羅賽雷斯大壩加高工程之KENANA渠首開挖安全控制技術(shù)

彭 明

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

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羅賽雷斯大壩加高工程之KENANA渠首開挖安全控制技術(shù)

彭 明

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

羅賽雷斯大壩加高工程之KENANA渠首消力池底板距離周邊建筑物近，其石方爆破開挖不僅要考慮爆破效果，還要考慮爆破對周邊建筑物的安全影響。以羅賽雷斯大壩加高工程之KENANA渠首消力池底板爆破開挖為例，總結(jié)了距離建筑物較近時的爆破安全控制技術(shù)，以期對類似工程的施工有一定的參考價值。

羅賽雷斯大壩；KENANA渠首；開挖；安全控制技術(shù)

1 工程概述

羅賽雷斯大壩位于蘇丹首都喀土穆東南550 km處的青尼羅河州首府達瑪津市。大壩為混合壩型，河床壩段為混凝土壩，左右岸為土石壩。大壩初期工程于1967年全部建成，大壩加高工程是在原有大壩基礎(chǔ)上加高10 m，并向左右岸延長、向下游加寬。加高后的壩體全長由原來的13.5 km增加至25.1 km。

混凝土壩全長1 017 m，KENANA渠首壩段為混凝土壩西部(左部)的一個渠首壩段，包括60#～65#支墩，壩段長105 m。在大壩加高工程中，KENANA渠首壩段下游設(shè)計有混凝土消力池底板，為了完成KENANA渠首壩段下游消力池底板施工任務(wù)，必須先對KENANA渠首壩段下游施工區(qū)域內(nèi)的壩基進行開挖清理。工程師的設(shè)計開挖圖紙給出了壩基開挖范圍以及開挖的深度、坡比大小，整個基礎(chǔ)開挖長77 m，寬39.55 m，筆者根據(jù)對現(xiàn)場原始地形進行的測量，結(jié)合KENANA渠首壩段地質(zhì)探坑的探測結(jié)果計算出KENANA壩基的開挖量為：覆蓋層20 384 m3，巖石10 818 m3。

2 所采用的施工方法

考慮到整個開挖區(qū)域內(nèi)的巖石開挖量較大，巖石硬度較大，采用常規(guī)液壓錘開挖方式效率低，難以滿足工程進度要求，因此，承包商建議采用小藥量松動爆破的方式完成該部位的開挖工作。具體施工方案如下：

承包商在2011年1月10日前已基本完成開挖區(qū)域內(nèi)土方的開挖。現(xiàn)場巖石分布情況為：在靠近上游已有混凝土底板結(jié)構(gòu)面樁號0+34.000～0+48.000已基本達到設(shè)計方案的開挖底高程，承包商只需用液壓錘對其進行處理即可達到設(shè)計要求。其他開挖區(qū)域雖然有兩塊面積大約為10 m2的部位地勢較低，但其他開挖厚度均較為平整，因此，承包商建議對這兩塊區(qū)域減少裝藥量，對整個開挖區(qū)域進行松動爆破處理。根據(jù)技術(shù)條款6.11.2規(guī)定，在永久工程及設(shè)施或其他結(jié)構(gòu)10 m范圍不應(yīng)該爆破的規(guī)定，承包商建議將靠近上游已有混凝土底板結(jié)構(gòu)面及靠近65#支墩擋墻延伸段10 m以外的開挖區(qū)域定為本次爆破開挖區(qū)域，即圖1中的C區(qū)和D區(qū)。

圖1 KENANA渠首壩段下游消力池底板開挖區(qū)域示意圖

3 爆破設(shè)計

(1)開挖區(qū)域均為中等風化的片麻巖，巖石堅固系數(shù)f=7～10,炸藥為2號巖石乳化炸藥，明挖松動爆破單耗藥量取0.3 kg/m3。

(2)火工材料的種類及規(guī)格：

炸藥：2號巖石乳化炸藥；

雷管：毫秒非電雷管，段別為MS1～MS10；

傳爆器材：導爆索；

起爆器材：火雷管。

(3)預裂爆破設(shè)計：

采用手風鉆鉆孔：

孔徑d1=42 mm。

①炮孔間距a的計算:

根據(jù)經(jīng)驗公式a=(7～10)d1=(7～10)×42=294～420(mm)。

選用a=400 mm。

②堵塞長度L3的計算：

L3=(1/3～1/2)H=(1/3～1/2) ×2.35=0.784～1.175(m)。

選取L3=1 m。

③超深hs2的計算：

hs2=(0.12～0.3)H=(0.1～0.3) ×2.35=0.235～0.705(m)

取hs2=0.25 m。

④柔性墊層：為減少爆破對壩基的影響，在炮孔底部設(shè)置柔性墊層，柔性墊層材料選用細沙,柔性墊層厚0.25 m。

⑤線裝藥密度qx的計算：

qx=0.042【αp】0.63a0.6=0.042×(70～100)0.63×0.40.6=0.353 2～0.385(kg/m)

