水電站擴機工程進水口圍堰拆除設計與施工

姬學軍 劉元廣

摘要：贊：贊比亞卡里巴北岸水電站始運營于1976年，擴機工程進水口圍堰與老進水口的最近距離只有60m，與大壩的最近距離只有180m，圍堰拆除是整個工程中的重大難點。在特大水庫庫容、深厚覆蓋層以及深水位的情況下，對圍堰進行了成功的爆破拆除，為類似工程提供了借鑒和參考。

Abstract： The North Shore hydropower station in Kariba， Zambia was operated in 1976. The closest distance between the inlet cofferdam and the old intake of the expansion project is only 60m. The closest distance to the dam is only 180m. The demolition of the cofferdam is a major difficulty in the entire project. In the case of large reservoir capacity， deep overburden and deep water level， successful demolition of the cofferdam has provided reference for similar projects.

關鍵詞： 圍堰；拆除；成功

Key words： cofferdam；demolition；success

中圖分類號：TV551.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）26-0178-03

1 工程概況

卡里巴水電站處于贊比亞和津巴布韋兩國交界，具體位于贊比西河中游的卡里巴峽谷內(nèi)部，混凝土雙曲拱壩、泄洪閘、兩岸地下廠房和輸變電系統(tǒng)是其主要樞紐。其中，位于贊比亞一側的是裝機容量為60萬kW的北岸電站，位于津巴布韋一側的是裝機容量為66萬kW的南安電站，之后這兩座電站分別增容到了72萬kW和75萬kW。作為世界上需水量最大的人工湖之一，其壩高最高為128米，其壩頂長為617米，水庫容量達到1840億立方米，調(diào)節(jié)庫容為640億立方米。

為了緩解電力匱乏的現(xiàn)狀，根據(jù)卡里巴水庫水能的實際蘊藏量，贊比亞國家電力公司融資擴機2臺18萬kW混流式水輪發(fā)電機組。主體建筑物包括進水口、引水隧洞、地下廠房、尾水隧洞、尾水口、母線平洞和豎井、升壓站、開關站和降壓站等，合同采用EPC模式實施。工程于2008年11月份開工，2014年7月份竣工，兩臺機組均按期并網(wǎng)發(fā)電；津巴布韋國家電力公司融資擴機2臺15萬kW機組，工程于2014年11月份開工。

對于水電站擴機項目，相對來說，投資低，工期短，見效快，現(xiàn)場實施有很多便利條件。但其難點也是顯而易見的，既需要在施工過程中控制對原有設施的影響和損害，又要盡可能的和原有的設施緊湊布置；既要考慮新建項目的獨立運行，還要兼顧對原有設備控制系統(tǒng)的接口和兼容。其中，進水口圍堰設計、施工和拆除是土建工程部分的重點和難點之一。

2 進水口圍堰

2.1 圍堰設計

進水口圍堰位于水電站左岸庫區(qū)現(xiàn)有發(fā)電進水口上游的發(fā)電進水口上游的兩座山谷沖溝溝口，因為經(jīng)過了多年的沖積，致使該區(qū)域形成了5～15m左右厚度的砂石砼混合覆蓋層。施工期利用引水明渠首部的原始巖體和覆蓋層作為擋水圍堰，并且通過高噴防滲墻對圍堰的防滲效果進行了進一步加強。引水明渠的橫斷面為上口寬約60.3m，底寬42.3m的倒梯形。左岸邊坡坡比1：0.5～1：0.75～1：1.2逐漸過渡、右岸邊坡坡1：0.5。縱向長度大概65m（CH0-55～CH0-120）、高差20m（EL.468.5～EL.488.5），圍堰計劃拆除時，水位高程為EL.485.0，設計的開挖總方量為5萬m3。

