老撾南公1水電站非襯砌溢洪道巖體爆破開挖技術*

吳世然，劉廣鑫，陳育權，盧文波，張 珂，陳 明

(1.中國電建集團 中國水利水電第三工程局有限公司，西安 710024;2.武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072；3.中國水利電力對外有限公司，北京 100120)

在過去的三十年內，我國及世界范圍內的壩工技術得到了快速發展，其中，面板堆石壩由于具有經濟實惠的獨特優勢，這種壩型也得到了廣泛的應用[1,2]。為了宣泄洪水，常常需要在堆石壩壩體的兩岸開挖一條岸邊溢洪道，作為壩體泄洪通道，溢洪道對壩體運行安全有著舉足輕重的作用。岸邊溢洪道的主要特點是露天，同時一般結構都較為復雜，存在巖體開挖量巨大且開挖成型質量控制困難等特點。

鉆孔爆破作為一種經濟高效的破巖方式，已經被廣泛地應用到溢洪道開挖中[3,4]。然而，在完成爆破破巖的同時，會對保留巖體造成破壞、產生爆破振動、爆破損傷等負面影響[5-7]，并且局部會有超欠挖存在，難以獲得平整的輪廓面，存在開挖成型控制的難題，因此開挖成型控制和爆破損傷控制也一直是研究的熱點問題。

溢洪道的巖體開挖主要包括了巖石邊坡和水平基礎的開挖，輪廓成型的關鍵控制部位為：巖石高邊坡、消力池巖石基礎，尾坎和閘室段跌坎等。對于巖石邊坡，為了保證邊坡輪廓的開挖成型質量和最小地減少爆破損傷，諸如預裂爆破和光面爆破的輪廓爆破技術應用較為廣泛[8,9]；對于水平基礎，通常采用預留保護層的開挖技術，通過三十年的工程實踐，目前已經積累了一系列的保護層開挖技術[10]，同時近年來也有專家學者提出了新型的保護層開挖技術[11,12]。

結合老撾南公1水電站溢洪道開挖，對巖石高邊坡、消力池巖石基礎，尾坎和閘室段跌坎等關鍵部位的輪廓成型開挖技術進行了詳細地總結，介紹了具體的爆破方案和鉆爆參數，并給出了詳細的開挖效果，為其他類似工程的巖體開挖提供了良好的借鑒。

1 工程背景

南公1水電站位處老撾、越南、柬埔寨三個國家交界區域的南公河上，是我國建設“一帶一路”的示范工程，也是打造“東南亞蓄電池”的骨干工程。工程由首都樞紐和引水發電系統組成，其中首部樞紐主要包括面板堆石壩，左岸溢洪道和右岸電站進水口等。南公1水電站溢洪道位于壩體左岸，其樞紐布置如圖1所示。溢洪道的總體土石方開挖量達260萬m3，開挖高程分布為：EL.325～EL.244 m(其中引渠段：EL.325～EL.300 m；閘室段：EL.325～EL.276 m；泄槽段：EL.325～EL.244 m)，開挖高差較大。同時溢洪道的設計泄洪流量為8000 m3/s，采用無混凝土襯砌的結構形式，后期泄洪運行時需要承擔巨大的動水壓力，對開挖成型質量的控制也不言而喻。同時，在滿足開挖成型質量控制要求的前提下，又需要實現溢洪道的快速高效開挖，由此可見南公1水電站溢洪道施工具有開挖強度大，工期任務緊等特點。綜上所述，溢洪道開挖成型已成為制約南公1水電站建設的關鍵技術難題。

圖 1 南公1水電站首部樞紐及溢洪道布置圖Fig. 1 Layout of head hydroproject and spillway of Namkong 1 Hydropower Station

2 關鍵部位巖體爆破開挖技術

2.1 邊坡輪廓成型控制爆破技術

溢洪道邊坡總體的開挖方案為：自上而下、分臺階開挖。考慮到施工工期的緊張性，在邊坡輪廓開挖時，采用了一次預裂成型的爆破技術，其中以引渠段的邊坡開挖高差最大，下面以引渠段邊坡開挖成型為例，介紹南公1水電站溢洪道邊坡輪廓成型爆破技術。引渠段邊坡的最大開挖高度為25 m，預裂孔鉆孔深度達28 m，其典型開挖方案見圖2。

如圖2所示，引渠段的設計開挖坡比為1∶0.5，自上而下、共分成三次臺階爆破，其中預裂孔鉆孔深度為28 m、采用一次預裂到底的深孔預裂爆破技術。在第一次臺階爆破中預裂孔和主爆孔、緩沖孔一次起爆，起爆順序依次為：預裂孔→主爆孔→緩沖孔；第二次及第三次臺階爆破均是在上一臺階開挖完成后進行，僅起爆主爆孔和緩沖孔。炸藥采用2#巖石乳化炸藥，其中預裂孔采用底部φ65 mm藥卷加強，φ32 mm藥卷間隔裝藥，堵塞1.5 m；緩沖孔采用φ65 mm藥卷連續裝藥，堵塞2.0 m；主爆孔采用φ90 mm藥卷連續裝藥。炮孔典型裝藥結構如圖3，主要鉆爆參數如表1。

