白云水庫(kù)大壩滲漏治理工程臨時(shí)堵頭一次性爆破研究

趙自奇，蔣文斌，肖謝誕（湖南水總水電建設(shè)集團(tuán)有限公司，湖南長(zhǎng)沙，410007）

白云水庫(kù)大壩滲漏治理工程臨時(shí)堵頭一次性爆破研究

趙自奇，蔣文斌，肖謝誕（湖南水總水電建設(shè)集團(tuán)有限公司，湖南長(zhǎng)沙，410007）

湖南城步白云水庫(kù)大壩滲漏治理工程需要徹底放空水庫(kù)，而放空水庫(kù)必須打通原施工導(dǎo)流洞。導(dǎo)流洞除了進(jìn)口閘門(mén)外還設(shè)有6 m長(zhǎng)混凝土臨時(shí)堵頭和26 m長(zhǎng)永久堵頭，需要拆除永久堵頭和臨時(shí)堵頭，并提起導(dǎo)流洞進(jìn)口水下閘門(mén)后才能順利泄水。施工方案為先爆破拆除永久堵頭，然后提起導(dǎo)流洞進(jìn)口閘門(mén)，最后一次性爆破拆除6 m長(zhǎng)臨時(shí)堵頭（擋水水頭約有47 m）實(shí)現(xiàn)貫通。通過(guò)多方研討，最終采用爆破形成先導(dǎo)洞的方式進(jìn)行臨時(shí)堵頭一次性爆破拆除，此方案成功應(yīng)用并取得了良好的效果。

混凝土堵頭；水下巖塞爆破；先導(dǎo)洞

1　工程概況

白云水電樞紐工程位于湖南省城步縣境內(nèi)，工程由大壩、泄洪隧洞、發(fā)電引水隧洞、發(fā)電廠房與開(kāi)關(guān)站等四部分組成。白云水電站大壩為面板堆石壩，最大壩高120 m，電站總裝機(jī)54 MW，水庫(kù)總庫(kù)容3.6億m3，屬大Ⅱ型水庫(kù)。

由于大壩滲漏量持續(xù)增大，嚴(yán)重威脅大壩安全和大壩下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全，因此必須放空水庫(kù)，對(duì)大壩滲漏進(jìn)行全面徹底治理。2014年7月12日，白云水電站大壩滲漏治理工程正式開(kāi)工。

2　臨時(shí)堵頭爆破拆除合理程序分析

在白云大壩滲漏治理工程中，導(dǎo)流洞進(jìn)口閘門(mén)與臨時(shí)堵頭拆除施工順序非常關(guān)鍵，利用放空洞能將庫(kù)水位降至477 m高程，而導(dǎo)流洞進(jìn)口底板高程為430 m，無(wú)論是先爆臨時(shí)堵頭還是先提起閘門(mén)，上游仍作用有47 m水頭。如果爆破一次不成功，二次處理的難度非常大，所以臨時(shí)堵頭必須一次性成功爆破。

2.1先爆破臨時(shí)堵頭后提門(mén)

如果先進(jìn)行臨時(shí)堵頭的爆破拆除，可以分段進(jìn)行爆破拆除，但是沒(méi)有臨時(shí)堵頭擋水，洞內(nèi)不蓄水，閘門(mén)在47 m的水頭作用下無(wú)法提起，因此，只能采用爆破拆除閘門(mén)，但爆破拆除閘門(mén)面臨以下問(wèn)題：

（1）沒(méi)有臨時(shí)堵頭擋水，對(duì)獨(dú)立擋水的水下閘門(mén)進(jìn)行鉆孔裝藥非常危險(xiǎn)。

（2）如果在臨時(shí)堵頭爆破拆除前對(duì)水下閘門(mén)進(jìn)行鉆孔裝藥，火工產(chǎn)品長(zhǎng)時(shí)間在水下浸泡會(huì)影響爆破質(zhì)量，水下爆破火工產(chǎn)品的選擇與采購(gòu)又需進(jìn)一步研究討論。

