預(yù)留巖坎拆除爆破水下探查技術(shù)研究

甘孝清，胡代清，王延洪

（1.長江科學(xué)院工程安全與災(zāi)害防治研究所，湖北 武漢 430010；2.湖北白蓮河抽水蓄能有限公司，湖北 羅田 438600；3.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局河南直管建管局，河南 鄭州 450046）

0 引 言

抽水蓄能電站利用已建水庫作為下水庫時，一般采取修建臨時擋水圍堰或預(yù)留巖坎圍堰，在圍堰保護下形成基坑，待基坑內(nèi)水工建筑物施工完成后爆破拆除臨時擋水圍堰。相比于其他水工圍堰，預(yù)留巖坎具有利于盡早進行出 （進）水口開挖施工、施工環(huán)節(jié)少、修建簡單、成本低等優(yōu)點，在抽水蓄能電站和常規(guī)水電站擴建出 （進）水口水下施工中被廣泛采用。預(yù)留巖坎在基坑內(nèi)水工建筑物施工完成后，還需進行水下拆除爆破和清挖，以滿足出（進）水口設(shè)計、運行的要求。

為減少預(yù)留巖坎拆除爆破對周邊建筑物的影響，保證爆破后的爆渣塊度能夠滿足清挖要求，爆破前需對預(yù)留巖坎開展水下地形測量和水下地質(zhì)勘察，為拆除爆破設(shè)計提供準(zhǔn)確資料。為避免殘存淤積爆渣 （包括小石、石屑、粗砂等）在抽水工況下 （尤其是在抽水蓄能電站首臺發(fā)電機組采取水泵工況進行首次啟動時）受水流作用在流道內(nèi)運動，對流道和機組轉(zhuǎn)輪、葉片等過流設(shè)施、設(shè)備造成損害，爆破后需對清挖、清淤質(zhì)量和效果進行檢查，為清挖、清淤施工提供技術(shù)指導(dǎo)和驗收依據(jù)，為流道充水和機組運行提供安全保障。當(dāng)一次水下爆破后存在局部殘埂和大塊石時，還需查明殘埂和大塊石所在部位和規(guī)模，便于進行補充爆破或解爆設(shè)計。

因預(yù)留巖坎的水下爆破與水下清挖、清淤均在水下進行，常規(guī)的陸上檢查方法和儀器設(shè)備不能滿足對拆除爆破成型、塊度控制以及爆渣清挖、清淤效果等進行評價的要求，需要開展水下探查技術(shù)研究，通過采取有效手段和多種方式對拆除清挖區(qū)進行水下地形測量和水下視頻檢查，判斷拆除邊界與拆除高程是否滿足設(shè)計要求，有無影響機組運行安全的殘存爆渣和雜物，有無殘存巖埂和未爆區(qū)等。

1 預(yù)留巖坎爆破水下探查技術(shù)

1.1 水下地形測量技術(shù)

水下地形測量主要包括平面定位測量和水深測量。例如，爆堆形狀探測首先應(yīng)測出每個測點的平面位置和爆堆頂部水深，在測得爆堆頂部距水面的深度d后，再由測量時的水面高程HW可以推算出爆堆頂部高程H=HW-d。得到測點的平面位置和高程后，可以繪制出三維水下地形圖。

平面定位測量方法包括斷面索定位法、前方交會法、極坐標(biāo)法、無線電定位法、全球定位系統(tǒng)（GPS）以及水聲定位法等；水深測量方法包括探水桿法、吊繩法、超聲波測探儀法、水下單波束法、水下多波束法以及傳感器法等。在抽水蓄能電站預(yù)留巖坎水下地形測量中，可將平面定位方式與水深測量方式組合起來應(yīng)用。如果采用水下多波束進行測量，可一次完成平面定位與水深測量。如果采用其他測深方法，則需采用平面定位方式加以配合。對于探水桿法和吊繩法水深測量方式，可結(jié)合斷面索定位法和前方交會法使用；對于超聲波測探儀法和單波束法，可結(jié)合前方交會法和GPS使用；對傳感器測深法，可結(jié)合水聲定位法使用。

1.2 爆破及清挖、清淤效果探查技術(shù)

爆破及清挖、清淤效果探查通常采用水下視頻檢查的方法。水下視頻檢查的方法與手段比較簡單，主要是通過水下攝像設(shè)備，在水下照明設(shè)備的配合下，對水下爆渣、水下雜物等進行拍攝并記錄，通過視頻資料對水下爆破效果和清挖、清淤效果進行直觀分析判斷。水下攝像可由兩種方式完成，一種是水下機器人下潛拍攝；另外一種是通過潛水員手持水下攝像機，攜帶水下照明設(shè)備進行拍攝。水下機器人自身配備有照明設(shè)備和攝像設(shè)備，并且可以進行水下定位，實行24 h不間斷作業(yè)；潛水員雖然可以拍攝到水下情形，但無法進行水下定位，且單次水下作業(yè)時間不能太長。兩種方式比較，水下機器人更具有優(yōu)勢。

1.3 預(yù)留巖坎地質(zhì)勘察

預(yù)留巖坎在勘察設(shè)計階段一般會有比較粗略的地質(zhì)資料，但在進行拆除爆破設(shè)計時宜進行更為詳細(xì)的補勘。預(yù)留巖坎地質(zhì)詳勘可采用鉆孔取芯、地質(zhì)井下錄像和地球物理探測等方法，因鉆孔取芯法成本較高，建議采用后兩種方法。

