圍堰分洪爆破拆除及沖渣技術(shù)研究

雷 榮

（中國(guó)葛洲壩集團(tuán)第一工程有限公司，湖北宜昌443002）

圍堰分洪爆破是一種特殊條件下的拆除爆破，大多數(shù)情況下,圍堰爆破后不具備挖渣條件,需要靠水流沖渣，必須保證一次完成拆除。不能留下根底,并要保證周邊其他建筑物的安全[1]。劉美山等以小灣水電站導(dǎo)流洞圍堰爆破拆除為例，總結(jié)分析了爆破拆除過(guò)程中面臨的關(guān)鍵問(wèn)題，如爆破振動(dòng)、沖渣過(guò)流、炮孔布置、爆破器材的選型、被保護(hù)物的防護(hù)等問(wèn)題[2]。趙根研究了深水條件下圍堰拆除爆破技術(shù),根據(jù)模型試驗(yàn)及溢流壩的水流特性,分析了爆渣塊度與啟動(dòng)流速間的關(guān)系以及過(guò)流瞬間的水力參數(shù)[3]。李金河等根據(jù)工程實(shí)踐從實(shí)際工程出發(fā)，依據(jù)水力學(xué)模型試驗(yàn)，確定了實(shí)現(xiàn)沖渣的爆破塊度特征、爆堆形狀和飛石范圍[4]。目前關(guān)于圍堰爆破拆除研究成果大多是在圍堰全部拆除條件下進(jìn)行的，對(duì)于圍堰在特殊條件下部分爆破拆除極少報(bào)道。圍堰拆除爆破及沖渣效果的好壞則直接關(guān)系到分洪任務(wù)能否順利完成[5]。在堰前水位一定的情況下,要順利沖渣過(guò)流,關(guān)鍵問(wèn)題是爆破后爆渣塊體大小形狀及圍堰拆除中的水流流速，在爆破和堰外水流的共同作用下形成過(guò)水?dāng)嗝娴馁|(zhì)量，很大程度上決定了沖渣過(guò)流的效果。本文以沅水桃源電站圍堰分洪爆破拆除為例，進(jìn)行圍堰爆破拆除及沖渣技術(shù)研究，以期為類似工程施工提供參考。

1 工程概況

沅水桃源電站位于左岸毗鄰縣城，右岸高于周邊的村莊，因此在水電站的施工過(guò)程中，必須考慮超標(biāo)洪水下的左岸縣城與右岸村莊的安全。圍堰分洪爆破是為保證汛期特大洪水能夠迅速分洪，針對(duì)一期圍堰進(jìn)行的分洪爆破預(yù)案。工程具有以下特點(diǎn)：

（1）高水位實(shí)施爆破，施工難度大。根據(jù)一期圍堰設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，圍堰在汛期允許過(guò)水。圍堰分洪爆破是在汛期河道高水位狀態(tài)下，針對(duì)超標(biāo)洪水的應(yīng)急預(yù)案。因此，必須構(gòu)建爆區(qū)的施工操作平臺(tái)，并進(jìn)行炮孔或藥室的預(yù)施工，以滿足汛期超標(biāo)洪水情況下，對(duì)圍堰進(jìn)行快速爆破分洪施工的要求。

（2）圍堰分洪爆破工期緊，施工強(qiáng)度大。圍堰分洪爆破是在超標(biāo)洪水情況下的分洪措施，從超標(biāo)洪水預(yù)報(bào)到實(shí)施爆破，有效作業(yè)時(shí)間一般不超過(guò)8～10h，在水流急、施工條件復(fù)雜的情況下進(jìn)行分洪缺口的爆破，施工進(jìn)度及施工安全問(wèn)題較為突出。

（3）爆破效果要求高，需確保形成分洪缺口。圍堰分洪段爆破不同于一般圍堰拆除爆破，炸藥單耗相對(duì)圍堰拆除爆破要高得多，以保證爆破部位破碎充分，石渣形成拋擲，在高速水流作用下，迅速形成過(guò)流缺口，滿足分洪要求。

