中部引黃工程取水口預(yù)留巖坎圍堰拆除爆破設(shè)計(jì)

袁江霞，許毓才

(山西省中部引黃工程建設(shè)管理局，太原 030000)

0 引 言

中部引黃工程是山西省“十二五規(guī)劃”大水網(wǎng)建設(shè)中一項(xiàng)重要的工程，工程自天橋水電站庫區(qū)取水，供水范圍包括四市十六個(gè)縣。設(shè)計(jì)取水流量23.55 m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程200 m，總裝機(jī)99 MW。取水口位于天橋水電站樞紐上游約380 m處庫區(qū)左岸，為岸邊塔式無壓引水。該部位岸坡較陡，背靠禹保沿黃公路，出露的地層主要為奧陶系中統(tǒng)峰峰組下段厚層泥灰?guī)r，巖性軟弱。順?biāo)鞣较蛞来螢閿r污柵段、漸縮段和工作閘門段。

天橋庫區(qū)常年運(yùn)行水位834.00 m，取水口設(shè)計(jì)開挖最低高程為824.00 m，澆筑后底板頂面高程為826.00 m。因受地形、水情及外部條件等限制，為便于施工，取水口施工前期采用預(yù)留巖坎形成圍堰，巖坎布置三排鋼管樁進(jìn)行加固?，F(xiàn)取水口施工完成，需對圍堰進(jìn)行拆除。圍堰頂高程為835.80 m，橫剖面底寬13.75 m，最厚處5.59 m，呈倒懸。本次對進(jìn)水塔前13.2 m寬的巖坎進(jìn)行一次性爆破拆除。擬拆除至高程825.00 m，爆破方量約為1 150 m3。

1 巖坎拆除難點(diǎn)

巖坎拆除要求爆破產(chǎn)生的沖擊波不能對取水口周邊永久建筑物和省道產(chǎn)生危害，又必須保證一次性爆破成功[1]。此次爆破的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在：

(1)巖坎距天橋大壩主廠房、控制室320 m，距天橋生活區(qū)48 m，距S249省道15 m，距取水口閘門6.5 m，必須嚴(yán)格控制爆破范圍，保證爆破振動在允許范圍內(nèi)。

(2)天橋庫區(qū)運(yùn)行水位在830～833 m之間，巖坎部分在水位線以下，爆破時(shí)應(yīng)充分考慮水流對爆破效果的影響，且盡量避免渣塊進(jìn)入庫區(qū)。

(3)為保證巖坎穩(wěn)定性，前期采用3排Φ219鋼管樁(共計(jì)54根，鋼管壁厚10 mm，內(nèi)注M25砂漿)進(jìn)行加固，間排距1.5 m，梅花形布置，并進(jìn)行了固結(jié)灌漿，增加了巖坎爆破難度。如何使鋼管樁和巖石順利分離，是爆破設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。

2 爆破拆除方案

2.1 總體方案

針對巖坎的特點(diǎn)，采用小藥量控制、整體一次性爆破的拆除方案[2]。巖坎上下游、進(jìn)水塔前各布置一排預(yù)裂孔和減震孔，避免爆破對周圍巖體和進(jìn)水塔產(chǎn)生大的擾動[3]；巖坎底部布置一排傾斜的預(yù)裂孔，傾斜角度15°，保證巖坎拆除后底部平整，避免影響進(jìn)水塔過流量；巖坎中間布置五排主炮孔，間隔裝藥。炮孔布置見圖1。

圖1 炮孔布置圖Fig.1 Blasthole arrangement

2.2 炮孔參數(shù)

2.2.1 減震孔

因巖坎上下游保留巖體地質(zhì)條件差，在爆破時(shí)盡量避免對其造成大的擾動[4]，在爆破邊界線外側(cè)0.5 m處增加一排減震孔，孔間距為0.5 m，孔深為12.5 m。進(jìn)水塔與巖坎中間布置一排減震孔，孔間距為0.5 m，孔深2 m。減震孔不裝填炸藥。

