沐若水電站大壩料場規劃與施工

2015-11-28 07:58:38肖尊解陳書桂

湖南水利水電 2015年6期

肖尊解陳書桂黃勇

（中國水利水電第八工程局有限公司長沙市 410007）

1 工程概況

沐若水電站RCC 大壩混凝土總量約為166 萬m3，其中碾壓混凝土約152 萬m3，常態混凝土約14萬m3。根據大壩混凝土總方量及施工配合比并結合砂石系統生產工藝，計算生產混凝土所需毛料為174 萬m3。考慮砂巖中存在頁巖夾層及風化夾層，毛料獲得率按75%～80%計算，則毛料開采規劃量不少于232 萬m3。

2 料場規劃

2.1 鉆孔勘探

投標階段料場距離壩址較遠，且根據勘探孔資料及地形地貌分析有用毛料分布情況，開采區選在細長山脈的中部山脊砂巖埋深相對較淺的范圍，采取小范圍深坑槽的開挖規劃方案，計算開挖總量約830 萬m3，其中毛料開采255 萬m3，剝離量為575萬m3，剝采比為2.25。為遵循降低剝采比、保證開采量、環境保護好的原則，經現場勘探最終選定與原投標階段料場屬同一巖層的瀑布溝料場。

經過現場踏勘發現，左岸瀑布溝位于壩址下游直線距離約1.2 km 處的山包處。地形特征顯示，地表覆蓋第四系殘積物，表面坡度范圍在20°～60°，但在山頂及瀑布溝水流兩側直接出露砂巖塊石，部分直徑大于20 m。褶皺的沉積性巖石形成了一個多山和崎嶇的地形，山峰的高度范圍在（300～500）m。

根據規劃要求及現場實際情況，為進一步探明瀑布溝料場巖石質量、儲量及剝離量，在料場布置了縱橫兩條鉆探剖面，共計11個鉆探孔，并于2008年10月28日～2009年1月19日完成了其中9個鉆探孔施工（圖1），合計進尺919.6 m，另兩個鉆探孔PK5、PK6 由于地形較陡未能成孔。

縱剖面完成5個鉆探孔（PK7、PK8、PK2、PK9以及PK10），主要勘探了解料場有用料巖層的走向及延伸范圍；橫剖面完成6個孔（PK1、PK2、PK9、PK3、PK4 以及PK11），主要勘探了解有用料巖層厚度、傾向、傾角及分布寬度，從而分析判斷瀑布溝料場的儲量、有用料開采量及剝離量。

2.2 鉆探資料分析

（1）從大范圍來看，地表至地下150 m 內，從上至下，依次為含砂粘土層、砂巖層、頁巖層。覆蓋層沿剖面NWW-SEE 向厚度逐漸變小。覆蓋層下的砂巖層沿縱剖面延展情況較好，反映了剖面基本上是順著巖層走向布置。

（2）縱向剖面上，普遍覆蓋第四紀覆蓋層，覆蓋層厚度不大，最少2.0 m，最深33.4 m（含全風化砂巖層），平均值為16.0 m，上部巖石風化程度高。覆蓋層下的在鉆探范圍內砂巖層延展情況較好，沒有發現頁巖層。

圖1 瀑布料場地質勘探孔布置圖

砂巖普遍風化，且上部風化程度強烈，新鮮基巖硬度較大，主要礦物是石英、長石、云母，含有少量的鐵質礦物和綠泥石，礦物顆粒從細粒到粗粒不等，不同段位巖石顆粒和成分含量變化大，少有夾石，可見微細的方解石條帶。同時，初步判斷在砂巖沉積時代發生海浸海退現象，造成部分段位存在（2～3）mm 的有機夾層。

