擴(kuò)機(jī)工程進(jìn)水口開挖爆破減震與防護(hù)措施

景 通，陳彩霞（中國水利水電第十一工程局有限公司，河南鄭州 450000）

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擴(kuò)機(jī)工程進(jìn)水口開挖爆破減震與防護(hù)措施

景 通，陳彩霞
（中國水利水電第十一工程局有限公司，河南鄭州 450000）

［摘 要］文章以贊比亞卡里巴北岸水電站擴(kuò)機(jī)工程發(fā)電進(jìn)水口開挖施工為例，對擴(kuò)機(jī)工程進(jìn)水口開挖過程中為了減小水中沖擊波對閘門的影響，保證閘門安全，爆破前在閘門前加設(shè)了一道氣泡帷幕來減小水中沖擊波。但要注意的是開始應(yīng)采用低風(fēng)量向管道供風(fēng)，等管道內(nèi)的水完全排出，空氣充滿管道時，再以高風(fēng)壓向風(fēng)管供風(fēng)來達(dá)到最終的防護(hù)效果。

［關(guān)鍵詞］擴(kuò)機(jī)工程；進(jìn)水口開挖；爆破；減震與防護(hù)；措施

1　工程概述

卡里巴北岸水電站位于南部非洲贊比亞和津巴布韋兩國交界的贊比西河中游卡里巴峽谷內(nèi)，樞紐包括一座混凝土雙曲拱壩、泄洪閘、兩岸地下廠房等，其中北岸電廠位于贊比亞境內(nèi)，裝機(jī)容量60萬kW，南岸電廠位于津巴布韋境內(nèi)，裝機(jī)容量66.6萬kW。水電站大壩最大壩高128 m，水庫總庫容達(dá)1 840億m3，調(diào)節(jié)庫容640億m3，是世界上蓄水量最大的水庫之一。目前北岸電站已有的4 臺150 MW機(jī)組正常運行，但是為了解決贊比亞國內(nèi)用電匱乏的情況，決定對整個電站進(jìn)行擴(kuò)機(jī)施工，再增加2臺180 MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，因此需要對現(xiàn)有廠房進(jìn)行擴(kuò)挖施工，同時電站的進(jìn)、出水口，引、尾水系統(tǒng)等都進(jìn)行了重新開挖。

擴(kuò)機(jī)工程進(jìn)水口位于水庫庫區(qū)左岸現(xiàn)有發(fā)電進(jìn)水口上游兩座山谷的沖溝溝口，與現(xiàn)有進(jìn)水口之間的最小距離約40 m。進(jìn)水口引渠縱向長度約120 m（CH0-0～CH0-120）、垂直開挖高度32.5 m （EL.489.5以下部分），左岸邊坡開挖坡比1∶0.5～1∶0.75～1∶1.2逐漸過渡、右岸邊坡坡1：0.5，明挖工程量約9萬m3。整個進(jìn)水口引渠分兩部分進(jìn)行：第一部分長約55 m（CH0-0～CH0-55），此區(qū)域開挖主要是為進(jìn)水口混凝土施工與金屬結(jié)構(gòu)安裝提供條件；第二部分長約65 m（CH0-55～CH0-120），此區(qū)域為預(yù)留巖坎，作為進(jìn)水口開挖中的擋水圍堰，等進(jìn)水口所有施工結(jié)束后再進(jìn)行施工。為了加強(qiáng)擋水圍堰的防滲效果，在引渠開挖施工前，先對圍堰進(jìn)行了高噴防滲墻施工，其軸線樁號為CH0-87.5。由于該工程是擴(kuò)機(jī)工程，在引渠開挖時，需要穿插進(jìn)行進(jìn)水口混凝土和金屬結(jié)構(gòu)安裝施工，等到進(jìn)水口混凝土和金屬結(jié)構(gòu)安裝完成后，最后再進(jìn)行擋水圍堰拆除，所以整個進(jìn)水口引渠開挖施工經(jīng)歷的時間較長。

