烏弄龍水電站地下廠房尾水巖坎圍堰拆除爆破

李漢濤，陳穩科，王 輝，劉俊杰，阮慧靜

（中國葛洲壩集團第六工程有限公司，云南 昆明 650214）

烏龍弄水電站地下廠房尾水閘采用預留巖坎擋水再開挖基坑修建，尾水閘工程完工后拆除巖坎。該巖坎由于爆破臨空面有限且距離尾水閘門很近，廠房在尾水閘門的防護下進行機組混凝土澆筑和機電設備安裝施工，一旦巖坎爆破導致尾水閘門抬動或變形發生滲漏水，將給工程造成重大損失。

1 工程概況及爆破難點

1.1 工程概況

烏弄龍水電站地下廠房尾水閘出口位于大壩下游右岸，尾水出口圍堰為枯水期圍堰，采用“預留巖坎+混凝土子圍堰”的型式；預留巖坎為尾水出口基坑開挖預留成型，頂部澆筑C25混凝土，帷幕灌漿防滲方式。圍堰總長度約130 m，預留巖坎高程為1816 m，頂寬3.0 m，圍堰迎水面邊坡為原始邊坡，背水面邊坡坡比為1∶0.3；預留巖坎上澆筑混凝土子圍堰至1818 m，其型式為重力式擋墻式混凝土圍堰，頂寬為0.6 m，坡比為1∶0.6。其作用在枯水期圍堰擋水，汛期圍堰過水，利用尾水出口隧洞預留巖塞擋水。

每年12月至次年3月為穩定的退水期（枯水期），是尾水圍堰拆除的黃金時段。2017年9月尾水出口閘室建筑物已全部施工完成，水下建筑物已驗收，尾水檢修閘門已下閘擋水，尾水出口圍堰已具備拆除條件。根據工程節點工期要求，尾水出口圍堰必須在2018年4月底完成爆破拆除。本次爆破屬于拆除爆破A級爆破。

1.2 爆破難點

烏弄龍水電站地下廠房尾水巖坎圍堰拆除爆破存在以下難點：

（1）爆區周邊環境復雜，安全控制要求嚴。圍堰拆除前尾水建筑物已修建完成，爆破施工前必須做好有效的安全防護，確保尾水閘、邊坡混凝土及啟閉機房、閘門等設施不受破壞。

（2）爆破成型要求高。預留巖坎采用一次爆除成型，底部不留殘埂，斷面要滿足設計要求。

（3）爆破塊度要求高。巖坎爆破后爆渣塊度需滿足水下清渣設備挖掘能力的要求。

（4）巖坎水下地形復雜，外側邊界不確定因素多。預留巖坎外側為自然邊坡，處于水下，加上水流湍急，水下地形難以測量，給巖坎爆破設計、施工帶來很大困難。

（5）地質條件復雜，施工難度大。預留巖坎外側表面往往風化嚴重，節理、裂隙發育，鉆孔難免出現卡鉆、坍孔等問題，施工難度大。

（6）爆破采用逐孔接力式起爆網路才能滿足單響藥量控制要求，因此網路連接復雜。

2 圍堰爆破方案確定

綜合考慮圍堰的結構形式、爆區周邊環境、拆除時段及堰內已充水、堰外有大量堆積石渣及瀾滄江水位等因素，確定爆破方案如下：先對圍堰揭頂，采用液壓破碎錘拆除混凝土子圍堰，然后預留巖坎主體采用自頂面向下鉆發散孔，巖坎下游與尾水渫邊坡結合處預裂爆破方法，塑料導爆管毫秒雷管延時接力爆破方案。圍堰下游端最先形成缺口，爆渣盡量向堰外拋擲；然后自圍堰下游至上游分段爆破，爆渣拋擲方向沿圍堰軸線向下游方向拋擲，使爆渣拋擲方向避開閘門，并且便于機械清渣。尾水閘與尾水圍堰相對位置見圖1。

圖1 尾水閘與尾水圍堰相對位置

3 爆破設計

3.1 主爆孔參數選擇

（1）鉆孔直徑。主爆破孔采用 CM351高風壓鉆機造孔，孔徑為Φ100 mm。為防止塌孔，鉆孔完成后孔內插入Φ90 mm的PVC管。

（2）鉆孔布置形式。鉆孔布置在巖坎頂面，為便于爆破網路聯網，采用矩形布孔方式，自巖坎頂面向下發散狀鉆孔，巖坎典型橫斷面炮孔布置見圖2。

圖2 巖坎典型橫斷面炮孔布置

（3）鉆孔精度控制。由于圍堰形狀不規則，所處位置與底部高程變化大，因此在鉆孔過程中，嚴格控制鉆孔角度、間排距，確保底部抵抗線在1.8 m范圍內。

（4）炸藥單耗。一般水下爆破，炸藥單耗按下式計算：

式中：q1為基本炸藥單耗，對于水下爆破，一般取值為陸地臺階爆破單耗的2倍，陸地爆破單耗0.5 kg/m3左右，對于水下垂直孔鉆孔爆破再增加10%；本工程有破碎塊最大粒徑的要求，按塊徑40 cm計算基本炸藥單耗為1.1 kg/m3；q2為爆區上方水壓增量單耗，q2＝0.01h2，其中h2為自水面至開挖底部的水深（m）；q3為爆區覆蓋層增量單耗，q3＝0.02h3，其中h3為覆蓋層厚度（m）；q4為巖石膨脹增量單耗，q4＝0.03h，其中h為一次性鉆爆的堰體段高度（m）。

