水電站擴(kuò)機(jī)工程進(jìn)水口圍堰拆除設(shè)計(jì)與施工

姬學(xué)軍 劉元廣

摘要：贊：贊比亞卡里巴北岸水電站始運(yùn)營(yíng)于1976年，擴(kuò)機(jī)工程進(jìn)水口圍堰與老進(jìn)水口的最近距離只有60m，與大壩的最近距離只有180m，圍堰拆除是整個(gè)工程中的重大難點(diǎn)。在特大水庫(kù)庫(kù)容、深厚覆蓋層以及深水位的情況下，對(duì)圍堰進(jìn)行了成功的爆破拆除，為類似工程提供了借鑒和參考。

Abstract： The North Shore hydropower station in Kariba， Zambia was operated in 1976. The closest distance between the inlet cofferdam and the old intake of the expansion project is only 60m. The closest distance to the dam is only 180m. The demolition of the cofferdam is a major difficulty in the entire project. In the case of large reservoir capacity， deep overburden and deep water level， successful demolition of the cofferdam has provided reference for similar projects.

關(guān)鍵詞： 圍堰；拆除；成功

Key words： cofferdam；demolition；success

中圖分類號(hào)：TV551.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）26-0178-03

1 工程概況

卡里巴水電站處于贊比亞和津巴布韋兩國(guó)交界，具體位于贊比西河中游的卡里巴峽谷內(nèi)部，混凝土雙曲拱壩、泄洪閘、兩岸地下廠房和輸變電系統(tǒng)是其主要樞紐。其中，位于贊比亞一側(cè)的是裝機(jī)容量為60萬(wàn)kW的北岸電站，位于津巴布韋一側(cè)的是裝機(jī)容量為66萬(wàn)kW的南安電站，之后這兩座電站分別增容到了72萬(wàn)kW和75萬(wàn)kW。作為世界上需水量最大的人工湖之一，其壩高最高為128米，其壩頂長(zhǎng)為617米，水庫(kù)容量達(dá)到1840億立方米，調(diào)節(jié)庫(kù)容為640億立方米。

為了緩解電力匱乏的現(xiàn)狀，根據(jù)卡里巴水庫(kù)水能的實(shí)際蘊(yùn)藏量，贊比亞國(guó)家電力公司融資擴(kuò)機(jī)2臺(tái)18萬(wàn)kW混流式水輪發(fā)電機(jī)組。主體建筑物包括進(jìn)水口、引水隧洞、地下廠房、尾水隧洞、尾水口、母線平洞和豎井、升壓站、開(kāi)關(guān)站和降壓站等，合同采用EPC模式實(shí)施。工程于2008年11月份開(kāi)工，2014年7月份竣工，兩臺(tái)機(jī)組均按期并網(wǎng)發(fā)電；津巴布韋國(guó)家電力公司融資擴(kuò)機(jī)2臺(tái)15萬(wàn)kW機(jī)組，工程于2014年11月份開(kāi)工。

對(duì)于水電站擴(kuò)機(jī)項(xiàng)目，相對(duì)來(lái)說(shuō)，投資低，工期短，見(jiàn)效快，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施有很多便利條件。但其難點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的，既需要在施工過(guò)程中控制對(duì)原有設(shè)施的影響和損害，又要盡可能的和原有的設(shè)施緊湊布置；既要考慮新建項(xiàng)目的獨(dú)立運(yùn)行，還要兼顧對(duì)原有設(shè)備控制系統(tǒng)的接口和兼容。其中，進(jìn)水口圍堰設(shè)計(jì)、施工和拆除是土建工程部分的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。

2 進(jìn)水口圍堰

2.1 圍堰設(shè)計(jì)

