爆破技術在界江石質淺灘整治中的設計應用

趙世青

(黑龍江省航務勘察設計院，哈爾濱 150001)

1 概 述

鴨綠江為中朝界河，發源于長白山脈南麓，流經吉林、遼寧兩省，于丹東市東溝注入黃海，干流全長859 km。吉林省境內鴨綠江全長587 km，屬山區河流。其中，鴨綠江源頭至八道溝280.4 km，水流小且坡陡流急，無法通航；八道溝至渾江河口段306.6 km為通航河段。因建有云峰、渭源、水豐、太平灣4座水電站，均無過船設施，航道處于不連續渠化狀態，因此只能采取分段通航。

鴨綠江吉林段航道未經過規模性整治，僅對局部河段進行養護性炸礁和疏浚。位于鴨綠江中游臨江公路橋與云峰大壩之間的小栗子淺灘江段，石質河床，存在亂石灘及孤石，局部航道水深較淺，枯水期最小水深0.41～1.19 m之間，淺灘礙航嚴重。為推進沿邊開放、發展界江旅游、建設綜合交通運輸網、加強國防建設，亟待實施小栗子淺灘航道養護工程。

2 航道養護范圍、標準

2.1 養護范圍

擬對鴨綠江擋石至小栗子航道小栗子淺灘約3 km河段進行航道養護疏浚工程。

2.2 養護標準

工程河段航道等級定為Ⅵ級，航道設計水深按下式計算：

H=T+ΔH

式中：H為航道設計水深，m；T為船舶吃水，m，結合本河段及上下游現有船型及規劃船型，取船型最大吃水0.9 m；ΔH為富裕水深，m，Ⅵ級航道取0.2 m，卵石和巖石河床另加0.1 m。

經計算，航道設計水深1.2 m。確定擬爆破疏浚江段航道養護尺度：航道寬度30 m，水深1.2 m，彎曲半徑不小于180 m，通航保證率90%。

3 疏浚爆破工程技術方案

3.1 設計水位

云峰電站位于本工程下游77 km，電站正常蓄水位318.75 m，死水位290.00 m。本工程位于云峰電站變動回水區內，當暢流期庫區內水位消落較大時，工程河段不受回水影響，因此按天然河道計算設計最低通航水位。

3.1.1 基本站設計最低通航水位

根據1965-2016年臨江站水文系列資料，考慮到水文站遷移，采用流量綜合歷時曲線計算對應保證率90%的流量為86.5 m3/s；繪制臨江站水位-流量關系曲線，對應流量86.5 m3/s的水位為326.31 m，即臨江站設計水位為326.31 m。見圖1、圖2。

圖1 臨江站流量綜合歷時曲線

圖2 臨江站水位流量關系曲線

3.1.2 各爆破挖槽處設計最低通航水位

根據2019年4月實測比降觀測資料，采用線性相關法推求各挖槽設計最低通航水位。

3.2 挖槽平面布置

3.2.1 航道線路布置原則

根據河道演變規律、深泓走勢，航道線路的選擇遵循以下原則：與天然河流的主流線走向一致，在滿足航道尺度要求和船舶安全航行的前提下，盡量避免大開挖巖石、暗礁和底質不穩定的淺灘;在開闊的河段，航道線路沿中、枯水主流線或主深泓線布置；在彎曲河段，航道盡量靠近凹岸，避開凸岸邊灘；在過渡河段，航道線路與上下深潭順直連接，盡量保證航道的穩定與暢通。

3.2.2 工程布置方案

按規劃航線，對水深和航寬不足的水域布設疏浚挖槽。共布設挖槽6處，挖槽總長1 929.5 m。

3.3 挖槽設計

3.3.1 挖槽縱坡

挖槽底部縱坡坡度宜與原河段河床比降相一致，設計中挖槽縱斷面底坡與河段河床比降保持一致。

3.3.2 挖槽橫斷面

1) 設計挖槽邊坡坡比。挖槽斷面為梯形斷面。根據淺灘河床底質確定挖槽邊坡坡比。本工程疏浚段河床底質為巖石，按規范確定挖槽邊坡為1∶1。

2) 設計挖槽底寬與設計水深。設計挖槽底寬為8～30 m；挖槽設計水深為1.2 m。

3.3.3 設計挖槽的超寬和超深

由于本河段河床底質為巖石，爆破施工首先采取100 mm型潛孔鉆機水下爆破炸礁預處理，然后采用2.0 m3液壓挖掘機對爆破后產生的巖石碎渣倒運到岸邊，順岸堆放，再由20 t自卸汽車運至棄渣場的作業方式。因此，根據爆破施工設備類型和淺灘底質情況，水下鉆孔爆破預處理的設計挖槽超寬值為1.0 m，超深值為0.4 m。

3.4 水力計算

3.4.1 挖槽穩定計算

假定挖槽前后糙率n不變，挖槽后槽內、外比降J相同，挖槽前后通過流量相等。在設計水位時，通過水流運動方程：

挖槽斷面平均流速和挖槽后槽內、外平均流速為：

由水流連續方程Q=VBh計算得：

式中：v0、h0、B0分別為挖槽前淺灘斷面平均流速、平均水深、水面寬度；vn、hn、Bn分別為挖槽后槽內斷面平均流速、平均水深、水面寬度。

挖槽穩定驗算公式如下：

式中：a=hn/h0；b=Bn/B0

經計算，各挖槽穩定系數Km均大于1，表明挖槽后挖槽范圍內的流速均大于開挖前的流速，滿足挖槽穩定要求。

3.4.2 挖槽水面降落值計算

淺灘河段進行疏浚施工后，因挖槽擴大了過水斷面，引起水面降低，使實際增加的水深小于要求的水深，同時因挖槽河段的水位下降而影響上游水深減少。因此，在進行挖槽設計時，要預先估計水面降落值。見圖3。