2　爆破過程中的減震與防護(hù)措施

為了更好更快速進(jìn)行進(jìn)水口開挖施工，同時保證現(xiàn)有發(fā)電進(jìn)水口的正常運行，確保整個擴(kuò)機(jī)工程順利推進(jìn)，就必須解決好爆破過程中爆破地震波和爆破飛石的問題。如果這個問題解決的不好或不徹底，將預(yù)示著新開挖進(jìn)水口無法進(jìn)行正常施工，從而影響到整個工程的發(fā)電目標(biāo)。

2.1爆破的減震措施

爆破振動速度是爆破作業(yè)過程中產(chǎn)生的最主要危害之一，是影響現(xiàn)有發(fā)電進(jìn)水口設(shè)施能否正常運行和爆區(qū)周邊構(gòu)筑物安全的主要因素，所以在新進(jìn)水口開挖過程中，必須采用有效的措施來減小爆破振動速度。

1）控制爆破的最大單響藥量。根據(jù)撒到夫斯基經(jīng)驗公式［2］得知，在其他條件不變的情況下，爆破最大單響藥量直接決定著振動速度，而爆破振動速度則是影響被保護(hù)構(gòu)筑物安全的主要因素。為了保證現(xiàn)有發(fā)電進(jìn)水口設(shè)備的正常運行及鄰近構(gòu)筑物的安全，確?，F(xiàn)有電廠的正常運行，就必須在擴(kuò)機(jī)進(jìn)水口爆破施工過程中，控制好每次爆破的最大單響藥量。在實施爆破作業(yè)前，先利用該工程地質(zhì)報告提供的巖石級別，初步選取k、α經(jīng)驗值，同時根據(jù)現(xiàn)有電廠要求的質(zhì)點振動速度、爆源到被保護(hù)物的距離，利用撒到夫斯基經(jīng)驗公式計算出初始的單響藥量。再根據(jù)這個計算的單響藥量，進(jìn)行爆破試驗并監(jiān)測實際爆破振動速度，利用回歸分析，修正k，α值并反推計算出單響藥量，以此作為爆破作業(yè)的最大單響藥量，用于限制后續(xù)施工的爆破藥量。同時在施工過程中對單響藥量進(jìn)行動態(tài)控制，及時調(diào)整并最終得到合理的單響藥量，用于指導(dǎo)工程施工。在整個引渠開挖時，通過對最大單響藥量的限制，確保了現(xiàn)有發(fā)電進(jìn)水口的正常運行，同時沒有對高噴防滲墻的防滲效果造成破壞，為進(jìn)水口順利開挖奠定了基礎(chǔ)。

2）采取合理的爆破方法減震。開挖過程中，為了減小爆破震動，爆破時預(yù)先采用預(yù)裂爆破將主爆區(qū)與山體分離。據(jù)資料顯示，主爆區(qū)爆破時爆破地震波通過預(yù)裂縫的緩沖與反射后可削減54%～84%［3］。主爆區(qū)內(nèi)則采用毫秒微差順序爆破的方式進(jìn)行爆破作業(yè)，通過這種方式，使先爆破的孔為后爆破的孔創(chuàng)造更好的臨空面，從而減小了爆破震動。

3）利用預(yù)先鉆防震孔的方式來有效地削弱爆破振動影響。根據(jù)圍堰施工整體方案，進(jìn)水口二期圍堰需要一次性進(jìn)行爆破，因此無論從爆破的整體裝藥量還是單孔裝藥量都是比較大的，同時二期圍堰右側(cè)與現(xiàn)有發(fā)電進(jìn)水口之間的最小距離僅40 m。所以為了防止爆破震動速度過大對附近的構(gòu)筑物造成破壞，爆破前，在二期圍堰與現(xiàn)有發(fā)電進(jìn)水口之間鉆了一排間距20 cm，孔徑90 mm的深孔（孔底部高程超過圍堰底部高程）作為防震孔，用于減小爆破震動的破壞。據(jù)資料顯示，主爆區(qū)爆破時爆破地震波通過一排防震孔緩沖后可削減35.5%［3］。

