某引水工程取水口圍堰和預(yù)留巖坎拆除爆破

孫云峰，李 沖，孟 濤，易清元

(中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，長(zhǎng)沙 410014)

1 工程概況

某引水工程位于湖南省內(nèi)，分近期(一期)、遠(yuǎn)期(二期)、遠(yuǎn)景(三期)建設(shè)。其中，近期按30萬(wàn)t/d設(shè)計(jì)，按40萬(wàn)t/d校核[1]。一期工程從已建水庫(kù)開鑿隧洞，凈水采用重力直流方式，輸送到供水城區(qū)。工程于2016年1月1日開工建設(shè)，工期為36個(gè)月，投資約為12億元。建設(shè)內(nèi)容包括取水口及引水隧洞、凈水廠和輸水管道3部分。已建水庫(kù)正常蓄水位282.50 m，死水位239.50 m，正常蓄水位相應(yīng)庫(kù)容81.20億 m3，死庫(kù)容28.70億 m3，為多年調(diào)節(jié)水庫(kù)。

本工程取水口布置在水庫(kù)右岸，采用岸塔式取水口，分別設(shè)置有攔污柵、疊梁閘門、檢修閘門等，取水口塔體底板高程243.00 m，頂高程296.50 m。在施工期，取水口建筑物采用預(yù)留巖坎加混凝土圍堰方式進(jìn)行擋水[2]。擋水圍堰級(jí)別為4級(jí)，按全年施工進(jìn)行擋水設(shè)計(jì)，洪水標(biāo)準(zhǔn)采用1 000年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)水庫(kù)水位286.500 m，相應(yīng)洪峰流量為15 000 m3/s。

圖1 取水口圍堰和預(yù)留巖坎Fig.1 Cofferdam and reserved rock ridge of water intake

2 工程難點(diǎn)

1)水下爆破部分深度較深。根據(jù)已建水庫(kù)1942年～2011年共70年徑流系列月徑流調(diào)節(jié)計(jì)算成果，水庫(kù)多年平均水位274.00 m，約有35年可蓄至正常蓄水位282.50 m或汛期防洪限制水位281.50 m，根據(jù)全年1～12月中3月份的水庫(kù)水位最低，約有45年的3月份降至年消落水位271.50 m附近運(yùn)行。根據(jù)已建水庫(kù)5年一遇徑流下水庫(kù)各月最高水位統(tǒng)計(jì)分析，全年1～12月中3月份的水位最低，其水位為272.00 m，由此確定預(yù)留巖坎頂高程為272.50 m，比3月份的最高水位略高。若遇水庫(kù)多年平均水位274.00 m，圍堰和預(yù)留巖坎共計(jì)33.00 m處于該水位以下，水下爆破部分深度較深。

2)預(yù)留巖坎拆除方量大。圍堰和預(yù)留巖坎總高度46.00 m，預(yù)留巖坎縱剖面近似為梯形，形成梯形形狀較“胖”，底部最寬約76.78 m，對(duì)應(yīng)的頂部寬約14.00 m，且受兩側(cè)岸坡及底部三面約束。巖坎本身巖性為堅(jiān)硬的花崗巖，中間溝槽夾制作用大，拆除困難。圍堰和預(yù)留巖坎總方量約為2.1萬(wàn)m3，拆除方量較大。

3)周邊的建筑物保護(hù)難度大。預(yù)留巖坎距離本工程的取水口塔體較近，其下游坡腳距塔體上游邊緣最小距離為8.00 m。取水口塔體后邊坡為一高陡邊坡，高約80 m，覆蓋層和全風(fēng)化的厚度較深，預(yù)留巖坎距離取水口邊坡亦較近，最小水平距離約39 m。爆破時(shí)需關(guān)閉閘門，閘門、攔污柵等金屬結(jié)構(gòu)的保護(hù)難度大。另外，預(yù)留巖坎毗鄰已建大壩，距大壩右壩頭直線距離約460 m，距二級(jí)放空洞最近處約255 m，距右岸帷幕最近處距離為200 m。因此距離已建大壩的重點(diǎn)部位均較近，預(yù)留巖坎爆破時(shí)引起的振動(dòng)可能對(duì)已建大壩產(chǎn)生影響[3]。

4)預(yù)留巖坎一次性爆破時(shí)需降低水庫(kù)水位，已建電站的電能損失較大。已建水庫(kù)為多年性調(diào)節(jié)水庫(kù),水庫(kù)庫(kù)容巨大。若預(yù)留巖坎采取一次性拆除爆破，遇已建水庫(kù)水位較高時(shí)需降低水庫(kù)水位，已建電站的電能損失巨大，當(dāng)采用已建大壩閘門下泄方式降低水位時(shí)，平均電量損失約為3億度。