（3）橫剖面上，覆蓋層較厚，主要為粘土化強風化砂質層，砂巖層沿剖面方向延展較好，沒有發現頁巖夾層。上層砂巖風化嚴重，裂隙發育，鐵質礦物填充，下層砂巖顆粒較粗，硬度和密度較小，較破碎。砂巖層沿NWW-SEE 方向縱向延展情況較好，橫向上初步判斷砂巖層在PZK1 號控制區域內向SSW 方向轉變成頁巖層。

（4）從取芯試驗成果看，弱風化～微風化巖石，飽和抗壓強度（65～105）MPa，平均飽和抗壓強度為91.72 MPa，表觀密度>2.55 g/cm3，石料質量滿足規范要求。但由于采石場分布頁巖夾層，巖體局部完整性差，軟弱、破碎及風化物質應在開采時予以剔除，嚴格控制石料質量。

2.3 規劃設計

考慮到料場開采所需巖石的巖性、可開采量、儲量、剝離量，實際施工時瀑布溝料場沿所布置縱剖面從PZK8 號孔開始向PZK10 孔方向開采。

根據相關地質資料，初步確定料場開采線范圍，梯段邊坡角及終采高程等參數。經過對有用料和無用料的估算，料場總的開挖量約為523 萬m3，其中覆蓋層剝離量約182 萬m3，強風化砂巖、頁巖等夾層剔除約120 萬m3，毛料約221萬m3，平均剝采比約為1.37。后來根據補充鉆孔勘探情況，優化調整了開采范圍，并將料場分為A、B 兩個區域，其邊坡最高開挖高程為600.0 m，覆蓋層邊坡坡比為1∶1.5，強風化巖體邊坡坡比為1∶1，微風化巖石邊坡坡比為1∶0.3。A區終采高程為500.0 m，終采面寬度40 m，長度為330 m；B 區終采高程為480.0 m，終采面寬度55 m，長度為220 m。邊坡平均坡比為1∶0.8。

調整后瀑布溝料場總的開挖量約為505 萬m3，其中覆蓋層及全強風化巖剝離量約250 萬m3，毛料約255 萬m3，平均剝采比約為0.98。料場至大壩砂石系統平均運距約3 km。

3 料場開采施工

3.1 開挖施工程序

開挖按照“自上而下、從外向內、分區分層（梯段）”的原則進行，當施工高峰期一層開挖工作面無法滿足毛料開采強度要求時，可上下層結合施工，且應保證每層留有足夠的平臺寬度以便于取料作業，一般平臺寬度最小為30 m。

先剝離無用料（覆蓋層及巖體邊緣），然后進行有用毛料的開采。覆蓋層開挖分層高度不大于5 m，石方開挖分層高度不大于10 m。

3.2 開挖施工方法

（1）覆蓋層剝離。料場覆蓋層剝離包括投產前的揭頂剝離和投產后的巖體邊緣剝離。

土方采用CAT330 型挖掘機配合25 t 自卸汽車直接挖裝運往指定渣場，采用推土機直接推挖時，應在距離渣場100 m 范圍內進行推挖作業；石方經鉆孔爆破后，再運往指定渣場。

每個開挖梯段的外側周邊均存在一定厚度的覆蓋層，這部分的剝離隨開挖高程的下降先期進行，總的原則是先剝離后開采。

（2）毛料開采。料場毛料開采按照梯段分高度逐層向下開挖，一般梯段高度為10 m 開采梯段平臺下降時，根據現場實際情況，以解決好道路布置為原則，選擇合理的位置開始打開新的平臺工作面。

（3）鉆孔和爆破。料場風化巖石剝離及毛料開采均采用鉆孔梯段爆破法施工。

鉆孔機械采用CM351、D7 型液壓鉆以及YQ100B 型潛孔鉆，孔徑為Φ105 mm 和Φ76 mm，梯段爆破高度10 m，采用寬孔距的孔網參數，以保證爆塊粒徑小于70 cm。料場邊坡采用預裂爆破，孔距根據巖石風化程度通過爆破試驗確定，最終確定的爆破參數如表1。

