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        水庫(kù)輸水洞水下巖塞爆破集碴坑設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

        2014-03-22 06:31:19胡曉霖
        東北水利水電 2014年5期
        關(guān)鍵詞:水洞取水口閘門

        韓 爽,楊 英,胡曉霖

        (1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司科學(xué)研究院 吉林 長(zhǎng)春 130061;2.水利部綜合事業(yè)局 北京 100053)

        水庫(kù)輸水洞水下巖塞爆破集碴坑設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

        韓 爽1,楊 英2,胡曉霖1

        (1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司科學(xué)研究院 吉林 長(zhǎng)春 130061;2.水利部綜合事業(yè)局 北京 100053)

        通過取水口水下巖塞爆破的集碴坑設(shè)計(jì)及模型試驗(yàn)研究,給出集碴形式的可行性、合理性。由試驗(yàn)現(xiàn)象和集碴效果分析得出:集碴坑進(jìn)口縱向?qū)挾鹊目s窄雖然更有利于巖碴在集碴坑內(nèi)的堆積,但巖塞爆破中巖碴破裂程度具有不確定性,試驗(yàn)推薦集碴坑進(jìn)口縱向?qū)挾葹?1.00m 的布置方案。

        巖塞爆破;集碴坑體型設(shè)計(jì);影響集碴率的因素;豐滿水庫(kù)

        1 工程概況

        豐滿水庫(kù)輸水洞取水口水下巖塞爆破,是吉林省引松供水工程輸水總干線施工的一部分。取水口位于豐滿大壩上游庫(kù)區(qū)左岸,距大壩約 1.20 km。此處庫(kù)岸地形向山內(nèi)凹陷,形成低谷狀,地形較緩,進(jìn)口巖性為砂巖,上覆為碎塊石含少量粘性土。地形坡度一般在 20°左右,進(jìn)口洞軸線與岸坡平行狀等高線交角在 70°左右,此處巖石完整,地質(zhì)條件好。

        2 集碴坑設(shè)計(jì)

        2.1 爆破方案選定

        目前水下巖塞爆破大致分三種:排孔方案、洞室方案和排孔、洞室聯(lián)合方案。

        由各方案特性指標(biāo)及已往工程實(shí)例比較,選定排孔、洞室聯(lián)合運(yùn)用為此次實(shí)施的爆破方案。并確定巖塞口尺寸:內(nèi)徑 7.00m、外徑 15.61m、巖塞厚度 9.80m。輸水洞取水口設(shè)計(jì)流量 38.00m3/s。

        2.2 封堵方式選定

        水下巖塞爆破工程一般對(duì)取水洞采用封堵、半封堵和不封堵三種形式實(shí)施,這次爆破選用不封堵方式。不封堵爆破閘門井不產(chǎn)生井噴現(xiàn)象,對(duì)門槽、門楣安全有利,且節(jié)省水下清碴及拆除堵塞體的工作量。

        2.3 集碴方式選定

        巖塞爆破是一種水下控制爆破,對(duì)爆破后的巖碴處理主要為集碴和泄碴。

        參考部分巖塞爆破實(shí)例和水下巖塞爆破的資料,泄碴爆破對(duì)輸水洞底部的磨蝕十分嚴(yán)重,而采用集碴爆破可有效避免這種破壞。

        2.4 集碴坑設(shè)計(jì)

        集碴坑的形式大體分為矩型、平洞型、靴型,綜合比較靴型布置集碴適宜本工程。

        確定集碴坑剖面為城門洞型(洞高 5.65m,洞直徑 7.00m)后,再依據(jù)集碴坑的容積,估算集碴坑總長(zhǎng)度為45.00m。

        3 研究基礎(chǔ)

        水下巖塞爆破是爆后極短時(shí)間內(nèi)的水體運(yùn)動(dòng),是一種非常復(fù)雜的演變過程。其運(yùn)動(dòng)中各種作用力存在的情況和發(fā)展規(guī)律,難以用計(jì)算和分析的方法徹底解決,而試驗(yàn)研究和原型觀測(cè)是深入研究的較好方法和手段,為此針對(duì)上述初步設(shè)計(jì)選定在比尺 25的正態(tài)模型上開展試驗(yàn)。

        3.1 巖塞模擬

        豐滿水庫(kù)取水口水下巖塞爆破試驗(yàn)研究,僅考慮水流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的相似即水力學(xué)的相似,對(duì)巖塞的巖石結(jié)構(gòu)特性、爆破藥量、爆破力以及因爆炸所導(dǎo)致的上、下抵抗線等均不做模擬。

