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黄登水电站１号导流洞进口围堰爆破拆除

日期：2015-9-29 15:28:04　来源：转载　浏览数：
　

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１　工程概况
    澜沧江黄登水电站位于云南省兰坪县境内，是澜沧江上游古水至苗尾河段水电梯级开发方案的第５级水电站。上游与托巴水电站，下游与大华桥水电站相衔接，装机容量１　９００ＭＷ。坝型为碾压混凝土重力坝。
    围堰上部高程１　４９８～１　４８０ｍ为Ｃ２０混凝土，下部高程１　４８０～１　４７３ｍ为基岩岩埂。混凝土部分迎水面为铅直，背水面按３ｍ层高设置为台阶状，台阶宽度１．９５ｍ，背水面综合坡比为１∶０．６５。围堰拆除部分顶部轴线长４３．３３ｍ，底部长２８．２６ｍ，最大堰宽１２ｍ。围堰距离进水塔较近，上游侧３．９７ｍ，下游侧０．５９ｍ。在围堰内侧进水塔左右空腔内，布置两个Ｃ２０补强混凝土块（高程１　４７３～１　４８４ｍ），在进水塔中隔墩与围堰间设置补强联系墙。
    导流洞分流是水电站施工中最重要的节点，围堰拆除成功与否是实现分流的关键，分流效果决定着大江截流的成败，黄登处于澜沧江上游河段，高山河谷，水位变幅大，流速高，大江截流极为困难。围堰拆除工程量大、工期紧张。此外，围堰距离进水塔、闸门槽等保护物距离近，尤其是进水塔，最近距离仅０．５９ｍ，是国内距离进水塔最近的大体积围堰爆破，且边墙混凝土与围堰紧密相连，堰内堆渣空间严重不足，爆破不当，极易影响周围保护物的安全。１号导流洞进口围堰布置示意见图１。

    ２　爆破方案
    ２．１　爆破难点分析
    根据围堰结构和周围的环境工况，围堰爆破属于典型的强约束水下挤压爆破，是在一种极端恶劣条件下实施的高难度爆破。主要难点如下：
    １）围堰距离进水塔和闸门槽很近，最近距离仅０．５９ｍ，爆破飞石和振动可能危及进水塔和闸门槽的安全，需要严格控制爆破有害效应对进水塔和闸门槽的危害。
    ２）围堰拆除方量大，钻孔工作量大，钻孔精度要求高，施工工期紧张，对围堰拆除施工构成了很大制约。
    ３）河床水位存在不可预知因素，河道枯期水位目前已经抬高了约１３ｍ，外部积渣量大，主体围堰拆除属于半水下爆破施工，大大增加了围堰拆除的难度。
    ４）周围环境复杂，爆破安全防护要求高。由于进口围堰距离进水塔、闸门槽较近，且围堰与边墙相连，爆破拆除时，如不采取有效的安全防护措施，在爆破振动、水中冲击波的作用下，将对进水塔及其附属结构产生巨大的冲击压力，威胁进水塔的安全。距离较近的另一个后果就是后部堆渣空间有限，外部爆渣抛掷难度大，极有可能形成淤积阻碍分流，此外围堰水下出渣难度大，只能依靠水流冲渣，爆破后江水夹带石渣冲入导流洞，会对导流洞边墙及底板造成磨损，需要严格控制爆破块度和爆堆形状，这对爆破安全提出了更严格的要求。　５）岩埂地质结构破碎，节理裂隙发育，存在不良地质缺陷，孔深又较大，钻孔成孔难度很大。容易产生钻孔不到位，影响施工精度，从而影响爆破效果。此外炮孔穿过帷幕灌浆区，漏水现象难以避免，增大了施工难度，影响成孔率，容易造成钻孔和装药不到位，影响爆破效果。
