發電廠房正常運行時對消力池進行爆破施工

【摘要】正在運行的電站中有很多建設較早，當時的消力池設計很短，由于泄洪及廠房發電對下游消力池的混凝土和下游巖石破壞比較嚴重，有些甚至已經影響到電站的安全，怎樣在不影響電站廠房正常發電的情況下對已經損壞的消力池進行爆破重建，就成為了關鍵問題，本文通過紅石大壩泄洪消能工改造工程對電站廠房正常發電的情況下消力池的爆破施工進行簡述，為今后正在運行的水電站消能工改造中，爆破施工提供一種思路。

【關鍵詞】發電廠房運行 消力池 石方爆破

1 工程概況

紅石水電站位于松花江上游的吉林省樺甸市，上游距白山水電站39km，下游距豐滿水電站210km。水電站溢流壩布置在右岸主河床部位，消能工采用消力戽消能形式，下游混凝土縱向圍堰將消力戽分為左右兩個消能區。左側寬44.00m，右側寬76.00m。現混凝土縱向圍堰靠近消力戽部位25.13m段，基礎及基礎以上的混凝土已破損，右側在壩軸線下60.00m部位基礎已被淘空50%以上，左側在壩軸線下58.00m部位基礎已被淘空33%。

消力戽挑坎混凝土從混凝土縱向圍堰向左3.00m～35.00m，高程從260.20m至253.00m范圍內被破壞，破壞深度1.40m～2.10m。消力戽挑坎混凝土破壞處理的措施是加長消力池長度，消能方式由戽流消能改為底流消能方式。

2 對爆破振動及飛石的要求

消力池在溢流壩的下游與大壩相連，大壩與廠房相連，消力池距離開關站僅為200m，在對消力池進行石方爆破時發電廠房正常運行，所以對消力池爆破振動和飛石的控制尤為重要，根據爆破實驗過程中對振動的監控，東北勘探設計院科研院下發的文件規定如下表：

爆破振動允許值表

部位 吊車梁垂直 #1機保護屏垂直 #1機保護屏水平 壩頂垂直 壩頂水平 中墩垂直 壩基垂直 壩基水平

允許振速 5.0cm/s 1.0cm/s 1.0cm/s 5.0cm/s 5.0cm/s 5.0cm/s 2.5cm/s 2.5 cm/s

飛石不能到達廠房和開關站，巖石爆破單耗為0.3kg/m3，混凝土爆破單耗為1.1kg/m3，。

3 爆破參數

3.1最大單響藥量

基巖開挖的最大單響藥量，主要受控于周圍各已有建筑物距離爆心的遠近及其安全振速標準，同時也受爆區的振動特點控制。由于消力池緊鄰大壩和廠房，而其開挖范圍又相對較大，不同的開挖位置，其爆心距往往變化較大；還有，各已有建筑物的安全允許振速標準也不盡相同。因此初步按以下方式提供最大單響藥量標準。

進行藥量計算時，選擇經驗公式：

（1）

式中：V--最大允許振速（cm/s）；Q--最大單響藥量（kg）；R--爆心距（m）；K--振動系數。

對（1）式進行整理，即可得到：

（2）

式中字母意義不變。

根據公式（2）及各保護對象振速控制標準，初步確定消力池右岸基巖部分地段的最大單響藥量見下表：

消力池基坑右岸部分地段爆破最大單響藥量

與大壩距離（m） 最大單響藥量（kg） 與大壩距離（m） 最大單響藥量（kg）

10～20 0.75 30～40 13

20～30 5.0 40以上 30

3.2 下游縱向圍堰爆破拆除參數

根據圍堰特點，在進行圍堰拆除設計時，將縱向混凝土圍堰分段處理，按其不同地段與大壩、廠房及開關站等已有建筑物的空間位置關系，分別選擇切割爆破、松動爆破和加強松動爆破等3種施工方案，將該圍堰從近壩段到遠壩段分為3段：即在距鼻坎5m內采用切割爆破，5m～20m段采用松動爆破，20m～105m段則用加強松動爆破。