5)爆破時(shí)，巖坎淹沒水深較深，對(duì)火工品材料的性能和爆破網(wǎng)路要求高。因?yàn)閹r坎開挖揭露的地質(zhì)條件、水庫(kù)運(yùn)行水位、巖坎的形狀與周邊環(huán)境的復(fù)雜情況，所以在巖坎拆除過(guò)程中，對(duì)火工品材料的性能、起爆網(wǎng)路的可靠性有著極高的要求。

3 爆破方案

3.1 爆破范圍

本次拆除將左、右側(cè)縱向圍堰保留，僅圍堰頂部高程由287.00 m降至283.00 m，橫向圍堰全部拆除。預(yù)留巖坎位于取水口塔體前面，其開挖完成后近似一條引水渠，渠道斷面上部為梯形、下部為矩形。引水渠沿塔體中心線全長(zhǎng)約84.80 m。渠道底部高程介于241.00～242.00 m之間，底寬8.50 m。圍堰和預(yù)留巖坎拆除爆破平面范圍如圖2所示。

圖2 圍堰和預(yù)留巖坎拆除爆破范圍Fig.2 Demolition blasting scope of the cofferdam and reserved rock ridge

3.2 爆破前的必要條件

取水口塔體后接引水隧洞，引水隧洞設(shè)置了2條施工支洞，其出口接凈水廠。為確保工程安全和防洪、度汛的要求，取水口塔體施工完成后，檢修閘門下放至取水口塔體閘門的門槽，并啟閉運(yùn)行和驗(yàn)收，之后再進(jìn)行混凝土圍堰和預(yù)留巖坎的拆除爆破。

3.3 爆破分區(qū)

混凝土圍堰和預(yù)留巖坎拆除爆破方案采用自上而下的分層、分區(qū)爆破方案。根據(jù)預(yù)留巖坎穩(wěn)定分析成果，預(yù)留巖坎高程272.50 m以下部分適當(dāng)削薄[4]，以降低巖坎的拆除難度。圍堰及巖坎拆除總高度46.00 m，從287.00 m到241.00 m共分6個(gè)區(qū)進(jìn)行分區(qū)拆除[5]，圍堰和預(yù)留巖坎拆除爆破分區(qū)如圖3所示。

圖3 圍堰及預(yù)留巖坎拆除爆破分層分區(qū)Fig.3 Demolition blasting layered and zoned in the cofferdam and reserved rock ridge

1)在確保圍堰和預(yù)留巖坎穩(wěn)定情況下，第Ⅰ區(qū)為巖坎外部削薄部分，從水庫(kù)側(cè)向取水口塔體側(cè)拆除爆破。

2)第Ⅱ區(qū)為高程287.00 m到272.50 m之間橫向圍堰，拆除高度14.50 m。

3)第Ⅲ區(qū)為高程272.50～260.00 m范圍內(nèi)巖坎，拆除高度12.50 m。該區(qū)拆除方量較大，是爆破的重點(diǎn)。

4)第Ⅳ～Ⅵ區(qū)為高程260.00～241.00 m范圍內(nèi)巖坎，拆除高度為19.0 m，共分3個(gè)區(qū)，拆除高度分別為6.0、6.0、7.0 m。

3.4 爆破設(shè)計(jì)

3.4.1 第Ⅰ區(qū)(巖坎外部削薄部分)

1)主爆孔爆破參數(shù)。根據(jù)裝藥要求，鉆孔孔徑不小于90 mm，孔距1.5 m，排距1.5～2.0 m。炸藥單耗1.3～1.7 kg/m3，炮孔采用袋裝砂填塞，填塞長(zhǎng)度1.0～1.4 m。

2)采用非電接力式起爆網(wǎng)路，控制最大單段起爆藥量不大于100 kg。

3)爆破器材。對(duì)炸藥的基本要求是：炸藥密度大于1 100 kg/m3，炸藥爆速大于4 500 m/s，做功能力大于320 mL，猛度大于16 mm，殉爆距離大于2 倍的藥徑。藥卷采用乳化炸藥。乳化炸藥具有抗水(5 d)、抗壓(3 kg/cm2)性能，起爆、傳爆性能好。導(dǎo)爆索采用防水型導(dǎo)爆索。

3.4.2 第Ⅱ區(qū)(橫向圍堰)