4）引進(jìn)數(shù)碼雷管及其起爆系統(tǒng)。根據(jù)圍堰施工整體方案，進(jìn)水口二期圍堰需要一次性爆破完成，一次性拆除開挖總量約18 000 m3。為了減小爆破震動的破壞，必須對二期圍堰進(jìn)行精細(xì)化爆破施工，為此項目部引進(jìn)了南非AEL炸藥公司生產(chǎn)的DigishotTM型數(shù)碼雷管起爆系統(tǒng)。二期圍堰鉆孔共計403個，使用炸藥8 300 kg，數(shù)碼雷管876發(fā)，導(dǎo)爆索14 572 m，整個爆破過程總延時為9 962 ms，最大單孔裝藥量41.6 kg［1］。當(dāng)鉆孔深度大于7 m時，按單孔兩響的方式進(jìn)行裝藥，調(diào)整后最大單響藥量為20.8 kg，小于爆破區(qū)內(nèi)允許的最大單響藥量24 kg。經(jīng)過爆破過程中震動監(jiān)測結(jié)果顯示，各監(jiān)測點的監(jiān)測值均小于卡里巴電站的允許值。

表1　二期圍堰爆破各測點監(jiān)測的爆破震動速度統(tǒng)計表［1］

2.2爆破飛石的防護(hù)措施

爆破飛石系指被爆介質(zhì)中那些脫離爆體而飛得較遠(yuǎn)的碎石。爆破飛石雖屬個別，但由于其飛行方向的不確定性和飛石距離難于準(zhǔn)確的計算，會給爆區(qū)附近的人員、建筑物和設(shè)備造成嚴(yán)重的安全威脅［4］。因此在進(jìn)水口開挖時必須防止爆破飛石對現(xiàn)有發(fā)電進(jìn)水口附屬設(shè)施及鄰近構(gòu)筑物的破壞，結(jié)合施工現(xiàn)場實際情況，通過以下方式對飛石進(jìn)行防護(hù)。

1）通過施工技術(shù)措施來有效的控制飛石。在進(jìn)水口開挖過程中，主要控制爆破飛石的技術(shù)措施有：①根據(jù)進(jìn)水口開挖區(qū)巖石的物理性質(zhì)，進(jìn)行精心的爆破設(shè)計，使飛石方向盡量按照預(yù)先設(shè)定的方向；②在能夠滿足爆破目的前提下，盡量降低單耗，控制爆破的總裝藥量，同時選用低爆速、低猛度的炸藥；③選取合理的炮孔堵塞長度，為了提高炮孔封堵質(zhì)量，盡量選用摩擦系數(shù)大、密度高的粘土堵塞炮孔。

2）對現(xiàn)有發(fā)電進(jìn)水口區(qū)域設(shè)施進(jìn)行直接防護(hù)。為了防止爆破飛石脫離預(yù)先設(shè)定的方向而飛向現(xiàn)有發(fā)電進(jìn)水口區(qū)域?qū)υO(shè)施造成損毀，施工前對有可能被飛石損壞的設(shè)施進(jìn)行直接防護(hù)，防護(hù)方法是在被保護(hù)的設(shè)施上部利用腳手架鋼管和馬道板搭設(shè)防護(hù)棚。

在進(jìn)水口引渠第一部分開挖和一期圍堰開挖過程中，主要采用以上兩種方式進(jìn)行飛石的防護(hù)，并且取得了較好的效果。

3）利用水下爆破控制爆破飛石。根據(jù)施工方案，二期圍堰需要一次性爆破拆除，因此整體裝藥量大，所以產(chǎn)生的爆破飛石也可能較多，加之二期圍堰與現(xiàn)有發(fā)電進(jìn)水口之間的距離近，為了減少爆破飛石的破壞，二期圍堰采用了水下爆破方式。爆破前，需要預(yù)先在圍堰內(nèi)側(cè)充水，使爆區(qū)充分埋入水下，同時堰內(nèi)水位略高于堰外水位。從圍堰爆破過程來看，水下爆破基本不產(chǎn)生明顯的飛石，對爆破飛石的控制非常明顯。

