水庫(kù)輸水洞水下巖塞爆破集碴坑設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

韓 爽，楊 英，胡曉霖

（1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司科學(xué)研究院 吉林 長(zhǎng)春 130061；2.水利部綜合事業(yè)局 北京 100053）

水庫(kù)輸水洞水下巖塞爆破集碴坑設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

韓 爽1，楊 英2，胡曉霖1

（1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司科學(xué)研究院 吉林 長(zhǎng)春 130061；2.水利部綜合事業(yè)局 北京 100053）

通過(guò)取水口水下巖塞爆破的集碴坑設(shè)計(jì)及模型試驗(yàn)研究，給出集碴形式的可行性、合理性。由試驗(yàn)現(xiàn)象和集碴效果分析得出：集碴坑進(jìn)口縱向?qū)挾鹊目s窄雖然更有利于巖碴在集碴坑內(nèi)的堆積，但巖塞爆破中巖碴破裂程度具有不確定性，試驗(yàn)推薦集碴坑進(jìn)口縱向?qū)挾葹?1.00m 的布置方案。

巖塞爆破；集碴坑體型設(shè)計(jì)；影響集碴率的因素；豐滿水庫(kù)

1 工程概況

豐滿水庫(kù)輸水洞取水口水下巖塞爆破，是吉林省引松供水工程輸水總干線施工的一部分。取水口位于豐滿大壩上游庫(kù)區(qū)左岸，距大壩約 1.20 km。此處庫(kù)岸地形向山內(nèi)凹陷，形成低谷狀，地形較緩，進(jìn)口巖性為砂巖，上覆為碎塊石含少量粘性土。地形坡度一般在 20°左右，進(jìn)口洞軸線與岸坡平行狀等高線交角在 70°左右，此處巖石完整，地質(zhì)條件好。

2 集碴坑設(shè)計(jì)

2.1 爆破方案選定

目前水下巖塞爆破大致分三種：排孔方案、洞室方案和排孔、洞室聯(lián)合方案。

由各方案特性指標(biāo)及已往工程實(shí)例比較，選定排孔、洞室聯(lián)合運(yùn)用為此次實(shí)施的爆破方案。并確定巖塞口尺寸：內(nèi)徑 7.00m、外徑 15.61m、巖塞厚度 9.80m。輸水洞取水口設(shè)計(jì)流量 38.00m3/s。

2.2 封堵方式選定

水下巖塞爆破工程一般對(duì)取水洞采用封堵、半封堵和不封堵三種形式實(shí)施，這次爆破選用不封堵方式。不封堵爆破閘門(mén)井不產(chǎn)生井噴現(xiàn)象，對(duì)門(mén)槽、門(mén)楣安全有利，且節(jié)省水下清碴及拆除堵塞體的工作量。

2.3 集碴方式選定

巖塞爆破是一種水下控制爆破，對(duì)爆破后的巖碴處理主要為集碴和泄碴。

參考部分巖塞爆破實(shí)例和水下巖塞爆破的資料，泄碴爆破對(duì)輸水洞底部的磨蝕十分嚴(yán)重，而采用集碴爆破可有效避免這種破壞。

2.4 集碴坑設(shè)計(jì)

集碴坑的形式大體分為矩型、平洞型、靴型，綜合比較靴型布置集碴適宜本工程。

確定集碴坑剖面為城門(mén)洞型（洞高 5.65m，洞直徑 7.00m）后，再依據(jù)集碴坑的容積，估算集碴坑總長(zhǎng)度為45.00m。

3 研究基礎(chǔ)

水下巖塞爆破是爆后極短時(shí)間內(nèi)的水體運(yùn)動(dòng)，是一種非常復(fù)雜的演變過(guò)程。其運(yùn)動(dòng)中各種作用力存在的情況和發(fā)展規(guī)律，難以用計(jì)算和分析的方法徹底解決，而試驗(yàn)研究和原型觀測(cè)是深入研究的較好方法和手段，為此針對(duì)上述初步設(shè)計(jì)選定在比尺 25的正態(tài)模型上開(kāi)展試驗(yàn)。

3.1 巖塞模擬

豐滿水庫(kù)取水口水下巖塞爆破試驗(yàn)研究，僅考慮水流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的相似即水力學(xué)的相似，對(duì)巖塞的巖石結(jié)構(gòu)特性、爆破藥量、爆破力以及因爆炸所導(dǎo)致的上、下抵抗線等均不做模擬。

