徐申飛 石源源
(中國水利水電第十一工程局有限公司 鄭州市 450001)
涔天河水庫擴(kuò)建工程位于湘水支流瀟水上游涔天河峽谷出口處,永州市江華瑤族自治縣東田鎮(zhèn)境內(nèi),下距江華縣城12 km。工程是以灌溉、防洪、向湘江下游長株潭河段補(bǔ)水為主,兼顧發(fā)電、航運(yùn)等綜合利用的大型水利水電工程。水庫正常蓄水位為313.0m,總庫容為15.1億m3。涔天河水庫擴(kuò)建工程為Ⅰ等大(Ⅰ)型水利水電樞紐工程,大壩、泄洪建筑物等為1級建筑物,電站廠房為3級建筑物。
本工程導(dǎo)流洞與永久泄洪建筑物2#泄洪洞相結(jié)合,全長921m,縱坡2%,采用出口挑流鼻坎消能。2014年5月11日水庫水位達(dá)到250.5m(黃海、下同)時,導(dǎo)流洞出口流態(tài)出現(xiàn)異常,導(dǎo)流洞出口形成壓力流,出現(xiàn)氣爆現(xiàn)象,水庫水位達(dá)到251.3m時,導(dǎo)流洞明渠側(cè)墻頂部開始溢流。這將給導(dǎo)流洞運(yùn)行帶來安全隱患,需要采取有效的措施加以解決。
出口挑流鼻坎長28.76m,寬17.5m,溢流面高差7.5m,由兩個1∶2.567反坡漸變?nèi)求w,中間夾個半徑55m的漸變反弧段,橫斷面成“凹”字型,結(jié)構(gòu)體系非常復(fù)雜。原挑流鼻坎結(jié)構(gòu)見圖1。為了徹底解決導(dǎo)流洞出口流態(tài)異常問題,設(shè)計開展了導(dǎo)流洞補(bǔ)充模型試驗,對多個改造方案的洞口流態(tài)及下游沖刷情況進(jìn)行了大量的分析研究工作,最終推薦“導(dǎo)流期降低挑流鼻坎”的處理方案,即:拆除挑坎部分混凝土,將挑流主鼻坎及左側(cè)貼坎頂高程均降低至EL 227m。局部拆除后的挑流鼻坎體型見圖2。
圖1 原挑流鼻坎體型
圖2 局部拆除后挑流鼻坎體型
導(dǎo)流洞挑坎拆除只進(jìn)行中間反弧段和左側(cè)三角體局部拆除,從EL 234.5高程拆除至EL 227.0。右側(cè)為直立坡,左側(cè)為1∶0.5坡度,底板為平面。拆除部位為鋼筋混凝土,垂直水流面鋼筋為Φ20的螺紋鋼,順?biāo)鞣较驗棣?6的螺紋鋼,鋼筋間排距均為20 cm,混凝土保護(hù)層厚10 cm,混凝土為C40HF抗沖耐磨混凝土,本次拆除的鋼筋混凝土約為280m3,拆除部分與母體的接觸面積約為150m2。
(1)根據(jù)業(yè)主和設(shè)計提供的挑流鼻坎拆除窗口時間為2014年10月16日至2014年10月30日,即老壩放水時段,只有15天時間,工期緊,任務(wù)重。
(2)挑流鼻坎體型多變,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,鋼筋密集,混凝土標(biāo)號高,且母體進(jìn)行局部拆除后要作為永久結(jié)構(gòu)繼續(xù)使用,施工難度大,質(zhì)量要求高。
(3)導(dǎo)流洞施工期的最大流速為15m/s,挑流鼻坎進(jìn)行降坎拆除后,接觸面將作為過流面使用,對接觸面平整度要求較高。
根據(jù)挑流鼻坎降坎拆除施工的重點(diǎn)和難度,結(jié)本工程實際情況,擬定了3個方案進(jìn)行比選。
(1)靜態(tài)爆破劑拆除方案。
該方案首先采用混凝土切割機(jī)沿設(shè)計拆除線將母體和拆除體的連接鋼筋割斷,同時在拆除體表面采用混凝土切割機(jī)按50 cm間距進(jìn)行縱橫切割,將鋼筋割斷。然后采用手風(fēng)鉆按30 cm間排距,梅花形鉆豎直孔,清孔后填入靜態(tài)爆破劑進(jìn)行爆破。該方案的優(yōu)點(diǎn)就是無飛石、無振動、無噪音,對母體損害小。缺點(diǎn)是靜態(tài)爆破劑受外界環(huán)境影響大,爆破效果不穩(wěn)定,目前國內(nèi)成功對大體積鋼筋混凝土拆除的案例還沒有,成功的把握不大,同時施工工期長,成本費(fèi)用高。
