圍堰分洪爆破拆除及沖渣技術研究

雷 榮

（中國葛洲壩集團第一工程有限公司，湖北宜昌443002）

圍堰分洪爆破是一種特殊條件下的拆除爆破，大多數情況下,圍堰爆破后不具備挖渣條件,需要靠水流沖渣，必須保證一次完成拆除。不能留下根底,并要保證周邊其他建筑物的安全[1]。劉美山等以小灣水電站導流洞圍堰爆破拆除為例，總結分析了爆破拆除過程中面臨的關鍵問題，如爆破振動、沖渣過流、炮孔布置、爆破器材的選型、被保護物的防護等問題[2]。趙根研究了深水條件下圍堰拆除爆破技術,根據模型試驗及溢流壩的水流特性,分析了爆渣塊度與啟動流速間的關系以及過流瞬間的水力參數[3]。李金河等根據工程實踐從實際工程出發，依據水力學模型試驗，確定了實現沖渣的爆破塊度特征、爆堆形狀和飛石范圍[4]。目前關于圍堰爆破拆除研究成果大多是在圍堰全部拆除條件下進行的，對于圍堰在特殊條件下部分爆破拆除極少報道。圍堰拆除爆破及沖渣效果的好壞則直接關系到分洪任務能否順利完成[5]。在堰前水位一定的情況下,要順利沖渣過流,關鍵問題是爆破后爆渣塊體大小形狀及圍堰拆除中的水流流速，在爆破和堰外水流的共同作用下形成過水斷面的質量，很大程度上決定了沖渣過流的效果。本文以沅水桃源電站圍堰分洪爆破拆除為例，進行圍堰爆破拆除及沖渣技術研究，以期為類似工程施工提供參考。

1 工程概況

沅水桃源電站位于左岸毗鄰縣城，右岸高于周邊的村莊，因此在水電站的施工過程中，必須考慮超標洪水下的左岸縣城與右岸村莊的安全。圍堰分洪爆破是為保證汛期特大洪水能夠迅速分洪，針對一期圍堰進行的分洪爆破預案。工程具有以下特點：

（1）高水位實施爆破，施工難度大。根據一期圍堰設計標準，圍堰在汛期允許過水。圍堰分洪爆破是在汛期河道高水位狀態下，針對超標洪水的應急預案。因此，必須構建爆區的施工操作平臺，并進行炮孔或藥室的預施工，以滿足汛期超標洪水情況下，對圍堰進行快速爆破分洪施工的要求。

（2）圍堰分洪爆破工期緊，施工強度大。圍堰分洪爆破是在超標洪水情況下的分洪措施，從超標洪水預報到實施爆破，有效作業時間一般不超過8～10h，在水流急、施工條件復雜的情況下進行分洪缺口的爆破，施工進度及施工安全問題較為突出。

（3）爆破效果要求高，需確保形成分洪缺口。圍堰分洪段爆破不同于一般圍堰拆除爆破，炸藥單耗相對圍堰拆除爆破要高得多，以保證爆破部位破碎充分，石渣形成拋擲，在高速水流作用下，迅速形成過流缺口，滿足分洪要求。

（4）爆破器材抗水性能要求高、起爆網路復雜。超標洪水時，拆除最低高程為30.0m，爆破作業水深達10.0m以上，因而對炸藥、起爆器材的抗水、抗壓性能提出了很高的要求。由于作業時間緊、炮孔數量多、炸藥用量大，網路設計及施工精度是保證爆破效果和爆破安全的關鍵。需要控制爆破振動、水擊波和動水壓力及飛石對防洪堤及堤岸建筑物的影響。

（5）裝藥難。保證裝藥到位并按設計裝藥結構和裝藥量進行裝藥和堵塞是保證爆破效果的關鍵。由于炮孔是在圍堰施工期預留，通過PVC管或鋼管等延伸到爆破施工作業平臺，在裝藥過程中易出現卡孔、堵孔、送藥困難等各種各樣問題，保證裝藥和堵塞質量成為爆破需重點解決的難題。

（6）圍堰填料的孔隙大，爆炸產生的氣楔作用不明顯，難以發揮爆生氣體的作用。

鑒于以上工程特點，爆破方案應保證分洪圍堰段拆除完全、堆積高度低，以滿足高水位、高流速時能夠形成分洪缺口并快速分流。根據圍堰結構及現場施工條件，一期圍堰分洪爆破拆除段內防滲墻按預留孔爆破設計，圍堰堆積體按后鉆孔爆破設計。為了加快缺口的形成速度，結合河床過流現狀，將缺口位置布置在河床沖溝處（上游圍堰0+070.000～0+120.000，下游圍堰0+050.000～0+100.000）。為了保證缺口的形成，炸藥單耗取較大值，從缺口往兩側單耗可適當降低，以保護圍堰周圍建（構）筑物的安全。起爆網路采用微差起爆破方式，起爆順序按下游圍堰先爆，上游圍堰后爆，以利于分洪過流。