2.2.2 預(yù)裂爆破孔

為保證拆除后保留的上下游和底部巖面平整、穩(wěn)定，巖坎上下游兩端邊墻垂直孔和底板一排傾斜孔采用預(yù)裂爆破，鉆孔直徑90 mm。邊墻孔間距0.8 m，孔深10.8 m，鉆孔從進(jìn)水塔向河道鉆進(jìn)，向外呈30°角；底板孔間距0.8 m，孔深7.5 m。線裝藥密度250 g/m，堵塞長度≥1.5 m，堵塞密實(shí)，保證質(zhì)量。裝藥結(jié)構(gòu)采用不耦合間隔裝藥，炸藥使用φ32 mm乳化炸藥，不耦合系數(shù)為2.88。

2.2.3 主爆孔

沒有鋼管樁加固的區(qū)域，炮孔間距1.5 m，孔深8.65～10.97 m，炮孔排距1.2 m，共5排。

采用鋼管樁加固的區(qū)域，為了保證鋼管樁與巖石分離，在每兩個(gè)鋼管樁之間布置一個(gè)炮孔，第一排鋼管樁炮孔布置在兩個(gè)鋼管樁前方中心的位置，距離鋼管樁中心線0.3 m，第二、三排鋼管樁炮孔布置在兩個(gè)鋼管樁后方中心的位置，距離鋼管樁中心線0.3 m。

為創(chuàng)造臨空面，保證爆破效果，臨河面按加強(qiáng)拋擲爆破選取爆破單耗，內(nèi)側(cè)炮孔按松動爆破選取爆破單耗，保證鋼管樁和巖石順利分離，同時(shí)避免產(chǎn)生大的沖擊波對進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)造成大的擾動。臨河面一排為第一排，第二、三、四、五排依次靠近進(jìn)水塔方向。炮孔位置不同炸藥單耗不同，第一排炮孔單耗1.6 kg/m3，第二、三、四排炮孔單耗1.2 kg/m3，第五排炮孔單耗0.75 kg/m3。堵塞長度1.25 m。各炮孔具體裝藥情況見表1。

表1 炮孔裝藥情況Tab.1 Blasthole charge condition

為避免藥包集中導(dǎo)致爆破振動過大或爆破飛石，分散炸藥能量，單個(gè)炮孔采用間隔裝藥結(jié)構(gòu)。炮孔裝藥結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 主炮孔裝藥結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Charge Structure of main blasthole

2.3 爆渣塊度控制及預(yù)測

取水口預(yù)留巖坎部分位于天橋庫區(qū)，爆破后需進(jìn)行水下清渣，為避免渣塊入庫，保證清渣效果，需控制爆渣塊度，爆渣塊度按平均粒徑≤50 cm控制。

對于節(jié)理巖體爆破塊度，選用Kuz-Ram模型[5]用于臺階爆破平均塊度尺寸的預(yù)測，平均塊度尺寸與爆破參數(shù)及巖石性質(zhì)等有關(guān)。由于水的影響，炸藥在水中的威力有一定下降，因此需要對該模型進(jìn)行修正，通過修正的Kuz-Ram模型預(yù)測水下爆破的爆渣塊度分布。

水下爆破塊度模型公式為：

根據(jù)巖坎拆除爆破方案，考慮最不利的情況，上部裝藥情況按照單耗1.1 kg/m3，單孔裝藥量7.2 kg計(jì)算；下部裝藥情況按照單耗1.6 kg/m3，單孔裝藥量9.0 kg計(jì)算。得出爆破后爆渣平均粒徑結(jié)果見表2。

表2 爆渣平均粒徑計(jì)算表Tab.2 Calculation of average particle size of blasting slag

由表2可知，炸藥水下性能降低20%，渣塊平均粒徑最大也只有16 cm，能夠保證≤50 cm的塊度要求。

2.4 起爆網(wǎng)路

爆破網(wǎng)絡(luò)采用普通導(dǎo)爆管雷管組成的非電接力式起爆網(wǎng)路，臨空面中間開口，爆渣向開口部位拋擲的方案?？變?nèi)起爆選用高段別(MS11、MS13)雷管，孔外傳爆選用低段別(MS2、MS5)普通導(dǎo)爆管。