進(jìn)水口圍堰位于水電站左岸庫(kù)區(qū)現(xiàn)有發(fā)電進(jìn)水口上游的發(fā)電進(jìn)水口上游的兩座山谷沖溝溝口，因?yàn)榻?jīng)過(guò)了多年的沖積，致使該區(qū)域形成了5～15m左右厚度的砂石砼混合覆蓋層。施工期利用引水明渠首部的原始巖體和覆蓋層作為擋水圍堰，并且通過(guò)高噴防滲墻對(duì)圍堰的防滲效果進(jìn)行了進(jìn)一步加強(qiáng)。引水明渠的橫斷面為上口寬約60.3m，底寬42.3m的倒梯形。左岸邊坡坡比1：0.5～1：0.75～1：1.2逐漸過(guò)渡、右岸邊坡坡1：0.5?？v向長(zhǎng)度大概65m（CH0-55～CH0-120）、高差20m（EL.468.5～EL.488.5），圍堰計(jì)劃拆除時(shí)，水位高程為EL.485.0，設(shè)計(jì)的開(kāi)挖總方量為5萬(wàn)m3。

2.2圍堰地質(zhì)條件

寒武系黑云母片麻巖、長(zhǎng)石石英巖是圍堰區(qū)域地層巖性的主要類型。黑云母片麻巖，其外形特點(diǎn)主要呈現(xiàn)出較大的囊狀和蜂窩狀塊體，其主要出現(xiàn)在長(zhǎng)石石英巖縫隙中，受風(fēng)化侵蝕較為嚴(yán)重，表層物質(zhì)主要以第四系全新統(tǒng)松散堆積物為主。工程動(dòng)工前期，首先對(duì)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行了全面鉆孔探測(cè)，其結(jié)果顯示此區(qū)域覆蓋層主要以砼塊、碎石沙土層等等為主，覆蓋層厚度達(dá)到5米左右。覆蓋層中碎石塊含量占比為5%～10%，其直徑范圍大多數(shù)在5～10cm，最大的石塊塊徑達(dá)到1米左右，石塊的成分主要為黑云母片麻巖并混有石英巖等等。此外，覆蓋層夾雜大量密集性沙土，其中以含水量較高的粗沙為主，含量達(dá)到35～40%。覆蓋層的結(jié)構(gòu)整體呈現(xiàn)松散狀態(tài)，屬中等強(qiáng)透水層。下伏基巖為黑云母片麻巖，巖體風(fēng)化深度較大、卸荷比較強(qiáng)。

2.3 圍堰拆除設(shè)計(jì)

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，進(jìn)水口圍堰設(shè)計(jì)拆除時(shí)主要分為三期進(jìn)行拆除，如圖1所示。

2.3.1 一期圍堰

CH0-55～CH0-70的區(qū)域?yàn)橐黄趪摺Ｒ黄趪呤艿竭M(jìn)水口混凝土施工未完工的影響，爆破任務(wù)所產(chǎn)生的振動(dòng)需要嚴(yán)格進(jìn)行開(kāi)工至，否則會(huì)由于過(guò)于強(qiáng)烈的振動(dòng)致使防滲墻破壞，造成大量滲水或圍堰垮塌狀況發(fā)生。一旦發(fā)生滲水或者垮塌，勢(shì)必增加工程排水費(fèi)用，甚至造成工程的停工，因此一期圍堰拆除設(shè)計(jì)過(guò)程中爆破是最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。基于此，特別委托我國(guó)水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，對(duì)工程項(xiàng)目進(jìn)行全面的計(jì)算和分析，得出可行性結(jié)果后，再進(jìn)行的拆除工程施工。

