聚能爆破技術在水電站蓄水壩體拆除爆破中的應用

吳橋武

(湖南鐵軍工程建設有限公司, 湖南 長沙 410016)

1 工程概況

為全面貫徹落實習近平生態文明思想,堅決糾正小水電違規建設、影響生態環境等突出問題,根據“水利部、國家發展改革委、生態環境部、國家能源局關于開展長江經濟帶小水電清理整改工作的意見”,以及“湖南省小水電清理整改實施方案”的要求,通過宜章縣人民政府論證、綜合評估,位于自然保護區核心區或緩沖區內(莽山國家森林公園和瑤崗仙省級自然保護區)的小水力發電站被列入退出類電站,經現場勘查,其中有5座蓄水壩位于森林公園和自然保護區深處,尤其是莽山紅茅坑電站龍頭坑蓄水壩,海拔較高,道路險峻崎嶇,施工機械設備無法到達蓄水壩現場,給拆除壩體帶來極大的困難。

1.1 周圍環境

待拆除的宜章縣莽山瑤族鄉紅茅坑電站龍頭坑蓄水壩位于樂水河的上游,也是廣東省珠江的源頭,海拔約640 m,建于2013年,蓄水能力約15 000 m3。周邊原始森林覆蓋率達95%,有大量珍稀植物。蓄水大壩是橫向施工構筑物,位于河道的中央,具有攔水功能。其水庫右側約30 m處是發電隧道進水洞,洞口至山體長約20 m為外露混凝土拱形隧洞,無任何覆蓋土層埋深,要求拱形隧洞不能受到損壞。

1.2 構筑物結構

蓄水大壩為長形梯臺,長28 m,上寬2.6 m,底寬4.5 m,總高6.4 m。壩體是一個梯形結構,正面傾斜,用漿砌塊石構筑,水泥敷面厚約4 c m。其右側是泄洪閘門(已損壞,無法泄洪),閘門兩側為鋼筋混凝土柱,尺寸為30 c m×30 c m,并且柱體有密度配筋。發電隧道在水庫右側,洞口為混凝土澆筑。如圖1所示。

圖1 壩體結構示意

1.3 工程特點和要求

(1)待拆除蓄水壩遠離公路,沒有道路通行,需要通過高山密林和險要崎嶇的峽谷山林,徒步穿越約2.5 h才能到達現場。

(2)拆除大壩時間短、任務重,鉆孔施工設備無法搬運到現場,施工作業人員進出困難,且風險較高必須一次爆破成功,滿足泄水和過流要求。

(3)蓄水壩是長形梯臺,頂面狹長,而梯形底部較寬厚,結構砂漿飽滿、強度較高。給鉆爆施工、控制爆破飛石以及確保不損毀周邊珍貴植物都增加了難度。

(4)雨水充沛,水庫的水位較高。水庫壩體處海拔約645 m,正常工作水位深約3.5 m。水量較大,不利于鉆爆施工作業。如果采用小孔徑鉆爆施工,壩體底部難以鉆孔到位,施工難度增加,施工時間較長,在規定的時間內難以完成工程拆除任務。

2 爆破設計與施工方案

2.1 拆除爆破方案選擇

鑒于本項目工程量不大,但待拆除壩體結構特殊,施工作業環境較復雜,安全要求高。需要選擇合理的爆破方法和施工組織工序,解決工程中的難點。由于沒有運輸道路,施工機械設備無法到達現場,故無法采取鉆孔法爆破。因此必須突破傳統施工爆破模式,采用新的聚能爆破技術,從而確保按期和高質量拆除大壩。拆除爆破總體方案如下。

(1)采用聚能圓柱形裝藥破巖的施工方法。聚能圓柱形裝藥爆破將蓄水壩體拆除,解決了用鉆爆作業趕不上工期的難點以及無法搬運大型設備鉆孔作業的問題。該方法不僅可以減少作業環節、提高效率、降低風險、節約成本,還可降低人工作業量,更重要的是減少了作業安全隱患。

(2)施工工序組織安排:第一步,根據設計制作圓形裝藥殼體裝置、藥形罩等;第二步,組織人工搬運爆破器材到達爆破現場;第三步,在現場按照設計制作聚能藥包并安裝到位,保障工程順利實施爆破。

(3)對蓄水壩梯形結構體作爆破設計,使壩體拆除爆破更充分、徹底、安全。

(4)整個工程分兩次進行爆破。第一次是試爆,通過試爆打開缺口放水;第二次為主體爆破。

2.2 爆破參數設計

2.2.1 聚能裝置設計

聚能藥包由聚能殼體、炸藥、藥形罩等部分組成。聚能裝藥結構在設計和制作時應充分考慮炸藥性能、藥型罩材料和形狀、藥包內部結構和殼體材料、使用時安置的炸高等諸多設計參數對聚能爆破效果的影響。

(1)裝藥結構。裝藥結構聚能裝藥是軸對稱的短圓柱狀裝藥結構,起爆孔與藥型罩分置于圓柱藥包相對兩端。殼體選擇為壁厚1.0 c m;內直徑20 c m的硬質高強度聚乙烯管。聚能裝藥結構如圖2所示。