地質(zhì)井下錄像法可利用已成形的爆破孔，將地質(zhì)井下錄像系統(tǒng)探頭放入鉆孔內(nèi)進行地質(zhì)鉆孔孔壁全方位360°高精度成像、裂隙自動追蹤、巖性識別和鉆孔方向定位，經(jīng)后處理形成三維地質(zhì)圖?？捎糜陬A(yù)留巖坎地質(zhì)勘察的地球物理探測技術(shù)主要包括地質(zhì)雷達法、瑞雷波法、電磁波CT層析成像法、高密度電法以及跨孔聲波法等。

2 工程實例

2.1 工程概況

湖北白蓮河抽水蓄能電站下水庫出 （進）水口預(yù)留巖坎頂高程91.5 m，巖坎上部混凝土子圍堰堰頂高程93.9 m，巖坎底板開挖原設(shè)計高程為68.0 m，預(yù)留巖坎高度23.5 m。預(yù)留巖坎剖面見圖1。圍堰拆除長度約190 m （堰頂），拆除最大縱深水平長度約為59 m，爆破拆除鉆孔長度約1.6萬m，爆破約3.6萬m3，耗用炸藥約39 t。

圖1 下庫出 (進)水口預(yù)留巖坎剖面 （單位：m）

2.2 爆渣分布情況水下調(diào)查

將爆渣分為4大類型：①較碎塊體：粒徑基本在30 cm以下；②一般塊體：粒徑以30 cm以下為主，少量夾雜30～60 cm粒徑塊體；③較大塊體：粒徑60～100 cm；④大塊體：粒徑大于100 cm。4種類型爆渣見圖2。4類爆渣塊體中，以較碎塊體和一般塊體為主，約占總量的88%左右，較大塊體約占總量的10%左右，大塊體約占總量的2%左右。從錄像資料可以看出，爆堆內(nèi)緣 （堰內(nèi)）以較碎塊體和一般塊體為主，夾雜少量較大塊體，基本無大塊體；爆堆外緣 （堰外）以較大塊體和大塊體為主。從清挖施工的角度來看，第一次水下調(diào)查時爆堆內(nèi)緣及堆頂?shù)却蟛糠植课坏谋梢詽M足當(dāng)前設(shè)備清挖要求，爆堆外緣的部分大塊石需要采取專門的措施予以清挖。

圖2 4種類型爆渣

2.3 爆堆形狀水下探查

分析水聲定位系統(tǒng)和水下機器人水深測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，可得到爆渣堆積區(qū)的水下地形，見圖3。未清挖爆堆的內(nèi)緣坡度約30°～40°，未清挖爆堆的外緣坡度約35°～45°，外緣坡度略高于內(nèi)緣坡度。

圖3 爆渣堆積區(qū)水下地形

2.4 爆破殘埂水下探查

從水下調(diào)查的錄像可以看到，在下庫出 （進）水口左岸存在一定范圍的未爆區(qū)。未爆區(qū)巖體現(xiàn)狀見圖4。未爆區(qū)巖體在鄰近區(qū)域爆破能量的作用下，巖體本身的裂隙和結(jié)構(gòu)面有所松動和張開，但仍然無法采用現(xiàn)有設(shè)備進行清挖，需進行二次水下爆破。

根據(jù)水下調(diào)查得到的視頻錄像以及水聲定位數(shù)據(jù)，可以得到未爆區(qū)的平面位置及規(guī)模 （見圖5），據(jù)估算，未爆巖體約為2 000 m3。

2.4 清挖效果水下探查

爆渣及淤泥全部清挖完成后的水下地形見圖6。清挖高程可以滿足設(shè)計要求。

2.5 流道清淤水下探查

圖4 未爆巖體現(xiàn)狀

圖5 未爆區(qū)平面示意

圖6 清渣完成后的水下地形 （單位：m）

圖7 1號攔污柵前清渣情況

流道清淤的部分成果見圖7，清淤前流道內(nèi)存在約20～30 cm厚的浮灰、小碎石和雜物。清淤完成后，流道內(nèi)較為干凈，能夠滿足機組正常運行的要求。

3 結(jié) 語

水下探查技術(shù)成功應(yīng)用于湖北白蓮河抽水蓄能電站下水庫出 （進）水口預(yù)留巖坎拆除爆破及清挖工程。對爆渣清挖期間巖坎等進行了詳細(xì)的水下探查，取得了較清晰的影像資料和探查數(shù)據(jù)，為爆渣清挖工作和未爆區(qū)二次水下爆破等起到了較好的指導(dǎo)作用，為白蓮河抽水蓄能電站機組的安全運行提供了技術(shù)保障。應(yīng)用實例表明，水下探查技術(shù)在抽水蓄能電站預(yù)留巖坎拆除爆破及清挖工程中是可行的，對爆破設(shè)計與清挖、清淤施工具有較好的指導(dǎo)作用，可應(yīng)用于各類抽水蓄能電站預(yù)留巖坎拆除爆破中。

通過對多種水下測量方法與水下視頻檢查方法的對比研究，建議在清挖前和清挖完成后采用具有高精度的水下多波束系統(tǒng)進行水下地形測量，在清挖過程中采用吊繩法結(jié)合全站儀平面定位法進行水下地形測量；建議在清挖全過程中采用水下機器人進行水下視頻檢查。

［1］ 武漢大學(xué)信息學(xué)部.測量學(xué)［J］.武漢：測繪出版社，2000.

［2］ 何府祥.淺析幾種常用的水下地形測量方法［J］.人民珠江，1995（6）:20-22， 35.

［3］ 吳文.淺談水下地形測量技術(shù)［J］.科技資訊， 2011（21）:110-110.

［4］ 梁俊，甘孝清.水下無人探測系統(tǒng)在巖坎爆破效果調(diào)查中的應(yīng)用［J］.長江科學(xué)院院報， 2010（2）:16-19.