第Ⅱ區(qū)為混凝土圍堰，其橫剖面上窄下寬，高度較高，因此選用分層爆破方案，即自上而下分層爆破。由于斜孔控制難度大，采用垂直鉆孔方式，共分5層(見表1)。

表1 混凝土圍堰拆除分層

1)圍堰拆除時(shí)單響藥量不大于27.7 kg。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)所得炸藥單耗K取0.25 kg/m3，并根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。單個(gè)炮孔裝藥量為0.9 kg。

2)裝藥結(jié)構(gòu)。當(dāng)鉆孔深度L≥1.5W(W表示最小抵抗線)時(shí)，應(yīng)采用分層裝藥，L=(2.6～3.7)W時(shí)，單孔裝藥量Q分為3層裝藥，分別為上部0.25Q，中部0.35Q，下部0.4Q。

3)網(wǎng)路布置(見圖4)?？變?nèi)雷管采用MS15，孔間雷管采用MS2，排間雷管采用MS5。

圖4 網(wǎng)路布置Fig.4 Layout of the network

3.4.3 第Ⅲ區(qū)(巖坎)

1)主爆孔爆破參數(shù)

a)鉆孔孔徑?？紤]到巖坎的巖石堅(jiān)硬，為便于后期水下清渣，采用φ70 mm乳化炸藥，鉆孔孔徑選取φ90 mm。

b)孔距和排距。預(yù)留巖坎分左右兩部分先后進(jìn)行拆除。左側(cè)部分的傾斜孔距2.0 m，排距1.0 m。右側(cè)部分主爆孔的排距為2.0 m×2.0 m。預(yù)留巖坎兩側(cè)上、下游邊坡手風(fēng)鉆淺孔孔、排距為1.0 m×1.0 m，手風(fēng)鉆淺孔與主爆孔之間孔距1.5 m，排距1.0 m。

c)爆堆形狀和爆破塊度。因?yàn)轭A(yù)留巖坎拆除立足于水下機(jī)械挖渣，所以一方面要使爆渣具有適合挖渣的塊度，另一方面要使爆堆具有合理的堆積體型，不至于過(guò)度飛散，不利挖渣。最大爆破塊度按50～60 cm設(shè)計(jì)，主體塊度分布在30～40 cm間，由于細(xì)顆粒在水下并不方便撈渣，因此小于10 cm的細(xì)粒料控制不超過(guò)5%。因?yàn)閲呒邦A(yù)留巖坎為檢修閘門下閘關(guān)門爆破，不需要爆破瞬間的水流沖渣，因此不限定爆堆的最低高程，以最適合機(jī)械清渣的爆堆形狀和爆堆位置來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。又由于采用迎水面首先起爆的開口方式，受水壓影響，向前的拋擲有限，因此爆堆以原地堆積為主。

d)炸藥單耗。巖坎基巖為燕山期侵入巖—中粗粒花崗巖，堅(jiān)硬均一。正常的花崗巖巖石破碎單耗為0.5～0.6 kg/m3；爆渣的平均塊度按30～40 cm 控制，所需要的單耗為0.8～1.0 kg/m3；考慮迎水面的壓渣及水壓條件影響，按目前的孔、排距，炸藥單耗在1.0～1.5 kg/m3之間。同時(shí)根據(jù)KUZ-RAM塊度預(yù)報(bào)模型[6]，主體塊度按照0～40 cm控制時(shí)，底部基巖的炸藥單耗也應(yīng)大于1.5 kg/m3，考慮取水口有很多保護(hù)物，所以選取炸藥單耗為1.5 kg/m3。

按此炸藥單耗，爆渣的平均塊度可控制在30～40 cm之間，此塊度的爆渣為水下機(jī)械清渣提供了方便。

2)裝藥結(jié)構(gòu)

a)主爆孔裝藥結(jié)構(gòu)。主爆孔采用φ70 mm乳化炸藥連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，在裝藥段1/3 和2/3 處各設(shè)置1發(fā)非電高精度雷管起爆。

b)光爆孔裝藥結(jié)構(gòu)。兩側(cè)邊坡及后邊坡光爆孔采用φ32 mm乳化炸藥不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，線裝藥密度600 g/m左右，孔口填塞1.0 m，采用雙股防水導(dǎo)爆索將φ32 mm乳化炸藥藥卷綁扎在竹片上成串裝的裝藥結(jié)構(gòu)，孔內(nèi)放1發(fā)非電高精度雷管起爆。

c)單孔裝藥量。單孔裝藥量由于孔深和填塞長(zhǎng)度變化較大，最小單孔裝藥量?jī)H1.2 kg，最大單孔裝藥量為54 kg。

d)填塞長(zhǎng)度。對(duì)于孔、排距為2.0 m×2.0 m的炮孔，填塞長(zhǎng)度取2.0 m，用黃泥或袋裝砂進(jìn)行填塞。

3)起爆網(wǎng)路

起爆網(wǎng)路采用高精度非電復(fù)式起爆系統(tǒng)?？變?nèi)起爆雷管選擇1 025 ms延時(shí)雷管，排間傳爆雷管選擇42 ms的雷管。