圖2 聚能裝置

(2)炸藥選擇。炸藥是聚能爆破的能源,炸藥的爆壓越大,聚能藥柱威力越大;按照流體力學理論,炸藥的爆轟壓力P cj是爆速D和裝藥密度P o的函數見式(1)。

由此可知,炸藥的爆速對爆轟壓力大小的影響要比裝藥密度大得多。因此,為提高藥包的聚能威力,必須選用爆速高、猛度大的炸藥;其次,應盡量提高藥包的裝藥密度。在工程爆破中,為降低施工成本,也常使用爆速和密度較低的工業炸藥。爆轟壓力并不高,雖不能形成最為理想的爆炸射流,但對巖石類介質同樣有著明顯的聚能爆破效果。工業2號巖石乳化炸藥其常規性能如下:猛度≥12 mm;爆速≥3200 m/s;藥卷密度為0.9～1.05 g/c m3;藥卷浸水8 h爆破性能良好。

(3)藥型罩設計。藥型罩的作用是把炸藥的爆炸能轉化成罩體材料的射流動能,從而提高其穿透和切割能力。藥型罩的材料必須滿足4點要求,即可壓縮性小、密度高、塑性和延展性好、在形成射流過程中不汽化。大量試驗證明,用紫銅制作藥型罩效果最好,其次為鑄鐵、鋼和陶瓷,但在工程爆破中通常使用鐵皮、硬質塑料、玻璃等廉價材料來制作藥型罩也能達到較好的爆破效果。因此,在制作聚能藥包時,必須對藥型罩的材料、形狀、錐角、壁厚作出正確的設計。

形狀:藥型罩的形狀在確保有良好聚能效果的基礎上,應盡可能簡單和便于加工。常用于大塊巖石的二次破碎和基礎構筑物爆破的藥型罩為圓錐形或半球形。

錐角:錐角的大小決定了聚能射流的穿孔(或切割)能力。按照定常、理想、不可壓縮的流體動力學理論,錐形罩的射流速度V j和射流質量mj可分別按式(2)、式(3)計算:

如炸藥為瞬時爆轟,并且藥型罩的壁面同時平行地向軸線壓合,這時α=β,δ=0,因而有:

式中,m、V0、α、β、δ分別為藥型罩的維元質量、壓合速度、半錐角、壓合角和變形角。

通過上式可知,射流速度V j隨著藥型罩錐角α的減小而增加,射流質量mj則隨錐角a的減小而減小。試驗表明:當錐角小于30°時,穿孔性能很不穩定;錐角介于30°～70°之間,射流才具有足夠的速度和質量,起到穩定的穿孔作用和良好的穿孔效果;當錐角大于70°以后,穿孔深度迅速下降但破碎效果增大。因此在選擇錐角時,必須根據聚能爆破的目的來確定。在使用聚能藥包來破碎大塊巖石和基礎構筑物時,應選擇較大錐角;當采用聚能爆破藥包進行穿孔時,可選取較小的錐角;當在聚能藥包內部起爆點與藥型罩頂之間設置隔板時,錐角宜大些;不設隔板時,錐角可小些。考慮被爆破物是大型壩體,而選擇了80°較大錐角的圓錐形鋼藥型罩。

(4)殼體厚度。殼體會影響爆轟波的陣面形態,可以減弱稀疏波的作用,有利于能量有效利用,但控制不好會造成“反向射流”現象,反而減弱了射流強度,所以聚能藥包也有一些不用外殼的。但一般認為有殼藥包可提高炸藥能量的利用率,從而增強效應。其主要的作用是作為容器裝填和固定藥包形狀,防止藥包在搬運、安裝和使用調整時碰撞損壞。

(5)炸高的設計。炸高是聚能藥包底面(即藥形罩底線)到被炸目標的最短距離,見圖3。最佳炸高應根據聚能藥柱設計決定,一般是藥型罩底部直徑的1～3倍。本工程在設計炸高時,依據了現場實際情況,聚能藥柱將安置于壩體水庫一側,由于水庫內的水無法完全放干,所以聚能藥柱必須沉放在水中,因而將炸高設計在圓柱殼體內部,阻擋外部水壓對爆破射流的影響,其炸高長度選擇是藥型罩底部直徑的1倍,即長約20 c m。爆炸后,爆炸產物在圓柱殼體內將會形成一股強大的爆破射流,從而使壩體受到爆破射流的作用,其壩體破損更充分,爆破效果更佳。

圖3 聚能藥包

2.2.2 聚能藥包裝藥設計

在確定聚能藥包的結構形狀后,既要使裝藥重量最輕,又要使破巖效果好,這就要求合理的裝藥量。在整個聚能藥包中,能形成聚能射流的炸藥,僅僅是靠近藥型罩的一定厚度的炸藥層,即有效炸藥層,其他不直接參與聚能效應的那部分炸藥叫做非有效炸藥。它的作用是使有效炸藥層達到穩定爆轟,并使有效層炸藥的能量得到充分利用。

