擋水條件下壩體混凝土水下拆除技術研究

陳榮華

（廣西水利電力勘測設計研究院有限責任公司，南寧 530023）

1 工程概況

原桂平航運樞紐是郁江干流綜合利用規劃開發方案中的最下游梯級，是以航運為主兼顧發電的綜合利用工程，位于潯江支流郁江上，距離黔、郁兩江匯合口約3.7 km。樞紐設計正常蓄水位31.5 m，下游設計發電最低水位為19.87 m。電站為日調節性能電站，現狀裝機容量為46.5 MW（3×15.5 MW）。原桂平航運樞紐由攔河壩、船閘、電站廠房等建筑物組成，船閘及引航道布置在右岸階地上；壩軸線上，從左到右依次布置：左岸重力壩（由25.00 m 長的閘門檢修間和27.00 m 長的沉井組成）、溢流壩、河床式廠房、右岸支墩壩和懸臂式擋土墻。

受具有多年調節性能的郁江龍頭梯級百色水庫的調節影響，枯水季節桂平航運樞紐壩址來水量增加，電站為了充分利用水能，增加發電量，枯水季節沒有安排檢修，而洪水期上、下游水位較高，下閘檢修風險較大，擴機將能充分利用水能并便于兼顧安排機組在枯水季節檢修。因此，為充分利用水能兼顧機組檢修需要，需對電站進行本次擴機增容建設。

本次擴機工程系在原桂平航運樞紐左岸增加一臺機組，裝機25 MW（1臺套燈泡貫流式機組），為低水頭徑流式電站。擴建部分主要由進水渠、廠房、尾水渠、接頭壩、閘門檢修間及護坡等建筑物組成，其中進水渠由進水渠壩前段、穿壩段、壩后段組成，穿壩段需拆除擋水壩段混凝土，主要為原閘門檢修間拆除與左岸重力壩局部開洞拆除，由于樞紐一直承擔著航運兼顧發電任務，因此，壩體水下局部開洞施工期間不能降水施工，需在擋水條件下拆除。同時，左岸重力壩靠岸邊緊接濱江防洪堤和商品住房，增加了工程施工難度。

2 拆除施工方法選擇

左岸混凝土重力壩是樞紐的擋水建筑物，距離其它已建水工建筑物和濱江房建較近，且有部分拆除工作在擋水工況下進行，拆除施工方法需充分考慮影響因素。

（1）機械切割法。混凝土機械切割技術按照所用機械不同，主要包括高速鉆孔機切割、盤鋸機切割以及繩鋸機切割。①高速鉆孔機切割。該鉆機具有輕便、高效、采用水冷降溫無粉塵的特點，可鉆深度為8 m，鉆孔方向無特別限制。除作為鉆孔工具常規使用外，還可作為特殊部位的切割工具。②盤鋸機切割。該鋸機包括墻體切割機和地面切割機，具有體積輕巧、裝拆就位快速、切割能力強、效率高等特點，適用于線路長、直線或彎曲半徑不大、切割深度不太大的鋼筋混凝土構件的切割。③繩鋸機切割。作為一種先進的混凝土結構切割分離技術，該工藝可在各種復雜特殊的環境下進行施工，拆除施工速度快，切割件切口平直光滑，噪聲低、無振動，無粉塵、無廢氣污染，符合環保要求。此外，作為靜力切割技術，對需要保留部分的構件不產生任何振動和損傷，操作安全性高。

（2）電弧和氧氣槍切割法。電弧法是利用石墨電極，以電弧燃燒被破壞的結構；氧氣槍切割法是以金屬筒中的電弧灼燒被破壞的結構，此法的氧氣消耗量極大。電弧和氧氣槍切割是小尺寸鋼筋混凝土切割與拆除的有效方法之一，但此類方法很少用于大體積鋼筋混凝土結構切割，而且防火安全問題也較突出。

（3）高能燃燒劑爆破法。高能燃燒劑爆破法在高溫下通過氧化還原反應產生高壓膨脹氣體，使被爆破介質在準靜態下脹裂。高能燃燒劑沒有沖擊波的作用，具有無飛石、地震效應低、噪聲小等優點。在實際使用中，由于對炮孔的密封質量要求較高，高能燃燒劑的成本比普通炸藥高，使得高能燃燒劑的使用受到了一定的限制。

（4）鉆孔水壓爆破法。鉆孔水壓爆破法是鉆深孔后在孔內放置炸藥包并灌滿水，炸藥起爆后在孔內產生強烈的壓力脈沖，使得深孔之間的混凝土產生裂隙并破壞。鉆孔水壓爆破法產生的爆破飛石和粉塵少，但地震波強度比常規的鉆孔爆破法大。

