大藤峽水利樞紐工程筑島水下爆破方案設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陳佳培 任 磊 何 倩

(南京市水利建筑工程有限公司，江蘇 南京 210000)

近年來(lái)，隨著水利行業(yè)的不斷發(fā)展，原來(lái)水深條件不足的航道均需浚深。在水中、水底或水下固體介質(zhì)內(nèi)進(jìn)行的爆破施工稱之為水下爆破。水下爆破是水利工程爆破的一個(gè)重要組成部分，已廣泛應(yīng)用于水利水電、航道疏浚、水下擠淤筑堤、圍堰爆破拆除等工程領(lǐng)域。

1 工程概況

大藤峽水利樞紐工程位于珠江流域西江水系的黔江河段末端，樞紐工程任務(wù)為防洪、航運(yùn)、發(fā)電、補(bǔ)水壓咸、灌溉等綜合利用。水庫(kù)正常蓄水位61.00m，汛限水位47.60m，死水位47.60m，總庫(kù)容34.79億m3，總裝機(jī)容量1600MW，為Ⅰ等大(1)型工程。

下游引航道口門(mén)區(qū)樁號(hào)為航下2+190～航下3+861.25，尾部為轉(zhuǎn)彎段，軸線處轉(zhuǎn)彎半徑為1400m。其中航下2+190～航下2+711段設(shè)計(jì)開(kāi)挖底高程為15.35m，航下2+711～航下3+861.25段設(shè)計(jì)開(kāi)挖底高程為16.65m，兩段以1 ∶4的斜坡相接?？陂T(mén)區(qū)左側(cè)開(kāi)挖邊坡設(shè)2級(jí)馬道，馬道高程分別為25m、35m，寬度均為3m。

下引航道口門(mén)區(qū)航下2+190～航下3+248.28段左右岸開(kāi)挖邊坡需采用雷諾護(hù)墊或混凝土護(hù)坡進(jìn)行防護(hù)，在圍堰保護(hù)下形成干地施工；航下3+248.28下游左右岸開(kāi)挖邊坡不進(jìn)行支護(hù)，無(wú)圍堰保護(hù)，需進(jìn)行水下爆破施工。

2 工程地質(zhì)條件

下游引航道口門(mén)區(qū)航下3+248.28～航下3+861.25段在黔江巖灘和河床通過(guò)，地形略有起伏，地面高程一般為15～25m。開(kāi)挖區(qū)覆蓋層零星分布，主要為砂礫石，下部基巖為郁江階下段的灰?guī)r，巖溶發(fā)育。

3 水位氣象條件

3.1 氣象

黔江流域地處我國(guó)低緯度地帶，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，夏季高溫濕熱，暴雨頻繁，秋季常受臺(tái)風(fēng)入侵影響，冬季嚴(yán)寒天氣很少。

壩址附近多年平均年降水量1702.9mm，多集中于4—8月，約占總量的70%；多年平均相對(duì)濕度80%；壩址附近的桂平站多年平均風(fēng)速1.2m/s，最大風(fēng)速12m/s，相應(yīng)風(fēng)向?yàn)镾SW。

本工程位于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣溫在零度以下天數(shù)僅為2～8天，河道無(wú)結(jié)冰流凌情況。

3.2 洪水

西江流域洪水由暴雨形成，較大洪水一般每年的4月開(kāi)始，至10月結(jié)束，5—9月是暴雨洪水的多發(fā)季節(jié)，尤以6—8月最多，特大暴雨洪水主要發(fā)生在6、7兩月。施工時(shí)洪水考慮龍灘水庫(kù)的調(diào)節(jié)(見(jiàn)表1)。

表1 施工分期設(shè)計(jì)洪水成果

3.3 周邊環(huán)境

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，下游引航道口門(mén)區(qū)周邊環(huán)境復(fù)雜，爆破有害效應(yīng)控制要求嚴(yán)格，主要情況如下：

