預留巖坎拆除爆破水下探查技術研究

甘孝清，胡代清，王延洪

（1.長江科學院工程安全與災害防治研究所，湖北 武漢 430010；2.湖北白蓮河抽水蓄能有限公司，湖北 羅田 438600；3.南水北調中線干線工程建設管理局河南直管建管局，河南 鄭州 450046）

0 引 言

抽水蓄能電站利用已建水庫作為下水庫時，一般采取修建臨時擋水圍堰或預留巖坎圍堰，在圍堰保護下形成基坑，待基坑內水工建筑物施工完成后爆破拆除臨時擋水圍堰。相比于其他水工圍堰，預留巖坎具有利于盡早進行出 （進）水口開挖施工、施工環節少、修建簡單、成本低等優點，在抽水蓄能電站和常規水電站擴建出 （進）水口水下施工中被廣泛采用。預留巖坎在基坑內水工建筑物施工完成后，還需進行水下拆除爆破和清挖，以滿足出（進）水口設計、運行的要求。

為減少預留巖坎拆除爆破對周邊建筑物的影響，保證爆破后的爆渣塊度能夠滿足清挖要求，爆破前需對預留巖坎開展水下地形測量和水下地質勘察，為拆除爆破設計提供準確資料。為避免殘存淤積爆渣 （包括小石、石屑、粗砂等）在抽水工況下 （尤其是在抽水蓄能電站首臺發電機組采取水泵工況進行首次啟動時）受水流作用在流道內運動，對流道和機組轉輪、葉片等過流設施、設備造成損害，爆破后需對清挖、清淤質量和效果進行檢查，為清挖、清淤施工提供技術指導和驗收依據，為流道充水和機組運行提供安全保障。當一次水下爆破后存在局部殘埂和大塊石時，還需查明殘埂和大塊石所在部位和規模，便于進行補充爆破或解爆設計。

因預留巖坎的水下爆破與水下清挖、清淤均在水下進行，常規的陸上檢查方法和儀器設備不能滿足對拆除爆破成型、塊度控制以及爆渣清挖、清淤效果等進行評價的要求，需要開展水下探查技術研究，通過采取有效手段和多種方式對拆除清挖區進行水下地形測量和水下視頻檢查，判斷拆除邊界與拆除高程是否滿足設計要求，有無影響機組運行安全的殘存爆渣和雜物，有無殘存巖埂和未爆區等。

1 預留巖坎爆破水下探查技術

1.1 水下地形測量技術

水下地形測量主要包括平面定位測量和水深測量。例如，爆堆形狀探測首先應測出每個測點的平面位置和爆堆頂部水深，在測得爆堆頂部距水面的深度d后，再由測量時的水面高程HW可以推算出爆堆頂部高程H=HW-d。得到測點的平面位置和高程后，可以繪制出三維水下地形圖。

平面定位測量方法包括斷面索定位法、前方交會法、極坐標法、無線電定位法、全球定位系統（GPS）以及水聲定位法等；水深測量方法包括探水桿法、吊繩法、超聲波測探儀法、水下單波束法、水下多波束法以及傳感器法等。在抽水蓄能電站預留巖坎水下地形測量中，可將平面定位方式與水深測量方式組合起來應用。如果采用水下多波束進行測量，可一次完成平面定位與水深測量。如果采用其他測深方法，則需采用平面定位方式加以配合。對于探水桿法和吊繩法水深測量方式，可結合斷面索定位法和前方交會法使用；對于超聲波測探儀法和單波束法，可結合前方交會法和GPS使用；對傳感器測深法，可結合水聲定位法使用。

1.2 爆破及清挖、清淤效果探查技術

爆破及清挖、清淤效果探查通常采用水下視頻檢查的方法。水下視頻檢查的方法與手段比較簡單，主要是通過水下攝像設備，在水下照明設備的配合下，對水下爆渣、水下雜物等進行拍攝并記錄，通過視頻資料對水下爆破效果和清挖、清淤效果進行直觀分析判斷。水下攝像可由兩種方式完成，一種是水下機器人下潛拍攝；另外一種是通過潛水員手持水下攝像機，攜帶水下照明設備進行拍攝。水下機器人自身配備有照明設備和攝像設備，并且可以進行水下定位，實行24 h不間斷作業；潛水員雖然可以拍攝到水下情形，但無法進行水下定位，且單次水下作業時間不能太長。兩種方式比較，水下機器人更具有優勢。

1.3 預留巖坎地質勘察

預留巖坎在勘察設計階段一般會有比較粗略的地質資料，但在進行拆除爆破設計時宜進行更為詳細的補勘。預留巖坎地質詳勘可采用鉆孔取芯、地質井下錄像和地球物理探測等方法，因鉆孔取芯法成本較高，建議采用后兩種方法。

