聚能爆破技術(shù)在水電站蓄水壩體拆除爆破中的應(yīng)用

吳橋武

(湖南鐵軍工程建設(shè)有限公司, 湖南 長沙 410016)

1 工程概況

為全面貫徹落實習(xí)近平生態(tài)文明思想,堅決糾正小水電違規(guī)建設(shè)、影響生態(tài)環(huán)境等突出問題,根據(jù)“水利部、國家發(fā)展改革委、生態(tài)環(huán)境部、國家能源局關(guān)于開展長江經(jīng)濟(jì)帶小水電清理整改工作的意見”,以及“湖南省小水電清理整改實施方案”的要求,通過宜章縣人民政府論證、綜合評估,位于自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)或緩沖區(qū)內(nèi)(莽山國家森林公園和瑤崗仙省級自然保護(hù)區(qū))的小水力發(fā)電站被列入退出類電站,經(jīng)現(xiàn)場勘查,其中有5座蓄水壩位于森林公園和自然保護(hù)區(qū)深處,尤其是莽山紅茅坑電站龍頭坑蓄水壩,海拔較高,道路險峻崎嶇,施工機(jī)械設(shè)備無法到達(dá)蓄水壩現(xiàn)場,給拆除壩體帶來極大的困難。

1.1 周圍環(huán)境

待拆除的宜章縣莽山瑤族鄉(xiāng)紅茅坑電站龍頭坑蓄水壩位于樂水河的上游,也是廣東省珠江的源頭,海拔約640 m,建于2013年,蓄水能力約15 000 m3。周邊原始森林覆蓋率達(dá)95%,有大量珍稀植物。蓄水大壩是橫向施工構(gòu)筑物,位于河道的中央,具有攔水功能。其水庫右側(cè)約30 m處是發(fā)電隧道進(jìn)水洞,洞口至山體長約20 m為外露混凝土拱形隧洞,無任何覆蓋土層埋深,要求拱形隧洞不能受到損壞。

1.2 構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)

蓄水大壩為長形梯臺,長28 m,上寬2.6 m,底寬4.5 m,總高6.4 m。壩體是一個梯形結(jié)構(gòu),正面傾斜,用漿砌塊石構(gòu)筑,水泥敷面厚約4 c m。其右側(cè)是泄洪閘門(已損壞,無法泄洪),閘門兩側(cè)為鋼筋混凝土柱,尺寸為30 c m×30 c m,并且柱體有密度配筋。發(fā)電隧道在水庫右側(cè),洞口為混凝土澆筑。如圖1所示。

圖1 壩體結(jié)構(gòu)示意

1.3 工程特點和要求

(1)待拆除蓄水壩遠(yuǎn)離公路,沒有道路通行,需要通過高山密林和險要崎嶇的峽谷山林,徒步穿越約2.5 h才能到達(dá)現(xiàn)場。

(2)拆除大壩時間短、任務(wù)重,鉆孔施工設(shè)備無法搬運到現(xiàn)場,施工作業(yè)人員進(jìn)出困難,且風(fēng)險較高必須一次爆破成功,滿足泄水和過流要求。

(3)蓄水壩是長形梯臺,頂面狹長,而梯形底部較寬厚,結(jié)構(gòu)砂漿飽滿、強(qiáng)度較高。給鉆爆施工、控制爆破飛石以及確保不損毀周邊珍貴植物都增加了難度。

(4)雨水充沛,水庫的水位較高。水庫壩體處海拔約645 m,正常工作水位深約3.5 m。水量較大,不利于鉆爆施工作業(yè)。如果采用小孔徑鉆爆施工,壩體底部難以鉆孔到位,施工難度增加,施工時間較長,在規(guī)定的時間內(nèi)難以完成工程拆除任務(wù)。

2 爆破設(shè)計與施工方案

2.1 拆除爆破方案選擇

鑒于本項目工程量不大,但待拆除壩體結(jié)構(gòu)特殊,施工作業(yè)環(huán)境較復(fù)雜,安全要求高。需要選擇合理的爆破方法和施工組織工序,解決工程中的難點。由于沒有運輸?shù)缆?施工機(jī)械設(shè)備無法到達(dá)現(xiàn)場,故無法采取鉆孔法爆破。因此必須突破傳統(tǒng)施工爆破模式,采用新的聚能爆破技術(shù),從而確保按期和高質(zhì)量拆除大壩。拆除爆破總體方案如下。