    ６）起爆网路复杂、爆破器材抗水性能要求高。网路设计及施工精度是保证爆破效果和爆破安全的关键，不仅要求按设计起爆顺序、起爆时间全部准爆，而且不允许发生重段和串段现象。由于炮孔数量多、炸药用量大，使整个起爆网路非常复杂，对炸药、起爆器材的抗水、抗压性能提出了很高的要求。
    ７）其他不可预见因素。施工一般应按设计进行，但由于不可预见因素的出现或现场条件的变化，必然会造成施工与设计不符现象。例如缓倾角水平孔，不仅可能产生漏水，有的甚至产生射流，极大增加施工难度。此外，在施工过程中还会遇到其他的一些不可预见因素，这些都可能影响钻孔质量以及后期的装药联网质量。
    ２．２　爆破拆除技术要求
    １）进水塔距离围堰最近距离不足１ｍ，爆破拆除必须保证进水塔的安全。
    ２）由于围堰距离闸门槽很近，爆破不得危及闸门槽的安全。
    ３）爆破飞石必须严格控制，不得砸坏周围的其他保护物。
    ４）爆破块度必须控制在４０ｃｍ以内，大块率不得超过５％。
    ５）爆破振动满足设计要求。
    为了满足上述要求，需要采用科学安全的爆破设计，严格控制爆破振动、爆破飞石、爆破空气冲击波和爆炸水击波，防止这些爆破有害效应对周围保护建筑物和设备造成破坏。
    ２．３　围堰拆除爆破方案选择及程序
    鉴于围堰结构复杂，距离进水塔距离过近，围堰拆除爆破的设计原则为多钻孔、高单耗、低单响。根据围堰拆除一般经验，可分为垂直孔方案和水平孔方案。垂直孔方案，只能是向前或向后抛掷爆破。但围堰前面有澜沧江水压及压渣，后有进水塔及闸门槽等保护物。前抛的约束太大，抛不动，后抛又不安全。当前后都不能抛的时候，能量必然转化成振动和冲击波，会对保护物造成严重危害。而水平孔方案是利用向上的临空面，向天空抛掷作用。能量和飞石作用的主方向是向上，对保护物的安全有利。
    垂直孔方案一般只能在堰顶钻孔，需要在堰顶有足够的钻孔平台，并且与围堰上部揭顶施工存在逻辑关系，不能并行施工，会严重影响工期。并且垂直孔爆破对建筑物影响更大，特别是该围堰距离进水塔太近，垂直孔爆破对进水塔危害较大。
    为减少爆破有害效应对进水塔及闸门槽的危害，选择水平孔爆破拆除方案。由于围堰下游侧堰体距离进水塔边墩距离太近（０．５９ｍ），下游侧引渠边墙附近少部分位置常规水平造孔无法进行，需要布置发散孔。
    综上所述，围堰主体爆破拆除的首选方案为：采用水平孔结合下游侧发散孔的布孔方案，单孔单响的高精度非电毫秒微差顺序起爆网路，预裂隔振加主动和被动覆盖进水塔、闸门槽安全防护的综合方案。
    为减少最后１次爆破方量，加强块及联系墙提前拆除。围堰共分３期进行拆除，第一期和第２期进行围堰揭顶，第３期为主体围堰爆破拆除。围堰揭顶高程根据水位流量关系及防洪标准确定，根据２０１１年３月份黄登水电站枢纽区各特征位置水位流量关系，２０１２年１０月份２０ａ一遇洪峰流量为１　５１０ｍ３／ｓ，对应导流洞进口水位高程为１　４８７．５９ｍ；１０ａ一遇洪峰流量为１　３８０ｍ３／ｓ，对应进口水位高程为１　４８７．３３ｍ。理论上围堰揭顶高程可控制在１　４８７．５０ｍ，为确保安全，留一定的安全储备，最终围堰揭顶高程确定为１　４９２ｍ。主体爆破范围为高程１　４９２～１　４７３ｍ，主体围堰爆破方量为５　８５０ｍ３。