選取qx=0.35 kg/m。

式中qx為線裝藥密度, kg/m,定義為全孔裝藥量扣除底部增加的裝藥量后除以長度；αp為巖石極限抗壓強度，MPa；H為開挖深度，m。

⑥底部增加裝藥qx1的計算：

qx1=1/3(H-L3)fqx=1/3×(2.35-1) ×0.35×0.35=0.055(kg)。

式中f為孔底裝藥增加系數(shù)，選f=0.35。

⑦單孔裝藥量Q1的計算：

Q1=qx(2.35-0.9)+q2=0.35×(2.35 -1)+0.055=0.527(kg)。

選單孔裝藥量Q1=0.5(kg)。

(4)主爆區(qū)的設(shè)計。

采用垂直鉆孔，由于開挖區(qū)域內(nèi)上下游巖層開挖厚度差異較大，項目部根據(jù)開挖區(qū)域內(nèi)的現(xiàn)場實際情況：靠近上游側(cè)樁號0+34.000～0+68.000內(nèi)的巖層較平整，平均厚度約為2.35 m,而下游側(cè)樁號0+68.000～0+73.550 m之間的巖層較厚，取平均開挖深度為4.6 m，因此，我們建議分兩層爆破,每次爆破厚度不超過2.5 m。具體參數(shù)如下：

H=2.35 m；

采用手風鉆鉆孔：

d1=42 mm。

hs2=(0.12～0.3)H=(0.1～0.3)×2.35=0.235～0.705(m)，

取hs2=0.25 m。

孔深：L=H+hs1=2.35+0.25=2.6(m)。

底盤最小抵抗線W1:

W1=(15～30)d1=(15～30)×0.042 =0.63～1.26(m)

選取W1=0.6 m。

孔距a和排距b：

a=mW1=(0.8～2) ×0.6=0.48～1.2(m)

式中m為密集系數(shù)，一般取0.8～2；選取a=1 m；一般取b=a/1.25=1/1.25=0.8，取b=0.8 m。

堵塞長度L2=(1/3～1/2)×H=(1/3～1/2)×2.35=0.783～1.175(m)；選取L2=0.9 m。

對于單位炸藥耗藥量，由于本次爆破為松動爆破，巖石為片麻巖，其極限抗壓強度為70～100 MPa，故選取單位炸藥耗藥量q=0.3 kg/m3。

單孔炸藥量 ：

第一排單孔炸藥量：

Q1=qaW1H=0.3×1×0.6×2.35=0.44(kg)

選用Q1=0.5 kg。

從第二排孔開始，以后各排孔的每孔裝藥量：

Q2=kqabH=(1.1～1.2)×0.3×1×0.8×2.35=0.621～0.68(kg)

式中k為克服前排孔巖石阻力的增加系數(shù)，一般取1.1～1.2。

選取Q2=0.7 kg。

最終選取的爆破設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 KENANA渠首壩段下游消力池底板石方爆破設(shè)計參數(shù)表

4 爆破安全核算

4.1 空氣沖擊波超壓值△P計算

(1)主爆區(qū)爆破對現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)及建筑物的影響。

主爆區(qū)排與排之間采取微差爆破，單響總藥量為每排炮孔裝藥總量Q1=39×0.7=27.3(kg)。

式中 △Pij為空氣沖擊波超壓值,105Pa；k,α為經(jīng)驗系數(shù)和指數(shù)；一般梯段爆破取k=1.48，α=1.55；Q1為爆破炸藥量，kg；延時爆破為最大一段藥量；Rij為藥包至危害對象的距離，m。現(xiàn)場測量結(jié)果表明：

第一排主爆孔幾何中心距KENANA上游已有混凝土底板的距離R11=20.125m；

第一排主爆孔幾何中心距59#支墩新澆混凝土結(jié)構(gòu)面的距離R12=21.5m。

根據(jù)現(xiàn)場測量得知：距爆破區(qū)域最近的發(fā)電廠區(qū)的建筑物為NEC機修車間，第一排主爆孔幾何中心距機修車間的距離R13=104m。

△P11=0.077 9×105Pa<0.25×105Pa(原KENANA混凝土底板結(jié)構(gòu)無損壞)

△P12=0.070 3×105Pa<0.25×105Pa(59#支墩新澆混凝土結(jié)構(gòu)無損壞)

△P13=0.006 5×105Pa<0.09×105Pa(對NEC機修車間無影響)。

(2)預裂孔爆破對現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)及建筑物的影響。

主要演算與主爆孔平行的一排預裂孔爆破對現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)及建筑物的影響。該排預裂孔的炸藥總量Q2=48.5kg