（4）爆破器材抗水性能要求高、起爆網(wǎng)路復(fù)雜。超標(biāo)洪水時(shí)，拆除最低高程為30.0m，爆破作業(yè)水深達(dá)10.0m以上，因而對(duì)炸藥、起爆器材的抗水、抗壓性能提出了很高的要求。由于作業(yè)時(shí)間緊、炮孔數(shù)量多、炸藥用量大，網(wǎng)路設(shè)計(jì)及施工精度是保證爆破效果和爆破安全的關(guān)鍵。需要控制爆破振動(dòng)、水擊波和動(dòng)水壓力及飛石對(duì)防洪堤及堤岸建筑物的影響。

（5）裝藥難。保證裝藥到位并按設(shè)計(jì)裝藥結(jié)構(gòu)和裝藥量進(jìn)行裝藥和堵塞是保證爆破效果的關(guān)鍵。由于炮孔是在圍堰施工期預(yù)留，通過(guò)PVC管或鋼管等延伸到爆破施工作業(yè)平臺(tái)，在裝藥過(guò)程中易出現(xiàn)卡孔、堵孔、送藥困難等各種各樣問(wèn)題，保證裝藥和堵塞質(zhì)量成為爆破需重點(diǎn)解決的難題。

（6）圍堰填料的孔隙大，爆炸產(chǎn)生的氣楔作用不明顯，難以發(fā)揮爆生氣體的作用。

鑒于以上工程特點(diǎn)，爆破方案應(yīng)保證分洪圍堰段拆除完全、堆積高度低，以滿足高水位、高流速時(shí)能夠形成分洪缺口并快速分流。根據(jù)圍堰結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場(chǎng)施工條件，一期圍堰分洪爆破拆除段內(nèi)防滲墻按預(yù)留孔爆破設(shè)計(jì)，圍堰堆積體按后鉆孔爆破設(shè)計(jì)。為了加快缺口的形成速度，結(jié)合河床過(guò)流現(xiàn)狀，將缺口位置布置在河床沖溝處（上游圍堰0+070.000～0+120.000，下游圍堰0+050.000～0+100.000）。為了保證缺口的形成，炸藥單耗取較大值，從缺口往兩側(cè)單耗可適當(dāng)降低，以保護(hù)圍堰周圍建（構(gòu)）筑物的安全。起爆網(wǎng)路采用微差起爆破方式，起爆順序按下游圍堰先爆，上游圍堰后爆，以利于分洪過(guò)流。

2 爆破方案設(shè)計(jì)

2.1 圍堰防滲墻炮孔布置

本次拆除時(shí)圍堰的頂部高程為EL42m，圍堰防滲墻拆除底高程為EL30m，炮孔沿高噴墻軸線布置，延伸到EL42.0m高程。

（1）炮孔直徑。為便于裝藥方便，全孔需采用PVC管護(hù)孔。炮孔上部PVC管延伸到汛期分洪爆破施工平臺(tái)，進(jìn)行保護(hù)。對(duì)于孔內(nèi)裝?90mm藥卷的炮孔，PVC管內(nèi)徑應(yīng)達(dá)到?105mm，相應(yīng)的炮孔直徑應(yīng)達(dá)到?110mm以上。

（2）炮孔間距。圍堰高噴防滲墻厚約0.8m，因此炮孔布置沿防滲墻軸線按孔距3.0m布置垂直孔。

（3）孔深L。拆除時(shí)圍堰的頂部高程為EL42m，該圍堰需拆除至EL30m高程，因此孔深L=12m。

（4）炸藥單耗。水下圍堰爆破的要求相對(duì)較高：必須保證爆破一次成功，以快速形成分洪缺口，為此，適當(dāng)提高炸藥單耗，炸藥單耗按1.2～1.5kg/m3設(shè)計(jì)，裝藥時(shí)根據(jù)實(shí)際情況作適當(dāng)調(diào)整。