(1)采用聚能圓柱形裝藥破巖的施工方法。聚能圓柱形裝藥爆破將蓄水壩體拆除,解決了用鉆爆作業(yè)趕不上工期的難點以及無法搬運大型設(shè)備鉆孔作業(yè)的問題。該方法不僅可以減少作業(yè)環(huán)節(jié)、提高效率、降低風(fēng)險、節(jié)約成本,還可降低人工作業(yè)量,更重要的是減少了作業(yè)安全隱患。

(2)施工工序組織安排:第一步,根據(jù)設(shè)計制作圓形裝藥殼體裝置、藥形罩等;第二步,組織人工搬運爆破器材到達(dá)爆破現(xiàn)場;第三步,在現(xiàn)場按照設(shè)計制作聚能藥包并安裝到位,保障工程順利實施爆破。

(3)對蓄水壩梯形結(jié)構(gòu)體作爆破設(shè)計,使壩體拆除爆破更充分、徹底、安全。

(4)整個工程分兩次進(jìn)行爆破。第一次是試爆,通過試爆打開缺口放水;第二次為主體爆破。

2.2 爆破參數(shù)設(shè)計

2.2.1 聚能裝置設(shè)計

聚能藥包由聚能殼體、炸藥、藥形罩等部分組成。聚能裝藥結(jié)構(gòu)在設(shè)計和制作時應(yīng)充分考慮炸藥性能、藥型罩材料和形狀、藥包內(nèi)部結(jié)構(gòu)和殼體材料、使用時安置的炸高等諸多設(shè)計參數(shù)對聚能爆破效果的影響。

(1)裝藥結(jié)構(gòu)。裝藥結(jié)構(gòu)聚能裝藥是軸對稱的短圓柱狀裝藥結(jié)構(gòu),起爆孔與藥型罩分置于圓柱藥包相對兩端。殼體選擇為壁厚1.0 c m;內(nèi)直徑20 c m的硬質(zhì)高強(qiáng)度聚乙烯管。聚能裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 聚能裝置

(2)炸藥選擇。炸藥是聚能爆破的能源,炸藥的爆壓越大,聚能藥柱威力越大;按照流體力學(xué)理論,炸藥的爆轟壓力P cj是爆速D和裝藥密度P o的函數(shù)見式(1)。

由此可知,炸藥的爆速對爆轟壓力大小的影響要比裝藥密度大得多。因此,為提高藥包的聚能威力,必須選用爆速高、猛度大的炸藥;其次,應(yīng)盡量提高藥包的裝藥密度。在工程爆破中,為降低施工成本,也常使用爆速和密度較低的工業(yè)炸藥。爆轟壓力并不高,雖不能形成最為理想的爆炸射流,但對巖石類介質(zhì)同樣有著明顯的聚能爆破效果。工業(yè)2號巖石乳化炸藥其常規(guī)性能如下:猛度≥12 mm;爆速≥3200 m/s;藥卷密度為0.9～1.05 g/c m3;藥卷浸水8 h爆破性能良好。

(3)藥型罩設(shè)計。藥型罩的作用是把炸藥的爆炸能轉(zhuǎn)化成罩體材料的射流動能,從而提高其穿透和切割能力。藥型罩的材料必須滿足4點要求,即可壓縮性小、密度高、塑性和延展性好、在形成射流過程中不汽化。大量試驗證明,用紫銅制作藥型罩效果最好,其次為鑄鐵、鋼和陶瓷,但在工程爆破中通常使用鐵皮、硬質(zhì)塑料、玻璃等廉價材料來制作藥型罩也能達(dá)到較好的爆破效果。因此,在制作聚能藥包時,必須對藥型罩的材料、形狀、錐角、壁厚作出正確的設(shè)計。

形狀:藥型罩的形狀在確保有良好聚能效果的基礎(chǔ)上,應(yīng)盡可能簡單和便于加工。常用于大塊巖石的二次破碎和基礎(chǔ)構(gòu)筑物爆破的藥型罩為圓錐形或半球形。

錐角:錐角的大小決定了聚能射流的穿孔(或切割)能力。按照定常、理想、不可壓縮的流體動力學(xué)理論,錐形罩的射流速度V j和射流質(zhì)量mj可分別按式(2)、式(3)計算:

如炸藥為瞬時爆轟,并且藥型罩的壁面同時平行地向軸線壓合,這時α=β,δ=0,因而有:

式中,m、V0、α、β、δ分別為藥型罩的維元質(zhì)量、壓合速度、半錐角、壓合角和變形角。

通過上式可知,射流速度V j隨著藥型罩錐角α的減小而增加,射流質(zhì)量mj則隨錐角a的減小而減小。試驗表明:當(dāng)錐角小于30°時,穿孔性能很不穩(wěn)定;錐角介于30°～70°之間,射流才具有足夠的速度和質(zhì)量,起到穩(wěn)定的穿孔作用和良好的穿孔效果;當(dāng)錐角大于70°以后,穿孔深度迅速下降但破碎效果增大。因此在選擇錐角時,必須根據(jù)聚能爆破的目的來確定。在使用聚能藥包來破碎大塊巖石和基礎(chǔ)構(gòu)筑物時,應(yīng)選擇較大錐角;當(dāng)采用聚能爆破藥包進(jìn)行穿孔時,可選取較小的錐角;當(dāng)在聚能藥包內(nèi)部起爆點與藥型罩頂之間設(shè)置隔板時,錐角宜大些;不設(shè)隔板時,錐角可小些。考慮被爆破物是大型壩體,而選擇了80°較大錐角的圓錐形鋼藥型罩。

(4)殼體厚度。殼體會影響爆轟波的陣面形態(tài),可以減弱稀疏波的作用,有利于能量有效利用,但控制不好會造成“反向射流”現(xiàn)象,反而減弱了射流強(qiáng)度,所以聚能藥包也有一些不用外殼的。但一般認(rèn)為有殼藥包可提高炸藥能量的利用率,從而增強(qiáng)效應(yīng)。其主要的作用是作為容器裝填和固定藥包形狀,防止藥包在搬運、安裝和使用調(diào)整時碰撞損壞。

(5)炸高的設(shè)計。炸高是聚能藥包底面(即藥形罩底線)到被炸目標(biāo)的最短距離,見圖3。最佳炸高應(yīng)根據(jù)聚能藥柱設(shè)計決定,一般是藥型罩底部直徑的1～3倍。本工程在設(shè)計炸高時,依據(jù)了現(xiàn)場實際情況,聚能藥柱將安置于壩體水庫一側(cè),由于水庫內(nèi)的水無法完全放干,所以聚能藥柱必須沉放在水中,因而將炸高設(shè)計在圓柱殼體內(nèi)部,阻擋外部水壓對爆破射流的影響,其炸高長度選擇是藥型罩底部直徑的1倍,即長約20 c m。爆炸后,爆炸產(chǎn)物在圓柱殼體內(nèi)將會形成一股強(qiáng)大的爆破射流,從而使壩體受到爆破射流的作用,其壩體破損更充分,爆破效果更佳。

圖3 聚能藥包

2.2.2 聚能藥包裝藥設(shè)計

在確定聚能藥包的結(jié)構(gòu)形狀后,既要使裝藥重量最輕,又要使破巖效果好,這就要求合理的裝藥量。在整個聚能藥包中,能形成聚能射流的炸藥,僅僅是靠近藥型罩的一定厚度的炸藥層,即有效炸藥層,其他不直接參與聚能效應(yīng)的那部分炸藥叫做非有效炸藥。它的作用是使有效炸藥層達(dá)到穩(wěn)定爆轟,并使有效層炸藥的能量得到充分利用。

(1)聚能爆破總藥量計算。依據(jù)需要破壞的壩體長度為15 m,爆破方量約為340 m3。巖石類基礎(chǔ)構(gòu)筑物拆除爆破單耗選取q=0.6～0.8 kg/m3。通過試爆后計算,本工程單耗為:q=0.43 kg/m3,爆破總用藥量為:Q=144 kg。

(2)聚能藥包裝藥計算。聚能藥包的破巖深度(或者寬度)與裝藥直徑和高度有關(guān),一般裝藥高度不大于3倍的裝藥直徑。即裝藥直徑D是20 c m,設(shè)計裝藥高度為:H=D×3=60 c m。現(xiàn)有32#乳化炸藥長度為30 c m,可以分2層將炸藥裝入圓柱形裝置內(nèi),單個聚能藥包可裝藥量為14.4 kg,共計可裝10個圓柱形聚能藥包。

(3)聚能藥包安裝。根據(jù)壩體爆破拆除15 m即可的要求,計算其聚能藥包間距為1.5 m。如圖4所示,安裝時使用尼龍繩牢固捆綁聚能藥包,沿大壩水庫一側(cè)放入底面,聚能穴朝向壩體,形成固定點位。依次按1.5 m的間距將聚能藥包安裝到位。