（5）液壓鉗破碎法。機載液壓破碎鉗利用挖掘機的發動機驅動液壓油缸產生的閉合力對混凝土結構構件進行剪切和破碎。缺點是受液壓破碎鉗開口度、液壓系統壓力、施工場地荷載等限制，對大截面結構難以發揮作用。這類設備的主要優點是操作靈活、效率高、能剝除或切割鋼筋并且施工過程噪聲小、無振動。

將各拆除方法的優缺點及適用范圍見表1。

表1 混凝土拆除方法比較

本工程拆除結構主要為大體積混凝土結構，且拆除部位結構整體配筋少，與其它拆除方法相比較，爆破拆除技術成熟，拆除效率高。另外，考慮到施工工期短，拆除強度高，綜合考慮各種拆除方法的使用范圍、施工效率等，本工程選擇采用鉆孔爆破法拆除，局部輔以靜態破碎或機械劈裂的方法。

3 拆除方案及程序

壩體混凝土拆除主要為原閘門檢修間拆除與重力壩局部開洞拆除，其中重力壩局部開洞拆除分為水上部分拆除與水下部分拆除。拆除方案如下：原閘門檢修間拆除首先采用巖石破碎機拆閘門檢修間鋼筋混凝土梁板柱，然后采用風鎬拆除下部重力壩扶壁，下部壩體混凝土拆除安排在擴機廠房進水口閘門安裝調試完成且已具備下閘擋水條件后才能拆除，拆除分I期、II期和III期進行（見圖1和圖2）。

圖1 壩體混凝土拆除剖面圖

圖2 壩體混凝土拆除上游立視圖

3.1 I期混凝土拆除

先拆除重力式下部三角塊混凝土，保留上游側4 m 厚混凝土擋水，并在底板及擋水混凝土間架立斜向鋼支撐，待鋼支撐架立完畢后，澆筑一期混凝土進水箱涵。

上游側保留混凝土在施工過程中必須具有可靠的擋水功能，故需保證其結構的完整性，在Ⅰ期混凝土拆除過程中，在靠近擋水側保留1.5 m 厚的保護層，采用靜態破碎劑拆除，其余部分可采用弱爆破或機械的方法拆除。若采用爆破方法拆除，則需遵循“多打眼，少裝藥，多分段，弱振動”的爆破施工原則，嚴格控制爆破對保留壩體的擾動，采用合理的布孔參數、裝藥結構、最大單響藥量及爆破振動安全控制標準；同時為避免壩體拆除過程中爆破抵抗線的后沖向正對兩側及上游保留壩體而產生的損傷或破壞，需要調整開挖面的平面布置及其推進方向，選擇合理的開挖程序。

本部分混凝土拆除可分兩步進行，第一步通過淺孔修整爆破形成規則的臺階面，第二步考慮到爆破拆除區域距離上游保留擋水結構僅1.5 m，為降低對上游擋水結構的影響，保證擋水結構的完整性，Ⅰ期拆除采用弱爆破。通過采用小梯段、小孔間距、單孔單響的淺孔爆破方式來控制單響藥量，同時通過控制爆破拆除方向及拋擲方向來削弱爆破振動效應。

在第一步形成臺階面后，剩余待拆除區域高約12 m，分為8層，每層高1.5 m，當單層順水流方向寬度超過4 m 時應考慮分多次爆破，每次爆破的寬度不超過為3 m。采用42 mm 孔徑，0.6 m×0.6 m 的炮孔間排距，25 m 直徑的藥卷，單孔裝藥量約150 g，采用類似光面爆破的不耦合裝藥結構，毫秒微差接力起爆網路。

3.2 Ⅱ期混凝土拆除

待一期箱涵混凝土達到設計強度的70%以上后，再拆除預留坎體32.0～37.3 m 高程壩體混凝土（位于水上），按先兩頭后中間的順序分兩次拆除，拆除后設置臨時支撐，并在原位置鋪設鋼筋，澆筑二期箱涵混凝土。待兩頭混凝土達到設計強度的70%以上后才拆除中間部位混凝土。該步工序完成后，形成該重力壩段保留部分混凝土的承重結構。

為了便于后期混凝土的拆除，此部分拆除時在設計輪廓面中部向下設置2個矩型槽，并預留2.5 m寬的支撐墩。矩型槽頂寬1.2 m，高2.4 m，該槽腔部分不澆筑混凝土，主要為后續混凝土拆除創造臨空面。考慮箱涵混凝土的結構安全以及爆破作業的便利性，該部分混凝土主要采用混凝土液壓劈裂機配合風鎬拆除。