（5）炸藥品種。圍堰防滲墻炮孔選用防水、抗水性能好，便于深孔裝藥的高能乳化炸藥。藥卷直徑選用?90mm。

（6）裝藥結(jié)構(gòu)。采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)形式。為增加孔內(nèi)炸藥的傳爆性能，孔內(nèi)采用防水導(dǎo)爆索傳爆，在孔內(nèi)連接非電起爆雷管。堵塞材料采用河沙，以確保堵塞長(zhǎng)度和堵塞質(zhì)量。

2.2 圍堰爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）最小抵抗線W：本工程取最小抵抗線W＝6～7m。

（2）爆破作用指數(shù)n：根據(jù)爆破性質(zhì)和同類工程經(jīng)驗(yàn)，取n值為0.85～1.0。

（3）藥包間距a：

式中，m1可取0.8～1.2，a可取7m。

（4）裝藥結(jié)構(gòu)。裝藥是控制爆破質(zhì)量的最后環(huán)節(jié)，裝藥前須對(duì)各鉆孔進(jìn)行認(rèn)真清理驗(yàn)收，以確保設(shè)計(jì)孔深。采用?90mm藥卷裝藥。實(shí)施分洪爆破時(shí)，由施工平臺(tái)通過(guò)鋼管進(jìn)行裝藥。

（5）炸藥品種。圍堰堆積體藥室爆破選用防水、抗水性能好，便于灌裝的散裝乳化炸藥或是選用藥卷直徑?90mm高能乳化炸藥。

（6）藥室埋設(shè)。在填筑過(guò)程中，根據(jù)爆破設(shè)計(jì)構(gòu)筑藥室。藥室尺寸為長(zhǎng)1.5m，高1m，寬1m。

沅水兩岸為桃源縣城，圍堰分洪爆破對(duì)堤防和鄰近建筑產(chǎn)生振動(dòng)影響，因此必須控制單段起爆最大藥量。根據(jù)確定的控制標(biāo)準(zhǔn)，安全振速標(biāo)準(zhǔn)取Vˉ=2cm/s，K=150，α=1.8，最近建筑物與爆破區(qū)域距離為80m。因此，允許的安全藥量為[6]：

根據(jù)爆破振動(dòng)速度公式反算的允許單段最大藥量，在起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，上游圍堰按照單段最大藥量500kg進(jìn)行設(shè)計(jì)，下游圍堰按照單段最大藥量400kg進(jìn)行設(shè)計(jì)。圍堰炮孔布置如圖1所示。

圖1 圍堰炮孔布置圖

為保證爆堆形成缺口,必須合理地選擇最先起爆點(diǎn)及爆渣拋擲方向。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形及周圍施工環(huán)境，圍堰下游端臨空面較好，同時(shí)圍堰下游爆破時(shí)需保護(hù)的建（構(gòu)）筑物也較少，因此將起爆點(diǎn)選定在靠近圍堰下游端，向下游方向拋擲。為了減小對(duì)防洪提的振動(dòng)，將爆破后沖方向與堤岸平行。從設(shè)計(jì)缺口的中部起爆，逐步向兩岸傳爆。為了保證起爆的可靠性，采用復(fù)式網(wǎng)絡(luò)。孔外采用MS2（3）、MS5段進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，孔內(nèi)采用MS11段起爆。起爆網(wǎng)路如圖2所示。

圖2 圍堰爆破網(wǎng)路圖

3 理論分析

3.1 爆渣啟動(dòng)速度

圍堰拆除爆破是將圍堰體炸成一定粒徑的爆渣，并在適當(dāng)?shù)奈恢眯纬蛇^(guò)流缺口，使爆渣能在水流的作用下，被水流順利沖走。這涉及多大的爆渣塊度才能被水流沖走的水力學(xué)問(wèn)題。在水力學(xué)模型試驗(yàn)與模型實(shí)踐中，有關(guān)起動(dòng)流速與粒徑的關(guān)系較多。最早應(yīng)用的是前蘇聯(lián)著名水力學(xué)專家伊茲巴什按照抗滑和抗傾條件推導(dǎo)的伊茲巴什公式[7]：