3.3 消力戽挑坎爆破拆除參數

由于消力戽緊鄰大壩，為保證大壩安全和過程進度，采用手風鉆鉆孔和微振動控制爆破技術，并在孔底采取相應的緩沖措施的爆破設計方案；開挖前，沿設計邊界線采用人工持手風鉆進行鑿除混凝土保護層并割斷連接鋼筋，其孔網參數如下：

a）鉆孔間距0.5m，排間距0.4m，孔深為0.5m；

b）線裝藥密度為0.3kg/m（藥卷尺寸為200mm×32mm，150g/卷）；

c）裝藥前，鉆孔底部首先回填5cm～10cm的柔性材料。

4 施工方法

4.1 巖石開挖

消力池石方開挖大體分為三個階段，第一階段為巖石整體開挖，開挖厚度為3m～5m，下部留1.5m～2m的保護層。第二階段為保護層石方開挖，開挖厚度為1.2m～1.7m，下部預留0.3m的撬挖保護層。第三階段為0.3m厚撬挖保護層石方開挖。

首先將整個巖石開挖進行分區，共分37個區域進行爆破，第一階段爆破采用梯段爆破，鉆孔機械主要采用潛孔鉆及手風鉆。手風鉆鉆孔孔徑4cm，間距1.5m，排距1.0m，梅花行布置，部分爆破孔采用間隔裝藥，單耗為0.3 kg/ m3，聯線方式為簇聯；潛孔鉆鉆孔孔徑6～9cm，間距2.5m，排距2.0m，梅花形布置，爆破孔裝藥結構為連續裝藥，單耗為0.3 kg/ m3，聯線方式為簇聯；

第二階段保護層開挖厚度為1.5～2m，使用手風鉆鉆孔，鉆孔孔徑4cm，間距1m，排距0.8m，梅花行布置，裝藥結構為連續裝藥，單耗為0.3 kg/ m3，聯線方式為簇聯。

第三階段撬挖保護層石方開挖厚度0.3m，人工采用風鎬進行開挖，巖臺較厚處采用孤石爆破方法對巖臺進行爆破。

由于爆破區域距離大壩和廠房較近，爆破區域內距離大壩最遠處的最大單響藥量為30kg，距離大壩最近處的最大單響藥量僅為0.75kg，所以控制爆破振動和控制爆破飛石成為了本工程爆破的重點。

4.1.1 振動的控制及測試結果

距離大壩較近處在控制振動方面采用少裝藥，減小爆破孔的間距和排距，減小鉆孔深度，裝藥結構采用間隔裝藥，使用多段位導爆管雷管進行爆破。為了減小啞炮率，所有爆破孔的聯線方式均采用簇聯。

消力池現場爆破振動測試自2007年11月2日第一次爆破，一直持續到2008年4月5日結束。現選擇部分較典型日期的測試結果列于下表：

基坑巖石開挖爆破振動測試結果 單位：cm/s

表中，各測點的質點振速值均較小，遠小于安全允許標準。其中，在11 月25日以前（以后則轉移至上游處，其平面位置與#1機保護屏處的兩個測點接近），吊車梁測點的傳感器安裝在下游，該點距離爆心最近，在加上其自身結構的放大因素，其振速測值明顯高于其余幾個測點。在12月份的兩次測試中，受瞬時起爆藥量較小制約，各測點的振速值均很小，一般不超過0.30 cm/s；而距離爆心較遠的中控室和開關站兩個垂直測點，其振速值甚至在環境噪聲范圍以內。

從記錄到的波形圖上可以看到，爆破振動作用在建筑物的持續時間一般在 0.5s～0.8s之間，但不超過1.0s，總體上持續時間較短。下圖是2007年11月5日壩頂水平向傳感器測得的振動波形，振動持續時間大約為0.7s，但施工中實際采用雷管的分段間隔長達0.5s，爆后余震時間僅0.2s左右。