圖3 挖槽水面降落值計算圖

水面線采取水流連續方程和水流運動方程等恒定流方程進行計算：

(1+ΔH0/H0-ΔZ1/2H0)10/3(1-ΔZ1/ΔZ0)=1

ΔH0=(bn/B0)Δhn

式中：ΔH0為施工后計算段平均水深的增加值，m；H0為施工前計算段的平均水深，m；ΔZ1為施工后淺灘上斷面水位降低值，m；ΔZ0為施工前計算段水位落差，m；bn為挖槽寬度，m；B0為原河床寬度；Δhn為挖槽內平均挖深，m。

經計算，施工后各挖槽水面降落值為0.000 1～0.11 m之間。考慮到本次工程位于山區河流且挖槽長度較長，下游挖槽疏浚后產生的水位降落勢必會對上游河段的水位產生一定的影響。

為此，需采用如下公式，對單個挖槽的水位降落計算結果予以修正：

式中：ΔZ1為上游末端水位降落值；ΔZ2為首端水位降落值。

圖4 上游河段水位降落值計算圖

經計算，得出上游河段因下游挖槽水位降落影響的水位降落值。經修正，最終得出施工后各挖槽水面的最終降落值在0.05～0.11 m之間。為避免水面降落對挖槽水深產生影響，需適當降低挖槽設計底高程，以保證水位降落后挖槽內水深仍能滿足設計水深的標準。

3.5 挖槽底高程

疏浚挖槽底高程應為設計最低通航水位下1.2 m并考慮水位降落值，以此確定各疏浚挖槽設計底高程。

4 施工組織設計要點

4.1 施工方法

本工程底質為巖石，施工需水下爆破，工程爆破等級為B級，水下爆破施工通常采用水下裸露藥包爆破方法或水下鉆孔爆破方法。綜合考慮工程規模、地質構成、施工環境和安全要求等，該水下炸礁工程宜采用水下鉆孔爆破方法。見表1。

表1 施工方法對比表

4.2 施工順序

本工程施工順序為水下炸礁工程，具體施工順序如下：開工準備→測量、設立施工標志→測量定位→爆破船鉆孔→裝藥→連接起爆網絡→移船→警戒→發信號→起爆→清渣→驗收。

4.3 施工要點

4.3.1 施工時機和施工水位

小栗子淺灘處于云峰電站水位變動區上段，現場踏勘、調研表明，擬養護工程河段受云峰電站影響時間較少。工程所處江段每年11月份至次年4月份為枯水期，水位最低。朝方邊民有流放木排習慣，每年漂放木排時間約為4月中旬至10月中旬。因此，應搶抓冬季枯水期實施爆破施工。

工程所處江段冬季冰蓋厚度在0.5 m以上的時間大約90 d，期間可進行鉆孔、埋藥、爆破作業。

采用冰下鉆孔爆破方法對挖槽區域進行炸礁預處理，再利用2.0 m3液壓挖掘機，將爆破后挖槽內覆蓋卵礫層、爆破石渣及冰覆蓋層收集成堆后，倒運至岸邊，順岸堆放，填筑形成臨時便道，填筑高度不超過1.0 m，再利用挖掘機配合20 t自卸汽車將棄渣運至棄渣場。

挖掘機選擇在施工水位(設計水位上0.5 m)以下作業，水位大于施工水位時，工程停止施工。

4.3.2 爆破參數

為保證爆破施工安全和效果，爆破作業時，必須嚴格按照爆破設計參數。見表2。

表2 設備及爆破設計參數表

4.3.3 炮孔布置

施工展開擬采用分斷面、分帶爆破的方式，梅花型布孔(圖5)。爆破施工采用非電導爆管起爆系統，電力引爆方式，防水型8#金屬雷管作擊發元件，非電導爆管雷管作傳爆體，引爆主炸藥。

圖5 炮孔布置圖

4.3.4 疏浚土處理

鑒于鴨綠江為中朝界河，難以就近設置棄土區，擬在大栗子鎮與望江樓之間江邊的三角地帶設置棄土場，拋泥面積20 190 m2，拋泥量56 520 m3，平均拋高約2.80 m。為便于外運，利用疏浚土修筑長約10 km臨時便道。

5 結 語

1) 鴨綠江小栗子淺灘江段按Ⅵ級航道標準進行養護，養護尺度：航寬30 m，水深1.2 m，彎曲半徑不小于180 m，通航保證率90%。

2) 按天然河道推求基本站設計水位，臨江站設計水位326.31 m。

3) 鴨綠江小栗子淺灘江段布設挖槽6處，挖槽總長1 929.5 m。

4) 各挖槽穩定系數Km>1，滿足挖槽穩定要求。

5) 各挖槽水面降落值在0.05～0.11 m之間，據此優化、調整槽底高程，保證水位降落后挖槽內水深仍能達到設計水深。

6) 爆破挖槽采用水下鉆孔爆破方法，按設計爆破參數和炮孔布置、利用冬季枯水期實施爆破施工。利用液壓挖掘機堆砌、自卸汽車倒運將爆破石渣、冰渣運至設計棄渣場。