        試驗(yàn)研究對(duì)巖塞的模擬有兩種方法:一是膠結(jié)模擬、二是松散模擬。而原型觀測(cè)的爆破實(shí)例比較兩種模擬方法都能基本反映水流巖碴運(yùn)動(dòng)的實(shí)際情況,集碴坑內(nèi)堆碴的曲線、形狀也基本一致。此外試驗(yàn)選用的模擬巖碴的碎石密度與原體碎石密度基本一致。

        3.2 巖塞方量模擬

        取水口水下巖塞爆破后,破碎巖石的體積由兩部分組成:即巖塞體積、覆蓋層體積。試驗(yàn)?zāi)M上述兩部分構(gòu)成:其一巖塞體積的模擬即考慮松散系數(shù)后實(shí)際體積取 1649.14m3;其二覆蓋層體積的模擬,雖然巖塞口上方覆蓋層多為碎塊石組成,但其組成中含有 20%~30%的粘性土,碎石的形狀又多為次棱角和棱角形,不如巖石那么致密,因而對(duì)該體積方量不再考慮松散系數(shù)。試驗(yàn)?zāi)M的總方量取其上述兩部分之和為 0.155m3(工程實(shí)際方量為 2420m3)。

        3.3 巖碴級(jí)配模擬

        巖塞爆落后形成不同粒徑的巖碴,其級(jí)配對(duì)集碴坑的集碴效果、集碴部位分配、泄碴對(duì)輸水洞洞體等都有直接影響,因而巖碴粒徑級(jí)配直接關(guān)系到試驗(yàn)成果的可信性、準(zhǔn)確性。

        這次巖塞爆破的單位耗藥量 K=1.8kg/m3、總藥量 Qt=1466.30kg、巖塞口巖石強(qiáng)度系數(shù) A=6,則初步估算巖碴中值粒徑 d50=12.64cm、d0=18.67 cm(n=0.94)。

        3.4 爆破模擬

        試驗(yàn)研究依設(shè)計(jì)爆破的成形尺寸,用鋼筋混凝土筑成固定邊界,然后用玻璃布置在巖塞體的底部用以頂托模擬的巖塞體。巖塞體用設(shè)計(jì)提供的爆落巖碴尺寸,按幾何比尺縮放后篩選的碎石填充,數(shù)量為計(jì)入松散系數(shù)后的自然方量、覆蓋層方量的總和,試驗(yàn)瞬時(shí)擊發(fā)預(yù)埋起爆物,炸碎玻璃后巖碴爆落,用來模擬原型巖塞的爆破過程。

        4 試驗(yàn)研究成果

        4.1 設(shè)計(jì)方案

        4.1.1 集碴率

        由 3 種不同庫(kù)水位集碴坑的集碴率(表 1)分析:爆破水位對(duì)集碴效果影響不大(水位相差21.50 m,集碴率相差僅 3%)。此外未觀測(cè)到有散落的碎碴被水流攜帶進(jìn)取水輸水洞的現(xiàn)象,說明集碴坑的坑底高程和位置等設(shè)計(jì)的比較合理。

        表1 不同爆破水位下集碴坑的集碴率

        4.1.2 碴坑積水對(duì)集碴率影響

        當(dāng)巖塞爆破后巖碴在爆破沖擊力、巖碴自重和水壓力的多重作用下,被急速送入集碴坑時(shí),若受到了碴坑內(nèi)積水的頂托和反向沖擊,將導(dǎo)致集碴坑內(nèi)的巖碴數(shù)量減少。如爆破水位相同、集碴坑內(nèi)積水 1.0m 厚時(shí),集碴率減小了 5%~7%。

        4.2 修改方案

        為提高集碴坑的集碴率將原集碴坑進(jìn)口寬度適當(dāng)縮減,但“舌巖”的厚度不變。

        縮窄巖塞口的縱向進(jìn)口尺寸后,實(shí)施水下巖塞爆破,減弱了水流在此區(qū)間的縱向旋滾強(qiáng)度,相應(yīng)的減小了水流裹挾巖碴進(jìn)入取水輸水洞以及受下泄水流砸擊先期沉落的巖碴,而引起翻滾之后上旋的能力。使巖碴堆積量在集碴坑內(nèi)沿程都有不同程度增加,如在同一爆破水位下比設(shè)計(jì)方案提高了 5%。

        4.3 推薦方案

        由試驗(yàn)現(xiàn)象和集碴效果分析:

        1)集碴坑進(jìn)口縱向?qū)挾鹊目s窄雖然更有利于巖碴在集碴坑內(nèi)的堆積,但巖塞爆破中巖碴破裂程度具有不確定性,試驗(yàn)推薦集碴坑進(jìn)口縱向?qū)挾葹?1.00m 的布置方案。

