某調(diào)水工程水庫內(nèi)取水口施工方案探討

劉萬浩，李 婷，劉 亮，范軼君

(湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院，湖北 武漢 430070)

湖北省十堰市中心城區(qū)水資源配置工程自潘口水庫取水，設(shè)計流量6.7 m3/s。取水口位于距潘口水庫大壩直線距離約7.5 km的庫區(qū)右岸岸坡，取水口設(shè)攔污柵、檢修閘門、工作閘門，工作閘門后為連接段，連接段后為明流輸水洞。取水建筑物級別為3級，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇、校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇；輸水隧洞成型斷面尺寸3.0 m×3.5 m(寬×高)。工程總工期40個月。輸水線路進口側(cè)平面布置見圖1。

進水口底板高程為327.50 m，進水口采用豎井式，豎井進水口為單孔，孔口凈寬3.0 m，檢修平臺高程363.00 m；進水口前設(shè)攔污柵，孔口尺寸5.0 m×7.7 m；攔污柵后接連接隧洞，隧洞斷面尺寸3.0 m×3.5 m；連接段后為豎井閘室段，閘室段長10.0 m、底板厚1.3 m、邊墩厚1.5 m、胸墻及邊墻厚0.6 m；檢修平臺以上為啟閉機房，采用排架支撐；進水塔后設(shè)長20.0 m的消力池漸變段，消力池池深0.8 m、池寬3.0 m、底板厚0.8 m，漸變段后接引水隧洞。進水口縱剖面見圖2。

圖1 輸水線路進口側(cè)平面布置圖

圖2 進水口縱剖面圖

1 施工導(dǎo)流方案

本工程取水口導(dǎo)流建筑物級別為5級，相應(yīng)設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為洪水重現(xiàn)期10～5年(土石類)，導(dǎo)流建筑物位于水庫庫內(nèi)，為安全考慮取上限10年一遇標(biāo)準(zhǔn)。取水口所在的潘口水庫正常蓄水位為355.0m，死水位330.0 m，進水口設(shè)計底高程327.5 m，位于水庫死水位以下。擬定全年圍堰方案、預(yù)留巖埂方案兩個導(dǎo)流方案進行比選。

1.1 全年圍堰方案

該方案擬在進口施工一道全年圍堰保護進水口作為全年工作面全年施工。圍堰對應(yīng)水位為全年10年一遇洪水位355.0 m，圍堰頂高程設(shè)置為356.0 m，為便于防滲墻施工頂寬設(shè)置為6 m，兩側(cè)邊坡1∶2，圍堰填筑料采用取水口啟閉平臺上部開挖石渣料填筑，最大垂高約44 m，為圍堰穩(wěn)定考慮垂直方向上每隔10 m設(shè)置一道2 m寬平臺，圍堰基礎(chǔ)為6 m厚砂卵石層，用雙排高壓噴射防滲墻防滲。

1.2 預(yù)留巖埂方案

設(shè)計結(jié)合主體工程布置、地質(zhì)條件等因素在全年圍堰方案上研究預(yù)留巖埂方案，但若按全年10年一遇洪水位355.0 m設(shè)置巖埂，則主體工程進水口平面布置受到極大影響：開挖量巨大，高邊坡處理難度高，需完全截斷現(xiàn)有主干道032縣道；該巖埂高約28 m，底寬約52 m，無論高度和厚度均對后期爆破拆除造成極大影響。

經(jīng)與本工程相關(guān)部門溝通協(xié)調(diào)，結(jié)合潘口水庫的調(diào)度方案和近年來水庫實際水位分析，可在施工工期內(nèi)其中1年的12～4月保證水庫水位預(yù)降并保持在335.0 m，在此期間完成進水口施工內(nèi)容。為保證隧洞進口端全年施工，取水口工作面存在兩個選擇：一是直接利用主體工程豎井增加垂直運輸；二是新增施工支洞水平運輸，考慮到豎井垂直運輸效率低下，造價上也無優(yōu)勢，最終在取水口附近增加了一條約300 m長施工支洞替代其進口作為全年工作面，該施工支洞進口底高程為356 m，而施工支洞防洪標(biāo)準(zhǔn)為潘口水庫全年10年一遇洪水，對應(yīng)水位為355 m，滿足防洪要求。