    因此，围堰拆除程序确定为：首先进行围堰揭顶及补强结构体拆除，上述工作完成后进行堰前清渣及主体围堰高程１　４９２～１　４７３ｍ拆除。１号进口围堰施工程序见图２

    ３　围堰拆除爆破设计参数
    ３．１　围堰揭顶爆破设计
    高程１　４９８～１　４９２ｍ围堰揭顶采用手风钻造水平孔爆破拆除。采用普通塑料导爆管非电接力式起爆网路。联系墙及补强混凝土采用机械破碎方式进行。机械破碎无法完成部分采用小药量逐步拆除完成。补强混凝土与高程１　４９８～１　４９２ｍ拆除同时进行，分３层拆除。首先完成高程１　４８４～１　４８０ｍ段拆除，再完成高程１　４８０～１　４７６．５０ｍ，最后完成高程１　４７６．５０～１　４７３ｍ段拆除。联系墙与中墩交界处设减振孔１排，减振孔间距０．１ｍ，孔径５０ｍｍ。围堰揭顶与补强混凝土爆破拆除参数如下：① 炮孔直径５０ｍｍ；②采用矩形布孔；③素混凝土破碎单耗一般为０．４～０．６ｋｇ／ｍ３，取０．６ｋｇ／ｍ３；④孔网参数按１ｍ×１ｍ布置；⑤炮孔垂直布置，台阶高度３ｍ，主爆孔孔深３．３ｍ超深０．３ｍ。揭顶爆破台阶高程分别为高程１　４９８～１　４９５、１　４９５～１４９２ｍ；⑥边缘孔距临空间的距离按０．５ｍ设计；⑦主爆孔全部装３２ｍｍ乳化炸药，堵塞长度取０．６ｍ，堵塞使用袋装砂；⑧预裂孔参数：预裂孔沿原导流洞进口明渠混凝土结构面边线布置。间距０．４ｍ，倾角按坡比１∶０．３控制，孔深３．２ｍ。预裂孔炸药直径２５ｍｍ，预裂孔线装药密度０．３ｋｇ／ｍ。
    ３．２　主体围堰爆破设计
    １）炸药单耗。围堰混凝土部分和岩埂部分炸药单耗有所不同。一般素混凝土破碎单耗为０．３～０．６ｋｇ／ｍ３，该围堰爆破后要求爆渣块度控制在４０ｃｍ以下，所需要的单耗为０．６～１．２ｋｇ／ｍ３，考虑到水压条件和抛掷的需要，平均单耗在１．２～１．７ｋｇ／ｍ３之间。局部可能略大于１．７ｋｇ／ｍ３。正常的岩石破碎单耗为０．４～０．６ｋｇ／ｍ３，要求爆破块度小于４０ｃｍ，所需要的单耗约为０．８～１．２ｋｇ／ｍ３，考虑基岩有压渣及水压条件和抛掷需要，单耗选择在１．５～２ｋｇ／ｍ３之间。根据以上情况，最低单耗选为１．７ｋｇ／ｍ３，根据爆破部位的不同，抛掷的要求不同，单耗在１．７～２ｋｇ／ｍ３之间变动，底部和堰体前部约束比较大的部位，单耗值大于２ｋｇ／ｍ３。
    ２）孔网参数。主爆孔孔径１１０ｍｍ，预裂孔孔径９０ｍｍ。炮孔内分别采用９０及７０ＰＶＣ套管护孔。主爆孔装特制７５ｍｍ乳化炸药。炮孔的延ｍ装药量按Ｑ１＝４．６ｋｇ／ｍ计算。
    混凝土部分当炸药设计单耗为１．７ｋｇ／ｍ３，炮孔负担的面积为Ｓ＝Ｑ１／ｑ＝４．６／１．７＝２．８ｍ２，对应的孔间距取ａ＝１．８０ｍ，排距为ｂ＝１．５ｍ。
    为了保证后期的装药质量和炸药单耗，间排距按照偏密布置。混凝土部位孔网参数按ａ×ｂ＝１．５０ｍ×１．５０ｍ布置，在局部需要增加单耗的部位，开口部位和加强抛掷部位适当加密。
