(yàn)示意圖Fig.9 Test as δ=24 mm

2.2.3 警戒設(shè)計(jì)

GB 6722-2014《爆破安全規(guī)程》規(guī)定，復(fù)雜環(huán)境爆破安全允許距離不少于300 m。為保證本次爆破施工的安全，本工程安全允許距離確定為500 m，警戒示意見圖10。

圖10 警戒示意圖Fig.10 Alert zone

2.2.4 安全核驗(yàn)

2.2.4.1 振動(dòng)核驗(yàn)

根據(jù)薩道夫斯基控制爆破振動(dòng)速度公式：

式中：V為地面質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度，cm/s；K和a為與爆破點(diǎn)至計(jì)算點(diǎn)間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減系數(shù)，此處K取150，α取1.5；Q為一次起爆的最大藥量，單位為kg，微差爆破時(shí)取最大一段裝藥量，30 kg；R為保護(hù)對(duì)象到閘板的距離，此處取500 m。

將上述參數(shù)代入公式計(jì)算得V=0.07 cm/s，遠(yuǎn)小于計(jì)算值，爆破振動(dòng)滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2.4 .2 個(gè)別飛散物

根據(jù)GB 6722-2014《爆破安全規(guī)程》，在裝甲爆破坑中，個(gè)別飛散物的最小安全允許距離不少于150 m，本次爆破警戒距離500 m滿足要求。

2.2.4 .3 爆破空氣沖擊波安全驗(yàn)算

本方案按R=500 m、Q=70 kg驗(yàn)算沖擊波超壓值，驗(yàn)算公式采用GB 6722-2014《爆破安全規(guī)程》的推薦公式，即：

式中，ΔP為空氣沖擊波超壓值，×105Pa；Q為一次齊發(fā)爆破總藥量；R為至被保護(hù)距離，500 m。

Q=70 kg，代入公式計(jì)算得ΔP=0.006 526 106×105Pa。

以上計(jì)算值小于0.02×105Pa，符合GB 6722-2014《爆破安全規(guī)程》的相關(guān)要求，故爆破空氣沖擊波對(duì)周圍環(huán)境不造成安全威脅。

2.2.5 爆破組織實(shí)施及效果

本次聚能切割爆破由電站業(yè)主組織指揮，委托具有爆破專業(yè)資質(zhì)的單位負(fù)責(zé)實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)爆破作業(yè)，爆破前做好了安全警戒和保障措施，于2019年9月3日20時(shí)49分安全順利地實(shí)施了2號(hào)泄洪閘聚能切割爆破。閘門成功解體，壩前水位迅速降至壩頂以下,電站險(xiǎn)情徹底解除，聚能切割爆破拆除和應(yīng)急搶險(xiǎn)獲得圓滿成功。

3 結(jié)語

某電站應(yīng)用聚能切割爆破技術(shù)，克服了復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境條件，成功爆破拆除了2號(hào)泄洪閘門，徹底解除了險(xiǎn)情，應(yīng)急搶險(xiǎn)成功。特殊作業(yè)環(huán)境條件下、水電應(yīng)急搶險(xiǎn)工程中，該技術(shù)是拆除大型水工鋼結(jié)構(gòu)的一項(xiàng)創(chuàng)新突破，方案安全可靠，便于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，可為類似的水電工程應(yīng)急搶險(xiǎn)、抗震救災(zāi)、特殊環(huán)境條件下大型構(gòu)筑物安全快速拆除提供經(jīng)驗(yàn)參考。