預(yù)留巖埂方案導(dǎo)流時段為12～4月，巖埂頂高程設(shè)計為336.0 m，頂寬10.0 m，最大垂高約為8.5 m，外側(cè)邊坡為現(xiàn)狀巖體邊坡，內(nèi)側(cè)邊坡設(shè)置為1∶0.75，為邊坡安全計，巖埂背水側(cè)采用掛網(wǎng)噴7.5 cm厚C20聚丙烯纖維混凝土，同時設(shè)置Ф 22單根長3.0 m水泥砂漿錨桿，間排距3.0 m，梅花形布置；同時考慮到預(yù)留巖埂內(nèi)存在一定裂隙，為防滲考慮對其采用帷幕灌漿處理，灌漿孔單排設(shè)置，孔深9.5 m，深入巖埂底部1.0 m。

1.3 方案比較與選擇

全年圍堰方案與預(yù)留巖埂方案相比，優(yōu)勢是進水口工作面可保留，不需要額外增設(shè)施工支洞，施工時段不受水庫洪水位影響無需協(xié)調(diào)各方對水庫水位預(yù)降，可全年施工。缺點是填筑與防滲工程量大，施工難度大，造價高，施工周期長影響工程總工期，且由于圍堰體型巨大占壓水域面積過多影響水庫周邊楊二姐溝等水系泄洪。

預(yù)留巖埂的優(yōu)缺點則恰好相反，但其還存在水下爆破拆除難度大、施工時段受到限制、需要對水庫水位進行調(diào)度協(xié)調(diào)等缺點。

經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟等方面綜合比較后，結(jié)合國內(nèi)同類型項目和最新的施工技術(shù)成果，最終推薦采用預(yù)留巖埂方案。

2 巖埂拆除爆破與防護方案

根據(jù)選定的預(yù)留巖埂方案，取水口施工完畢后，需要對巖埂進行拆除，擬在爆破前將取水口與巖埂之間的基坑預(yù)充水，采取水中靜壓爆破的方式[1]：參考同類型項目預(yù)留巖埂拆除爆破方案[2]，擬采用底部預(yù)裂爆破成縫，斜孔松動爆破拆除的方案，該方案爆破時可以形成較為平整的爆破面，減少爆破對進水口結(jié)構(gòu)的影響，改善進口水流條件。

水平向預(yù)裂孔：在基坑內(nèi)側(cè)巖埂坡腳進口328.0 m高程布置一排水平預(yù)裂孔，孔深20 m，間距1.0 m。水平預(yù)裂孔炮孔直徑105 mm，堵塞長度2 m；炸藥采用Ф 32 mm藥卷，底部加強段采用Ф 50 mm藥卷。

豎直向傾斜孔：在巖埂頂部布置9排傾斜炮孔，孔口間排距1.0 m，孔底間距2.0 m。爆破拆除區(qū)主爆孔炮孔直徑110 mm，堵塞長度3 m；炸藥采用Ф 70 mm藥卷。

預(yù)留巖埂爆破孔布置示意圖見圖3。

圖3 預(yù)留巖埂爆破孔布置示意圖

3 安全防護方案

3.1 安全允許爆破振動速度分析

本工程巖埂爆破為露天深孔爆破，振動頻率f在10～60 HZ，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)，本工程巖埂拆除爆破頻率安全允許爆破振動速度[3-4]分析如下：

1)保護對象為混凝土結(jié)構(gòu)，可待其達到28 d齡期后進行巖埂的爆破拆除，安全允許爆破振動速度范圍為8～10 cm/s；

2)保護對象有水工隧洞，安全允許爆破振動速度范圍為8～10 cm/s；

3)保護對象有永久性巖石高邊坡，安全允許爆破振動速度范圍為8～12 cm/s。

考慮工程重要性，本工程安全允許爆破振動速度取8 cm/s。

3.2 爆破振動安全允許距離

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)，爆破安全允許距離按下式計算：

R=(K/V)1/α×Q1/3

式中：K、α分別為爆破點至被保護對象間地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，根據(jù)本工程地質(zhì)情況并參考同地區(qū)相鄰項目的爆破經(jīng)驗[5]，K取300，α取2.0；V為安全允許爆破振動速度，依上文取8 cm/s；Q為最大單段藥量，巖埂以結(jié)晶灰?guī)r、硅質(zhì)巖為主，按經(jīng)驗數(shù)據(jù)法[6]，爆破的單耗藥量取0.68 kg/m3，根據(jù)爆破孔分布按單孔單響考慮，測算Q約為48 kg。

