桓仁水庫深水圍堰爆破設計研究與應用

王宇寧

（遼寧省水資源管理集團有限責任公司，遼寧沈陽110003）

0 引言

近年來，我國在水下淤泥地基的爆破處理、水下沙土地基的壓密處理，以及水下巖坎、巖塞爆破等方面取得了許多寶貴的施工經(jīng)驗，但在上述領域的理論研究成果甚少，如水下孔內(nèi)裝藥量多依賴于經(jīng)驗。在進行長江三峽三期圍堰爆破拆除設計時，尤其是深水爆破設計，很難找到可供參考理論依據(jù)與工程實例[1]。

目前，國內(nèi)外水利工程施工土石圍堰水下拆除爆破施工方法較多，但在內(nèi)陸湖庫水深40.00m及距取水首部建筑物較近條件下，開展水下防滲體及巖坎爆破拆除施工的案例并不多見，且尚未形成較完善施工體系。鑒于此，結合遼寧重點輸供水工程施工緊迫性，深度考慮桓仁水庫取水口各類已建建筑物及配套機電設備對整個工程的重要程度，如何精準施鉆、高效裝藥，以使火工材料水下成功爆破，保證動水壓力、表面應變、振動位移等處于規(guī)范允許范圍，因此，開展深水圍堰防滲體及巖坎爆破設計研究工作勢在必行。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件及圍堰特性

遼寧重點輸供水工程二段取水口土石圍堰位于桓仁水庫右岸附近，所在庫區(qū)岸邊山坡植被較發(fā)育，為各種林木。圍堰所在地層分布巖性主要為元古界花崗巖，礦物成分為云母、石英、長石等，為強度較高的硬質(zhì)巖。

圍堰為土石圍堰，長81.24m，頂高程為307.60m，頂寬6.00m，所在水域最大水深約40.00m。主材由洞挖石渣填筑，孔隙率較大，常規(guī)灌漿難以形成有效防滲體，采用常規(guī)結合膏漿防滲，總填筑量為287791m3。剖面見圖1。

圖1 圍堰填筑剖面圖

研究表明：當達到同陸地爆破相同爆徑，水深30.00m，裝藥量增幅約16.5%，水深25.00m，裝藥量增幅約12.3%，取水口土石圍堰深度大多位于水下20.00～40.00m，這些研究數(shù)據(jù)對圍堰拆除裝藥量計算具有一定參考意義[2]。

1.2 爆破開挖建議

1）提前處理有松動趨勢大塊石，清除坡面松散塊石，防止發(fā)生墜落。

2）開挖巖坎最大深度約為35.00m，考慮長期水流沖蝕影響，為保證取水口運行安全，進行削坡處理。

3）兩側山體自然坡度為45°～60°，岸坡基本穩(wěn)定，結合邊坡穩(wěn)定情況，放坡至1∶0.5。

1.3 施工重點、難點及對策

1）施工重點、難點：地處內(nèi)陸湖庫，大型成套設備無法通過航道進入開展安拆工作，加之遼西北多年干旱形勢嚴峻，通水工期緊迫，需使用可利用設備合理安排圍堰拆除施工；爆破棄渣的挖、裝、運等工作，均需水上結合水下，堰體方量約30萬m3，如何快速完成施工任務，保證既定進度目標，是施工的重點；圍堰鉆孔、裝藥、起爆等工序均在水下進行，最深達40.00m，水下施工難度非常大，能否及時搭建穩(wěn)定水上施工平臺，完成精準鉆孔、裝藥等任務，是施工難點。

2）分析及對策：采用自制水上浮式移動作業(yè)平臺，包括定位機構和平臺機構；平臺四角用錨索與岸坡連接，保證鉆孔作業(yè)過程平穩(wěn)，嚴控孔位偏差；拋設區(qū)域纜繩影響航道通行，其它船舶須避讓，限制挖泥船作業(yè)范圍。

2 防滲體巖坎爆破設計

2.1 鉆孔定位及形式

應用GPS放樣設標，RTK復核開孔。鉆孔下樁固定平臺，RTK放樣定位，當水深超過2節(jié)鉆桿深度，潛水員輔助就位，確保誤差在10cm范圍內(nèi)。

鉆孔采用全液壓航道潛孔鉆，鉆頭在套管內(nèi)旋轉(zhuǎn)沖擊，高風壓沖擊成孔鉆進。當孔深達標時，風壓增大，上下提升鉆桿，保證孔壁、孔底清理干凈。深入穩(wěn)定巖層，更換常規(guī)120mm鉆具鉆孔，成孔后提出鉆桿鉆具，通過套管下放PVC護孔管，保證后續(xù)裝藥順利。

圍堰爆破常用鉆孔形式有垂直、傾斜、水平及組合孔等。如1986年葛洲壩土石圍堰爆破的拆除是在2道混凝土防滲墻中布置1排垂直孔進行水下爆破。綜合考慮，桓仁水庫取水口圍堰防滲體及巖坎水下爆破鉆孔采用垂直鉆孔結合傾斜鉆孔施工方案。

2.2 防滲體

防滲體長75.00m，寬6.50m，布設3排炮孔，采用拉裂爆破方式。排距為1.80m、孔距2.80m、最小抵抗線為1.00m。考慮外側堆筑體注漿滲透因素，實際寬度可能有一定增幅，因而上下游距炮孔分別設置成1.00，1.50m，選用孔徑120mm，內(nèi)裝?90mm乳化炸藥。