(1)聚能爆破總藥量計算。依據需要破壞的壩體長度為15 m,爆破方量約為340 m3。巖石類基礎構筑物拆除爆破單耗選取q=0.6～0.8 kg/m3。通過試爆后計算,本工程單耗為:q=0.43 kg/m3,爆破總用藥量為:Q=144 kg。

(2)聚能藥包裝藥計算。聚能藥包的破巖深度(或者寬度)與裝藥直徑和高度有關,一般裝藥高度不大于3倍的裝藥直徑。即裝藥直徑D是20 c m,設計裝藥高度為:H=D×3=60 c m。現有32#乳化炸藥長度為30 c m,可以分2層將炸藥裝入圓柱形裝置內,單個聚能藥包可裝藥量為14.4 kg,共計可裝10個圓柱形聚能藥包。

(3)聚能藥包安裝。根據壩體爆破拆除15 m即可的要求,計算其聚能藥包間距為1.5 m。如圖4所示,安裝時使用尼龍繩牢固捆綁聚能藥包,沿大壩水庫一側放入底面,聚能穴朝向壩體,形成固定點位。依次按1.5 m的間距將聚能藥包安裝到位。

圖4 聚能藥包安裝

(4)起爆網路設計。采用數碼電子雷管起爆網路。壩體拆除爆破,共分兩次進行,第一次進行試爆,同時也是爆破一個放水缺口;第二次為主壩體和泄洪閘門兩側的鋼筋混凝柱爆破。為了保證起爆的完爆率,每個聚能藥包內裝兩發雷管,即每層炸藥裝一發雷管起爆。由于壩體底部較寬,為了更有效地將壩體完全破除,必須要求電子雷管設置的延期時間精準。借鑒逐孔起爆的方法,即先爆藥包將壩體爆出一個缺口,為后起爆的聚能藥包增加一個自由面,從而能更徹底地將大壩拆除。每個藥包設置間隔延時均為20 ms。數碼電子雷管采用并聯方式連接,專用起爆線采取架空延伸至下游起爆站,避免起爆線落入河水中,并能防止起爆線在巖石表面摩擦破壞其絕緣。

3 爆破安全措施

3.1 爆破振動校核

本工程周邊需要保護的對象是發電進水隧道洞口。根據《爆破安全規程》(GB 6722—2014),爆破振動安全允許標準水工隧洞10 Hz＜f≤50 Hz時,其安全允許質點振動速度V值為8～10 c m/s;f＞50 Hz時,其安全允許質點振動速度V值為10～15 c m/s。按式(6)計算:

式中,R為距離,取35 m;Q為爆破總藥量,取144 kg;V為保護對象所在地安全允許質點振速,c m/s;K,α與爆破點至保護對象間的地形、地質條件有關的系數和衰減指數,K=200,a=1.7。

根據式(6)計算爆破振動質點振速V值為7.8 c m/s,小于爆破振動安全允許標準值。經爆后檢查,進水口隧道無任何損壞。

3.2 個別飛石安全距離計算

本次拆除爆破,采用數碼電子雷管毫秒延時起爆,一次起爆總藥量為Qmax=144 kg。根據《爆破安全規程》,爆破飛石飛散距離受地形、風向和風力、堵塞質量、爆破參數等影響,按式(7)計算:

式中,R1為爆破飛石的安全距離,m;n為爆破作用指數,標準爆破取1;W為最小抵抗線,m;K1為安全系數,一般為1～1.5。

計算可得,爆破飛石距離約為138 m,需嚴格加強爆破安全警戒,確保安全。根據現場實際情況,雖然周圍沒有任何建構筑物,但參加爆破作業和搬運器材以及政府相關部門的人員較多,所以將安全距離擴大至500 m。起爆站設在河道下游一塊巨石后,距離爆點約260 m。爆破警戒人員必須嚴格落實安全警戒措施,做好人員的疏散工作,保證所有人員撤離到安全距離外,指揮長確認安全后,方可下達起爆命令。

3.3 空氣沖擊波安全距離

式中,RB為空氣沖擊波的安全距離,m;Q為總藥量,kg;KB為爆破條件及影響的系數,對人員,裸露藥包取5～15。

計算可得RB約為156 m,可以得出空氣沖擊波對人員安全無影響。

4 爆破效果與體會

4.1 爆破效果

爆破后,通過檢查,壩體15 m及鋼筋混凝柱完全被破除,塊度較小適合水流沖渣,并符合拆除標準。兩次爆破均未對周邊保護植物造成任何損害,有效控制了爆破有害效應。經政府及相關部門驗收,本次爆破取得圓滿成功。

4.2 爆破完工體會

(1)本工程為蓄水壩基礎構筑物拆除爆破,經過精心設計、精細施工、嚴密組織,整體分為兩次爆破,滿足了環境、施工條件和政府的要求,按期完成了蓄水壩的拆除任務。

(2)對特殊環境,拆除大型和異形基礎構筑物的爆破,應采取針對性的設計和施工組織。本次使用聚能爆破的方法是合理有效的,取得了理想的效果。