2.2圍堰地質(zhì)條件

寒武系黑云母片麻巖、長石石英巖是圍堰區(qū)域地層巖性的主要類型。黑云母片麻巖，其外形特點主要呈現(xiàn)出較大的囊狀和蜂窩狀塊體，其主要出現(xiàn)在長石石英巖縫隙中，受風化侵蝕較為嚴重，表層物質(zhì)主要以第四系全新統(tǒng)松散堆積物為主。工程動工前期，首先對區(qū)域內(nèi)進行了全面鉆孔探測，其結果顯示此區(qū)域覆蓋層主要以砼塊、碎石沙土層等等為主，覆蓋層厚度達到5米左右。覆蓋層中碎石塊含量占比為5%～10%，其直徑范圍大多數(shù)在5～10cm，最大的石塊塊徑達到1米左右，石塊的成分主要為黑云母片麻巖并混有石英巖等等。此外，覆蓋層夾雜大量密集性沙土，其中以含水量較高的粗沙為主，含量達到35～40%。覆蓋層的結構整體呈現(xiàn)松散狀態(tài)，屬中等強透水層。下伏基巖為黑云母片麻巖，巖體風化深度較大、卸荷比較強。

2.3 圍堰拆除設計

根據(jù)施工現(xiàn)場的實際情況，進水口圍堰設計拆除時主要分為三期進行拆除，如圖1所示。

2.3.1 一期圍堰

CH0-55～CH0-70的區(qū)域為一期圍堰。一期圍堰受到進水口混凝土施工未完工的影響，爆破任務所產(chǎn)生的振動需要嚴格進行開工至，否則會由于過于強烈的振動致使防滲墻破壞，造成大量滲水或圍堰垮塌狀況發(fā)生。一旦發(fā)生滲水或者垮塌，勢必增加工程排水費用，甚至造成工程的停工，因此一期圍堰拆除設計過程中爆破是最為關鍵的環(huán)節(jié)。基于此，特別委托我國水利部巖土力學與工程重點實驗室，對工程項目進行全面的計算和分析，得出可行性結果后，再進行的拆除工程施工。

2.3.2 二期圍堰

CH0-70～CH0-86.75的區(qū)域為二期圍堰。二期圍堰的開挖高度達到了17米，施工前已經(jīng)完成了對于進水口區(qū)域的混凝土的施工，可以進行進一步的爆破任務。對于二期圍堰的爆破任務主要采用的是水平孔為主的方案設計，一次性爆破完成的方式，這是主要考慮到盡量減少三期圍堰爆破開挖量，同時保證爆破質(zhì)量。二期圍堰由于周邊建筑物保護級別較高的原因，所以對爆破網(wǎng)絡設計時要求有非常高的精度和準確性，施工要求非常嚴格。并且由于此次爆破特點放量大、炸藥量大、炮孔數(shù)量多等等因素，爆破過程中必須控制好爆破順序、爆破時間，在設定時間內(nèi)完成所有起爆，并且爆破過程不能夠出現(xiàn)重段和串段的現(xiàn)象發(fā)生。基于此，為了能夠順利的完成爆破任務，采用了非洲AEL炸藥公司提供的具有安全性、高精準度的數(shù)碼雷管起爆系統(tǒng)。出于對爆破可能出現(xiàn)的飛石現(xiàn)象，爆破前將圍堰基坑內(nèi)部蓄滿水以避免飛石現(xiàn)象的發(fā)生。同時，爆破時火工材料已經(jīng)全部出于水中，因此對爆破器材抗水性要求非常嚴格，在爆破前，需要進行全面的防水性試驗，試驗合格才可以將火工材料投入使用。

2.3.3 三期圍堰

0-86.75～CH0-120的區(qū)域是三期圍堰。三期圍堰主要采用水下鉆爆施工。水下鉆爆施工首先要考慮安全問題，故而采用了較為保險的單排淺孔方式開挖，并且在爆破之前要經(jīng)過安全測試，對結果進行分析研究后，考慮是否增加爆破排數(shù)及孔深，爭取達到最佳爆破效果。鉆孔爆破完成后，通過水上抓斗船配合運碴駁將開挖區(qū)域內(nèi)的爆破碴體清運至指定的棄碴地點。為了能夠節(jié)省爆破單響藥量，三期圍堰以分層施工為主，鉆爆與清運交替進行，保證鉆爆完成后能夠及時清運完畢，使整個圍堰底部能夠達到設計標準要求。