2.3.2 二期圍堰

CH0-70～CH0-86.75的區(qū)域?yàn)槎趪摺６趪叩拈_(kāi)挖高度達(dá)到了17米，施工前已經(jīng)完成了對(duì)于進(jìn)水口區(qū)域的混凝土的施工，可以進(jìn)行進(jìn)一步的爆破任務(wù)。對(duì)于二期圍堰的爆破任務(wù)主要采用的是水平孔為主的方案設(shè)計(jì)，一次性爆破完成的方式，這是主要考慮到盡量減少三期圍堰爆破開(kāi)挖量，同時(shí)保證爆破質(zhì)量。二期圍堰由于周邊建筑物保護(hù)級(jí)別較高的原因，所以對(duì)爆破網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)要求有非常高的精度和準(zhǔn)確性，施工要求非常嚴(yán)格。并且由于此次爆破特點(diǎn)放量大、炸藥量大、炮孔數(shù)量多等等因素，爆破過(guò)程中必須控制好爆破順序、爆破時(shí)間，在設(shè)定時(shí)間內(nèi)完成所有起爆，并且爆破過(guò)程不能夠出現(xiàn)重段和串段的現(xiàn)象發(fā)生?；诖耍瑸榱四軌蝽樌耐瓿杀迫蝿?wù)，采用了非洲AEL炸藥公司提供的具有安全性、高精準(zhǔn)度的數(shù)碼雷管起爆系統(tǒng)。出于對(duì)爆破可能出現(xiàn)的飛石現(xiàn)象，爆破前將圍堰基坑內(nèi)部蓄滿水以避免飛石現(xiàn)象的發(fā)生。同時(shí)，爆破時(shí)火工材料已經(jīng)全部出于水中，因此對(duì)爆破器材抗水性要求非常嚴(yán)格，在爆破前，需要進(jìn)行全面的防水性試驗(yàn)，試驗(yàn)合格才可以將火工材料投入使用。

2.3.3 三期圍堰

0-86.75～CH0-120的區(qū)域是三期圍堰。三期圍堰主要采用水下鉆爆施工。水下鉆爆施工首先要考慮安全問(wèn)題，故而采用了較為保險(xiǎn)的單排淺孔方式開(kāi)挖，并且在爆破之前要經(jīng)過(guò)安全測(cè)試，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析研究后，考慮是否增加爆破排數(shù)及孔深，爭(zhēng)取達(dá)到最佳爆破效果。鉆孔爆破完成后，通過(guò)水上抓斗船配合運(yùn)碴駁將開(kāi)挖區(qū)域內(nèi)的爆破碴體清運(yùn)至指定的棄碴地點(diǎn)。為了能夠節(jié)省爆破單響藥量，三期圍堰以分層施工為主，鉆爆與清運(yùn)交替進(jìn)行，保證鉆爆完成后能夠及時(shí)清運(yùn)完畢，使整個(gè)圍堰底部能夠達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 拆除施工

3.1 一期圍堰爆破

施工時(shí)段自2011年11月初至2011年12月底，庫(kù)水位平均為EL485.4m。一期圍堰選用的施工方式是薄層剝離、小藥量爆破、手風(fēng)鉆鉆淺孔等，鉆孔直徑Φ42mm、排距b=1.0～1.5m、孔距a=1.5～2.0m、孔深h=2～2.5m。裝藥長(zhǎng)度l=1.0～1.5m，堵塞長(zhǎng)度L=1.0m，藥卷直徑？準(zhǔn)32mm，單孔藥量Q=1.0～1.5kg，單孔單響。爆破渣體由反鏟配合15T自卸車從進(jìn)水口基坑開(kāi)挖施工道路運(yùn)至棄碴場(chǎng)。

3.2 二期圍堰爆破

施工時(shí)段自2012年1月底至2012年4月底，庫(kù)水位平均為EL486.0m。二期爆破完成后，首先采用長(zhǎng)臂反鏟配合15t自卸汽車對(duì)水面以下9m范圍內(nèi)的渣體清運(yùn)至指定的棄碴地點(diǎn)，對(duì)于水深超過(guò)9m的區(qū)域，爆渣則采用水上抓斗船配合運(yùn)碴駁進(jìn)行清運(yùn)，并運(yùn)至指定的棄碴地點(diǎn)。在清挖二期圍堰爆渣的過(guò)程中，同時(shí)也需要對(duì)三期圍堰頂部的覆蓋層全部進(jìn)行清挖，以便三期圍堰水下鉆爆施工。

3.2.1 底板及邊坡邊界的水平預(yù)裂爆破參數(shù)

采用100B潛孔鉆鉆孔，裝藥直徑為3？準(zhǔn)18mm～4？準(zhǔn)18mm，最大單孔裝藥量Q=3.5～10.6kg，孔距a=0.6m、孔深h=3～14.5m、鉆孔直徑Φ76mm，線裝藥密度q=540～720g/m，堵塞長(zhǎng)度L=1.0m，兩孔一響，最大單響藥量20.8kg。在臨近現(xiàn)有進(jìn)水口、大壩的右岸邊坡及底部10m范圍內(nèi)，預(yù)裂孔距減小為40cm，以起到減小單響藥量及加強(qiáng)隔振的作用。