1）裝藥結構為非連續(xù)結構，根據(jù)炮孔所在位置高程結合底部高程確定鉆孔及超鉆深度，為確保一次爆破完成，鉆孔增加超深1.50m。

2）單耗及堵塞長度。爆破完成后，絕大數(shù)石渣位于水面下，為提高出渣效率，需降低大塊石比例，火工材單耗q取1.12kg/m3，封孔塞長取2.00m。

3）單孔裝藥量。按下式計算：

式中：Q——炮孔計算裝藥量，kg；q——水下鉆爆單耗值，kg/m3；a——孔距，m；b——排距，m；H——設計開挖深度，10.00m。

經(jīng)計算，最大裝藥量Q=58.0kg。

4）爆破震動驗算。根據(jù)GB6822-2011《爆破安全規(guī)程》及周圍建筑物，按新建水工建筑物為保護對象，距離取40.00m，抗震速率為5m/s，按下式進行驗算：

式中：V——距爆區(qū)R距離的質(zhì)點振動速度cm/s；K——巖石系數(shù)，混凝土取150；Q——最大集爆藥量，1孔單段為20kg；R——距爆點距離，取31.00m（相對于發(fā)電機組）；a——衰減系數(shù)，取1.8。

經(jīng)計算，V=1.18m/s＜5m/s，滿足安全防震要求。

5）起爆網(wǎng)絡。孔內(nèi)微差、孔外延時，總藥能量分割許多較小能量，創(chuàng)造多面臨空，各藥包地震波相互干涉，降低地震效應。

防滲體爆破拆除參數(shù)如表1所示。

表1 圍堰防滲體爆破拆除參數(shù)表

2.3 巖坎

1）鉆孔孔徑。在主爆破區(qū)布豎直孔，孔徑為120mm，內(nèi)裝?90mm乳化炸藥。

2）爆破參數(shù)計算。炸藥單耗：

式中：q1——基本裝藥量，kg/m3；q2——爆區(qū)上方增量水壓，q2=0.01h2，h2為水深，取h2=30.00m；q3——上方覆蓋層增量，q3=0.002h3，h3為覆蓋層厚度，取h3=2.00m；q4——巖石膨脹增量，q4=0.03h，h為梯段高度，取h=10.00m。

經(jīng)計算，q=0.88+0.3+0.004+0.3=1.484kg/m3。

3）鉆孔及超鉆深度。超鉆△L=W，即最小抵抗線W等于超鉆值，但最小超鉆為0.80m，取△L=1.50m。則炮孔深L=h+△L=10.00+1.50=11.5m，以最大鉆孔深度計算，其它各部位按照該公式逐排計算。

4）孔網(wǎng)參數(shù)。延米裝藥量：

式中：ρ——乳化炸藥密度為1.2g/cm3；d——藥卷直徑。

經(jīng)計算，Q1=7.63kg/m。

5）堵塞長度。考慮此次爆破可能存在部分灌漿結石體，取1.00m。

6）裝藥結構、單孔裝藥量Q的計算方法與該工程圍堰水下防滲體相同。其中初選q為1.484 kg/m3，經(jīng)計算最大裝藥量Q=71.0kg。

3 爆破振動監(jiān)測

3.1 振動位移

2017年09月25日18∶15啟動水下巖坎爆破。閘門控制室最大振動位移約為1.99mm，爆破沖擊波導致振動位移幅值快速增加，0.8s時達峰值，受約束衰減，持續(xù)5s振動基本結束。振動過程見圖2、測點振動位移統(tǒng)計見表2。

圖2 測點DS02（1）爆破振動位移過程線

表2 測點振動位移統(tǒng)計表 μm

3.2 動水壓力

B01測點位于水下約11.00m水深位置，較難出現(xiàn)負壓；B02測點位于水下約2.00m位置，可能出現(xiàn)短時負壓。

結果表明：B01脈動過程最大脈動壓力192.5 kPa，最小脈動壓力62.1kPa；B02脈動過程最大脈動壓力84.3kPa，最小脈動壓力-5.6kPa；脈動過程見圖3。

圖3 B01測點動水壓力過程線

3.3 結果

爆破時順水流方向工作門墻頂測點振動最大位移約1.99mm，主要與建筑結構特性及爆破點位置有關。此次爆破測點負壓值較小且持續(xù)時間較短，對既有建筑物尚未產(chǎn)生影響，在后續(xù)爆破施工中應加強監(jiān)測。取水口攔污柵附近爆破涌浪高達4.85m，對既有建筑物不構成影響。

4 結語

深水圍堰鉆孔技術是爆破成功的先決條件，GPS放樣、RTK定位、潛水員輔助三重定位方式嚴控鉆孔過程，保證精度在允許范圍，進而提高施工效率。此次爆破設計打破單一常規(guī)鉆探方式，頂坡垂直孔與斜坡傾斜孔結合，解決了土石圍堰頂坡窄、底面超寬、體積大導致的裝藥量不宜控制產(chǎn)生的二次爆破問題，實現(xiàn)了預期爆破目標。

經(jīng)過近7年基礎研究和實踐應用，既定目標已全部完成，并在工程實際施工中發(fā)揮了巨大的效益，得到了充分驗證，可為同類圍堰爆破拆除施工提供參考。