壩頂水平向測點振動波形圖

4.1.2 爆破飛石的控制

在控制爆破飛石方面采用炮被覆蓋的方法對爆破飛石進行控制，炮被材料盡量用韌性好、重量大、強度高的材料。炮被共分三層，第一層為粘土袋，第二層為樹枝，第三層為廢舊輪胎。當部分爆破孔裝藥結束并且連線完成時開始進行第一層炮被覆蓋，粘土袋內的粘土要裝滿袋子最小容積的80%，粘土袋內杜絕有小塊石等堅硬物體，當冬季施工時，粘土結塊后需要將凍實的粘土碾碎，或者采用沙袋來代替粘土袋；袋口必須封嚴，使用封口后的粘土袋將所有爆破孔堵住，手風鉆孔使用一個粘土袋即可，潛孔鉆孔需使用兩個粘土袋對孔口進行封堵，兩個粘土袋上下垂直擺放。第二層覆蓋，樹枝選用新鮮枝條，新鮮樹枝重量大，韌性好，覆蓋前先將樹枝綁扎成捆，每捆樹枝的直徑為30～40cm，這樣既能提高炮被的防飛石效果又能提高樹枝的反復使用率，如果沒有樹枝可選用草簾子代替（草簾子的防護效果較樹枝差）；樹枝覆蓋時要緊密相連，兩捆樹枝間不能留有空隙，枝條稀薄部位要進行雙層覆蓋，當爆破區域距離廠房和大壩較近時也要采用雙層樹枝作為炮被進行覆蓋。第三層覆蓋，廢舊輪胎盡量選用完整，重量較大的輪胎，完整的輪胎容易捆綁，重量較大的輪胎對飛石的防護效果較好，廢舊輪胎的體積不能過大，輪胎體積過大輪胎中間的中空面積就過大，很容易有飛石從輪胎中空部位飛出；輪胎要緊密擺放，盡量減小輪胎之間的縫隙，廢舊輪胎擺放完成后要使用鐵絲將所有輪胎捆綁連接成一體，這樣既能提高炮被的防飛石效果又能減小廢舊輪胎的損失，當所有廢舊輪胎連成一體后，采用粘土袋將輪胎之間空隙較大和輪胎中空部位較大的地方填實。

對爆破區進行炮被覆蓋時，施工人員要注意腳下的爆破聯線網絡，禁止踩踏導爆管，當導爆管的下部有巖石的棱角或巖石面較鋒利時，需在導爆管下部墊上松軟物質，如紙殼、草簾子等。

4.1.2.1石方爆破炮被覆蓋工程圖片

石方爆破施工炮被覆蓋

石方爆破施工炮被覆蓋破后的效果

4.2 原消力池挑坎混凝土拆除

原消力戽挑坎混凝土爆破施工首先進行挑坎下游側混凝土平臺及殘碎墻體爆破，然后從爆破后的豁口向兩側分別進行爆破施工，最后進行消力戽挑坎結構混凝土的爆破施工。消力戽挑坎結構混凝土拆除分段進行，分段按照原混凝土結構縫進行分段，每段分四個階段拆除；

第一階段在挑坎的開挖邊線人工采用風鎬將挑坎根部的混凝土保護層鑿除，然后將挑坎與混凝土底板的連接鋼筋割斷，使挑坎與結構建筑物斷開，減小爆破對整個壩體的振動也減小鋼筋對挑坎混凝土的束縛。

第二階段對挑坎頂部距離垂直面40cm處的混凝土保護層鑿除，然后將此處的鋼筋網割斷，使挑坎混凝土爆破時的束縛減小。

第三階段在挑坎頂部距離垂直面25cm處打一排孔，間距40cm，孔深3.6m，然后對此處進行爆破，爆破單耗為1.1kg/m3，裝藥結構為間隔裝藥，聯線方式為簇聯；爆破后將此處的鋼筋網全部割除，為消力戽挑坎爆破施工提供臨空面。