（3）爆破拆除閘門(mén)務(wù)必會(huì)損壞導(dǎo)流洞進(jìn)口門(mén)槽、底坎等結(jié)構(gòu)，影響導(dǎo)流洞后期再次下閘封堵，對(duì)結(jié)構(gòu)修復(fù)與工期均有較大影響，且增加工程量。

（4）高水頭作用下，難以實(shí)現(xiàn)水下對(duì)混凝土鉆孔裝藥，普通的鉆孔設(shè)備受水壓影響無(wú)法正常作業(yè)。

2.2先提門(mén)后爆破臨時(shí)堵頭

如果先提起導(dǎo)流洞進(jìn)口4塊混凝土疊梁門(mén)，再爆破拆除臨時(shí)堵頭，則必須一次性爆破成功，否則臨時(shí)堵頭將嚴(yán)重失穩(wěn)，再進(jìn)入導(dǎo)流洞施工將存在極大的風(fēng)險(xiǎn)，工程將會(huì)陷入進(jìn)退兩難的局面，后果不堪設(shè)想。

根據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行綜合安全分析后確定采用先提起導(dǎo)流洞進(jìn)口水下閘門(mén)，再一次性爆破拆除臨時(shí)堵頭。這樣，臨時(shí)堵頭必須一次性爆破成功，才能實(shí)現(xiàn)水庫(kù)正常放空。

3　臨時(shí)堵頭爆破設(shè)計(jì)原則

臨時(shí)堵頭采用巖塞爆破一次性拆除。為避免爆破對(duì)導(dǎo)流洞圍巖的破壞，需要預(yù)留30～50 cm保護(hù)層，實(shí)施控制爆破。

臨時(shí)堵頭爆破設(shè)計(jì)實(shí)施效果如下：

（1）臨時(shí)堵頭一次性爆通進(jìn)水，過(guò)流斷面滿(mǎn)足使用要求；

（2）臨時(shí)堵頭爆破位置不發(fā)生較大坍塌；

（3）對(duì)周?chē)ǎ?gòu)）筑物不產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞；

（4）爆破巖渣粒徑小，爆破進(jìn)入堵頭后的積渣坑或被高壓水流挾裹著沖出導(dǎo)流洞外。

4　利用永久堵頭進(jìn)行爆破試驗(yàn)獲取爆破參數(shù)

臨時(shí)堵頭和永久堵頭均為混凝土結(jié)構(gòu)，在爆破拆除永久堵頭時(shí)，預(yù)留6 m永久堵頭，利用其模擬臨時(shí)堵頭環(huán)境做了2次爆破試驗(yàn)，并從試驗(yàn)結(jié)果中取得相關(guān)爆破數(shù)據(jù)。

4.1第一次爆破試驗(yàn)

4.1.1爆破參數(shù)

4.1.1.1炸藥單耗

堵頭混凝土強(qiáng)度和硬度相當(dāng)于中硬巖石，考慮臨時(shí)堵頭長(zhǎng)度、水深、爆渣直徑控制在20 cm內(nèi)（受水流影響）等因素，炸藥單耗取1.58 kg∕m3，并在永久堵頭爆破拆除時(shí)預(yù)留最后6 m做生產(chǎn)性爆破試驗(yàn)，以對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化和動(dòng)態(tài)調(diào)整。

4.1.1.2爆破線(xiàn)裝藥密度

根據(jù)混凝土介質(zhì)、炮孔直徑大小等，并參考類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，掏槽孔裝藥系數(shù)為0.8（線(xiàn)裝藥密度1 kg∕m），輔助孔裝藥系數(shù)分別為0.75和0.65（線(xiàn)裝藥密度分別為1 kg∕m和4 kg∕m），周邊眼中的幫眼、頂眼采用光面爆破，其線(xiàn)裝藥取250 g∕m，底眼裝藥系數(shù)取0.5（線(xiàn)裝藥密度500 g∕m）。

4.1.1.3鉆孔直徑

采用履帶鉆或YQ-100型支架鉆鉆孔、手風(fēng)鉆配合（臨時(shí)堵頭鉆孔作業(yè)必須在導(dǎo)流洞閘門(mén)關(guān)閉的情況下操作，待全部炮孔鉆完或裝藥完成起爆前再提起閘門(mén)），掏槽中心孔直徑110 mm，其中3個(gè)輔助眼孔徑為90 mm，其余炮孔直徑45 mm。