4)巖坎兩側(cè)邊坡炮孔爆破參數(shù)

為確保巖坎兩側(cè)邊坡穩(wěn)定，在巖坎左右兩側(cè)布設(shè)1排預(yù)裂孔，鉆孔孔徑φ90 mm，排距均為1.0 m(見圖2)。采用φ45 mm 震源藥柱連續(xù)裝藥，水深超過(guò)6.0 m時(shí)，可不填塞。

3.4.4 第Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ 區(qū)(巖坎)

采用垂直鉆孔方式，孔徑定為φ90 mm，爆堆形狀和爆破塊度與第Ⅲ區(qū)的要求相同，炸藥單耗亦取1.5 kg/m3，孔、排距為2.0 m×2.0 m，超深1.5～2.0 m。炸藥為高密度、高威力的銨梯型震源藥柱，根據(jù)孔深，各孔內(nèi)連續(xù)裝φ70 mm的高密度銨梯型震源藥柱，避免對(duì)藥柱進(jìn)行切割。為保證孔內(nèi)裝整節(jié)數(shù)的藥柱，靠近孔口位置不裝藥。采用非電導(dǎo)爆管雷管起爆網(wǎng)路，為了確保每個(gè)孔的準(zhǔn)爆，每孔裝2發(fā)非電導(dǎo)爆管雷管。

巖坎兩側(cè)邊坡炮孔爆破參數(shù)同第Ⅲ區(qū)一樣。

4 爆破施工

2017年8月1日～2017年12月10日，預(yù)留巖坎第Ⅰ區(qū)拆除爆破。在施工中，第Ⅰ區(qū)根據(jù)水深、水下地形、爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)和方便清渣等因素被分成若干個(gè)小塊先后進(jìn)行爆破和清渣。施工內(nèi)容主要有水下爆破和水下清渣。水下爆破施工工藝主要為：水下鉆孔、裝藥、填塞、連線及起爆。

1)定位。施工前進(jìn)行嚴(yán)格的水下鉆孔施工技術(shù)交底。按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行鉆孔測(cè)量定位并編號(hào)，監(jiān)理工程師復(fù)測(cè)合格后開鉆。

2)鉆孔。采用潛孔鉆機(jī)，鉆頭在套管內(nèi)鉆孔，達(dá)到設(shè)計(jì)深度后采用測(cè)斜儀及時(shí)對(duì)鉆孔角度進(jìn)行校對(duì)，以糾正偏差，確保鉆孔質(zhì)量。若出現(xiàn)異常現(xiàn)象，立即停止鉆進(jìn)。確定處理方案，處理完畢后，重新鉆孔。

3)裝藥、填塞。驗(yàn)孔合格后將準(zhǔn)備好的藥柱裝入孔內(nèi)，裝完后檢驗(yàn)炸藥是否到位，檢驗(yàn)合格后進(jìn)行填塞，填塞長(zhǎng)度1.0～1.5 m。

4)聯(lián)網(wǎng)、移船、起爆。待爆破區(qū)的爆破孔聯(lián)網(wǎng)后，移動(dòng)水面上工作船，撤至安全區(qū)并引爆。

水下清渣施工工藝主要流程為：搭建水下清渣平臺(tái)、布纜絞錨定位、下斗挖渣、石渣裝駁、運(yùn)輸卸渣。具體的施工是先將6.0 m×3.0 m×1.5 m的鋼制浮箱吊運(yùn)至施工水域，并進(jìn)行水面拼裝(組裝成施工船舶)，再用25 t旋轉(zhuǎn)吊配2 m3梅花挖石抓斗至船上集渣斗內(nèi)，然后用10 t塔機(jī)吊運(yùn)至岸上10 t自卸汽車內(nèi)，運(yùn)至棄渣場(chǎng)堆棄。

2018年8月15日，取水口混凝土塔體澆筑完成，檢修閘門安裝調(diào)試完成并驗(yàn)收，因此圍堰具備拆除條件。第Ⅱ區(qū)的混凝土圍堰進(jìn)行了拆除爆破，拆除高度14.50 m。本區(qū)為陸地爆破和陸地清渣。陸地清渣是先用長(zhǎng)臂鉤機(jī)清渣及轉(zhuǎn)運(yùn)(1 km之內(nèi))，再用短臂鉤機(jī)進(jìn)行裝車。