式中：k——穩(wěn)定系數(shù)，抗滑時(shí)取0.9，抗傾時(shí)取1.2；

V——啟動(dòng)流速，m/s；

D——塊石轉(zhuǎn)化為球體粒徑,m；

rs、r——塊石和水的密度,kg/m3。

本文在分析過(guò)程時(shí)，采用的是伊茲巴斯公式來(lái)建立爆渣塊度與起動(dòng)流速之間的關(guān)系。

3.2 塊度分析

自20世紀(jì)60年代以來(lái)，各國(guó)學(xué)者在巖體爆破塊度的研究方面做了大量的工作，提出了許多描述塊度分布的方法與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。模型KUZ-RAM認(rèn)為爆破塊度分布服從Rosin-Ramm ler（R-R）分布函數(shù)。R-R分布函數(shù)由下式表達(dá)，它包含石料特征尺寸x0和塊度分布不均勻指數(shù)n兩個(gè)變量[8]：

式中：R——小于某一粒徑x的百分比；

x——石粒粒徑，m；

x0——特征粒徑，即篩下累積率為63.21%的塊度尺寸，m。

模型的基本表達(dá)式由Kuznetsov方程和R-R分布函數(shù)和塊度不均勻指數(shù)n值公式3部分組成。

式中：A0——巖石系數(shù)，中硬巖A0=7，節(jié)理發(fā)育巖A0=10，節(jié)理不發(fā)育堅(jiān)硬巖A0=13；

q——單位炸藥耗藥量，kg m3；

Q——單孔裝藥量，kg；

E——炸藥相對(duì)重量威力；

Xˉ——爆破巖塊的平均粒徑，m；

n——不均勻指數(shù)；

m——間距指數(shù)；

H——臺(tái)階高度；

E——鉆孔精度標(biāo)準(zhǔn)差，一般取0.05H；

ω——最小抵抗線，m；

d——炮孔直徑，m；

L——不計(jì)超鉆部分的裝藥長(zhǎng)度，m。特征塊度按下式進(jìn)行計(jì)算：

假定大塊的特征尺寸定義為X，則大塊率可按式（8）計(jì)算：

根據(jù)式（5）～式（8），結(jié)合圍堰的相關(guān)爆破參數(shù)，就可以進(jìn)行爆渣塊度、特征尺寸及大塊率方面的計(jì)算分析。

3.3 爆破后的水流速度

圍堰爆破利用起爆過(guò)程的極短時(shí)間，首先形成爆堆最低缺口，讓水從爆破缺口最低處流入、下泄，在底部形成較大的流速，將圍堰爆渣堆積體的底部爆渣沖走，到一定程度后，圍堰堆積體由于底部被水流掏空將發(fā)生坍塌，圍堰堆積體上部的過(guò)流斷面將增大，流量、流速將增大，塊度適宜的爆渣將被水流沖走。

在圍堰潰決瞬間，圍堰處的流速vc與堰前水深H0的關(guān)系可表示為[12]：

式中：H0——潰壩前上游水深，m；

g——重力加速度，m/s2。

4 結(jié)果分析

4.1 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)爆破設(shè)計(jì)參數(shù)，由計(jì)算可得到爆渣的平均塊度Xˉ=19.4cm，均勻性指標(biāo)n=1.23，特征塊度X0=27.5cm，特征顆粒大于40cm的大塊率值Y=19.3%。

分析過(guò)程中，取平均水深H0取6.5m，由公式（9）計(jì)算可得到圍堰拆除時(shí)流速近似為5.4m/s。而在實(shí)際工程中，由于坎高的存在，實(shí)際流速將大于5.4m/s。