4.1.1.4鉆孔布置形式

中部布置大直徑中空直孔掏槽孔，四周布置輔助崩落孔，開(kāi)挖輪廓面布置光面孔。掏槽孔孔距0.3 m左右；崩落孔孔距0.5～0.8m；光面孔孔距0.3～0.5m。

4.1.1.5孔深

孔深5.4 m（本深度根據(jù)臨時(shí)堵頭長(zhǎng)度6 m而設(shè)計(jì)，施工前需采用超聲波準(zhǔn)確測(cè)量堵頭的長(zhǎng)度），鉆孔鉆到距臨時(shí)堵頭迎水面0.6 m左右，嚴(yán)格控制鉆孔的深度，其余炮孔孔深5.3 m，鉆孔時(shí)需精確控制炮孔的方向及鉆進(jìn)深度。

圖1　鉆孔布置圖Fig.1 Layout of drill holes

表1　永久堵頭試驗(yàn)爆破孔參數(shù)Table 1 Parameters of blasting holes in permanent plug explosion test

4.1.2裝藥結(jié)構(gòu)

炸藥選用?32×200 mm×200 g、?70×400 mm× 1 500 g的二號(hào)巖石乳化炸藥，掏槽孔、輔助孔均采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，周邊孔底部采用連續(xù)（加強(qiáng)）裝藥、中間和孔口部位采用間隔裝藥結(jié)構(gòu)。考慮到炮孔積水情況，為了防止藥卷移位，避免出現(xiàn)拒爆，掏槽孔、輔助孔與周邊孔的炮孔內(nèi)均需敷設(shè)與炮孔長(zhǎng)度相當(dāng)?shù)膶?dǎo)爆索，每個(gè)炮孔放2發(fā)半秒延期導(dǎo)爆管雷管（孔深1∕3、孔深2∕3左右位置），分別與炸藥藥卷、導(dǎo)爆索相連接。

炮孔采用人工堵塞，堵塞材料為粘性黃泥土，用木制炮棍壓緊，確保填塞質(zhì)量，嚴(yán)禁不堵孔爆破。

4.1.3首次全斷面爆破試驗(yàn)結(jié)果及分析

爆破后效果不佳，預(yù)留6 m永久堵頭未被一次性爆破拆除，僅中央掏槽部分爆起2～3 m深，周邊孔幾乎未受爆破影響，永久堵頭還剩下3.5 m。爆破效果不好，主要原因是掏槽效果不好。

4.2第二次直線(xiàn)掏槽爆破試驗(yàn)

第二次試驗(yàn)是利用最后3.5 m永久堵頭再做了一次直線(xiàn)掏槽試驗(yàn)。如圖所示，試驗(yàn)效果也不是很明顯。

4.3斜線(xiàn)掏槽爆破

最后3.5 m永久堵頭混凝土第三次爆破使用斜線(xiàn)掏槽，爆破效果非常好，永久堵頭炸通了，但端部2∕3面積有一層30 cm混凝土保護(hù)層仍存在。如何擊穿這最后30 cm是下一個(gè)要研究解決的問(wèn)題。

4.4試驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)前三次爆破試驗(yàn)，直線(xiàn)掏槽的爆破手段在含鋼筋的混凝土堵頭中無(wú)法成功掏槽。堵頭混凝土均勻致密，中間有水氣孔，剛中帶柔，極易消耗能量。堵頭混凝土中有大量拉模用的鋼筋，端部有未拆除的模板和圍檁，都是影響爆破效果的制約因素。而直線(xiàn)掏槽孔本身又存在制約關(guān)系，如果一孔不爆，所有孔的效果將大打折扣，事實(shí)證明用斜線(xiàn)掏槽有較好的爆破效果。

圖3　爆破后效果Fig.3 Blasting effect

5　臨時(shí)堵頭爆破設(shè)計(jì)

5.1導(dǎo)洞爆破方案必要性和優(yōu)點(diǎn)