式中 Rij為藥包至危害對象的距離，m。根據(jù)現(xiàn)場測量結(jié)果得知：

預裂孔爆破幾何中心距KENANA上游已有混凝土底板的距離R21=20.125m。

預裂孔爆破幾何中心距59#支墩新澆混凝土結(jié)構(gòu)面的距離R22=21.1m。

根據(jù)現(xiàn)場測量得知距爆破區(qū)域最近的發(fā)電廠區(qū)的建筑物為NEC機修車間，預裂孔爆破幾何中心距機修車間的距離R23=104m。

△P21=0.104 8×105Pa<0.25×105Pa(原KENANA混凝土底板結(jié)構(gòu)無損壞)

△P22=0.097 4×105Pa<0.25×105Pa(59#支墩新澆混凝土結(jié)構(gòu)無損壞)

△P23=0.008 22×105Pa<0.09×105Pa(對NEC機修車間無影響)。

以上計算結(jié)果均滿足爆破安全規(guī)程要求的安全限制，故本次爆破的空氣沖擊波超壓值滿足安全要求。

4.2 地震波

(1)主爆區(qū)爆破產(chǎn)生的爆破質(zhì)點震動速度：

式中Vij為質(zhì)點的震動速度，cm/s;m為與爆破點到計算保護對象間的地形地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)；β為衰減指數(shù)；根據(jù)巖石的極限抗壓強度為70～100 MPa，可選m=200,β=1.65。根據(jù)現(xiàn)場測量結(jié)果得知：

第一排主爆孔幾何中心距KENANA上游已有混凝土底板的距離R11=20.125 m；

第一排主爆孔幾何中心距59#支墩新澆混凝土結(jié)構(gòu)面的距離R12=21.5 m。

根據(jù)現(xiàn)場測量結(jié)果得知：距爆破區(qū)域最近的發(fā)電廠區(qū)的建筑物為NEC機修車間，第一排主爆孔幾何中心距機修車間的距離R13=104 m。

爆破安全規(guī)程規(guī)定：

水工隧洞質(zhì)點震動速度不超過13 cm/s；

新澆大體積混凝土齡期超過28 d的質(zhì)點振動速度不超過12 cm/s；

水電站機修站等質(zhì)點振動速度不超過1 cm/s。

V11=8.705 cm/s<13 cm/s(原KENANA混凝土底板結(jié)構(gòu)無損壞)。

V12=7.805 cm/s<12 cm/s (59#支墩新澆混凝土結(jié)構(gòu)無損壞)。

V13=0.579 cm/s<1 cm/s (對NEC機修車間無影響)。

(2) 預裂孔爆破產(chǎn)生的爆破質(zhì)點震動速度對現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)及建筑物的影響。

主要演算與主爆孔平行的一排預裂孔爆破對現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)及建筑物的影響。該排預裂孔的炸藥總量Q2=48.5 kg。

根據(jù)現(xiàn)場測量結(jié)果得知：

預裂孔爆破幾何中心距KENANA上游已有混凝土底板的距離R21=20.125m。

預裂孔爆破幾何中心距59#支墩新澆混凝土結(jié)構(gòu)面的距離R22=21.1m。

根據(jù)現(xiàn)場測量結(jié)果得知：距爆破區(qū)域最近的發(fā)電廠區(qū)的建筑物為NEC機修車間，預裂孔爆破幾何中心距機修車間的距離R23=104m。

V21=11.94cm/s<13cm/s(原KENANA混凝土底板結(jié)構(gòu)無損壞)；

V22=11.044cm/s<12cm/s(59#支墩新澆混凝土結(jié)構(gòu)無損壞)；

V23=0.794cm/s<1cm/s(對NEC機修車間無影響)。

以上計算結(jié)果均滿足爆破安全規(guī)程要求的安全限制，故本次爆破的質(zhì)點震動速度滿足安全要求。

5 所采取的其他爆破安全控制措施

(1)為了控制飛石對人員及附近建筑物的影響，將爆破飛石控制在30m范圍內(nèi)。在爆破區(qū)域內(nèi)鋪設(shè)沙袋，以最大限度地減少飛石對人員及附近建筑物的影響。

(2)由專業(yè)爆破人員完成裝藥及整個起爆網(wǎng)絡(luò)安裝，非專業(yè)爆破人員在整個裝藥過程中不得進入爆破區(qū)域。

(3)待爆破完成后，在專業(yè)爆破人員確認爆破區(qū)域內(nèi)無危險后，采用液壓錘結(jié)合風鎬對欠挖及未達到爆破效果的部位進行處理。

6 結(jié) 語

2011年2月4日，我們根據(jù)爆破設(shè)計方案，對KENANA渠首壩段下游消力池底板C區(qū)、D區(qū)石方進行爆破。爆破結(jié)果表明：通過爆破控制及采取安全防護措施，消力池底板C區(qū)、D區(qū)的石方松動爆破效果良好，附近建筑物未受到破壞影響。

(責任編輯：李燕輝)

2016-10-28

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1001-2184(2016)06-0033-04

彭 明(1977-)，男，四川南部人，工程師，學士，從事水利水電工程施工技術(shù)與管理工作.