該段被爆區(qū)，距業(yè)主一期管理營(yíng)地最近距離約120m，距下游砂石加工系統(tǒng)最近距離約210m，同時(shí)，左岸岸坡坡腳處有混凝土擋墻、排水渠等建筑物，坡頂有變壓器房等臨時(shí)設(shè)施，左岸坡頂高程為44.50m，該段鉆爆平臺(tái)高程為26.50m，高差為18m，主河道還有航行船只。

4 爆破設(shè)計(jì)方案

4.1 爆破工程等級(jí)

下引航道口門(mén)區(qū)爆破為水下鉆爆爆破，一次爆破藥量控制在5～10t。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)規(guī)定，水下鉆孔爆破一次用炸藥量為1≤Q<10t時(shí)，爆破工程等級(jí)為B級(jí)。為此，本工程爆破工程等級(jí)為B級(jí)。

4.2 爆破總體施工程序

船閘下游口門(mén)區(qū)石方開(kāi)挖采用填渣鉆爆作業(yè)法進(jìn)行。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，下游引航道口門(mén)區(qū)水位常年處于25.00m以上，為保證施工安全，填渣平臺(tái)需高出水面1～2m，平臺(tái)頂部高程暫定為27.00m，回填范圍需全面覆蓋設(shè)計(jì)開(kāi)挖范圍，左岸超填出設(shè)計(jì)開(kāi)口外2～3m，右岸超填出設(shè)計(jì)開(kāi)口外3～4m，以滿足邊坡預(yù)裂爆破鉆孔及安全需要。

石方梯段爆破及邊坡預(yù)裂爆破分別采用CM351鉆機(jī)及QZJ-100B潛孔鉆跟管一次性鉆孔到位，人工裝藥，分段分區(qū)進(jìn)行爆破。石方鉆爆施工利用枯水期進(jìn)行，汛期不施工；石方挖運(yùn)可全年施工，枯水期采用長(zhǎng)臂反鏟及常規(guī)反鏟挖裝，汛期視工期情況不施工或采用抓斗式挖泥船配駁船進(jìn)行裝運(yùn)。

4.3 爆破分區(qū)

根據(jù)設(shè)計(jì)施工圖紙，下游引航道口門(mén)區(qū)航下3+248.28～航下3+398.28段底寬(高程16.65m)約100m，筑島平臺(tái)頂(高程26.50m)寬度約115m。優(yōu)先順航槽中心線掏槽形成臨空面，左右順?biāo)鞣较虬醇s150m將被爆區(qū)劃分為4個(gè)施工段，考慮各施工段橫向?qū)挾?，將各施工段?0m左右進(jìn)行橫向分區(qū)，分為5～6作業(yè)區(qū)，各作業(yè)區(qū)被爆面積約150m×10m=1500m2?，F(xiàn)場(chǎng)根據(jù)巖面線出露情況，可適當(dāng)調(diào)整被爆區(qū)規(guī)模，確保一次爆破藥量不超過(guò)10t。

4.4 爆破器材選擇

炸藥：梯段爆破采用φ90 2號(hào)巖石乳化炸藥，預(yù)裂爆破采用φ32 2號(hào)巖石乳化炸藥。爆速、爆力應(yīng)適當(dāng)提高，炸藥密度適當(dāng)加大(以綜合密度大于1.1g/cm3為佳)。

起爆：采用數(shù)碼電子雷管起爆網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)爆索入孔。

導(dǎo)爆索：采用特制高抗水導(dǎo)爆索。

4.5 鉆孔器材選擇

梯段爆破鉆孔采用CM351鉆機(jī)進(jìn)行，預(yù)裂爆破鉆孔采用QZJ-100B潛孔鉆進(jìn)行，鉆機(jī)使用前均需改裝為跟管鉆機(jī)。鉆頭采用偏心鉆頭，梯段爆破跟管鋼套筒直徑146mm，壁厚5mm，跟管內(nèi)PVC套管壁厚大于5mm，內(nèi)徑120mm；預(yù)裂爆破跟管鋼套筒直徑89mm，壁厚5mm，跟管套管采用80mm PVC管。跟管拔管采用液壓拔管機(jī)進(jìn)行。