    岩埂部位同样根据炸药单耗确定基本孔间距参数，但布孔原则是自上而下逐渐加密。底板预裂孔上部第１、２排间排距取ａ×ｂ＝１．２５ｍ×１ｍ；底板预裂孔以上３、４、５排间距取ａ×ｂ＝１．５ｍ×１．２５ｍ。
    ３）布孔方式。原则上采用矩形布孔，但进水塔左孔下游侧高程１　４８６～１　４７３ｍ部分部位由于进水塔边墩占压，无法进行常规水平向主爆孔、预裂孔造孔。为保证爆破效果，该部位布置发散孔，发散孔孔底距引渠边墙０．８ｍ，开孔间距０．６ｍ，倾角及孔深根据高程及孔口变化而变化。所有炮孔下倾５°，孔底距离临空面０．８ｍ。
    ４）堵塞长度。主爆孔的堵塞长度取１．２ｍ，堵塞使用袋装砂。
    ５）预裂孔爆破参数。预裂孔间距０．８ｍ，孔底距离临空面０．５ｍ，边墙线装药密度为５００ｇ／ｍ，底板预裂孔线装药密度为６００ｇ／ｍ，堵塞长度为１ｍ，采用竹片装药，用导爆索将３２药卷绑扎成串状的装药结构。为进一步减少爆破振动对进水塔及闸门门槽的影响，在围堰与进水塔之间布置两排减振孔，减振孔孔径１２０ｍｍ，孔距０．３ｍ，排间距０．４ｍ，孔深６ｍ，梅花型布置。
    １号导流洞进口围堰炮孔布置见图３。

    ４　爆破网路设计
    网路设计原则是爆破单响药量满足爆破振动的安全要求。根据目前的设计，岩埂及混凝土下部按单孔单响设计。在单响药量严格控制的情况下，同一排相邻孔尽量不出现重段和串段现象。整个网路传爆雷管全部传爆，或者绝大部分已经传爆，第１响的炮孔才能起爆。万一同排炮孔发生重段或串段，最大单响药量产生的振动速度值不超过保护物的的爆破安全校核标准（进水塔大体积混凝土为１５ｃｍ／ｓ）。
    采用高精度非电导爆管雷管起爆系统。孔间选择１７ｍｓ做段间雷管，局部采用９ｍｓ进行间隔。排间传爆雷管的选择４２ｍｓ。孔内选择１　０００ｍｓ做延时起爆雷管，网路主起爆线选择在围堰轴线上游侧１／４处。预裂孔按超前对应位置主爆孔１５０ｍｓ～２００ｍｓ控制，此外为保证网路安全，在主起爆线路下游侧增加２条副起爆线路。按上述网路设计，最大单响药量为１０．８×４．６＝４９．６８ｋｇ，爆破网路示意图见图４。

    ５　爆破安全
    ５．１　爆破安全校核
    黄登水电站导流洞进口围堰受地形、地质条件及围堰周边建筑物的限制，围堰距被保护的建筑物很近，最小距离仅０．５９ｍ，因此爆破振动是围堰及岩埂爆破控制的重点。需保护的建筑物有闸门进水塔、闸门槽、启闭机系统、闸室混凝土等，这些保护物多为钢筋混凝土结构。ＧＢ６７２２－２００３《爆破安全规程》中未明确规定闸门及其相关系统的爆破安全振动标准。根据小湾等类似工程的经验，导流及引水洞设计地震设防烈度为８度，通过工程类比确定闸门的抗震设计标准为２０ｃｍ／ｓ，校核标准为３０ｃｍ／ｓ，其它钢筋混凝土结构物的抗震设计标准为１５ｃｍ／ｓ，校核标准为２０ｃｍ／ｓ。根据长江科学院在糯扎渡、构皮滩、深溪沟、彭水、小湾、瑞丽江等围堰爆破拆除中的经验，闸门和闸门槽的爆破抗振设计标准为１５ｃｍ／ｓ，校核标准为２０ｃｍ／ｓ，实践证明是可行的［１］。为了保守起见，在设计中爆破安全控制标准按照８ｃｍ／ｓ设计，１５ｃｍ／ｓ校核。