表1 料場開采爆破參數表

3.3 毛料質量控制措施

由于料場砂巖層普遍存在頁巖夾層及邊邦強風化砂巖，為保證弱風化帶下限有用毛料不與頁巖及強風化砂巖混雜，保證混凝土砂石骨料質量，需采取切實有效的控制措施。

針對本工程料場實際地形地質條件，毛料開挖質量控制程序為：先剝離覆蓋層，進行土石分界線界定；再剝離強風化砂巖及頁巖，進行有用料及無用料邊界界定。巖石質量鑒定方法為：先用肉眼鑒定，肉眼無法鑒定的在室內進行試驗鑒定。

在施工環節中采取如下管理措施：

（1）爆破設計做到爆塊巖石質量等級分明，在邊界部位無用料范圍應延伸到有用毛料范圍內至少3m（爆破破裂區以內）。

（2）毛料與無用料區設立明顯的開挖分區分塊標志。毛料裝車時，現場工程師跟蹤旁站檢查。

（3）在人工砂石系統粗碎平臺布置面積足夠大的毛料臨時堆放場，盡量避免來料直接傾倒至粗碎車間，以便于現場工程師進行二次檢查。

3.4 重銨油炸藥混裝車技術

由于受當地法律法規及市場限制，申請程序復雜，運輸條件有限，所用乳化炸藥一直供應不暢，甚至因乳化炸藥不能及時到位而導致開挖停工的現象。為了扭轉不利局面，通過廣泛的市場調研、科學的爆破試驗，最終確定在料場開采施工中采用重銨油炸藥（Heave ANFO）代替乳化炸藥。該炸藥不僅爆炸性能良好，成本低廉，還可實現機械化施工。

3.4.1 重銨油炸藥性能

重銨油炸藥是由乳膠基質與多孔粒狀硝銨按一定比例混合（3∶7）而成具有良好爆炸性能的防水性炸藥，其主要性能參數見表2。

表2 重銨油炸藥性能表

重銨油炸藥為乳膠狀，剛拌制的成品流動性較大。當暴露在空氣中時間較長時，重銨油炸藥中含有的酸性物質（起稀釋作用）將揮發而導致其體積膨脹，流動性減小，體積膨脹率達到5%～10%。

3.4.2 混裝車系統

重銨油炸藥混裝車系統工作原理是先將多孔粒狀硝銨、柴油及乳膠基質裝入1 臺卡車的不同料倉內，運送到爆破現場后再進行重銨油炸藥的混制，最后用特制輸送管進行炮孔裝藥（圖2 所示）。它是一種移動式炸藥系統，集原材料運輸、炸藥混制、機械化裝藥于一體，取代了傳統的炸藥制備、儲存、運輸和人工裝藥過程及方法，具有生產效率高、爆破效果好、使用安全可靠、成本低等優點。

圖2 炸藥混裝車側視圖

沐若工程所采用的炸藥混裝車載重量為（10～13）t，裝藥效率為100 kg/min。

3.4.3 裝藥結構

采用重銨油炸藥（Heave ANFO）裝藥的炮孔直徑不能小于40 mm，否則會產生孔內炸藥傳爆不完全甚至拒爆現象。

根據沐若工程經驗，大壩料場毛料開采均采用鉆孔梯段爆破法施工，梯段爆破高度為（5～10）m。鉆孔機械采用CM351、HCR1200 型（古河）液壓鉆以及YQ100B 型潛孔鉆，孔徑為Φ76 mm、Φ89 mm 或Φ105 mm，線裝藥密度分別為4.78 kg/m、6.5 kg/m、9.1 kg/m。

由于重銨油炸藥起爆敏感度較低，普通雷管爆炸威力較小，無法將其引爆，因此在進行孔內裝藥前，需首先安置起爆藥包。根據實踐經驗，采用10 cm 長Φ55 mm 乳化藥卷作為起爆藥包可以引爆孔徑為Φ105 mm，孔深為10 m 左右的炮孔，并能使其完全傳爆。炮孔結構如圖3 所示。