3.2.2 圍堰內(nèi)水平孔爆破參數(shù)

采用100B潛孔鉆鉆孔，鉆孔直徑Φ76mm、排距b=1.5m、孔距a=1.5m、孔深h=3～14.5m，線裝藥密度q=3.714kg/m，堵塞長(zhǎng)度L=1.5m。裝藥直徑？準(zhǔn)65mm。為了減小爆破震動(dòng)對(duì)臨近建筑物的破壞，對(duì)于孔深h≥7m的爆破孔，則按一孔兩響的方式裝藥；孔深h<7m的爆破孔則采用單孔單響的方式裝藥，最大單孔裝藥量Q=41.6kg，最大單響藥量20.8kg。

3.2.3 防滲墻垂直鉆孔爆破參數(shù)

采用100B潛孔鉆鉆孔，鉆孔直徑Φ76mm、裝藥直徑？準(zhǔn)50mm、孔距a=1.0m、孔深h=7～12m。線裝藥密度q=2.0kg/m，堵塞長(zhǎng)度L=1.5m。最大單響藥量24kg，最大單孔藥量Q=24kg。（圖2）

3.3 三期圍堰爆破

初始參數(shù)：孔距a=2.0m、孔深h=5m、鉆孔直徑Φ90mm、裝藥直徑？準(zhǔn)65mm、排距b=2.0m。裝藥長(zhǎng)度l=2.2m，堵塞長(zhǎng)度L=2.8，單孔藥量Q=9kg，一次鉆孔爆破1排，單孔單響。同時(shí)為了檢測(cè)數(shù)據(jù)判斷是否萬(wàn)無(wú)一失，應(yīng)進(jìn)行爆破振動(dòng)、水擊波測(cè)試，增大鉆孔深度、排數(shù)及單孔藥量都由該項(xiàng)工作開(kāi)展。通過(guò)施工過(guò)程測(cè)試爆破振動(dòng)和水擊破，最終的爆破參數(shù)調(diào)整為單孔藥量18kg，孔深7m，一次性最多起爆2排孔。通過(guò)參數(shù)調(diào)整，不僅三期圍堰的拆除時(shí)間縮短了，也更有利于實(shí)現(xiàn)發(fā)電目標(biāo)。

3.4 水下出渣

3.4.1第一階段（聯(lián)合出渣）

2012年11月6日開(kāi)始，2013年1月25日結(jié)束，庫(kù)水位平均EL484.5m。采用三種方式相結(jié)合進(jìn)行出渣，分別是長(zhǎng)臂反鏟裝自卸汽車、長(zhǎng)臂反鏟裝運(yùn)渣船和鉆爆船上的抓斗裝運(yùn)渣船。

①長(zhǎng)臂反鏟（表1）

②鉆爆船

船體為單底、單甲板、鋼質(zhì)電焊結(jié)構(gòu)，起重船型。首部安裝GQ2516型旋轉(zhuǎn)式抓斗挖掘機(jī)一臺(tái)（起重量25t），尾部及兩舷沿舷邊安裝CQGN120型內(nèi)燃高壓船用鉆機(jī)兩臺(tái)，首尾兩舷布置移船絞車，中部設(shè)置工作用集裝箱。

主要尺度及參數(shù)（表2）：

③運(yùn)渣船

船體為單底、單甲板、單舷結(jié)構(gòu)。船底、甲板、舷側(cè)均為橫骨架式。全船設(shè)2道縱艙壁，2縱桁架。采用40馬力雅馬哈掛槳機(jī)作動(dòng)力實(shí)現(xiàn)自航，每次裝運(yùn)約80m3。采用推土機(jī)作為卸船的機(jī)械設(shè)備。

主要尺度及參數(shù)（表3）：

3.4.2 第二階段（水下鉆爆出渣）

2013年1月26日開(kāi)始，10月15日結(jié)束，庫(kù)水位平均EL485.5。

3.4.3第三階段（基坑內(nèi)清理）

2013年10月2日開(kāi)始，11月15日結(jié)束，庫(kù)水位平均EL485.0。采用自制抽砂筒清理底板和坡面上的泥砂和直徑小于200mm的石渣。抽砂筒以壓縮風(fēng)為動(dòng)力，供風(fēng)壓力不小于1.2Mpa，風(fēng)量不小于21m3/min。