3.3 III期混凝土拆除

拆除高程32.0 m以下的預留坎體混凝土，需要進行水下爆破拆除。在拆除前先拆除鋼支撐，然后開槽引水至下游進入發電廠房進水前池，待上下游水位持平后，再采用松動爆破拆除水下部分混凝土至21.0 m高程。

Ⅲ期混凝土拆除采用水平淺孔爆破的方式進行拆除。水上部分拆除時可分多次拆除，水下部分（高程32 m以下）及支撐墩一次拆除，水下混凝土輪廓部位設置輪廓孔。爆破鉆孔直徑42 mm，乳化炸藥，藥卷直徑32 mm，主爆孔間排距0.75～0.80 m，采用數碼電子雷管，每孔雙發，毫秒微差接力起爆網路，炸藥單耗約為0.8 kg/m3。輪廓孔間距0.5 m，采用傳統輪廓爆破技術。

4 拆除中壩體結構響應數值模擬

在完成混凝土爆破破碎的同時，爆破拆除作業必然會伴生地震波、爆破飛石、空氣沖擊波、噪聲等負面效應，即爆破公害。因此，爆破作業中，需研究爆破公害產生的原因、公害強度的分布及衰減規律，以確保被保護對象的安全。

各種爆破公害中以地震波即爆破振動對壩體保留結構及臨近水工建筑物的威脅性最大。為分析爆破振動對樞紐重要結構的影響，應用目前較為成熟的計算機仿真技術，對拆除過程進行三維數值模擬，研究爆破拆除誘發的振動波傳播及其衰減規律，為后續拆除安全影響評價和指導工程實踐提供依據。

4.1 模型

根據壩體拆除方案，建立了對應的幾何模型和CAE計算模型，幾何模型見圖3。

模型主要由壩體混凝土、新建箱涵、鋼支撐和地基4部分組成，其中鋼支撐采用梁（Beam）單元模擬，其余結構均采用8 節點的C3D8R 實體單元模擬，單元總數為16 327，節點總數為18 054。原壩身材料為R15090混凝土，箱涵結構為C35混凝土，鋼支撐為I14型工字鋼，地基為含泥生物碎屑灰巖夾黑色泥巖微風化層（D2d1-3），數值計算中材料本構模型均采用線彈性模型。

4.2 結構應力控制分析

根據工程的實際施工過程，在壩體水下爆破拆除前，主要考慮以下6 種工況下保留壩體的結構安全性。

（1）工況一為采用三維有限元計算保留4 m厚混凝土壩體在水壓力和揚壓力下的穩定情況。

（2）工況二為采用三維有限元計算擋水壩體下游安裝鋼支撐、澆筑混凝土箱涵和混凝土底板，并置換壩身混凝土，形成該重力壩段保留部分混凝土的承重結構，并在原壩身待開挖區域先開挖兩個尺寸為1.2 m×2.4 m的空腔，以便于后期開挖和拆除工況。

（3）工況三為采用三維有限元計算拆除水上壩身混凝土的穩定情況。

（4）工況四為采用三維有限元計算在壩身混凝土和箱涵結構變形穩定后，在水下待拆除壩體鉆設孔徑為42 mm的梅花形炮孔。

（4）工況五為采用三維有限元計算鉆設梅花形炮孔后，拆除鋼支撐的工況下引水結構的整體穩定情況。

（5）工況六為采用三維有限元計算撤除壩身箱涵下部的橡膠支撐工況下引水結構的整體穩定情況，由計算結果可知，在撤除壩身箱涵下部的橡膠支撐工況時，會在箱涵頂板靠下游的中部產生較大的拉應力，最大拉應力值可達1.71 MPa，超過了混凝土的設計抗拉強度。為了降低箱涵頂板靠下游的中部的拉應力，同時控制拆除過程中引水結構的振動位移，特提出以下控制措施：在開挖置換原有壩身混凝土時預留2.5 m厚混凝土中隔墩。

4.3 壩體水下爆破拆除的三維流固耦合數值模擬

目前在描述爆炸沖擊波傳播過程及隨后結構動態響應的方法主要有基于有限元法的Lagrangian方法和基于有限體積法的Eulerian 算法。耦合的Lagrangian-Eulerian 方法充分聯合了Lagrangian 方法和Eulerian 方法的優勢，可有效描述流固耦合動態相互作用及大變形問題。本項目采用顯式動力有限元程序AUTODYN 建立炸藥-庫水-引水結構-地基耦合的三維全耦合數值模型，研究不同單響藥量條件下引水結構、接頭壩、溢流壩邊墩的動態響應及水中沖擊波衰減規律，分析水下爆破拆除對結構安全的影響。施工過程中要求在保證不破壞保留結構的前提下，盡可能提高施工效率。混凝土擋水墻拆除是由上到下逐步拆除，當拆除到臨近保留結構時，此時對其他結構的影響是最大的，因此選取最后一層爆破拆除時單孔一響、兩孔一響、三孔一響三種爆破方式作為典型工況進行計算。