試驗(yàn)研究對(duì)巖塞的模擬有兩種方法：一是膠結(jié)模擬、二是松散模擬。而原型觀測(cè)的爆破實(shí)例比較兩種模擬方法都能基本反映水流巖碴運(yùn)動(dòng)的實(shí)際情況，集碴坑內(nèi)堆碴的曲線、形狀也基本一致。此外試驗(yàn)選用的模擬巖碴的碎石密度與原體碎石密度基本一致。

3.2 巖塞方量模擬

取水口水下巖塞爆破后，破碎巖石的體積由兩部分組成：即巖塞體積、覆蓋層體積。試驗(yàn)?zāi)M上述兩部分構(gòu)成：其一巖塞體積的模擬即考慮松散系數(shù)后實(shí)際體積取 1649.14m3；其二覆蓋層體積的模擬，雖然巖塞口上方覆蓋層多為碎塊石組成，但其組成中含有 20%～30%的粘性土，碎石的形狀又多為次棱角和棱角形，不如巖石那么致密，因而對(duì)該體積方量不再考慮松散系數(shù)。試驗(yàn)?zāi)M的總方量取其上述兩部分之和為 0.155m3（工程實(shí)際方量為 2420m3）。

3.3 巖碴級(jí)配模擬

巖塞爆落后形成不同粒徑的巖碴，其級(jí)配對(duì)集碴坑的集碴效果、集碴部位分配、泄碴對(duì)輸水洞洞體等都有直接影響，因而巖碴粒徑級(jí)配直接關(guān)系到試驗(yàn)成果的可信性、準(zhǔn)確性。

這次巖塞爆破的單位耗藥量 K=1.8kg/m3、總藥量 Qt=1466.30kg、巖塞口巖石強(qiáng)度系數(shù) A=6，則初步估算巖碴中值粒徑 d50=12.64cm、d0=18.67 cm（n=0.94）。

3.4 爆破模擬

試驗(yàn)研究依設(shè)計(jì)爆破的成形尺寸，用鋼筋混凝土筑成固定邊界，然后用玻璃布置在巖塞體的底部用以頂托模擬的巖塞體。巖塞體用設(shè)計(jì)提供的爆落巖碴尺寸，按幾何比尺縮放后篩選的碎石填充，數(shù)量為計(jì)入松散系數(shù)后的自然方量、覆蓋層方量的總和，試驗(yàn)瞬時(shí)擊發(fā)預(yù)埋起爆物，炸碎玻璃后巖碴爆落，用來(lái)模擬原型巖塞的爆破過(guò)程。

4 試驗(yàn)研究成果

4.1 設(shè)計(jì)方案

4.1.1 集碴率

由 3 種不同庫(kù)水位集碴坑的集碴率（表 1）分析：爆破水位對(duì)集碴效果影響不大（水位相差21.50 m，集碴率相差僅 3%）。此外未觀測(cè)到有散落的碎碴被水流攜帶進(jìn)取水輸水洞的現(xiàn)象，說(shuō)明集碴坑的坑底高程和位置等設(shè)計(jì)的比較合理。

表1 不同爆破水位下集碴坑的集碴率

4.1.2 碴坑積水對(duì)集碴率影響

當(dāng)巖塞爆破后巖碴在爆破沖擊力、巖碴自重和水壓力的多重作用下，被急速送入集碴坑時(shí)，若受到了碴坑內(nèi)積水的頂托和反向沖擊，將導(dǎo)致集碴坑內(nèi)的巖碴數(shù)量減少。如爆破水位相同、集碴坑內(nèi)積水 1.0m 厚時(shí)，集碴率減小了 5%～7%。

4.2 修改方案

為提高集碴坑的集碴率將原集碴坑進(jìn)口寬度適當(dāng)縮減，但“舌巖”的厚度不變。

縮窄巖塞口的縱向進(jìn)口尺寸后，實(shí)施水下巖塞爆破，減弱了水流在此區(qū)間的縱向旋滾強(qiáng)度，相應(yīng)的減小了水流裹挾巖碴進(jìn)入取水輸水洞以及受下泄水流砸擊先期沉落的巖碴，而引起翻滾之后上旋的能力。使巖碴堆積量在集碴坑內(nèi)沿程都有不同程度增加，如在同一爆破水位下比設(shè)計(jì)方案提高了 5%。

4.3 推薦方案

由試驗(yàn)現(xiàn)象和集碴效果分析：

1）集碴坑進(jìn)口縱向?qū)挾鹊目s窄雖然更有利于巖碴在集碴坑內(nèi)的堆積，但巖塞爆破中巖碴破裂程度具有不確定性，試驗(yàn)推薦集碴坑進(jìn)口縱向?qū)挾葹?1.00m 的布置方案。