第Ⅲ區(qū)由于拆除工程量較大，以取水口塔體中心線(順?biāo)飨?為界分成左右側(cè)兩部分。爆破時(shí)水庫(kù)水位約為267.00 m，低于預(yù)留巖坎頂高程272.50 m，故預(yù)留巖坎的鉆孔和裝藥在干地施工，爆破完成后水下清渣。爆破施工工藝主要為：施工前準(zhǔn)備→設(shè)計(jì)布孔→測(cè)量定位→鉆孔→裝藥→填塞→連線→起爆。清渣施工工藝同第Ⅰ區(qū)的工藝。2018年8月16日～2018年8月29日，本區(qū)右側(cè)部位先行拆除爆破，之后進(jìn)行了水下清渣。2018年10月10日～2018年10月30日，預(yù)留巖坎本區(qū)左側(cè)部位拆除爆破，之后進(jìn)行了水下清渣。

2019年3月10日～2019年5月30日，第Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ區(qū)相繼拆除爆破和水下清渣。施工過(guò)程中已建水庫(kù)水位約為267.50～269.00 m。

5 振動(dòng)監(jiān)測(cè)與飛石控制

1)振動(dòng)監(jiān)測(cè)。混凝土圍堰和預(yù)留巖坎爆破時(shí)，在取水口和附近的已建大壩共布置有13個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)[8]。其中在取水口邊坡高程296.00 m馬道、取水口塔體疊梁門庫(kù)門槽分別布置了振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別布置在已建大壩部位。爆破前在各測(cè)點(diǎn)埋設(shè)儀器。

在圍堰和預(yù)留巖坎拆除爆破的同時(shí)，完成了相應(yīng)的爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，取水口邊坡高程296.00 m馬道監(jiān)測(cè)的爆破振動(dòng)速度為0.63～3.79 cm/s，取水口塔體疊梁門庫(kù)門槽監(jiān)測(cè)的爆破振動(dòng)速度為0.59～4.23 cm/s，均小于爆破振動(dòng)速度控制值10 cm/s；右岸二級(jí)放空洞啟閉機(jī)房監(jiān)測(cè)的爆破振動(dòng)速度為0.03～0.37 cm/s，小于爆破振動(dòng)速度控制值5 cm/s；其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)未觸發(fā)或監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)小于爆破振動(dòng)速度控制值。

2)飛石控制。在巖坎拆除爆破施工時(shí)，為防止巖坎拆除過(guò)程中的滾石和水石流(水和爆炸的混合物)沖擊取水口塔體，在塔體前豎向布置簡(jiǎn)易疊梁門[7]。簡(jiǎn)易疊梁門從塔體底部高程242.00 m到高程290.00 m進(jìn)行布置，其結(jié)構(gòu)為鋼框架竹排結(jié)構(gòu)。鋼框架采用工字鋼和槽鋼焊接組成。鋼框架里面鋪設(shè)一層竹跳板，竹跳板表面(迎水面)鋪設(shè)兩層土工布。在簡(jiǎn)易疊梁門安裝完成后，采用20 mm 厚的橡膠墊充填在簡(jiǎn)易疊梁門與塔體攔污柵邊墻之間，減弱疊梁門對(duì)塔體混凝土的擠壓破壞。

為減弱巖坎爆破時(shí)對(duì)塔體產(chǎn)生的水平方向作用力，在巖坎和塔體之間的空腔從塔體底部高程242.00 m到高程272.00 m充填細(xì)砂。拆除爆破完成后利用泵進(jìn)行抽砂和轉(zhuǎn)運(yùn)。

6 結(jié)語(yǔ)

1)本工程取水口混凝土圍堰和預(yù)留巖坎拆除爆破經(jīng)歷一年多時(shí)間的精心施工，嚴(yán)格執(zhí)行拆除爆破方案，控制爆破參數(shù)和優(yōu)化爆破網(wǎng)路，爆破時(shí)進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，安全有效地完成了拆除爆破，達(dá)到了預(yù)期的目的。

2)在爆破施工中保證了周邊建筑物的安全，同時(shí)確保了按期取水。

3)由于取水口混凝土圍堰和預(yù)留巖坎總高度大，位于大型水庫(kù)的岸邊，預(yù)留巖坎水下淹沒深度較深，因此選擇分層分區(qū)爆破方案，從而解決了拆除爆破時(shí)水庫(kù)水位較高而不需人為降低水庫(kù)水位的難題。