圖4 聚能藥包安裝

(4)起爆網(wǎng)路設(shè)計。采用數(shù)碼電子雷管起爆網(wǎng)路。壩體拆除爆破,共分兩次進(jìn)行,第一次進(jìn)行試爆,同時也是爆破一個放水缺口;第二次為主壩體和泄洪閘門兩側(cè)的鋼筋混凝柱爆破。為了保證起爆的完爆率,每個聚能藥包內(nèi)裝兩發(fā)雷管,即每層炸藥裝一發(fā)雷管起爆。由于壩體底部較寬,為了更有效地將壩體完全破除,必須要求電子雷管設(shè)置的延期時間精準(zhǔn)。借鑒逐孔起爆的方法,即先爆藥包將壩體爆出一個缺口,為后起爆的聚能藥包增加一個自由面,從而能更徹底地將大壩拆除。每個藥包設(shè)置間隔延時均為20 ms。數(shù)碼電子雷管采用并聯(lián)方式連接,專用起爆線采取架空延伸至下游起爆站,避免起爆線落入河水中,并能防止起爆線在巖石表面摩擦破壞其絕緣。

3 爆破安全措施

3.1 爆破振動校核

本工程周邊需要保護(hù)的對象是發(fā)電進(jìn)水隧道洞口。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014),爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)水工隧洞10 Hz＜f≤50 Hz時,其安全允許質(zhì)點振動速度V值為8～10 c m/s;f＞50 Hz時,其安全允許質(zhì)點振動速度V值為10～15 c m/s。按式(6)計算:

式中,R為距離,取35 m;Q為爆破總藥量,取144 kg;V為保護(hù)對象所在地安全允許質(zhì)點振速,c m/s;K,α與爆破點至保護(hù)對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù),K=200,a=1.7。

根據(jù)式(6)計算爆破振動質(zhì)點振速V值為7.8 c m/s,小于爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)值。經(jīng)爆后檢查,進(jìn)水口隧道無任何損壞。

3.2 個別飛石安全距離計算

本次拆除爆破,采用數(shù)碼電子雷管毫秒延時起爆,一次起爆總藥量為Qmax=144 kg。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》,爆破飛石飛散距離受地形、風(fēng)向和風(fēng)力、堵塞質(zhì)量、爆破參數(shù)等影響,按式(7)計算:

式中,R1為爆破飛石的安全距離,m;n為爆破作用指數(shù),標(biāo)準(zhǔn)爆破取1;W為最小抵抗線,m;K1為安全系數(shù),一般為1～1.5。

計算可得,爆破飛石距離約為138 m,需嚴(yán)格加強(qiáng)爆破安全警戒,確保安全。根據(jù)現(xiàn)場實際情況,雖然周圍沒有任何建構(gòu)筑物,但參加爆破作業(yè)和搬運器材以及政府相關(guān)部門的人員較多,所以將安全距離擴(kuò)大至500 m。起爆站設(shè)在河道下游一塊巨石后,距離爆點約260 m。爆破警戒人員必須嚴(yán)格落實安全警戒措施,做好人員的疏散工作,保證所有人員撤離到安全距離外,指揮長確認(rèn)安全后,方可下達(dá)起爆命令。

3.3 空氣沖擊波安全距離

式中,RB為空氣沖擊波的安全距離,m;Q為總藥量,kg;KB為爆破條件及影響的系數(shù),對人員,裸露藥包取5～15。

計算可得RB約為156 m,可以得出空氣沖擊波對人員安全無影響。

4 爆破效果與體會

4.1 爆破效果

爆破后,通過檢查,壩體15 m及鋼筋混凝柱完全被破除,塊度較小適合水流沖渣,并符合拆除標(biāo)準(zhǔn)。兩次爆破均未對周邊保護(hù)植物造成任何損害,有效控制了爆破有害效應(yīng)。經(jīng)政府及相關(guān)部門驗收,本次爆破取得圓滿成功。

4.2 爆破完工體會

(1)本工程為蓄水壩基礎(chǔ)構(gòu)筑物拆除爆破,經(jīng)過精心設(shè)計、精細(xì)施工、嚴(yán)密組織,整體分為兩次爆破,滿足了環(huán)境、施工條件和政府的要求,按期完成了蓄水壩的拆除任務(wù)。

(2)對特殊環(huán)境,拆除大型和異形基礎(chǔ)構(gòu)筑物的爆破,應(yīng)采取針對性的設(shè)計和施工組織。本次使用聚能爆破的方法是合理有效的,取得了理想的效果。