3 拆除施工

3.1 一期圍堰爆破

施工時段自2011年11月初至2011年12月底，庫水位平均為EL485.4m。一期圍堰選用的施工方式是薄層剝離、小藥量爆破、手風鉆鉆淺孔等，鉆孔直徑Φ42mm、排距b=1.0～1.5m、孔距a=1.5～2.0m、孔深h=2～2.5m。裝藥長度l=1.0～1.5m，堵塞長度L=1.0m，藥卷直徑？準32mm，單孔藥量Q=1.0～1.5kg，單孔單響。爆破渣體由反鏟配合15T自卸車從進水口基坑開挖施工道路運至棄碴場。

3.2 二期圍堰爆破

施工時段自2012年1月底至2012年4月底，庫水位平均為EL486.0m。二期爆破完成后，首先采用長臂反鏟配合15t自卸汽車對水面以下9m范圍內(nèi)的渣體清運至指定的棄碴地點，對于水深超過9m的區(qū)域，爆渣則采用水上抓斗船配合運碴駁進行清運，并運至指定的棄碴地點。在清挖二期圍堰爆渣的過程中，同時也需要對三期圍堰頂部的覆蓋層全部進行清挖，以便三期圍堰水下鉆爆施工。

3.2.1 底板及邊坡邊界的水平預裂爆破參數(shù)

采用100B潛孔鉆鉆孔，裝藥直徑為3？準18mm～4？準18mm，最大單孔裝藥量Q=3.5～10.6kg，孔距a=0.6m、孔深h=3～14.5m、鉆孔直徑Φ76mm，線裝藥密度q=540～720g/m，堵塞長度L=1.0m，兩孔一響，最大單響藥量20.8kg。在臨近現(xiàn)有進水口、大壩的右岸邊坡及底部10m范圍內(nèi)，預裂孔距減小為40cm，以起到減小單響藥量及加強隔振的作用。

3.2.2 圍堰內(nèi)水平孔爆破參數(shù)

采用100B潛孔鉆鉆孔，鉆孔直徑Φ76mm、排距b=1.5m、孔距a=1.5m、孔深h=3～14.5m，線裝藥密度q=3.714kg/m，堵塞長度L=1.5m。裝藥直徑？準65mm。為了減小爆破震動對臨近建筑物的破壞，對于孔深h≥7m的爆破孔，則按一孔兩響的方式裝藥；孔深h<7m的爆破孔則采用單孔單響的方式裝藥，最大單孔裝藥量Q=41.6kg，最大單響藥量20.8kg。

3.2.3 防滲墻垂直鉆孔爆破參數(shù)

采用100B潛孔鉆鉆孔，鉆孔直徑Φ76mm、裝藥直徑？準50mm、孔距a=1.0m、孔深h=7～12m。線裝藥密度q=2.0kg/m，堵塞長度L=1.5m。最大單響藥量24kg，最大單孔藥量Q=24kg。（圖2）

3.3 三期圍堰爆破

初始參數(shù)：孔距a=2.0m、孔深h=5m、鉆孔直徑Φ90mm、裝藥直徑？準65mm、排距b=2.0m。裝藥長度l=2.2m，堵塞長度L=2.8，單孔藥量Q=9kg，一次鉆孔爆破1排，單孔單響。同時為了檢測數(shù)據(jù)判斷是否萬無一失，應進行爆破振動、水擊波測試，增大鉆孔深度、排數(shù)及單孔藥量都由該項工作開展。通過施工過程測試爆破振動和水擊破，最終的爆破參數(shù)調(diào)整為單孔藥量18kg，孔深7m，一次性最多起爆2排孔。通過參數(shù)調(diào)整，不僅三期圍堰的拆除時間縮短了，也更有利于實現(xiàn)發(fā)電目標。

3.4 水下出渣

3.4.1第一階段（聯(lián)合出渣）

2012年11月6日開始，2013年1月25日結束，庫水位平均EL484.5m。采用三種方式相結合進行出渣，分別是長臂反鏟裝自卸汽車、長臂反鏟裝運渣船和鉆爆船上的抓斗裝運渣船。

