中部引黃工程取水口預留巖坎圍堰拆除爆破設計

袁江霞，許毓才

(山西省中部引黃工程建設管理局，太原 030000)

0 引 言

中部引黃工程是山西省“十二五規劃”大水網建設中一項重要的工程，工程自天橋水電站庫區取水，供水范圍包括四市十六個縣。設計取水流量23.55 m3/s，設計揚程200 m，總裝機99 MW。取水口位于天橋水電站樞紐上游約380 m處庫區左岸，為岸邊塔式無壓引水。該部位岸坡較陡，背靠禹保沿黃公路，出露的地層主要為奧陶系中統峰峰組下段厚層泥灰巖，巖性軟弱。順水流方向依次為攔污柵段、漸縮段和工作閘門段。

天橋庫區常年運行水位834.00 m，取水口設計開挖最低高程為824.00 m，澆筑后底板頂面高程為826.00 m。因受地形、水情及外部條件等限制，為便于施工，取水口施工前期采用預留巖坎形成圍堰，巖坎布置三排鋼管樁進行加固。現取水口施工完成，需對圍堰進行拆除。圍堰頂高程為835.80 m，橫剖面底寬13.75 m，最厚處5.59 m，呈倒懸。本次對進水塔前13.2 m寬的巖坎進行一次性爆破拆除。擬拆除至高程825.00 m，爆破方量約為1 150 m3。

1 巖坎拆除難點

巖坎拆除要求爆破產生的沖擊波不能對取水口周邊永久建筑物和省道產生危害，又必須保證一次性爆破成功[1]。此次爆破的難點主要體現在：

(1)巖坎距天橋大壩主廠房、控制室320 m，距天橋生活區48 m，距S249省道15 m，距取水口閘門6.5 m，必須嚴格控制爆破范圍，保證爆破振動在允許范圍內。

(2)天橋庫區運行水位在830～833 m之間，巖坎部分在水位線以下，爆破時應充分考慮水流對爆破效果的影響，且盡量避免渣塊進入庫區。

(3)為保證巖坎穩定性，前期采用3排Φ219鋼管樁(共計54根，鋼管壁厚10 mm，內注M25砂漿)進行加固，間排距1.5 m，梅花形布置，并進行了固結灌漿，增加了巖坎爆破難度。如何使鋼管樁和巖石順利分離，是爆破設計的關鍵所在。

2 爆破拆除方案

2.1 總體方案

針對巖坎的特點，采用小藥量控制、整體一次性爆破的拆除方案[2]。巖坎上下游、進水塔前各布置一排預裂孔和減震孔，避免爆破對周圍巖體和進水塔產生大的擾動[3]；巖坎底部布置一排傾斜的預裂孔，傾斜角度15°，保證巖坎拆除后底部平整，避免影響進水塔過流量；巖坎中間布置五排主炮孔，間隔裝藥。炮孔布置見圖1。

圖1 炮孔布置圖Fig.1 Blasthole arrangement

2.2 炮孔參數

2.2.1 減震孔

因巖坎上下游保留巖體地質條件差，在爆破時盡量避免對其造成大的擾動[4]，在爆破邊界線外側0.5 m處增加一排減震孔，孔間距為0.5 m，孔深為12.5 m。進水塔與巖坎中間布置一排減震孔，孔間距為0.5 m，孔深2 m。減震孔不裝填炸藥。

2.2.2 預裂爆破孔

為保證拆除后保留的上下游和底部巖面平整、穩定，巖坎上下游兩端邊墻垂直孔和底板一排傾斜孔采用預裂爆破，鉆孔直徑90 mm。邊墻孔間距0.8 m，孔深10.8 m，鉆孔從進水塔向河道鉆進，向外呈30°角；底板孔間距0.8 m，孔深7.5 m。線裝藥密度250 g/m，堵塞長度≥1.5 m，堵塞密實，保證質量。裝藥結構采用不耦合間隔裝藥，炸藥使用φ32 mm乳化炸藥，不耦合系數為2.88。

2.2.3 主爆孔

沒有鋼管樁加固的區域，炮孔間距1.5 m，孔深8.65～10.97 m，炮孔排距1.2 m，共5排。

采用鋼管樁加固的區域，為了保證鋼管樁與巖石分離，在每兩個鋼管樁之間布置一個炮孔，第一排鋼管樁炮孔布置在兩個鋼管樁前方中心的位置，距離鋼管樁中心線0.3 m，第二、三排鋼管樁炮孔布置在兩個鋼管樁后方中心的位置，距離鋼管樁中心線0.3 m。

為創造臨空面，保證爆破效果，臨河面按加強拋擲爆破選取爆破單耗，內側炮孔按松動爆破選取爆破單耗，保證鋼管樁和巖石順利分離，同時避免產生大的沖擊波對進水塔結構造成大的擾動。臨河面一排為第一排，第二、三、四、五排依次靠近進水塔方向。炮孔位置不同炸藥單耗不同，第一排炮孔單耗1.6 kg/m3，第二、三、四排炮孔單耗1.2 kg/m3，第五排炮孔單耗0.75 kg/m3。堵塞長度1.25 m。各炮孔具體裝藥情況見表1。