4.4 模擬結果分析

（1）原有方案最危險工況發生在運行工況六中（即撤除壩身箱涵下部的橡膠支撐）。分別會在箱涵頂板靠下游的中部和橡膠支撐開口與箱涵交界處產生集中的拉應力區和壓應力區，最大拉應力數值可達1.71 MPa，超過了新澆箱涵混凝土的設計抗拉強度值，有可能會威脅引水結構的穩定性，需要引起特別注意。

（2）在原壩身混凝土開挖與置換區采取預留2.5 m厚中隔墩控制措施，可以有效降低在撤除壩身箱涵下部橡膠支撐（工況六）引水結構中產生的最大拉應力，最大拉應力值為1.41 MPa，下降幅度達17.5%，并且峰值僅僅只存在局部表層，使得引水結構滿足應力安全要求。

（3）水下待拆除壩體鉆設梅花形炮孔后，撤去鋼支撐對壩身結構的整體變形場和應力場影響較小。

（4）水下爆破拆除靠近箱涵底板的混凝土面板過程中，在爆破振動荷載作用下，總體來說單孔一響的振動響應小于兩孔一響，兩孔一響的振動響應小于三孔一響；三種工況下的結構都出現了不同程度的損傷；由于三孔一響對結構的振動響應較大，對箱涵底板引起的損傷較大，因此，不推薦使用三孔一響進行爆破作業，兩孔一響比起單孔一響能夠提高施工效率，推薦采用兩孔一響進行水下爆破施工。

（5）水下爆破引起的水擊波壓力較小，傳遞到廠房的水擊波壓力峰值小于允許水擊波壓力（0.2 MPa），但爆破水擊波對新澆混凝土箱涵結構安全將產生一定影響，主要在箱涵底板與側墻交界處的角點表層區域產生較大拉應力集中，分布范圍較小，實際爆破過程中需加強該部位的安全監測。

（6）在水下爆破拆除第一層混凝土面板過程中，預留中隔墩工況與無中隔墩工況在振動速度響應峰值方面總體相當，但是從箱涵頂板振動位移峰值方面來說，預留中墩工況下的位移峰值較小，因此預留混凝土中墩對減小箱涵頂板振動是有利的。

在滿足引水結構整體運行穩定的要求下，采用在原壩身混凝土開挖與置換區預留2.5 m厚中隔墩的控制措施，可以減少開挖量、有效減小壩體混凝土拉應力、降低整體的振動響應。

5 爆破安全控制

研究爆破負面效應的產生機理、分布與衰減規律，通過科學的爆破設計，采用合理有效的施工工藝措施，確保鄰近的建（構）筑物的安全。

根據相關規范，參考類似工程的經驗，針對桂平航運樞紐擴機工程爆破作業提出了爆破振動、水擊波、爆破噪聲及爆破飛石的安全控制標準（見表2）。

表2 桂平航運樞紐水電站擴機工程施工爆破安全控制標準

6 爆破施工影響評價

（1）爆破振動影響，在重力壩拆除階段，單響控制在2 kg內可保證閘門檢修間上部保留壩體、左側重力接頭壩及右側1#溢流壩邊墩的安全；爆破對民房及水電站中控室影響可控。

（2）水擊波影響，在10 kg的單響下重力壩混凝土拆除所誘發水擊波超壓仍小于0.1 MPa，對廠房進水口閘門等建筑物的影響較小。

（3）爆破噪聲對單響藥量不敏感，當單響藥量較大時，爆破噪聲仍低于控制標準（120 dB）。建議采取一定的工程措施，如提高炮孔的堵塞長度與質量、盡量避免在地面敷設雷管和導爆索、采用水封爆破或者延期爆破、采用防爆墻削減爆破沖擊波（超壓）強度，進一步減小爆破噪聲帶來的影響。