4.6 布孔形式

根據(jù)上述分區(qū)規(guī)劃，各作業(yè)區(qū)梯段爆破為多排孔，采用梅花形布孔形式。邊坡預(yù)裂爆破采用一字形布孔方式。

考慮先爆區(qū)進(jìn)行爆破作業(yè)時(shí)，會(huì)將相鄰的后爆區(qū)域巖體破壞，影響后爆區(qū)域鉆爆施工作業(yè)，現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)實(shí)際情況，必要時(shí)在各作業(yè)區(qū)分界線處布置一排預(yù)裂孔，該預(yù)裂孔布置形式與邊坡預(yù)裂孔一致，為一字形布置。

4.7 爆破參數(shù)

下游引航道口門(mén)區(qū)航下3+248.28～航下3+861.25段水下爆破施工包括先鋒槽抽槽爆破、梯段爆破及邊坡預(yù)裂爆破。根據(jù)《新編爆破工程實(shí)用手冊(cè)》、相關(guān)規(guī)程規(guī)范及類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，主要爆破參數(shù)如下。

4.7.1 先鋒槽抽槽爆破

規(guī)劃先順航槽中心線抽槽形成臨空面，先鋒槽采用楔形掏槽方式，采用CM351鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，枯水期巖面外露水面部位可直接鉆孔爆破，水面以下部分先填渣，再跟管鉆孔爆破(見(jiàn)表1、圖1)。

表2 先鋒槽開(kāi)挖爆破參數(shù)

圖1 先鋒槽開(kāi)挖爆破設(shè)計(jì)(單位：cm)

4.7.2 梯段爆破參數(shù)

梯段爆破采用填渣作業(yè)法，鉆孔采用改裝的CM351鉆機(jī)跟管鉆進(jìn)，主要爆破參數(shù)如下：

梯段高度：H=26.5-16.65=9.85m，其中填渣厚度1～6m，本次計(jì)算取梯段高度為9m。

底板抵抗線：W=2.5m。

孔距：a=2m(見(jiàn)圖2)。

圖2 梯段爆破鉆孔平面布置

排距：b=1.5m。

孔斜：為便于施工，本工程梯段爆破采用垂直孔。局部陡坎位置處，為減少填渣工程量，可采用扇形鉆孔方式；先鋒槽周邊梯段爆破鉆孔采用扇形鉆孔將鉆孔角度逐步調(diào)整至垂直鉆孔(見(jiàn)圖5)。

圖3 梯段爆破鉆孔剖面(尺寸單位：cm)

圖4 預(yù)裂爆破鉆孔平面布置(單位：cm)

圖5 預(yù)裂爆破裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

超深：h=2～3m。

孔深：L=H+h=12～13m(見(jiàn)圖3)。

炸藥單耗：q=1.1～1.3kg/m3，根據(jù)生產(chǎn)性爆破試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整。

單孔裝藥量：Q=qawH=(1.1～1.3)×2.0×1.5×9.0=29.7～35.1kg，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際單孔裝藥應(yīng)根據(jù)鉆孔揭露巖面線高程確定實(shí)際梯段高度，以此進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)單卷藥卷重量(3kg)進(jìn)行調(diào)整。

堵塞長(zhǎng)度L2≥5.0m，其中原始地面線以下1.0～2.0m，填渣體厚度全部計(jì)入堵塞長(zhǎng)度。

裝藥結(jié)構(gòu)：采用連續(xù)裝藥方式，將導(dǎo)爆索及炸藥連續(xù)綁在竹片上，裝入炮孔內(nèi)，堵塞段采用粗砂、鉆孔巖粉堵塞，嚴(yán)禁用塊石等塊狀物體堵塞。

起爆方式：采用電子雷管起爆。

爆破最大單響藥量：Q≤300kg。

4.7.3 邊坡預(yù)裂爆破參數(shù)