2 爆破方案設計

2.1 圍堰防滲墻炮孔布置

本次拆除時圍堰的頂部高程為EL42m，圍堰防滲墻拆除底高程為EL30m，炮孔沿高噴墻軸線布置，延伸到EL42.0m高程。

（1）炮孔直徑。為便于裝藥方便，全孔需采用PVC管護孔。炮孔上部PVC管延伸到汛期分洪爆破施工平臺，進行保護。對于孔內裝?90mm藥卷的炮孔，PVC管內徑應達到?105mm，相應的炮孔直徑應達到?110mm以上。

（2）炮孔間距。圍堰高噴防滲墻厚約0.8m，因此炮孔布置沿防滲墻軸線按孔距3.0m布置垂直孔。

（3）孔深L。拆除時圍堰的頂部高程為EL42m，該圍堰需拆除至EL30m高程，因此孔深L=12m。

（4）炸藥單耗。水下圍堰爆破的要求相對較高：必須保證爆破一次成功，以快速形成分洪缺口，為此，適當提高炸藥單耗，炸藥單耗按1.2～1.5kg/m3設計，裝藥時根據實際情況作適當調整。

（5）炸藥品種。圍堰防滲墻炮孔選用防水、抗水性能好，便于深孔裝藥的高能乳化炸藥。藥卷直徑選用?90mm。

（6）裝藥結構。采用連續裝藥結構形式。為增加孔內炸藥的傳爆性能，孔內采用防水導爆索傳爆，在孔內連接非電起爆雷管。堵塞材料采用河沙，以確保堵塞長度和堵塞質量。

2.2 圍堰爆破參數設計

（1）最小抵抗線W：本工程取最小抵抗線W＝6～7m。

（2）爆破作用指數n：根據爆破性質和同類工程經驗，取n值為0.85～1.0。

（3）藥包間距a：

式中，m1可取0.8～1.2，a可取7m。

（4）裝藥結構。裝藥是控制爆破質量的最后環節，裝藥前須對各鉆孔進行認真清理驗收，以確保設計孔深。采用?90mm藥卷裝藥。實施分洪爆破時，由施工平臺通過鋼管進行裝藥。

（5）炸藥品種。圍堰堆積體藥室爆破選用防水、抗水性能好，便于灌裝的散裝乳化炸藥或是選用藥卷直徑?90mm高能乳化炸藥。

（6）藥室埋設。在填筑過程中，根據爆破設計構筑藥室。藥室尺寸為長1.5m，高1m，寬1m。

沅水兩岸為桃源縣城，圍堰分洪爆破對堤防和鄰近建筑產生振動影響，因此必須控制單段起爆最大藥量。根據確定的控制標準，安全振速標準取Vˉ=2cm/s，K=150，α=1.8，最近建筑物與爆破區域距離為80m。因此，允許的安全藥量為[6]：

根據爆破振動速度公式反算的允許單段最大藥量，在起爆網絡設計時，上游圍堰按照單段最大藥量500kg進行設計，下游圍堰按照單段最大藥量400kg進行設計。圍堰炮孔布置如圖1所示。

圖1 圍堰炮孔布置圖

為保證爆堆形成缺口,必須合理地選擇最先起爆點及爆渣拋擲方向。根據現場實際地形及周圍施工環境，圍堰下游端臨空面較好，同時圍堰下游爆破時需保護的建（構）筑物也較少，因此將起爆點選定在靠近圍堰下游端，向下游方向拋擲。為了減小對防洪提的振動，將爆破后沖方向與堤岸平行。從設計缺口的中部起爆，逐步向兩岸傳爆。為了保證起爆的可靠性，采用復式網絡。孔外采用MS2（3）、MS5段進行聯網，孔內采用MS11段起爆。起爆網路如圖2所示。

圖2 圍堰爆破網路圖

3 理論分析

3.1 爆渣啟動速度

圍堰拆除爆破是將圍堰體炸成一定粒徑的爆渣，并在適當的位置形成過流缺口，使爆渣能在水流的作用下，被水流順利沖走。這涉及多大的爆渣塊度才能被水流沖走的水力學問題。在水力學模型試驗與模型實踐中，有關起動流速與粒徑的關系較多。最早應用的是前蘇聯著名水力學專家伊茲巴什按照抗滑和抗傾條件推導的伊茲巴什公式[7]：

式中：k——穩定系數，抗滑時取0.9，抗傾時取1.2；

V——啟動流速，m/s；

D——塊石轉化為球體粒徑,m；

rs、r——塊石和水的密度,kg/m3。

本文在分析過程時，采用的是伊茲巴斯公式來建立爆渣塊度與起動流速之間的關系。

3.2 塊度分析

自20世紀60年代以來，各國學者在巖體爆破塊度的研究方面做了大量的工作，提出了許多描述塊度分布的方法與經驗模型。模型KUZ-RAM認為爆破塊度分布服從Rosin-Ramm ler（R-R）分布函數。R-R分布函數由下式表達，它包含石料特征尺寸x0和塊度分布不均勻指數n兩個變量[8]：