①長臂反鏟（表1）

②鉆爆船

船體為單底、單甲板、鋼質(zhì)電焊結構，起重船型。首部安裝GQ2516型旋轉式抓斗挖掘機一臺（起重量25t），尾部及兩舷沿舷邊安裝CQGN120型內(nèi)燃高壓船用鉆機兩臺，首尾兩舷布置移船絞車，中部設置工作用集裝箱。

主要尺度及參數(shù)（表2）：

③運渣船

船體為單底、單甲板、單舷結構。船底、甲板、舷側均為橫骨架式。全船設2道縱艙壁，2縱桁架。采用40馬力雅馬哈掛槳機作動力實現(xiàn)自航，每次裝運約80m3。采用推土機作為卸船的機械設備。

主要尺度及參數(shù)（表3）：

3.4.2 第二階段（水下鉆爆出渣）

2013年1月26日開始，10月15日結束，庫水位平均EL485.5。

3.4.3第三階段（基坑內(nèi)清理）

2013年10月2日開始，11月15日結束，庫水位平均EL485.0。采用自制抽砂筒清理底板和坡面上的泥砂和直徑小于200mm的石渣。抽砂筒以壓縮風為動力，供風壓力不小于1.2Mpa，風量不小于21m3/min。

4 檢查驗收

采用潛水員和水下機器人檢查基坑底部水平面、集渣坑和斜坡段的泥沙和石渣的清理情況，通過詳細拍攝和記錄，來指導下一步的清理作業(yè)，也為驗收積累了寶貴的資料。

5 起爆系統(tǒng)與震動測試

可編程的數(shù)碼雷管、編碼器、起爆器等控制設備組成了數(shù)碼雷管起爆系統(tǒng)。編碼器負責設定數(shù)碼雷管的孔號信息，并能夠檢測數(shù)碼雷管是否完好。每個數(shù)碼雷管的位置信息都將導入到起爆器中，并對數(shù)碼雷管的爆破延時進行設定，并對編碼位置、延時時間、網(wǎng)絡連接進行必要的檢測校對，將錯誤的信息進行糾正。起爆器負責數(shù)碼雷管網(wǎng)絡的點火、時間精確計算和控制。

二期圍堰爆破過程中，要注意保護周邊建筑物，但是實際爆破任務進行時由于藥量大，爆破鉆孔多，爆破過程容易產(chǎn)生振動和水擊波，因此要嚴格進行控制。此過程采用了南非AEL炸藥公司生產(chǎn)的DigishotTM型數(shù)碼雷管起爆系統(tǒng)。此次爆破任務中，水平預裂孔129個、水平主爆孔222個、高噴防滲墻垂直孔52個，總計403個爆破鉆孔，共使用炸藥8300kg，數(shù)碼雷管876發(fā)，導爆索14572m，整個爆破過程總延時為9962ms，一次性拆除開挖總量約18000m3。其中水平主爆孔孔深若大于7m，孔內(nèi)起爆時應分成2段，使用2束導爆索串聯(lián)孔內(nèi)炸藥，爆破最大單響藥量為20.8kg。二期圍堰爆破各測點監(jiān)測的爆破震動速度監(jiān)測值如表4。

分析表4得出，各測點的最大振動速度均控制在電站區(qū)域內(nèi)業(yè)主要求的最大值范圍內(nèi)，且小于水利水電施工規(guī)范所要求的最大值，保證了爆破區(qū)周圍建筑物的正常運行。按照環(huán)保的要求，在二期和三期圍堰爆破過程中均采取了水擊波防護和魚類的保護措施，效果良好。

6 結語

贊比亞卡里巴北岸水電站擴機工程的進水口擋水圍堰拆除施工，始于2011年11月份，在2013年11月份，歷時24個月完工。全部工程總方量達到54000方，總爆破次數(shù)達到85次以上。在施工過程中，質(zhì)點振動速度的控制、水擊波的控制等等相關工程操作，對進水口都沒有造成影響，一直保持正常運行。擴機工程得以正常施工，與此同時，原有機組也仍能夠保持正常運行。從而說明所采用的圍堰拆除施工工藝、分期方式、爆破設計都是合理實用的。

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