邊坡預(yù)裂爆破采用改裝的QZJ-100B潛孔鉆跟管鉆孔，主要爆破參數(shù)如下：

孔徑：90mm。

孔距：a=80～90cm(見(jiàn)圖3)。

孔深：為填渣平臺(tái)頂高程至航槽設(shè)計(jì)開(kāi)挖底高程間坡面斜長(zhǎng)與超深總和，預(yù)裂爆破鉆孔超深取2.0m，則L=16.0m，其中上部部分孔段為填渣平臺(tái)鉆孔，不裝藥。故本次預(yù)裂爆破設(shè)計(jì)孔深取14.0m，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)實(shí)際鉆孔情況進(jìn)行調(diào)整(見(jiàn)圖4)。

線裝藥密度：q=400～500g/m。

單孔裝藥量：Q=qL=(0.4～0.5)×14=5.6～7.0kg，具體根據(jù)實(shí)際鉆孔情況進(jìn)行調(diào)整。

堵塞長(zhǎng)度：原始地面線以下堵塞1～2m，填渣體段全部堵塞。

裝藥結(jié)構(gòu)：采用間隔不耦合裝藥方式，將導(dǎo)爆索及炸藥綁在竹片上裝入炮孔中，堵塞段用砂子、鉆孔巖粉堵塞。

起爆方式：用電子雷管起爆。

爆破最大一段起爆藥量：Q≤50kg。

4.8 爆破網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

4.8.1 爆破網(wǎng)絡(luò)選擇

采用數(shù)碼電子雷管爆破起爆網(wǎng)路。主爆破孔最大一段起爆藥量Q≤300kg，采取6孔一響(具體可根據(jù)單孔裝藥量進(jìn)行調(diào)整)。預(yù)裂爆破孔最大一段起爆藥量Q≤50kg，采取7孔一響(具體可根據(jù)單孔裝藥量進(jìn)行調(diào)整)。

4.8.2 起爆順序

預(yù)裂爆破在主爆孔施工前單獨(dú)進(jìn)行爆破；梯段爆破從臨空面起采用排間微差起爆。

4.8.3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)布置

梯段爆破孔采用數(shù)碼電子雷管起爆網(wǎng)絡(luò)，同排孔微差間隔時(shí)間為20～30ms，排間微差間隔時(shí)間為30～60ms。

5 爆破效應(yīng)及防控措施

5.1 飛石安全距離

根據(jù)《水電水利工程爆破施工技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5135—2013)，水下爆破飛石安全距離可按下式計(jì)算：

式中L——安全距離，m；

h——水深，取8.0m；

n——系數(shù)，與地形、地質(zhì)條件有關(guān)，一般為1.0～1.3，本次計(jì)算取1.0；

Q——最大一段起爆藥量，取300kg。

帶入計(jì)算得L=138.7m。

同時(shí)，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)表10(爆破個(gè)別飛散物對(duì)人員的安全距離)規(guī)定：深孔臺(tái)階梯段爆破最小安全允許距離“按設(shè)計(jì)，但不大于200m”。

防控措施：?最小警戒范圍半徑按200m控制，設(shè)置警戒并在爆破前清場(chǎng)；?采用炮被或砂袋對(duì)被爆區(qū)域進(jìn)行覆蓋防護(hù)；?對(duì)非填渣作業(yè)區(qū)域，爆破鉆孔前需將表面沖積卵石清理干凈。

5.2 爆破振動(dòng)安全允許距離

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)，爆破振動(dòng)安全允許距離，可按下式計(jì)算：

R=(K/V)1/aQ1/3

式中R——爆破振動(dòng)安全允許距離，m；

Q——最大一段起爆藥量，取300kg；

V——保護(hù)對(duì)象所在地質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)安全允許速度，業(yè)主營(yíng)地多為磚砌房，取V=2.0cm/s；同時(shí)，被爆區(qū)左岸坡腳有混凝土擋土墻，按3～7天齡期選取V=5.0cm/s，7～28天齡期選取V=10.0cm/s；