圖 2 引渠段邊坡典型開挖方案示意圖(單位：m)Fig. 2 Typical excavation scheme of approach channel slope(unit:m)

圖 3 炮孔典型裝藥結構示意圖(單位：cm)Fig. 3 Schematic diagram of typical charge structure of borehole(unit：cm)

表 1 引渠段邊坡輪廓爆破鉆爆參數統計表

爆破清渣完成后，利用人工對預裂面進行了清理，得到引渠段邊坡的輪廓開挖效果如圖4。

如圖4可知，引渠段邊坡預裂面清晰可見，開挖成型質量優良，另外爆后對預裂面進行了檢查和測量，殘孔率達100%，半孔率高達90%，最大起伏差僅為10 cm，由此可見深孔預裂爆破技術成功地解決了引渠段邊坡開挖成型控制難題。另外，一次預裂成型的深孔預裂爆破技術在消力池邊坡輪廓開挖中也取得了良好的開挖成型效果，現場的開挖效果如圖5。

圖 4 引渠段邊坡深孔預裂爆破效果圖Fig. 4 Excavation effect of deep-hole presplit blasting on approach channel slope

圖 5 消力池邊坡深孔預裂爆破效果圖Fig. 5 Excavation effect of deep-hole presplit blasting on stilling basin slope

2.2 消力池巖體快速開挖成型控制技術

溢洪道消力池的總體開挖方案為：自上而下，分區域開挖。在臨近建基面時，采用預留保護層的開挖方式，保護層的厚度一般為2～6 m，保護層上部巖體采用常規的梯段爆破技術(10 m一個梯段)，保護層開挖則需要采用特殊的控制爆破技術、以減少對基礎巖體的擾動與破壞。消力池的具體開挖過程如圖6。

圖 6 消力池開挖過程示意圖(單位：cm)Fig. 6 Schematic diagram of stilling basin excavation process(unit：cm)

如圖6所示，制約消力池巖體快速開挖成型的關鍵環節為保護層的開挖，傳統的保護層開挖技術已經不能滿足溢洪道的快速高效施工需求。近年來，武漢大學盧文波教授團隊提出的消能-聚能聯合控制爆破技術由于具有施工速度快、開挖質量可控等優勢，在眾多工程巖石基礎開挖成型中得到了推廣應用，解決了眾多開挖難題的同時取得了良好的開挖效果。南公1水電站在進行溢洪道消力池保護層開挖時，引進了此技術，并結合溢洪道的現場生產性爆破，開展了一系列科研試驗，并對消能-聚能結構進行了優選[13]，得到了適用于南公1水電站溢洪道保護層開挖的鉆爆參數，具體參數與開挖方案見圖7和表2，消能-聚能爆破炮孔裝藥結構如圖8。

表 2 溢洪道保護層消能-聚能聯合控制爆破鉆爆參數

圖 7 消力池保護層開挖方案示意圖Fig. 7 Schematic diagram of protection layer excavation scheme for stilling basin

圖 8 消能-聚能爆破裝藥結構示意圖Fig. 8 Schematic diagram of charge structure of energy dissipation-accumulation boreholes

在保護層開挖完成后，現場對消力池底板進行了清渣處理，得到了底板開挖效果如圖9，利用RTK進行了平整度測量，結果顯示，底板的超欠挖主要控制在±30 cm范圍內，無明顯的爆坑和凸起，滿足設計要求，開挖成型效果良好。

圖 9 溢洪道消力池開挖效果示意圖Fig. 9 Schematic diagram of spillway stilling basin excavation effect

2.3 尾坎巖體開挖成型控制技術

消力池的尾坎作為輔助消能結構可以有效解決底流水躍消能不充分的問題，同時能夠避免因消能不充分帶來的嚴重沖刷、磨蝕破壞問題。南公1水電站的溢洪道消力池采用無襯砌的結構形式，其設計流量達8000 m3/s，尾坎的最大開挖高差為28 m，預裂孔的鉆孔深度達31.3 m，開挖成型難度大，同時超挖會帶來額外的混凝土澆筑成本，開挖成型質量不言而喻。

南公1水電站溢洪道消力池在尾坎開挖時，為做到精細控制，專門成立了QC小組進行攻關，加強了對鉆孔爆破過程的監控與指導。其中，尾坎的上下游面均采用深孔預裂一次開挖成型的爆破技術，頂部水平面采用水平預裂+垂直孔的輪廓開挖技術，下面以一級消力池的尾坎開挖為例來概括說明具體的開挖成型控制技術，尾坎的開挖方案示意圖如圖10。