參考云南滄瀾江大朝山水電站尾水洞出口1號、2號巖埂拆除爆破經驗，本工程爆區上方露出水面，垂直向水壓增重的影響小，可不考慮，則h2=0；爆區上方無覆蓋層，則h3=0；本工程待拆除巖坎最大梯段高度h為12.5 m；代入公式（1）計算可得q為1.475 kg/m3，取炸藥單耗為1.5 kg/m3，并通過生產性試爆進行調整。

（5）孔網參數。采用Φ70 mm乳化炸藥，其密度為1.05～1.35g/cm3，延米裝藥量Q為4.0 kg/m。炸藥單耗q為1.5 kg/m3，炮孔負擔的面積S=Q/q=4/1.5≈2.7 m2。布孔時孔排距a取1.5 m，頂部間距0.5～0.6 m，底部抵抗線W為1.8 m；為保證下游15 m開口段的爆破效果，擬增加一排爆破孔，底部抵抗線控制W為1.5 m。

（6）炮孔超深。按設計方案，巖坎須開挖至1805～1810 m高程。為避免欠挖，炮孔底部應超鉆至設計開挖面以下，自背水面至迎水面方向的炮孔超鉆深度逐漸加大，避免先響炮孔形成根底影響后響炮孔爆破效果。按最小超深0.6 m、最大超深2.0 m設計，巖坎由內至外炮孔超深依次為0.6 m、1.0 m、1.0 m、1.5 m、2 m。

（7）裝藥結構。巖坎橫斷面呈上窄下寬，主爆孔采用組合連續裝藥結構形式。炮孔上部密集系數大，采用Φ32 mm乳化炸藥卷兩節并綁竹片固定，延米裝藥量為2.0 kg/m，裝藥長度根據實際孔深確定；中部Φ32 mm乳化炸藥卷三節并綁竹片固定，延米裝藥量為3 kg/m，裝藥長度2.0 m（孔深不足時，根據實際孔深確定）；底部裝Φ70 mm的乳化藥卷，延米裝藥量4.0 kg/m，裝藥長度根據實際孔深確定。裝Φ32 mm炸藥時，必須下竹片將藥卷連續綁扎。每個炮孔的裝藥底部和上部各裝2發MS15段非電雷管，主爆孔裝藥結構見圖3。

圖3 主爆孔裝藥結構

（8）堵塞長度。主爆孔堵塞長度L為2 m。

（9）裝藥量計量。按公式（2）計算裝藥量Q：

式中：q為單位炸藥消耗量（kg/m3）；a為孔距（m）；W底為最小抵抗線（m）；L為臺階高度（m）。

對于孔內采用組合裝藥結構的炮孔，其單孔裝藥量為各段裝藥量之和：

式中：qi為單位炸藥消耗量（kg/m3）；a為孔距（m）；Wi為各裝藥段底部抵抗線長度（m）；Li為各裝藥段長度（m）。

由于孔深或裝藥深度不同，各孔的裝藥量不一致，最大單孔裝藥量為49 kg。

3.2 預裂孔參數選擇

預裂孔鉆孔傾向與尾水閘出口邊坡開挖坡比一致，都為1∶0.3，距離前排開挖主爆孔2.0 m。預裂孔傾角α為73°，孔徑90 mm，孔距0.8 m，線裝藥密度300～400 g/m，孔底1.0 m處加強裝藥，孔口堵塞長度為0.8 m，采用導爆索將Φ32 mm藥卷綁扎在毛竹片上成串狀的不耦合間隔裝藥結構。

3.3 起爆網路設計

該巖坎圍堰爆破采用先在下游端爆破形成缺口，剩余堰體沿圍堰軸線朝向缺口方向分區段依次拆除，每一堰體段采用逐孔接力起爆的爆破拆除方式，保證最大一段起爆藥量不超過允許的單響藥量，使爆破振動控制在允許范圍內。

起爆網路聯接的具體設計方案：

（1）孔內裝 MS15（860 ms）塑料導爆管雷管，每孔裝兩個起爆體，單個起爆體裝2發MS15塑料導爆管雷管；當單孔裝藥量超過49 kg時，孔內分兩段起爆，上下起爆體仍裝2發MS15塑料導爆管雷管，然后在孔口將后爆雷管的導爆管再串接 MS2（25 ms）或 MS3（50 ms）低段位塑料導爆管雷管，實現孔內分段的目的。