    关于爆破振动传播规律的Ｋ、α值，类似工程相应经验可供借鉴：小湾水电站导流洞进出口围堰：水平径向Ｋ＝５４．９，α＝１．４７；垂直向Ｋ＝１５．６，α＝０．７８；水平切向Ｋ＝１８．７，α＝０．８７。溪洛渡水电站导流洞进出口围堰的实测值：Ｋ＝１４．２，α＝０．４５３。ＧＢ６７２２－２００３《爆破安全规程》根据岩性的不同，给出了相应的参考值。以上的Ｋ、α对黄登水电站导流洞进口围堰拆除能够起到一定的参考作用，但由于不是实测取得，具有的参考作用有限。因此，在进行堰外明渠开挖爆破的时候，进行了爆破振动效应试验，根据试验成果，黄登水电站导流洞进口围堰：水平径向Ｋ＝６４．９，α＝１．５７；垂直向Ｋ＝１８．６，α＝０．７５；水平切向Ｋ＝１９．７，α＝０．８９。根据上述结果，取进水塔塔体和闸门槽两个位置进行振动速度校核，分别取Ｒ＝１．５ｍ，及Ｒ＝１１ｍ，最大单响取４０ｋｇ。根据萨道夫斯基公式

    计算得出两个位置振动速度为：
    Ｒ＝１．５ｍ时：垂直向３４．５１ｃｍ／ｓ，水平切向４１．０２ｃｍ／ｓ。
    Ｒ＝１１ｍ时：垂直向７．７４ｃｍ／ｓ，水平切向６．９６ｃｍ／ｓ。
    上述计算结果可以看出爆破振动较大，为确保进水塔及闸门槽安全，增加了辅助减震措施，在围堰与塔体间增加了两排减震空孔及水平预裂孔，可较大程度的减弱爆破振动对塔体的影响。
    ５．２　爆破安全防护
    １）在进水塔塔体及闸门槽前空腔部位全断面铺设竹跳板及棉被。竹跳板及棉被采用膨胀螺栓固定在塔体上，并由铅丝牢固绑扎。
    ２）沿闸门槽侧轨及进水塔正面设置挂帘。挂帘采用双层竹跳板，以１２钢筋作为骨架，采用铅丝绑扎固定，每块挂帘采用两根１０钢丝绳固定在进水塔高程１　５２４ｍ平台。根据类似工程经验，结合爆堆可能高度及爆破后自然休止角，确定挂帘底部高程为１　４８０ｍ，起点高程为１　４９２ｍ。主体围堰爆破结束后采用吊车配合人工将挂帘拉起。
    ３）为保护进水塔底板，对底板先铺设１层５０ｃｍ厚细沙，再满铺１层０．５ｍ厚的碎石。底槛位置先铺设１层５０ｃｍ厚细沙再加盖或者绑扎１层轮胎。对闸门槽侧高程１　４８０ｍ以下部位堆设沙袋进行防护。
    ６　实施过程及爆破效果
    开工前首先完成爆破准备工作，如附近管线的迁移、施工临时设施搭建、爆破区测量、地质勘探、周围环境了解、爆破设计、审批、火工品购买许可证办理等工作。上述工作完成后进行爆破试验，试验目的是确定爆破参数和爆破振动传播规律，对爆破设计进行检验完善。最后按确定方案进行爆破作业施工。钻孔中严格控制开孔位置和钻孔方向，确保孔深和孔向满足设计要求，当炮孔出现漏水现象时，采取一定的封堵措施，若透水量过大，则应封堵该孔，并在附近重新开孔。
    钻孔结束后进行严格的验孔，对不合格炮孔进行洗孔。
    确保炮孔全部合格后，方可进行装药爆破施工。
    该围堰拆除工程量大、工期紧、外部积渣量大、拆除水位高，距离进水塔、闸门槽近，围堰拆除难度在国内及国际上罕见。爆破拆除实际总装药量１０．５９ｔ，爆破方量５　８５０ｍ３，平均炸药单耗１．８１ｋｇ／ｍ３。爆破结束后，爆堆形状合理，爆破飞石及爆破振动没有对进水塔及闸门槽产生破坏。根据爆破安全振动监测，最大振动速度５ｃｍ／ｓ，控制在安全范围内，表面两排减震空孔起到了重要作用。起爆后立即实现分流，第２天分流率达到９５％。黄登水电站导流洞进口围堰爆破拆除取得圆满成功。