4 檢查驗(yàn)收

采用潛水員和水下機(jī)器人檢查基坑底部水平面、集渣坑和斜坡段的泥沙和石渣的清理情況，通過(guò)詳細(xì)拍攝和記錄，來(lái)指導(dǎo)下一步的清理作業(yè)，也為驗(yàn)收積累了寶貴的資料。

5 起爆系統(tǒng)與震動(dòng)測(cè)試

可編程的數(shù)碼雷管、編碼器、起爆器等控制設(shè)備組成了數(shù)碼雷管起爆系統(tǒng)。編碼器負(fù)責(zé)設(shè)定數(shù)碼雷管的孔號(hào)信息，并能夠檢測(cè)數(shù)碼雷管是否完好。每個(gè)數(shù)碼雷管的位置信息都將導(dǎo)入到起爆器中，并對(duì)數(shù)碼雷管的爆破延時(shí)進(jìn)行設(shè)定，并對(duì)編碼位置、延時(shí)時(shí)間、網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)行必要的檢測(cè)校對(duì)，將錯(cuò)誤的信息進(jìn)行糾正。起爆器負(fù)責(zé)數(shù)碼雷管網(wǎng)絡(luò)的點(diǎn)火、時(shí)間精確計(jì)算和控制。

二期圍堰爆破過(guò)程中，要注意保護(hù)周邊建筑物，但是實(shí)際爆破任務(wù)進(jìn)行時(shí)由于藥量大，爆破鉆孔多，爆破過(guò)程容易產(chǎn)生振動(dòng)和水擊波，因此要嚴(yán)格進(jìn)行控制。此過(guò)程采用了南非AEL炸藥公司生產(chǎn)的DigishotTM型數(shù)碼雷管起爆系統(tǒng)。此次爆破任務(wù)中，水平預(yù)裂孔129個(gè)、水平主爆孔222個(gè)、高噴防滲墻垂直孔52個(gè)，總計(jì)403個(gè)爆破鉆孔，共使用炸藥8300kg，數(shù)碼雷管876發(fā)，導(dǎo)爆索14572m，整個(gè)爆破過(guò)程總延時(shí)為9962ms，一次性拆除開(kāi)挖總量約18000m3。其中水平主爆孔孔深若大于7m，孔內(nèi)起爆時(shí)應(yīng)分成2段，使用2束導(dǎo)爆索串聯(lián)孔內(nèi)炸藥，爆破最大單響藥量為20.8kg。二期圍堰爆破各測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的爆破震動(dòng)速度監(jiān)測(cè)值如表4。

分析表4得出，各測(cè)點(diǎn)的最大振動(dòng)速度均控制在電站區(qū)域內(nèi)業(yè)主要求的最大值范圍內(nèi)，且小于水利水電施工規(guī)范所要求的最大值，保證了爆破區(qū)周圍建筑物的正常運(yùn)行。按照環(huán)保的要求，在二期和三期圍堰爆破過(guò)程中均采取了水擊波防護(hù)和魚(yú)類的保護(hù)措施，效果良好。

6 結(jié)語(yǔ)

贊比亞卡里巴北岸水電站擴(kuò)機(jī)工程的進(jìn)水口擋水圍堰拆除施工，始于2011年11月份，在2013年11月份，歷時(shí)24個(gè)月完工。全部工程總方量達(dá)到54000方，總爆破次數(shù)達(dá)到85次以上。在施工過(guò)程中，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的控制、水擊波的控制等等相關(guān)工程操作，對(duì)進(jìn)水口都沒(méi)有造成影響，一直保持正常運(yùn)行。擴(kuò)機(jī)工程得以正常施工，與此同時(shí)，原有機(jī)組也仍能夠保持正常運(yùn)行。從而說(shuō)明所采用的圍堰拆除施工工藝、分期方式、爆破設(shè)計(jì)都是合理實(shí)用的。

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