（2）孔間延時采用MS2塑料導爆管雷管，局部采用MS3塑料導爆管雷管。

（3）排間延時采用 MS5（110 ms）塑料導爆管雷管。整個網路連接完畢，最后綁扎兩發電雷管，用導線引至起爆站，用高能起爆器起爆。

爆破起爆網路詳見圖4。

圖4 爆破起爆網路

4 爆破安全控制與防護

根據爆區周邊環境情況，近區尾水交通洞、尾水閘墩混凝土、邊坡以及尾水閘門等距巖坎距離較近，存在爆破振動和水擊波的影響問題，因此，本工程重點考慮爆破振動、水擊波和爆破飛石的危害。無論爆破振動還是水擊波的控制，控制爆破單響藥量是最根本的措施。

4.1 爆破振動控制與防護

根據GB 6722－2014《爆破安全規程》的規定，參考類似水利水電爆破工程的實踐經驗，本工程采用的爆破振動安全允許標準為：尾水檢修閘門5 cm/s、尾水啟閉機排架4.5 cm/s，尾水閘鋼筋混凝土15 cm/s。根據經驗公式計算質點振動速度v：

式中：v為質點振動速度（cm/s）；K、α分別為與爆區地形、地質有關的系數和衰減系數，參照類似工程取K為130，α為1.7；R為保護對象到爆區中心的距離（m）；Q為炸藥量，齊發爆破為總藥量，延時爆破為最大單段藥量 （kg）。

爆區中心距離尾水檢修閘門最近點約30.14 m，距離尾水啟閉機排架最近點約26.99 m，距離尾水閘墩混凝土最近點約20 m。當最大單響藥量為49 kg時，爆破振動對重點保護的建（構）筑物及設施、設備的影響驗算如下：

對尾水檢修閘門：

對尾水啟閉機排架：

對尾水閘混凝土：

爆破振動的防護措施包括：

（1）合理確定保護物的抗振標準。設計中參考類似水工圍堰的爆破拆除工程經驗，根據工程類比合理確定保護物抗振標準。

（2）合理確定單響藥量。通過現場爆破試驗確定K、α值，從而確定合理的單響藥量。

（3）在主爆孔孔底設緩沖墊層、巖坎下游端與邊坡設預裂孔以及采用逐孔延時爆破技術，可進一步減緩爆破振動對建（構）筑物的影響。

4.2 水擊波控制與防護

水擊波壓力計算公式為：

式中：Pm為水中沖擊波壓力峰值（×10－1MPa）；Q為乳化炸藥單響最大藥量，取值為49 kg；R為距爆源的距離，取值為30.14 m。

經計算，Pm為0.18 MPa，小于類似工程鋼閘門水擊波允許峰值壓力0.4 MPa，滿足安全要求。為確保尾水檢修閘門等保護對象的安全，進一步強化削減水擊波有害效應的相關措施，在閘門前3 m區域設置兩道氣泡帷幕，帷幕間隔1.0 m。在尾水閘出口兩側及底部布置用鍍鋅鋼管制作的輸氣管道，鍍鋅鋼管上鉆設了兩排密集的直徑1.5 mm的排氣孔，鍍鋅鋼管之間采用高壓膠管連接，整條輸氣管道兩端口與空壓機連接，通過空壓機向輸氣管道中送入壓縮空氣在水中形成氣泡帷幕。鍍鋅鋼管加工及連接方法見圖5。

圖5 鍍鋅鋼管加工及連接方法

4.3 爆破飛石控制與防護

飛石也是本次爆破引起的主要有害效應，必須嚴格控制裝藥量、堵塞長度及質量。爆破飛石控制的主要防護對象是尾水檢修閘門、啟閉機排架、鋼絲繩、尾水閘混凝土等，主要采用遮擋措施進行防護，尤其是閘門需要嚴加防護，防護的基本方法包括：

（1）做好主動防護：對爆區表面采用砂袋進行覆蓋。

（2）啟閉機防護：主要采用搭設鋼管排架，覆蓋竹跳板封閉防護。

（3）鋼絲繩防護：主要采用外裹柔性材料或鋼管排架遮擋的方式防護。

（4）尾水檢修閘門防護：閘門位于水下，主要采用增加炮孔特別是圍堰內側炮孔堵塞長度、控制爆破拋擲方向等防止爆破飛石直接沖擊閘門。

5 結語

烏弄龍水電站尾水預留巖坎圍堰于2018年3月25日下午實施了下游段15m長開口爆破，剩余圍堰段分成三段先后三次爆破拆除，塊度粒徑≤40 cm的爆渣體積達到90%以上，現場爆破振動監測尾水檢修閘門的質點振動速度為3.1 cm/s，小于鋼閘門允許質點振速5.0 cm/s，閘門前設置的氣泡帷幕效果良好，爆破水擊波、爆破飛石等均在安全控制范圍內，爆破對周圍建筑物未造成不利影響。尾水預留巖坎圍堰爆破拆除取得了預期的成效，實踐檢驗了爆破設計的合理性和可靠性。