圖3 炮孔結構示意圖

3.4.4 現場裝藥

（1）炸藥混裝。爆破施工前一天，作業隊技術人員根據爆破設計及實際鉆孔資料，計算所需炸藥用量，并通知炸藥混裝車作業班組。作業班組根據炸藥用量按比例配置各種原材料（硝酸銨、柴油、乳膠基質及稀釋酸等），并在炸藥庫指定區域進行裝車。

（2）炮孔檢查。當爆破區內巖體裂隙發育，完整性較差時，炮孔孔壁裂隙可能延伸較遠，甚至會發生串孔現象，此時炸藥在裝藥壓力下會沿著裂隙滲透到鄰近炮孔，對控制爆破單響不利。特別應注意的是，當主爆孔與鄰近預裂孔（或光爆孔）發生裂隙貫通現象時，預裂孔（或光爆孔）爆破后會同時引爆主爆孔，客觀上消除了預裂孔（或光爆孔）與主爆孔間的爆破網絡時差，導致永久邊坡預裂面（光爆面）無法形成而遭到爆破振動破壞。

因此裝藥前除要求檢查炮孔孔深外，還需觀測炮孔孔壁裂隙發育情況，必要時應進行通水檢查，以確定裂隙是否貫通。

將檢查結果詳細記錄在冊，并經整理分門別類，針對不同的裂隙發育情況采取相應的應對措施：

①當裂隙寬度＞3 mm，且延伸較遠（或串孔）時，需先在孔內套上一層塑料薄膜封閉后再進行裝藥；

②當裂隙寬度＞3 mm，但延伸不遠（或未串孔）時，可直接裝藥；

③當裂隙寬度介于（1.5～3）mm 之間時，減小裝藥壓力后可直接裝藥；

④當裂隙寬度小于1.5 mm 時，可直接裝藥。

（3）裝藥。

①炸藥混裝車應停放在距離爆破區最遠炮孔距離不超過50 m 的范圍內，以不影響交通為宜。停放區與爆破區之間應地勢平坦，無遮擋物。停放區地面與爆破作業工作面高差不宜超過±10 m，地勢太高將增大輸藥壓力及速度，不便于控制；地勢太低將超出混裝車壓力泵揚程，致使藥膏無法輸出。

②根據炮孔檢查資料，做好裝藥前的準備工作，需鋪塑料薄膜封閉的炮孔應安排在最后施工。

首先用導爆管雷管將起爆藥包（10 cm 長Φ55乳化藥卷）按規范要求捆綁，緩緩放入孔內，并確保起爆藥包到達孔底，然后將導爆管雷管腳線固定在孔口附近，確保牢靠。

③挑選經驗豐富、操作熟練的控制盤操作手及裝藥工裝藥，控制盤操作手與裝藥工應配合默契，聯系暢通。

裝藥時，輸藥軟管應伸入到孔底，并逐步向上提升，這樣既可以確保裝藥密實，還可以隨時掌握裝藥高度，以免炸藥裝填過高而導致堵塞長度達不到設計要求，影響爆破效果。輸藥流量應遵循“先小→后大→再小”的原則。在裝藥過程中，如遇特殊情況需暫停裝藥時，暫停時間不得超過15 min，否則殘留的炸藥膨脹硬化后會導致輸藥軟管堵塞。裝藥完成后應用混裝車自帶的清水對輸藥軟管進行沖洗。

（4）堵塞。考慮到重銨油炸藥成品具有膨脹性的特點，為確保足夠的炮孔堵塞長度，裝藥前需根據炸藥膨脹率δ 計算出實際裝藥高度Ha[由式（1）計算得出]，待炸藥膨脹完成后（一般為10 min），再采用炮孔巖屑進行堵塞。