圖 10 溢洪道一級消力池尾坎開挖方案示意圖Fig. 10 Schematic diagram of tailsill excavation scheme of spillway primary stilling basin

由圖10可知，尾坎上游側Ⅰ和頂部區域Ⅱ均采用一次預裂爆破完成，下游區域III則是先進行預裂爆破，然后分三個臺階來完成常規巖體的開挖，其開挖順序為：Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ。三個區域輪廓開挖時預裂孔的鉆爆參數及裝藥結構與引渠段邊坡深孔預裂邊坡的參數相同，在此不做贅述。

現場開挖結束后，對尾坎的上下游面和頂面進行了清渣處理，得到了尾坎的輪廓開挖效果如圖11。

圖 11 消力池尾坎輪廓開挖效果Fig. 11 Excavation effect of stilling basin tail sill contour

由圖11可知，一級消力池尾坎的輪廓面清晰可見，開挖成型質量優良，同時爆后對輪廓面進行了檢測，半孔率高達90%，最大起伏差僅為15 cm，由此可見：所提出的尾坎開挖成型控制技術確保了溢洪道尾坎開挖質量，加快了施工進度，成功地解決了消力池尾坎的開挖難題。

2.4 閘室跌坎巖體開挖成型控制技術

溢洪道閘室段跌坎作為開挖基礎面，后期要澆筑混凝土，與混凝土形成有機整體，共同受力抵擋泄洪動水壓力，因此，其開挖成型質量直接影響了混凝土的澆筑與后期的運行穩定，重要性不言而喻。南公1水電站在閘室跌坎開挖時，上游輪廓面采用了大孔徑小梯段預裂爆破技術，底部平臺的開挖則是采用消能-聚能聯合控制爆破技術，取消了之前采用預留0.5 m保護層的開挖方案(保護層后期采用小孔徑手風鉆鉆孔爆除)，大大提升了施工效率。下面以第三級跌坎開挖為例，闡述說明閘室段跌坎具體的開挖成型控制技術，其開挖方案示意圖如圖12。

由圖12可知，本次輪廓爆破爆區共設置預裂孔、變深孔及主爆孔三種炮孔，預裂孔采用間隔裝藥結構，變深孔和主爆孔均采用連續裝藥結構(其中在待開挖的第三級臺階處的三排主爆孔在孔底安放了消能-聚能結構)。試驗區炮孔直徑均為120 mm，其中：預裂孔的孔距為1 m；變深孔的孔距為2 m、與預裂孔的排距為1.5 m；主爆孔的間排距為2.4 m×2.2 m。鉆孔裝藥參數見下表3，典型的裝藥結構見圖13。

爆破完成后，對閘室段跌坎處進行了清渣處理，得到了跌坎的整體開挖輪廓效果如圖14。

由圖14可知，由于臺階寬度較小、同時局部區域由于節理裂隙等影響，溢洪道跌坎的設計開挖輪廓并未完全地開挖成型，整體的開挖成型效果一般。跌坎段的開挖實踐表明：對于類似具有開挖成型質量要求的小臺階爆破區域，大孔徑小梯段的爆破技術并不是很適宜，取而代之的是應采用小孔徑小梯段的控制爆破。

圖 12 閘室段第三級跌坎開挖方案示意圖(單位：m)Fig. 12 Schematic diagram of excavation scheme for the third level drop sill of lock chamber section(unit：m)

圖 13 典型炮孔裝藥結構圖(單位:m)Fig. 13 Schematic diagram of typical borehole charge structure(unit:m)

圖 14 溢洪道閘室段跌坎整體開挖效果圖Fig.14 Overall excavation effect drawing of spillway sluice chamber section drop sill

表 3 閘室段跌坎開挖鉆爆參數統計

3 結論與認識

在老撾南公1水電站溢洪道開挖過程中，針對不同的開挖部位采用了不同的開挖技術，經過精心的組織和現場實踐，溢洪道獲得了良好的開挖成型效果，在滿足設計要求的前提下，又大大地加快了施工進度，經濟社會效益顯著，并得到了以下結論與認識：

(1)深孔預裂爆破技術在溢洪道高邊坡和尾坎開挖中取得了良好的開挖成型效果，其中預裂孔半孔率達90%以上，痕跡均勻、平行，起伏差控制在15 cm以內，預裂面未受到爆破損傷破壞，滿足設計要求。

(2)消能-聚能聯合控制爆破技術在消力池底板保護層開挖中取得了良好的開挖成型效果，其中建基面整體超欠挖控制在±30 cm以內，無明顯的爆坑與凸起，滿足設計要求。

(3)閘室跌坎段的開挖實踐表明，對于類似具有開挖成型質量要求的小臺階爆破區域，大孔徑小梯段的爆破技術并不是很適宜，應優先采用小孔徑小梯段的控制爆破技術。

(4)本工程中溢洪道不同部位的開挖方案與鉆爆參數可為今后同類工程的施工提供了很好的經驗和借鑒。