第四階段對挑坎上部高程為260.2m～258.2m的混凝土進行爆破拆除，然后對高程為258.2m～256.6m的挑坎混凝土進行爆破拆除，爆破單耗為1.1kg/m3，裝藥結構為間隔裝藥，爆破孔間距0.5m，排距0.4m，聯線方式為簇聯，爆破后底部預留0.1m保護層，最后人工采用風鎬將挑坎底部0.1m保護層鑿除。

消力戽挑坎爆破施工需要進行炮被覆蓋，炮被覆蓋方法與消力池石方爆破的炮被覆蓋方法相同。

4.2.1消力池爆破振動測試結果

基于挑坎混凝土本身屬于大壩的一部分，為防止爆破對保留混凝土造成破壞，其拆除過程中在采取微振動技術外，還嚴格限制藥量（最大單響起爆藥量為0.9kg），因此挑坎混凝土拆除振動測試的施工藥量均為0.9kg。挑坎混凝土拆除振動測試的典型測值見下表：

消力戽挑坎混凝土拆除爆破振動測試結果 單位：cm/s

測試日期 12月5日 12月6日 12月9日 12月13日 12月27日 安全允許振速

瞬時起爆藥量（kg） 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9

吊車梁垂直 0.39 0.20 0.06 0.10 0.14 5.0

#1機保護屏垂直 0.33 0.15 0.03 0.11 0.11 1.0

#1機保護屏水平 0.21 0.13 0.03 0.05 0.07 1.0

壩頂垂直 0.19 0.20 0.45 0.16 0.98 5.0

壩頂水平 0.28 0.19 0.22 0.15 0.49 5.0

中墩垂直 0.14 0.16 0.33 0.17 0.62 5.0

壩基垂直 0.09 0.10 0.53 0.09 0.56 2.5

壩基水平 0.08 0.12 0.85 0.11 0.77 2.5

挑坎混凝土拆除爆破所測得的各質點振速都比較小，吊車梁和#1機保護屏前的3個測點的振速值都不超過0.5cm/s，而距離爆心較遠的中控室和開關站2個測點則未見到爆破振動波形，始終處于環境噪聲范圍以內，因此表中沒有列出這兩個點的數據。安裝在#15～#16壩段的5個測點，其大多數情況亦不超過0.5cm/s；僅當爆心處在測點附近壩段時，其振速值可大于0.5cm/s，但仍不超過1.0cm/s。這說明消力戽挑坎拆除爆破對大壩、廠房等已有建筑物是安全的，其振速測值較小與施工藥量較小相一致。

類似地觀察振動波形，儀器記錄完整，各段位起爆的振動波形清晰完整，基本未見疊加現象，如圖所示的壩基垂向測點在12月27日波形圖。爆破振動持續時間與雷管段位間隔一致，一般在1.0s以內；爆后余振則較短，一般在0.1s～0.2s之間。

壩基垂直向測點振動波形圖

4.3 縱向混凝土圍堰拆除

縱向混凝土圍堰爆破拆除工作主要采用爆破技術兩側鉆孔爆破使其偏心失穩將其分段，分段按照混凝土原結構縫進行，然后對孤體進行二次爆破；每段混凝土分四個階段。

第一階段在縱向混凝土圍堰兩側1.2m平臺上分別打兩排孔，第一排孔距離縱向混凝土圍堰平臺垂直面1.2m，即平臺與縱向混凝土圍堰的交界處，第一排孔分兩序孔，一序孔間距0.6m，鉆孔角度為84度，孔深3.9m，二序孔布置在兩個相鄰的一序孔中間，間距0.6m，鉆孔角度為73度，孔深4.1m，縱向圍堰廠房側只有一序孔，背向廠房側有二序孔；第二排孔距離縱向混凝土圍堰平臺垂直面0.6m，間距0.6m，鉆孔角度為87度，孔深3.9m，與一序孔成梅花形布置，鉆孔完成后對背向廠房側的兩排爆破孔進行裝藥、聯線爆破。本次爆破是對縱向混凝土圍堰進行瘦身，為第三階段的鉆孔工作提供工作面。