根據(jù)式（3），以及巖石、混凝土的相關(guān)參數(shù)，可得到不同特征粒徑的巖石及混凝土爆渣在抗滑動(dòng)及抗傾倒時(shí)的水流流速，如圖3所示，很明顯，由于混凝土的密度較巖石小，此時(shí)混凝土爆渣在同等特征粒徑時(shí)滑動(dòng)或者傾倒所需的水流流速較小。

圖3 爆渣特征粒徑與啟動(dòng)水流流速關(guān)系曲線

根據(jù)圍堰拆除的爆渣塊度以及拆除時(shí)的水流流速，對(duì)照?qǐng)D3中特征粒徑與水流流速的關(guān)系可知，圍堰拆除瞬間，5.4m/s的水流速度可以將塊度0.6m以下的所有爆渣沖走。

據(jù)此可通過(guò)式（3）計(jì)算得到爆渣特征塊度為0.4m時(shí)對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)流速為4.4m/s，該啟動(dòng)速度小于圍堰拆除瞬間的水速度，在圍堰爆破拆除瞬間，水流速度可將塊度在0.4m以下的爆渣沖走，形成設(shè)計(jì)的分洪缺口，降低洪水位，實(shí)現(xiàn)爆破分洪的目標(biāo)。

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果

運(yùn)用PFC2D軟件進(jìn)行了流水沖刷的過(guò)程模擬，產(chǎn)生試樣顆粒集使用GENERATE命令，生成顆粒集后通過(guò)循環(huán)平衡內(nèi)部應(yīng)力。顆粒粒徑取區(qū)間0.03～0.60m之間的高斯分布。由于實(shí)際上在爆破的過(guò)程中是一直存在水流的作用，為了便于簡(jiǎn)化分析，假定水流對(duì)爆渣的沖刷是從爆破完成后才開(kāi)始的，并將水流作用簡(jiǎn)化為速度施加在邊界墻上。其大小取為由謝任之潰壩理論的統(tǒng)一公示推倒出來(lái)的圍堰爆破后的水流速度。

將計(jì)算步中的70000～100000步提取出來(lái)，得到不同時(shí)刻的爆堆形態(tài)（圖4），爆堆形態(tài)的變化可以反映圍堰的沖刷過(guò)程。

由圖4可以明顯得看出，隨著沖刷時(shí)間的增長(zhǎng)，爆堆高度在逐漸降低，較初始形態(tài)有明顯下降，爆堆體積也有所減小。利用軟件中的輸出坐標(biāo)命令，可以得到計(jì)算步時(shí)結(jié)束后，在定義的邊界內(nèi)的顆粒數(shù)目約為870，而建模時(shí)的顆粒數(shù)為2500，說(shuō)明有34.8%的顆粒尚未沖走，這個(gè)比例和經(jīng)驗(yàn)公式得到的大于40cm的大塊率值以及圍堰堆石顆粒級(jí)配里的大于40cm的比例基本吻合。

圖4 不同時(shí)刻模型爆堆形態(tài)

5 結(jié)論

根據(jù)圍堰拆除爆破中幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，結(jié)合爆渣啟動(dòng)流速與爆渣塊度的關(guān)系，確定了實(shí)現(xiàn)水流沖渣所對(duì)應(yīng)的爆渣特征塊度。通過(guò)設(shè)計(jì)合理的圍堰拆除爆破參數(shù)，使爆渣處于實(shí)現(xiàn)水流沖渣所需的爆破塊度。理論分析及數(shù)值模擬結(jié)果表明，爆渣特征塊度控制在40c m以下時(shí)，在爆破參數(shù)、水力學(xué)參數(shù)得到良好控制的情況下，可實(shí)現(xiàn)水流沖渣，滿足圍堰爆破形成缺口的要求，達(dá)到分洪的目的。