5.1.1導(dǎo)洞方案必要性分析

通過(guò)上述爆破試驗(yàn)可知，6 m臨時(shí)堵頭為混凝土結(jié)構(gòu)，周邊與山體基巖相結(jié)合，且上游洞內(nèi)充滿(mǎn)壓力水。由于缺少臨空面，爆破能量無(wú)法釋放，導(dǎo)致爆破效果不佳。洞徑只有8 m，一次性爆除6 m，斜線(xiàn)掏心不夠?qū)挿Ｒ虼?，必須給堵頭爆破創(chuàng)造臨空面——用斜線(xiàn)掏心開(kāi)挖導(dǎo)洞，創(chuàng)造大面積臨空面，再進(jìn)行堵頭一次性爆破拆除，即在臨時(shí)堵頭中底部爆破開(kāi)挖出一個(gè)導(dǎo)洞（不影響臨時(shí)堵頭進(jìn)行擋水），使堵頭內(nèi)部掏空一部分，然后再進(jìn)行鉆孔裝藥，最后一次性爆破拆除。

5.1.2導(dǎo)洞方案的優(yōu)點(diǎn)

（1）在臨時(shí)堵頭中底部開(kāi)挖導(dǎo)洞創(chuàng)造臨空面，為一次性爆破創(chuàng)造了良好條件。

（2）利用前兩次導(dǎo)洞開(kāi)挖經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，確保整體爆破前導(dǎo)洞貫通，保證2 m×3 m的基本過(guò)水?dāng)嗝?，確保放空。

（3）導(dǎo)洞全通，爆破效果已有90%保證。假設(shè)周?chē)菩Ч焕硐?，還可結(jié)合利用混凝土的自重以及水壓作用，即臨時(shí)堵頭炸裂后未崩塌，導(dǎo)洞形成的空間可讓上部混凝土隨著自重和水壓作用向下倒塌，隨后形成的高速水流可沖開(kāi)炸裂的混凝土，可很好地完成臨時(shí)堵頭的拆除，順利導(dǎo)流泄水。

5.2導(dǎo)洞設(shè)計(jì)方案

5.2.1總體方案

臨時(shí)堵頭先開(kāi)挖導(dǎo)洞（斷面2 m×3 m，深4.5 m），留導(dǎo)洞內(nèi)1.5 m（經(jīng)安全驗(yàn)算）與6 m×6.6 m斷面一次爆破拆除。為避免爆破對(duì)導(dǎo)流洞圍巖的破壞，需要預(yù)留30 cm保護(hù)層，實(shí)施控制爆破。

5.2.2爆破參數(shù)

5.2.2.1炸藥單耗

堵頭混凝土強(qiáng)度和硬度相當(dāng)于中硬巖石，考慮臨時(shí)堵頭長(zhǎng)度、水深、爆渣控制在20 cm內(nèi)（水流影響）等因素，炸藥平均單耗2.11 kg∕m3。

5.2.2.2爆破線(xiàn)裝藥密度

根據(jù)混凝土介質(zhì)、炮孔直徑大小等，并參考類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，采用連續(xù)裝藥，3 m×2 m導(dǎo)洞及堵頭剩余1.5 m掏槽爆破的炮孔線(xiàn)裝藥密度為1 kg∕m，6 m×4 m斷面輔助孔與周邊孔線(xiàn)裝藥密度分別為1 kg∕m和500 g∕m。

5.2.2.3鉆孔直徑

臨時(shí)堵頭長(zhǎng)6.0 m，采用手風(fēng)鉆鉆孔（臨時(shí)堵頭鉆孔作業(yè)在導(dǎo)流洞閘門(mén)關(guān)閉的情況下操作，待全部炮孔鉆完、裝藥完成提起閘門(mén)后再起爆），炮孔直徑45 mm。

5.2.2.4鉆孔布置形式

鉆孔布置示意圖見(jiàn)圖4～6。

5.2.2.5孔深

導(dǎo)洞采用二級(jí)楔形掏槽爆破，循環(huán)掘進(jìn)至4.5 m深，炮孔布置如圖7所示。采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，每循環(huán)布置40個(gè)炮孔，一級(jí)、二級(jí)楔形掏槽孔孔深分別為0.73 m（裝藥0.4 kg∕孔）和1.74 m（裝藥1.4 kg∕孔），其余炮孔1.4 m（裝藥1 kg∕孔）。