第二階段對第一階段爆破后剩余的根部混凝土和下部巖石進行爆破，為第三階段的鉆孔提供工作面。

第三階段如附圖第三步所示進行鉆孔，詳見附圖。

鉆孔完成后對所有剩余爆破孔進行裝藥爆破，爆破時中間兩個孔內的導爆管雷管選用延遲較小的導爆管雷管先進行掏槽，然后使本段縱向混凝土圍堰偏心失穩倒地。

第四階段對倒地后的縱向混凝土圍堰進行爆破解體。整個爆破階段的單耗均為1.1kg/m3。

由于縱向圍堰距離廠房和開關站較近，所以縱向圍堰的爆破必須進行炮被覆蓋，平臺上的爆破孔采用三層覆蓋，第一層為粘土袋，第二層為樹枝，第三層為廢舊輪胎，形式與石方爆破炮被覆蓋相同；縱向圍堰的立面炮被覆蓋采用樹枝進行覆蓋，先將綁扎成捆的樹枝采用鐵絲連接起來，連接長度略長于混凝土縱向圍堰的高度，然后將上部固定在平臺上，下部自然垂下，沒有樹枝也可用草簾子代替。詳見工程圖片。

縱向混凝土圍堰的拆除

混凝土縱向圍堰爆破施工炮被覆蓋

4.3.1 縱向混凝土圍堰爆破振動測試結果

縱向圍堰拆除振動測試的典型測值見下表：

縱向混凝土圍堰拆除爆破振動測試結果 單位：cm/s

測試日期 12月8日 12月19日 12月26日 12月29日 12月31日 安全允許振速

瞬時起爆藥量（kg） 40 22 25 17 14

吊車梁垂直 0.10 0.16 0.33 0.14 0.30 5.0

#1機保護屏垂直 0.09 0.14 0.20 0.13 0.19 1.0

#1機保護屏水平 0.13 0.22 0.32 0.11 0.19 1.0

中控室垂直 0.08 — — — — 1.0

開關站垂直 0.08 0.12 0.09 0.06 0.07 2.0

壩頂垂直 0.57 0.74 1.04 0.58 1.66 5.0

壩頂水平 0.24 0.35 0.81 0.36 0.99 5.0

中墩垂直 0.45 0.62 0.66 0.36 1.00 5.0

壩基垂直 0.09 0.24 0.36 0.18 0.50 2.5

壩基水平 0.13 0.24 0.53 0.25 0.41 2.5

圍堰拆除爆破對大壩、廠房等周圍已有建筑物的振動影響較小，其中廠房和開關站內的5個測點的振速值均在0.5cm/s以內，大壩5個測點的測值亦不超過2.0cm/s，都在各自的安全允許標準以內。

在爆破振動持續時間方面，波形顯示值為0.3s～0.5s，總體上持續時間更短。這主要是因為圍堰拆除施工中雷管分段間隔較短，如圖所示的2007年12月 19日壩頂垂直向傳感器的記錄波形，振動持續時間僅0.3s，而施工中采用的雷管間隔只有0.1s。

壩頂垂直向測點振動波形圖

5 總結

本工程自爆破開始至結束共進行496炮爆破施工，采用多段位，少藥量，減小孔深，減小間距排距爆破和采用粘土袋、樹枝、廢舊輪胎進行炮被覆蓋未發生一次振動超標和飛石事件。

作者簡介：姜勇（1971- ）男，遼寧丹東人 中廣核風力發電有限公司 工程師