3 爆破安全論證

鄰水巖坎拆除爆破產(chǎn)生的有害效應(yīng)主要是爆破地震波、爆破飛石及爆炸水擊波等。根據(jù)臨近巖坎建(構(gòu))筑物特點(diǎn)和類似工程資料[6]，不考慮水擊波對保護(hù)物的影響，重點(diǎn)是爆破振動的控制。

3.1 振動安全要求分析

中部引黃預(yù)留巖坎爆破的保護(hù)范圍包括：進(jìn)水塔、閘門和攔污柵等水工建筑物，最小距離為6.5 m；天橋電站生活區(qū)和圍墻等民用建筑物，最近處48 m；發(fā)電廠中控室，約320 m。按相關(guān)爆破規(guī)程的要求[7]，閘門和閘門槽爆破安全控制標(biāo)準(zhǔn)按照10 cm/s設(shè)計(jì)，12 cm/s校核；需保護(hù)的民用建筑物的振動允許值取1.50 cm/s；對于天橋電廠中控室的振動允許值取0.50 cm/s。

3.2 爆破振動校核

爆破對建(構(gòu))筑物(保護(hù)對象)的損害一般以質(zhì)點(diǎn)振動速度衡量，質(zhì)點(diǎn)振動速度傳播規(guī)律估算公式[8]：

V=K(Q1/3/R)α

式中：V為爆破地震對建筑物地基產(chǎn)生的質(zhì)點(diǎn)垂直振動速度，cm/s；Q為齊發(fā)爆破時(shí)總裝藥量，延期爆破時(shí)取最大一段裝藥量，kg；R為從爆破地點(diǎn)藥量分布的幾何中心至監(jiān)測點(diǎn)或被保護(hù)對象的水平距離，m；K為與巖石性質(zhì)、地形和爆破條件有關(guān)的系數(shù)；α為爆破地震隨距離衰減系數(shù)。

參照本工程前期爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)和類似工程經(jīng)驗(yàn)[9]，α取1.62，K值取54。根據(jù)不同的保護(hù)對象的允許振動速度及回歸公式得到最大單段藥量控制結(jié)果見表3。

表3 最大爆破單段藥量控制表Tab3 The maximum amount of explosives shot per delay

由表3可知，取水口巖坎爆破最大單段藥量為9.0 kg，沒有超過允許的最大單段藥量，爆破不會對需要保護(hù)建(構(gòu))筑物造成有害影響。

3.3 防護(hù)設(shè)施

閘墩、門槽及進(jìn)水塔底板上掛設(shè)橡膠輪胎和鋪設(shè)竹跳板，防止飛石破壞閘門及門槽。爆破前天橋水電站暫停機(jī)組運(yùn)行，防止爆破石渣隨水流進(jìn)入機(jī)組，對機(jī)組造成破壞。起爆網(wǎng)絡(luò)連接過程中對接力雷管等進(jìn)行固定，完成后用裝沙的編織袋進(jìn)行覆蓋，保證網(wǎng)絡(luò)在傳爆過程中不被破壞。

4 結(jié) 語

(1)本次爆破過程中未見飛石，爆破網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)爆率達(dá)100%，未對周邊建筑物造成破壞，未破壞閘門密封性。爆破巖坎破碎均勻，總體效果較好。

(2)采用減震孔、預(yù)裂孔和主炮孔相結(jié)合、小藥量分段裝藥、起爆網(wǎng)絡(luò)延時(shí)起爆不重段的一次性整體爆破拆除方案是合理有效的。

(3)嚴(yán)格控制最大爆破單段藥量，采用科學(xué)的安全防護(hù)措施，可有效控制爆渣塊度和爆破振動對周圍環(huán)境的影響。

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