經(jīng)計算，爆破安全允許距離R=22.3 m，大于現(xiàn)有建筑物距離巖埂最近距離8.1 m，由于距離較近，爆破振動及飛石而對工程建筑物影響很大，需要采取相應(yīng)的保護措施。

3.3 爆破安全防護措施

巖埂爆破時，需要重點保護的對象為取水口高邊坡、攔污柵、閘門、輸水隧洞，防范的對象為飛石、水沖擊波等。爆破飛石有害效應(yīng)分為兩種，一種是小塊石，拋射速度快，拋擲距離遠，容易造成彈射型破壞；一種是大塊石，拋擲速度慢，拋擲距離近，但由于塊徑大，重量大，也會容易造成撞擊型破壞。另外，巖埂拆除后水庫水流涌入基坑，飛石防護裝置會被水淹沒，防護裝置自身的的拆除極為不便。

結(jié)合本工程施工條件，擬采取內(nèi)剛外柔的拼裝式飛石防護裝置[7]進行防護，包括柔性墊層、剛性骨架、彈性保護層三層防護組成，剛性骨架采用工字鋼拼接而成的口字型框架，框架內(nèi)側(cè)為廢舊輪胎拼成的柔性墊層，框架外側(cè)為竹排拼成的彈性保護層。工字鋼框架左側(cè)留有滑軌，右側(cè)設(shè)連接桿；工字鋼框架下部留連接孔，上部設(shè)卡扣。

本防護裝置能夠同時防護小塊石、彈射和大塊石的撞擊，現(xiàn)場便于拼裝，爆破作業(yè)后方便從水下進行拆除，能夠有效地保護主體建筑物免受爆破飛石的破壞，同時能夠提高施工作業(yè)的效率。具體防護措施與程序如下：

1)關(guān)閉豎井閘室段的閘門，閘門上游側(cè)堆放一層袋裝土或袋裝砂；

2)巖埂頂部及內(nèi)坡面用袋裝土或袋裝砂覆蓋，在源頭上降低爆破飛石速率；

3)沿進口邊坡全斷面搭設(shè)工字鋼做骨架防護；工字鋼外鋪設(shè)一層舊輪胎做柔性墊層；舊輪胎上面鋪滿雙層竹排進行全面防護；

4)進口處在竹排外鋪4 m寬、3 m高的柔性石渣，完全覆蓋取水口洞口，降低爆破產(chǎn)生的飛石、滾石的沖擊力；

5)爆破前基坑預(yù)先充水，降低巖埂兩側(cè)水頭差，減少基坑側(cè)爆破沖擊力；

6)實施爆破前，對當(dāng)?shù)亟煌ā⑺畮焖?00 m范圍內(nèi)進行管制，避免對當(dāng)?shù)厣鐣藛T生命財產(chǎn)造成威脅。

4 結(jié) 語

在水庫內(nèi)的取水建筑物，由于設(shè)計時為提高取水保證率，其底板高程一般接近甚至低于水庫死水位，極大增加了施工難度，因此其施工導(dǎo)流方案的選擇就尤其重要，本工程全年圍堰方案受到諸多因素制約，難以實施，預(yù)留巖埂配合水庫降水的方案大大降低了圍堰施工難度和投資，且進水口附近具備條件設(shè)置一條施工支洞替代進口工作面，綜合而言選擇巖埂方案是較為合適的選擇。巖埂方案首要問題就是其爆破拆除方案必須一次完成，不能出現(xiàn)爆炸不完全甚至拒爆，影響工程正常取水，故而爆破設(shè)計應(yīng)精細可行；爆破方案擬定之后，隨之而來的就是要做好對主體建筑物的防護，本工程采取以易于后期拆除、內(nèi)剛外柔的拼裝式防護裝置為主的防護措施，能較好防護巖埂爆破產(chǎn)生的飛石及水擊波影響，其設(shè)計思路可為類似工程提供了一種可借鑒的解決辦法。