周邊6 m×6.6 m斷面炮孔孔深5.6 m（本深度根據(jù)臨時(shí)堵頭長(zhǎng)度6 m而設(shè)計(jì)，施工前需采用超聲波準(zhǔn)確測(cè)量堵頭的長(zhǎng)度，精確到毫米級(jí)，如實(shí)際測(cè)量長(zhǎng)度大于或小于6 m，則需根據(jù)實(shí)測(cè)長(zhǎng)度調(diào)整孔深及整個(gè)設(shè)計(jì)施工方案），鉆孔鉆到距臨時(shí)堵頭迎水面0.4 m左右，嚴(yán)格控制鉆孔的深度，剩余1.5 m堵頭斜孔孔深1.27 m，其余炮孔孔深5.6 m，鉆孔時(shí)需精確控制炮孔的方向及鉆進(jìn)深度。

圖4　開(kāi)挖2 mX3 m導(dǎo)洞爆破炮孔布置圖Fig.4 Distribution of blasting holes for the 2 m×3 m diversion tunnel

圖5　臨時(shí)堵頭鉆孔布置示意圖（主視圖）Fig.5Distributionofdrillholesonthetemporaryplug(main view)

圖6　臨時(shí)堵頭鉆孔布置示意圖（側(cè)視圖）Fig.6 Distribution of drill holes on the temporary plug(side view)tunnel

圖7　堵頭剩余1.5 m炮孔布置圖（共84個(gè)炮孔）Fig.7 Distribution of blasting holes for the remaining 1.5 m plug(84 blasting holes)

圖8　臨時(shí)堵頭成功爆破形成導(dǎo)洞Fig.8 Diversion tunnel formed by successful explosion demoli?tion of temporary plug

圖9　導(dǎo)洞內(nèi)剩余1.5 m炮孔布置Fig.9 Distribution of blasting holes for the remaining 1.5 m plug

5.2.3裝藥結(jié)構(gòu)

炸藥選用?32×200 mm×200 g二號(hào)巖石乳化炸藥，炮孔采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，周邊孔底部采用連續(xù)（加強(qiáng)）裝藥、中間和孔口部位采用間隔裝藥結(jié)構(gòu)。考慮到炮孔積水情況，為了防止藥卷移位，避免出現(xiàn)拒爆，掏槽孔、輔助孔與周邊孔的炮孔內(nèi)均需敷設(shè)與炮孔長(zhǎng)度相當(dāng)?shù)膶?dǎo)爆索，每個(gè)炮孔放2發(fā)半秒延期導(dǎo)爆管雷管（孔深1∕3、孔深2∕3左右位置）分別與炸藥藥卷、導(dǎo)爆索相連接，裝藥結(jié)構(gòu)示意圖如圖10所示。炮孔采用人工堵塞，堵塞材料為速凝水泥漿，確保填塞質(zhì)量，嚴(yán)禁不堵孔爆破。

表2　臨時(shí)堵頭試驗(yàn)爆破孔參數(shù)Table 2 Parameters of blasting holes in temporary plug explosion test

圖10　裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 Charge structure

5.2.4起爆網(wǎng)路

爆破網(wǎng)路采用雙復(fù)式非電導(dǎo)爆管雷管孔內(nèi)延時(shí)起爆網(wǎng)路，使用復(fù)式雙發(fā)非電雷管和導(dǎo)爆索作為起爆體。所有炮孔孔內(nèi)敷設(shè)導(dǎo)爆索，每個(gè)炮孔的2發(fā)毫秒延期導(dǎo)爆管雷管分別與孔底的炸藥藥卷、孔中間部位的導(dǎo)爆索連接，孔外導(dǎo)爆管簇聯(lián)，簇聯(lián)節(jié)點(diǎn)處采用2發(fā)MS2段導(dǎo)爆管雷管傳爆，各分支再進(jìn)行簇聯(lián)，分支簇聯(lián)處采用2發(fā)MS2段導(dǎo)爆管雷管傳爆，組成雙回路后的終端采用瞬發(fā)電雷管起爆激發(fā)導(dǎo)爆管，電雷管傳爆導(dǎo)線(xiàn)延伸至導(dǎo)流洞出口外100 m的安全起爆點(diǎn)起爆。