地質井下錄像法可利用已成形的爆破孔，將地質井下錄像系統探頭放入鉆孔內進行地質鉆孔孔壁全方位360°高精度成像、裂隙自動追蹤、巖性識別和鉆孔方向定位，經后處理形成三維地質圖?？捎糜陬A留巖坎地質勘察的地球物理探測技術主要包括地質雷達法、瑞雷波法、電磁波CT層析成像法、高密度電法以及跨孔聲波法等。

2 工程實例

2.1 工程概況

湖北白蓮河抽水蓄能電站下水庫出 （進）水口預留巖坎頂高程91.5 m，巖坎上部混凝土子圍堰堰頂高程93.9 m，巖坎底板開挖原設計高程為68.0 m，預留巖坎高度23.5 m。預留巖坎剖面見圖1。圍堰拆除長度約190 m （堰頂），拆除最大縱深水平長度約為59 m，爆破拆除鉆孔長度約1.6萬m，爆破約3.6萬m3，耗用炸藥約39 t。

圖1 下庫出 (進)水口預留巖坎剖面 （單位：m）

2.2 爆渣分布情況水下調查

將爆渣分為4大類型：①較碎塊體：粒徑基本在30 cm以下；②一般塊體：粒徑以30 cm以下為主，少量夾雜30～60 cm粒徑塊體；③較大塊體：粒徑60～100 cm；④大塊體：粒徑大于100 cm。4種類型爆渣見圖2。4類爆渣塊體中，以較碎塊體和一般塊體為主，約占總量的88%左右，較大塊體約占總量的10%左右，大塊體約占總量的2%左右。從錄像資料可以看出，爆堆內緣 （堰內）以較碎塊體和一般塊體為主，夾雜少量較大塊體，基本無大塊體；爆堆外緣 （堰外）以較大塊體和大塊體為主。從清挖施工的角度來看，第一次水下調查時爆堆內緣及堆頂等大部分部位的爆渣可以滿足當前設備清挖要求，爆堆外緣的部分大塊石需要采取專門的措施予以清挖。

圖2 4種類型爆渣

2.3 爆堆形狀水下探查

分析水聲定位系統和水下機器人水深測量系統的數據，可得到爆渣堆積區的水下地形，見圖3。未清挖爆堆的內緣坡度約30°～40°，未清挖爆堆的外緣坡度約35°～45°，外緣坡度略高于內緣坡度。

圖3 爆渣堆積區水下地形

2.4 爆破殘埂水下探查

從水下調查的錄像可以看到，在下庫出 （進）水口左岸存在一定范圍的未爆區。未爆區巖體現狀見圖4。未爆區巖體在鄰近區域爆破能量的作用下，巖體本身的裂隙和結構面有所松動和張開，但仍然無法采用現有設備進行清挖，需進行二次水下爆破。

根據水下調查得到的視頻錄像以及水聲定位數據，可以得到未爆區的平面位置及規模 （見圖5），據估算，未爆巖體約為2 000 m3。

2.4 清挖效果水下探查

爆渣及淤泥全部清挖完成后的水下地形見圖6。清挖高程可以滿足設計要求。

2.5 流道清淤水下探查

圖4 未爆巖體現狀

圖5 未爆區平面示意

圖6 清渣完成后的水下地形 （單位：m）

圖7 1號攔污柵前清渣情況

流道清淤的部分成果見圖7，清淤前流道內存在約20～30 cm厚的浮灰、小碎石和雜物。清淤完成后，流道內較為干凈，能夠滿足機組正常運行的要求。

3 結 語

水下探查技術成功應用于湖北白蓮河抽水蓄能電站下水庫出 （進）水口預留巖坎拆除爆破及清挖工程。對爆渣清挖期間巖坎等進行了詳細的水下探查，取得了較清晰的影像資料和探查數據，為爆渣清挖工作和未爆區二次水下爆破等起到了較好的指導作用，為白蓮河抽水蓄能電站機組的安全運行提供了技術保障。應用實例表明，水下探查技術在抽水蓄能電站預留巖坎拆除爆破及清挖工程中是可行的，對爆破設計與清挖、清淤施工具有較好的指導作用，可應用于各類抽水蓄能電站預留巖坎拆除爆破中。

通過對多種水下測量方法與水下視頻檢查方法的對比研究，建議在清挖前和清挖完成后采用具有高精度的水下多波束系統進行水下地形測量，在清挖過程中采用吊繩法結合全站儀平面定位法進行水下地形測量；建議在清挖全過程中采用水下機器人進行水下視頻檢查。

［1］ 武漢大學信息學部.測量學［J］.武漢：測繪出版社，2000.

［2］ 何府祥.淺析幾種常用的水下地形測量方法［J］.人民珠江，1995（6）:20-22， 35.

［3］ 吳文.淺談水下地形測量技術［J］.科技資訊， 2011（21）:110-110.

［4］ 梁俊，甘孝清.水下無人探測系統在巖坎爆破效果調查中的應用［J］.長江科學院院報， 2010（2）:16-19.