表1 炮孔裝藥情況Tab.1 Blasthole charge condition

為避免藥包集中導致爆破振動過大或爆破飛石，分散炸藥能量，單個炮孔采用間隔裝藥結構。炮孔裝藥結構見圖2。

圖2 主炮孔裝藥結構圖Fig.2 Charge Structure of main blasthole

2.3 爆渣塊度控制及預測

取水口預留巖坎部分位于天橋庫區，爆破后需進行水下清渣，為避免渣塊入庫，保證清渣效果，需控制爆渣塊度，爆渣塊度按平均粒徑≤50 cm控制。

對于節理巖體爆破塊度，選用Kuz-Ram模型[5]用于臺階爆破平均塊度尺寸的預測，平均塊度尺寸與爆破參數及巖石性質等有關。由于水的影響，炸藥在水中的威力有一定下降，因此需要對該模型進行修正，通過修正的Kuz-Ram模型預測水下爆破的爆渣塊度分布。

水下爆破塊度模型公式為：

根據巖坎拆除爆破方案，考慮最不利的情況，上部裝藥情況按照單耗1.1 kg/m3，單孔裝藥量7.2 kg計算；下部裝藥情況按照單耗1.6 kg/m3，單孔裝藥量9.0 kg計算。得出爆破后爆渣平均粒徑結果見表2。

表2 爆渣平均粒徑計算表Tab.2 Calculation of average particle size of blasting slag

由表2可知，炸藥水下性能降低20%，渣塊平均粒徑最大也只有16 cm，能夠保證≤50 cm的塊度要求。

2.4 起爆網路

爆破網絡采用普通導爆管雷管組成的非電接力式起爆網路，臨空面中間開口，爆渣向開口部位拋擲的方案?？變绕鸨x用高段別(MS11、MS13)雷管，孔外傳爆選用低段別(MS2、MS5)普通導爆管。

3 爆破安全論證

鄰水巖坎拆除爆破產生的有害效應主要是爆破地震波、爆破飛石及爆炸水擊波等。根據臨近巖坎建(構)筑物特點和類似工程資料[6]，不考慮水擊波對保護物的影響，重點是爆破振動的控制。

3.1 振動安全要求分析

中部引黃預留巖坎爆破的保護范圍包括：進水塔、閘門和攔污柵等水工建筑物，最小距離為6.5 m；天橋電站生活區和圍墻等民用建筑物，最近處48 m；發電廠中控室，約320 m。按相關爆破規程的要求[7]，閘門和閘門槽爆破安全控制標準按照10 cm/s設計，12 cm/s校核；需保護的民用建筑物的振動允許值取1.50 cm/s；對于天橋電廠中控室的振動允許值取0.50 cm/s。

3.2 爆破振動校核

爆破對建(構)筑物(保護對象)的損害一般以質點振動速度衡量，質點振動速度傳播規律估算公式[8]：

V=K(Q1/3/R)α

式中：V為爆破地震對建筑物地基產生的質點垂直振動速度，cm/s；Q為齊發爆破時總裝藥量，延期爆破時取最大一段裝藥量，kg；R為從爆破地點藥量分布的幾何中心至監測點或被保護對象的水平距離，m；K為與巖石性質、地形和爆破條件有關的系數；α為爆破地震隨距離衰減系數。

參照本工程前期爆破監測數據和類似工程經驗[9]，α取1.62，K值取54。根據不同的保護對象的允許振動速度及回歸公式得到最大單段藥量控制結果見表3。

表3 最大爆破單段藥量控制表Tab3 The maximum amount of explosives shot per delay

由表3可知，取水口巖坎爆破最大單段藥量為9.0 kg，沒有超過允許的最大單段藥量，爆破不會對需要保護建(構)筑物造成有害影響。

3.3 防護設施

閘墩、門槽及進水塔底板上掛設橡膠輪胎和鋪設竹跳板，防止飛石破壞閘門及門槽。爆破前天橋水電站暫停機組運行，防止爆破石渣隨水流進入機組，對機組造成破壞。起爆網絡連接過程中對接力雷管等進行固定，完成后用裝沙的編織袋進行覆蓋，保證網絡在傳爆過程中不被破壞。

4 結 語

(1)本次爆破過程中未見飛石，爆破網絡準爆率達100%，未對周邊建筑物造成破壞，未破壞閘門密封性。爆破巖坎破碎均勻，總體效果較好。

(2)采用減震孔、預裂孔和主炮孔相結合、小藥量分段裝藥、起爆網絡延時起爆不重段的一次性整體爆破拆除方案是合理有效的。

(3)嚴格控制最大爆破單段藥量，采用科學的安全防護措施，可有效控制爆渣塊度和爆破振動對周圍環境的影響。

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