K——系數(shù)取決于爆破地震的傳播條件(地形)和所通過(guò)介質(zhì)的性質(zhì)(地質(zhì)條件)，取值200；

a——衰減指數(shù)，主要反映爆破地震波隨裝藥量和距離的變化而變化，取值1.6。

帶入計(jì)算得R=119m、R=67.2m及R=43.5m。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，爆區(qū)周邊主要建筑物均位于該值范圍外，爆破振動(dòng)對(duì)周邊環(huán)境影響不大。

混凝土擋墻大部分距離被爆破區(qū)約50m，混凝土擋墻齡期超過(guò)7天后，爆破振動(dòng)可滿足要求，且根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，擋墻混凝土主要在2018年4月30日前施工，該時(shí)間段主要進(jìn)行先鋒槽爆破施工，為滿足振動(dòng)要求，2018年4月30日前，爆破最大一段起爆藥量按Q≤120kg控制。

防控措施：?爆破施工期間，定期對(duì)周邊保護(hù)對(duì)象采取宏觀調(diào)查方式進(jìn)行爆破安全監(jiān)測(cè)，必要時(shí)采用NUBOX-6016型智能振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，及時(shí)調(diào)整最大一段起爆藥量；?合理安排混凝土擋墻施工時(shí)段，保證大規(guī)模爆破前混凝土擋墻齡期超過(guò)7天。

5.3 水中沖擊波安全允許距離

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)，在水深不大于30m的水域內(nèi)進(jìn)行水下爆破，水中沖擊波的安全允許距離，應(yīng)遵守下列規(guī)定：

附近人員：本工程最大一段起爆藥量Q≤300kg，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)表6(對(duì)人員的水中沖擊波安全允許距離)規(guī)定，鉆孔裝藥情況下人員游泳的安全允許距離為1100m，人員潛水的安全允許距離為1400m。

附近客船：1500m。

施工船舶：木船250m，鐵船150m。

防控措施：以爆破區(qū)為中心，1500m范圍內(nèi)禁止人員游泳、潛水以及劃船；下游卸料碼頭施工船舶均為鐵船，最小距離約210m，滿足水中沖擊波安全允許距離要求，爆破水中沖擊波不會(huì)對(duì)其造成影響。

5.4 爆破涌浪計(jì)算及防控

水下爆破施工時(shí)，爆巖落水會(huì)產(chǎn)生涌浪，涌浪上岸會(huì)影響傍岸建筑物安全。根據(jù)《新編爆破工程實(shí)用手冊(cè)》，涌浪高度可參照下式計(jì)算：

式中λ——拋體前沿寬，取150m；

T——拋體厚，取15m；

L——拋體滑距，取10m；

B——拋堆水面寬，取170m；

h——水深，取10.0m；

R——距離，取200m。

帶入計(jì)算得ΔH=0.143m，即涌浪到達(dá)對(duì)岸時(shí)，涌浪高度僅為14.3cm，對(duì)岸邊建筑物基本無(wú)影響。必要時(shí)，可在需保護(hù)對(duì)象周邊水面布設(shè)防浪竹排，并連接固定。

5.5 爆破噪聲控制

盡量提高炸藥爆炸能量的利用率，減少形成空氣沖擊波的能量，從而最大限度地降低空氣沖擊波的強(qiáng)度；合理確定爆破參數(shù)，選擇合理的微差網(wǎng)絡(luò)和微差間隔時(shí)間，保證巖石能充分松動(dòng)；保證堵塞長(zhǎng)度和堵塞質(zhì)量，以防止高壓氣體從炮孔中沖出，避免因采用過(guò)小的堵塞長(zhǎng)度而產(chǎn)生沖天炮；杜絕裸露藥包爆破。