        2)落入集碴坑內(nèi)的巖碴受爆落后的反向外力作用,將對(duì)集碴率產(chǎn)生不利的影響。而近 50.00m 長(zhǎng)的集碴坑在巖塞爆破瞬間必然有大量的空氣難以瞬時(shí)排除。為此試驗(yàn)建議在集碴坑坑尾部上方設(shè)置直徑不小于 0.30m 的排氣孔與取水輸水洞(最好在閘門井后,便于巖塞爆破后的封堵)或是施工時(shí)的出碴洞相聯(lián)通,有利于巖碴的沉積。

        4.4 閘門關(guān)閉時(shí)間

        水下巖塞爆破后為減少庫(kù)容損失,應(yīng)及時(shí)順利的將閘門關(guān)閉,因而合理的確定閘門關(guān)閉時(shí)間十分重要。

        分析水下巖塞爆破對(duì)閘門主要影響因素為:地震波、空氣沖擊波和氣浪及巖碴。參考國(guó)際和國(guó)內(nèi)巖塞爆破后閘門的運(yùn)行情形,地震波對(duì)平板閘門的作用是安全的;空氣沖擊波是炸藥爆破后高壓氣體引起的,與裝藥量和爆破指數(shù)大小以及隧洞結(jié)構(gòu)尺寸因素有關(guān),并隨著傳播距離增加而逐漸衰減。因而只引起閘門的局部振動(dòng),對(duì)閘門整體無(wú)大影響;氣浪壓力主要是由于巖塞爆通后,水體突然泄入洞內(nèi)推趕空氣形成所謂的活塞效應(yīng)造成的。因此巖塞爆破后泄流過碴時(shí),對(duì)門槽防護(hù)需認(rèn)真考慮。門槽和閘門井門楣處,需按防護(hù)設(shè)計(jì)考慮,以便采取妥善的防護(hù)措施。

        豐滿輸水洞取水口水下巖塞爆破,采用聚碴開門爆破方案,大多數(shù)巖碴都存在聚碴坑內(nèi),但仍有部分巖碴通過隧洞泄到下游,并且零星的巖碴流經(jīng)門槽時(shí)極有可能產(chǎn)生卡阻現(xiàn)象,而影響閘門的關(guān)閉。為使閘門在水下爆破后順利關(guān)閉,可安裝一種門槽的鋼閘門框,預(yù)先填平門槽以避免門槽的卡阻。待水下爆破后,再將其提升上來。此外巖塞爆通后,應(yīng)待洞內(nèi)流態(tài)穩(wěn)定、水流基本不攜帶巖碴的前提下關(guān)閉閘門。如何確定水流不攜帶巖碴,可吸取密云水庫(kù)巖塞爆破經(jīng)驗(yàn),在工作閘門底坎埋設(shè)安裝拾音器,監(jiān)測(cè)石碴通過情況,掌握巖碴通過閘門段的開始和結(jié)束時(shí)間。

        5 結(jié)論

        1)巖塞爆破后巖碴級(jí)配、集碴坑是否積水對(duì)集碴坑布置形式和集碴率有直接影響。此外為提高集碴率,可在集碴坑尾部上方設(shè)置直徑不小于0.30m 的排氣孔與取水輸水洞或施工的出碴洞相聯(lián)通。

        2)爆破水位對(duì)集碴坑的集碴效果影響不大,但試驗(yàn)研究難以模擬爆破能量,因而力的大小及爆破時(shí),庫(kù)區(qū)內(nèi)涌起水浪高度等難以達(dá)到定量的相似,應(yīng)綜合考慮相關(guān)因素確定合理的爆破水位。

        3)三種庫(kù)水位下集碴坑內(nèi)沒有巖碴被裹挾進(jìn)取水輸水洞的現(xiàn)象發(fā)生,集碴坑設(shè)計(jì)比較合理。

        4)巖塞爆破后關(guān)閉閘門的時(shí)間,可通過在工作閘門底坎下預(yù)埋拾音器監(jiān)測(cè)巖碴通過閘門段的結(jié)束時(shí)間來確定。同時(shí)可采用鋼閘門框預(yù)先填平門槽,避免爆破后破碎巖碴對(duì)門槽的卡堵,待爆后再將其提升上來。

        5)建議關(guān)閉閘門后對(duì)其后的輸水洞進(jìn)行必要的清理。

        TV542

        B

        1002-0624(2014)05-0014-02

        2013-11-11

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