5.2.5起爆器材

孔內(nèi)采用雙復(fù)式非電秒延期雷管和導(dǎo)爆索起爆，孔外采用非電半秒延期雷管傳爆，引爆采用電雷管起爆。

5.2.6起爆方法

警戒范圍內(nèi)人員機(jī)械撤離完畢，警戒完成后，爆破人員到100 m以外（洞外）安全線(xiàn)外啟動(dòng)起爆器。

圖11　起爆網(wǎng)路示意圖Fig.11 Priming circuit

5.2.7爆破安全校核

由于爆破過(guò)程中部分炸藥能量轉(zhuǎn)化為地震波，同時(shí)產(chǎn)生一定沖擊波、爆破振動(dòng)等，會(huì)影響大壩等建構(gòu)（筑）物的安全，務(wù)必對(duì)其安全情況進(jìn)行校驗(yàn)，采取嚴(yán)格的防范措施加以保護(hù)，確定爆破安全。

6　臨時(shí)堵頭一次性爆破實(shí)施情況

為了保證2014年11月25日上午10點(diǎn)準(zhǔn)點(diǎn)起爆，臨時(shí)堵頭一次性爆破成功拆除，施工方周密部署，成立爆破領(lǐng)導(dǎo)小組。隨著起爆命令下達(dá)，洞內(nèi)傳來(lái)連續(xù)炮響，再之后是導(dǎo)流洞進(jìn)口出現(xiàn)大漩渦并翻出混水，幾分鐘后導(dǎo)流洞出口噴射出大量水流，水庫(kù)放水成功，臨時(shí)堵頭一次性爆破拆除成功。

水庫(kù)再次下閘后，各方進(jìn)入導(dǎo)流洞查看臨時(shí)堵頭爆破后情況，堵頭爆破拆除后斷面基本與堵頭爆破設(shè)想的斷面一致，效果良好。

圖12　堵頭爆破拆除后斷面Fig.12 Section after explosion demolition of plug

7　結(jié)語(yǔ)

爆破工程中，最小抵抗線(xiàn)和創(chuàng)造臨空面決定了爆破效果。而本次爆破只能一次成功，如何利用現(xiàn)有條件和資源，在有限的時(shí)間內(nèi)確保100%成功，必須做足功課，否則將面臨不可挽回的后果，一次正確的爆破方案直接決定工程的成敗。

采用先導(dǎo)洞進(jìn)行臨時(shí)堵頭一次性爆破拆除的方案在白云水庫(kù)大壩滲漏治理工程中得到了成功運(yùn)用，為以后需要進(jìn)行洞內(nèi)混凝土堵頭以及缺少爆破條件的爆破拆除工程提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

作者郵箱：1415798073@qq.com

Title:Study on explosive demolition of temporary plug in one shot for seepage treatment of Baiyun dam

by ZHAO Zi-qi,JIANG Wen-bin and XIAO Xie-dan∕Hunan Hydropower Construction Group Co.,Ltd.

A completely emptying of Baiyun reservoir is required for dam leakage treatment,which needs to open up the original construction diversion tunnel.In addition to the inlet gate,the diversion tunnel also includes a temporary concrete plug with 6 meters in length and an permanent plug with 26 meters in length.Only by removal of the temporary plug and permanent plug and lifting the underwater gate can the water be released.According to the construction plan,the first step is to demolish perma?nent plug by blasting,lift the inlet gate,and then carry out explosive demolition of temporary plug in one shot.By research,the generation of advanced tunnel by explosive demolition is accepted,which is suc?cessfully applied and good results are achieved.

concrete plug;underwater rock plug blasting;advanced tunnel

TV542

B

1671-1092（2016）04-0006-07

2016-01-06；

2016-04-27

趙自奇（1965-），男，湖南長(zhǎng)沙人，高級(jí)工程師，一級(jí)建造師，從事水利水電項(xiàng)目的施工管理工作。