5.6 爆破粉塵控制

本工程為水下爆破，不易產(chǎn)生大量粉塵，可不采取專門(mén)措施處理。對(duì)于鉆孔粉塵，可在鉆機(jī)上安裝捕塵器進(jìn)行控制。

6 爆破警戒方案

6.1 爆破警戒點(diǎn)設(shè)置

本工程爆破警戒點(diǎn)暫定設(shè)置五個(gè)：一是業(yè)主營(yíng)地出入口處；二是爆破區(qū)下游左岸進(jìn)場(chǎng)公路300m處；三是爆破區(qū)上游左岸進(jìn)場(chǎng)公路300m處；四是爆破區(qū)外側(cè)河左岸下游岸邊2000m，警戒河內(nèi)船舶、河內(nèi)人員；五是爆破區(qū)外側(cè)河左岸上游岸邊2000m，警戒河內(nèi)船舶、河內(nèi)人員。

另外，爆破前對(duì)附近人員的告知、清場(chǎng)工作由項(xiàng)目部統(tǒng)一安排。

6.2 現(xiàn)場(chǎng)爆破公告及警戒信號(hào)

在現(xiàn)場(chǎng)合適位置布設(shè)爆破公告牌，公告牌應(yīng)包含爆破地點(diǎn)、爆破時(shí)間、警戒范圍及爆破信號(hào)等規(guī)定。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及相關(guān)協(xié)調(diào)指示，船閘爆破施工爆破時(shí)間規(guī)定如下：中午12∶10—12∶30，下午18∶10—18∶30。

6.2.1 由點(diǎn)警報(bào)器發(fā)出警戒信號(hào)

第一次三響(電警報(bào)器)為預(yù)警信號(hào)，該信號(hào)發(fā)出后爆破作業(yè)點(diǎn)周?chē)?00m開(kāi)始實(shí)施警戒，人員、設(shè)備、機(jī)械撤至安全區(qū)，對(duì)附近村莊進(jìn)行疏散、清場(chǎng)。

第二次二響為起爆信號(hào)，在確認(rèn)爆破安全區(qū)內(nèi)已達(dá)安全要求，無(wú)妨礙安全的人、機(jī)、物，具備起爆條件時(shí)發(fā)出。

第三次一響為解除警戒信號(hào)，爆破結(jié)束后，經(jīng)爆破技術(shù)人員檢查現(xiàn)場(chǎng)，無(wú)盲炮、瞎炮、無(wú)危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)發(fā)出。

6.2.2 爆破警戒其他主要規(guī)定

爆破前半小時(shí)警戒人員進(jìn)入警戒區(qū)域，實(shí)施警戒、告知、清場(chǎng)等作業(yè)； 各警戒點(diǎn)及起爆點(diǎn)之間用無(wú)線對(duì)講機(jī)聯(lián)系； 警戒完畢后，由爆破指揮中心的生產(chǎn)經(jīng)理下達(dá)起爆命令。

7 結(jié) 語(yǔ)

下游引航道口門(mén)區(qū)航下3+248.28～航下3+861.25段水下爆破開(kāi)挖于2018年3月15日開(kāi)始施工，2020年1月31日完成施工，汛期不施工。筑島平臺(tái)回填工程量11.0萬(wàn)m3，平均強(qiáng)度5.5萬(wàn)m3/月；口門(mén)區(qū)爆區(qū)總面積約為6.5萬(wàn)m2，單孔鉆孔深度約12.0m，受水位漲落影響，梯段爆破鉆孔平均強(qiáng)度約3.8萬(wàn)m/月，預(yù)裂爆破鉆孔平均強(qiáng)度約3429m/月，長(zhǎng)臂反鏟平均挖裝強(qiáng)度約5.5萬(wàn)m3/月。船閘口門(mén)區(qū)筑島水下爆破總體效果良好，爆破施工進(jìn)度滿足船閘工程總體工期進(jìn)度安排。工程實(shí)踐表明，該筑島水下爆破設(shè)計(jì)方案具有較強(qiáng)可行性，可為后續(xù)類(lèi)似工程提供相關(guān)借鑒經(jīng)驗(yàn)。