（4）爆破飛石影響，在爆破施工方案下，最大飛石水平飛散距離可達135.3 m，垂直飛散高度可達67.6 m。若飛石控制不當，可能會影響周邊建構筑物的安全。

7 爆破施工影響控制措施

（1）爆破振動的控制措施。通過采用合理的爆破參數、裝藥結構、爆破起爆順序及抵抗線方向，選取合適的分段延遲時間，在爆源處控制爆破振動的強度。重力壩段拆除爆破的關鍵保護對象是閘門檢修間上部保留壩體、左側重力接頭壩、右側1#溢流壩段，3 種保護對象的控制標準和最小爆心距相同，因此重力壩段拆除可按照爆破施工不影響距爆源10 m 的閘門檢修間上部保留壩體安全的控制標準8 cm/s，確定爆破方式及最大單響藥量，進一步考慮爆破振動安全控制要求，建議重力壩段拆除爆破施工時，最大單響藥量不超過2.0 kg。

（2）爆破水擊波防護措施。通常情況下，擴機工程爆破產生的水擊波壓力峰值較小，一般不會造成威脅大壩等主體水工建筑物的安全問題。通常要予以重視的是水面以下迎水側的閘門、攔污柵等結構。因此要做好安全分析，采取必要的主動防護和加固措施。對水擊波超壓影響的控制與防護，可以通過提高水擊波的允許標準、控制水擊波的峰值及削減水擊波強度來實現，主要有以下措施：①控制爆破單響藥量，在滿足爆破施工的前提下，盡量采用較小的爆破單響離；②傳播途徑上削減水擊波超壓的強度；③加強炮孔堵塞質量。

（3）空氣沖擊波與噪聲控制措施。①合理布置爆破過程的抵抗線，爆渣拋擲方向一般為產生強烈空氣沖擊波的主方向，因此在拆除爆破工程施工中，均須將爆渣拋擲方向避開保護對象。嚴格按設計抵抗線施工、保證平整的臺階掌子面可防止強烈沖擊波的產生。②保證炮孔的堵塞長度與質量，對裸露地面的導爆索用砂、土掩蓋。③運用微差爆破技術來削弱空氣沖擊波的強度。實踐證明，采用排間微差間隔時間為15～100 ms 的深孔微差爆破技術效果最佳。④用控制爆破方向及合理調節爆破時間來避免沖擊波的破壞作用。爆破時間的選擇，通常應避開人流大、活動頻繁的時段。

（4）爆破飛石的控制方法。①優化堵塞結構與材料。炮孔堵塞必須要有一定的長度，一般取1 倍最小抵抗線，最短不得小于最小抵抗線的0.7 倍。堵塞材料可用砂粉或巖粉組成的炮泥，堵塞時要邊堵邊搗，堵塞要密實連續，堵塞材料中應避免雜石。②優化最小抵抗線方向及大小。最小抵抗線可以影響爆破飛石的飛行距離和飛行方向。實際施工時應根據爆破巖體的性質、飛石的安全距離，確定最小抵抗線的大小。抵抗線的方向所對應的臨空面應朝向無人、無民房以及無高壓輸電線的方向。③覆蓋爆體及架設隔離帶。在爆體上鋪設裝砂草袋、炮被，可在爆源處控制飛石。此外，在被保護對象與爆破開挖區域之間可以架設一定長度及高度的防護排架作為隔離帶，隔離帶可以設置在爆區近處。防護排架主體采用鋼管作為骨架，防護排架兩側面采用鋼筋作骨架，鋼筋焊接成格柵網格；同時在排架底層放置沙袋，排架內側掛設竹笆，其表面附設金屬網，從飛石的傳播途徑上進行阻斷。

（5）水下爆破爆渣防護措施。混凝土壩改建段拆除過程中，在拆除III 區水下結構時，由于下游緊鄰進水口段，爆破拆除區域距離進水渠底板斜坡段僅有16.5 m，爆渣易滑入廠房段，給出渣帶來極大的難度。為防止爆破后的混凝土碎渣進入進水口，在緊靠箱涵末端位置設置高度為2 m 的防護網，以攔截爆渣。防護網共有兩層，第一層為方格大小為10 cm的支撐鋼筋網，第二層為方格大小為1～2 cm的密鋼筋網，防護網后設置支撐結構支撐。

8 結語

采用理論分析、數值模擬及工程類比等方法，研究了桂平航運樞紐水電站擴機工程混凝土結構拆除爆破影響，確定了壩體混凝土拆除施工方案，以及爆破振動、水擊波、噪聲及飛石的安全控制標準，評價了爆破振動、水擊波、噪聲及飛石等負面效應的影響并提出了相應的控制措施，混凝土重力壩改建施工過程中，加強對預留混凝土結構質量的觀察與監測，防止后續拆除混凝土的質量劣化；進行混凝土水下爆破拆除時，建議在壩體混凝土與箱涵混凝土之間設置支撐墩，在箱涵中心懸空部位設置豎向支撐結構，改善結構的動態應力狀態，維護結構安全。