2.3進(jìn)水口底板混凝土的防護(hù)措施

由于二期圍堰底部高程比進(jìn)水口區(qū)域底板混凝土表面高出11 m，所以爆破時碴體會直接滑落至底板混凝土表面，對混凝土面造成破壞，因此在爆破施工前采用下部擺放水囊、水囊上部鋪沙子、水囊與沙子中間加鋪塑料篷布的方式對混凝土表面進(jìn)行防護(hù)。

2.4爆破水中沖擊波的防護(hù)措施

由于進(jìn)水口二、三期圍堰為水下爆破，且二期圍堰爆破方向朝向進(jìn)水口閘門，為了減小水中沖擊波對閘門的影響，保證閘門安全，爆破前在閘門前加設(shè)了一道氣泡帷幕來減小水中沖擊波。氣泡帷幕的工作原理是：在藥包與所需保護(hù)對象之間鋪設(shè)一道或多道氣泡帷幕，當(dāng)水中沖擊波傳播到達(dá)帷幕時，在不斷上升的氣泡表面產(chǎn)生漫反射，同時水中沖擊波壓縮氣泡，使得大部分能量消耗于氣泡的壓縮過程中，穿過氣泡帷幕后的水中水中沖擊波壓力大大降低，從而起到保護(hù)目標(biāo)的作用［5］。據(jù)相關(guān)資料顯示，采用一道氣泡帷幕，就能消減水擊波峰值壓力70%以上［3］。在該工程爆破過程中氣泡帷幕的制作方法如下：采用75 mm的黑色硬質(zhì)PVC管，順著進(jìn)水口兩側(cè)和底部固定好，在底部水平段PVC管上采用電鉆鉆孔徑為1.5 mm的孔，間距為10 cm，單排孔，孔口朝上，PVC管兩端和空壓機(jī)相連。爆破前打開空壓機(jī)供風(fēng)，由于風(fēng)壓作用使氣體不斷沿鉆孔溢出到達(dá)水面，就形成了氣泡帷幕。但要注意的是開始應(yīng)采用低風(fēng)量向管道供風(fēng)，等管道內(nèi)的水完全排出、空氣充滿管道時再以高風(fēng)壓向風(fēng)管供風(fēng)來達(dá)到最終的防護(hù)效果。

3　結(jié)語

贊比亞卡里巴北岸水電站擴(kuò)機(jī)工程EL489.5以下進(jìn)水口引渠爆破開挖，從2010年1月份開始，到2013年10月份結(jié)束，總施工時間為46個月，總方量90 000多m3。施工過程中無論從爆破減震措施還是飛石、水中沖擊波的防護(hù)措施都取得較好效果，確保整個開挖施工的順利進(jìn)行，同時保證了現(xiàn)有發(fā)電進(jìn)水口的正常運行，為整個擴(kuò)機(jī)工程的按期發(fā)電創(chuàng)造了條件。

［參考資料］

［1］景通.水電站擴(kuò)機(jī)工程擋水圍堰拆除施工［J］.陜西水利，2014（5）：66～67.

［2］郭進(jìn)平，聶興信主編.新編工程爆破實用技術(shù)大全［M］.北京：光明日報出版社，2002：1846.

［3］張正宇等著.現(xiàn)代水利水電工程爆破［M］.北京：中國水利水電出版社，2003：147～232.

［4］邵必林，惠鴻斌.拆除爆破飛石產(chǎn)生的原因與防護(hù)措施［J］.西安礦產(chǎn)學(xué)院學(xué)報，1998，18（3）：280～282.

［5］李澤華，白春華等.氣泡帷幕減弱水中沖擊波強(qiáng)度的研究［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報，1999，9（5）：69～73.

［中圖分類號］TV551.4+2

［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］B

［文章編號］1002－0624（2016）02－0020－02

［收稿日期］#2015-10-17