2）落入集碴坑內(nèi)的巖碴受爆落后的反向外力作用，將對(duì)集碴率產(chǎn)生不利的影響。而近 50.00m 長(zhǎng)的集碴坑在巖塞爆破瞬間必然有大量的空氣難以瞬時(shí)排除。為此試驗(yàn)建議在集碴坑坑尾部上方設(shè)置直徑不小于 0.30m 的排氣孔與取水輸水洞（最好在閘門(mén)井后，便于巖塞爆破后的封堵）或是施工時(shí)的出碴洞相聯(lián)通，有利于巖碴的沉積。

4.4 閘門(mén)關(guān)閉時(shí)間

水下巖塞爆破后為減少庫(kù)容損失，應(yīng)及時(shí)順利的將閘門(mén)關(guān)閉，因而合理的確定閘門(mén)關(guān)閉時(shí)間十分重要。

分析水下巖塞爆破對(duì)閘門(mén)主要影響因素為：地震波、空氣沖擊波和氣浪及巖碴。參考國(guó)際和國(guó)內(nèi)巖塞爆破后閘門(mén)的運(yùn)行情形，地震波對(duì)平板閘門(mén)的作用是安全的；空氣沖擊波是炸藥爆破后高壓氣體引起的，與裝藥量和爆破指數(shù)大小以及隧洞結(jié)構(gòu)尺寸因素有關(guān)，并隨著傳播距離增加而逐漸衰減。因而只引起閘門(mén)的局部振動(dòng)，對(duì)閘門(mén)整體無(wú)大影響；氣浪壓力主要是由于巖塞爆通后，水體突然泄入洞內(nèi)推趕空氣形成所謂的活塞效應(yīng)造成的。因此巖塞爆破后泄流過(guò)碴時(shí)，對(duì)門(mén)槽防護(hù)需認(rèn)真考慮。門(mén)槽和閘門(mén)井門(mén)楣處，需按防護(hù)設(shè)計(jì)考慮，以便采取妥善的防護(hù)措施。

豐滿輸水洞取水口水下巖塞爆破，采用聚碴開(kāi)門(mén)爆破方案，大多數(shù)巖碴都存在聚碴坑內(nèi)，但仍有部分巖碴通過(guò)隧洞泄到下游，并且零星的巖碴流經(jīng)門(mén)槽時(shí)極有可能產(chǎn)生卡阻現(xiàn)象，而影響閘門(mén)的關(guān)閉。為使閘門(mén)在水下爆破后順利關(guān)閉，可安裝一種門(mén)槽的鋼閘門(mén)框，預(yù)先填平門(mén)槽以避免門(mén)槽的卡阻。待水下爆破后，再將其提升上來(lái)。此外巖塞爆通后，應(yīng)待洞內(nèi)流態(tài)穩(wěn)定、水流基本不攜帶巖碴的前提下關(guān)閉閘門(mén)。如何確定水流不攜帶巖碴，可吸取密云水庫(kù)巖塞爆破經(jīng)驗(yàn)，在工作閘門(mén)底坎埋設(shè)安裝拾音器，監(jiān)測(cè)石碴通過(guò)情況，掌握巖碴通過(guò)閘門(mén)段的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間。

5 結(jié)論

1）巖塞爆破后巖碴級(jí)配、集碴坑是否積水對(duì)集碴坑布置形式和集碴率有直接影響。此外為提高集碴率，可在集碴坑尾部上方設(shè)置直徑不小于0.30m 的排氣孔與取水輸水洞或施工的出碴洞相聯(lián)通。

2）爆破水位對(duì)集碴坑的集碴效果影響不大，但試驗(yàn)研究難以模擬爆破能量，因而力的大小及爆破時(shí)，庫(kù)區(qū)內(nèi)涌起水浪高度等難以達(dá)到定量的相似，應(yīng)綜合考慮相關(guān)因素確定合理的爆破水位。

3）三種庫(kù)水位下集碴坑內(nèi)沒(méi)有巖碴被裹挾進(jìn)取水輸水洞的現(xiàn)象發(fā)生，集碴坑設(shè)計(jì)比較合理。

4）巖塞爆破后關(guān)閉閘門(mén)的時(shí)間，可通過(guò)在工作閘門(mén)底坎下預(yù)埋拾音器監(jiān)測(cè)巖碴通過(guò)閘門(mén)段的結(jié)束時(shí)間來(lái)確定。同時(shí)可采用鋼閘門(mén)框預(yù)先填平門(mén)槽，避免爆破后破碎巖碴對(duì)門(mén)槽的卡堵，待爆后再將其提升上來(lái)。

5）建議關(guān)閉閘門(mén)后對(duì)其后的輸水洞進(jìn)行必要的清理。

TV542

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2013-11-11