式中：R——小于某一粒徑x的百分比；

x——石粒粒徑，m；

x0——特征粒徑，即篩下累積率為63.21%的塊度尺寸，m。

模型的基本表達式由Kuznetsov方程和R-R分布函數和塊度不均勻指數n值公式3部分組成。

式中：A0——巖石系數，中硬巖A0=7，節理發育巖A0=10，節理不發育堅硬巖A0=13；

q——單位炸藥耗藥量，kg m3；

Q——單孔裝藥量，kg；

E——炸藥相對重量威力；

Xˉ——爆破巖塊的平均粒徑，m；

n——不均勻指數；

m——間距指數；

H——臺階高度；

E——鉆孔精度標準差，一般取0.05H；

ω——最小抵抗線，m；

d——炮孔直徑，m；

L——不計超鉆部分的裝藥長度，m。特征塊度按下式進行計算：

假定大塊的特征尺寸定義為X，則大塊率可按式（8）計算：

根據式（5）～式（8），結合圍堰的相關爆破參數，就可以進行爆渣塊度、特征尺寸及大塊率方面的計算分析。

3.3 爆破后的水流速度

圍堰爆破利用起爆過程的極短時間，首先形成爆堆最低缺口，讓水從爆破缺口最低處流入、下泄，在底部形成較大的流速，將圍堰爆渣堆積體的底部爆渣沖走，到一定程度后，圍堰堆積體由于底部被水流掏空將發生坍塌，圍堰堆積體上部的過流斷面將增大，流量、流速將增大，塊度適宜的爆渣將被水流沖走。

在圍堰潰決瞬間，圍堰處的流速vc與堰前水深H0的關系可表示為[12]：

式中：H0——潰壩前上游水深，m；

g——重力加速度，m/s2。

4 結果分析

4.1 計算結果

根據爆破設計參數，由計算可得到爆渣的平均塊度Xˉ=19.4cm，均勻性指標n=1.23，特征塊度X0=27.5cm，特征顆粒大于40cm的大塊率值Y=19.3%。

分析過程中，取平均水深H0取6.5m，由公式（9）計算可得到圍堰拆除時流速近似為5.4m/s。而在實際工程中，由于坎高的存在，實際流速將大于5.4m/s。

根據式（3），以及巖石、混凝土的相關參數，可得到不同特征粒徑的巖石及混凝土爆渣在抗滑動及抗傾倒時的水流流速，如圖3所示，很明顯，由于混凝土的密度較巖石小，此時混凝土爆渣在同等特征粒徑時滑動或者傾倒所需的水流流速較小。

圖3 爆渣特征粒徑與啟動水流流速關系曲線

根據圍堰拆除的爆渣塊度以及拆除時的水流流速，對照圖3中特征粒徑與水流流速的關系可知，圍堰拆除瞬間，5.4m/s的水流速度可以將塊度0.6m以下的所有爆渣沖走。

據此可通過式（3）計算得到爆渣特征塊度為0.4m時對應的啟動流速為4.4m/s，該啟動速度小于圍堰拆除瞬間的水速度，在圍堰爆破拆除瞬間，水流速度可將塊度在0.4m以下的爆渣沖走，形成設計的分洪缺口，降低洪水位，實現爆破分洪的目標。

4.2 數值模擬結果

運用PFC2D軟件進行了流水沖刷的過程模擬，產生試樣顆粒集使用GENERATE命令，生成顆粒集后通過循環平衡內部應力。顆粒粒徑取區間0.03～0.60m之間的高斯分布。由于實際上在爆破的過程中是一直存在水流的作用，為了便于簡化分析，假定水流對爆渣的沖刷是從爆破完成后才開始的，并將水流作用簡化為速度施加在邊界墻上。其大小取為由謝任之潰壩理論的統一公示推倒出來的圍堰爆破后的水流速度。

將計算步中的70000～100000步提取出來，得到不同時刻的爆堆形態（圖4），爆堆形態的變化可以反映圍堰的沖刷過程。

由圖4可以明顯得看出，隨著沖刷時間的增長，爆堆高度在逐漸降低，較初始形態有明顯下降，爆堆體積也有所減小。利用軟件中的輸出坐標命令，可以得到計算步時結束后，在定義的邊界內的顆粒數目約為870，而建模時的顆粒數為2500，說明有34.8%的顆粒尚未沖走，這個比例和經驗公式得到的大于40cm的大塊率值以及圍堰堆石顆粒級配里的大于40cm的比例基本吻合。

圖4 不同時刻模型爆堆形態

5 結論

根據圍堰拆除爆破中幾個關鍵問題，結合爆渣啟動流速與爆渣塊度的關系，確定了實現水流沖渣所對應的爆渣特征塊度。通過設計合理的圍堰拆除爆破參數，使爆渣處于實現水流沖渣所需的爆破塊度。理論分析及數值模擬結果表明，爆渣特征塊度控制在40c m以下時，在爆破參數、水力學參數得到良好控制的情況下，可實現水流沖渣，滿足圍堰爆破形成缺口的要求，達到分洪的目的。