(2)控制爆破拆除方案。
該方案首先采用混凝土切割機(jī)沿設(shè)計拆除線將母體和拆除體的連接鋼筋割斷。然后沿切割線布置豎直和水平預(yù)留孔進(jìn)行預(yù)留爆破,最后在拆除體表面梅花形鉆豎直孔,按控制爆破進(jìn)行拆除。該方案的優(yōu)點(diǎn)是施工工期短,成本較低,控制爆破拆除技術(shù)已是一項成熟施工工藝,可以進(jìn)行有效的拆除。缺點(diǎn)是該工程只進(jìn)行局部拆除,母體還將作為永久建筑物使用,爆破震動對母體的損害程度很難預(yù)測,接觸面的平整很難滿足過流面的質(zhì)量要求。
(3)繩鋸切割和控制爆破相結(jié)合拆除方案。
首先采用取芯鉆在切割面設(shè)計特征點(diǎn)鉆設(shè)威也孔,然后采用液壓繩鋸按照設(shè)計拆除面進(jìn)行切割,最后在拆除體表面梅花形鉆豎直孔,按控制爆破進(jìn)行拆除。該方案的優(yōu)點(diǎn)是繩鋸切割后的接觸面光滑、平整,能滿足過流面的質(zhì)量要求;先采用繩鋸切割將拆除體與母體脫離后,再進(jìn)行控制爆破可以大幅度降低爆破震動對母體損傷;工期能滿足要求。缺點(diǎn)是施工成本較高。
經(jīng)過進(jìn)度、安全、質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)綜合比較后,挑流鼻坎降坎拆除決定采用繩鋸切割和控制爆破相結(jié)合的方法進(jìn)行拆除。
導(dǎo)流洞出口挑流鼻坎降坎施工程序見圖3。
圖3 挑流鼻坎降坎施工程序框圖
(1)施工供風(fēng)。
在現(xiàn)場配置2臺20m3移動油動空壓機(jī),供鉆爆用風(fēng)。
(2)施工供水。
在下游河道布置1臺1吋潛水泵直接抽取河水,供繩鋸設(shè)備冷卻使用。
(3)施工用電。
切割設(shè)備、鉆孔設(shè)備和供、排水設(shè)備和照明等,用電負(fù)荷約160 kW。從施工支洞出口處1 000 kVA變壓器接線。
(4)施工道路布置。
利用導(dǎo)流洞挑流鼻坎施工道路,作為降坎施工拆除施工道路,同時利用石渣在挑流鼻坎下游出口回填一個4.0m寬的作業(yè)平臺。
(5)導(dǎo)流洞內(nèi)積水排除。
(1)切割施工工藝流程。
施工準(zhǔn)備→測量放線→威也孔鉆設(shè)→繩鋸切割。
(2)施工準(zhǔn)備。
①接通水電,做好照明、用水等工作。
②對施工人員進(jìn)行安全技術(shù)交底,組織施工人員熟悉現(xiàn)場情況。
③向監(jiān)理部上報特種人員上崗證,并對進(jìn)場設(shè)備進(jìn)行報驗。
(3)測量放線。
采用全站儀將設(shè)計拆除輪廓線和將威也孔的鉆孔位置放在建筑物實體上,并用紅油漆標(biāo)識。
(4)威也孔鉆孔。
根據(jù)挑流鼻坎的復(fù)雜體型結(jié)構(gòu),將拆除體切割成反弧段和反坡三角體兩塊,為便于繩鋸穿線,在分割交點(diǎn)位置鉆威也孔??讖溅?0mm,采用MOD.MQ-405B金剛石鉆機(jī)鉆孔。為確保鉆孔精度,將取芯鉆采用膨脹螺栓固定在混凝土面上,開鉆前采用全站儀校正取芯鉆機(jī)架設(shè)位置和鉆設(shè)角度。鉆孔完成后再采用全站儀檢查威也孔的進(jìn)口和出口偏差。威也孔的布置見圖4。
圖4 挑流鼻坎降切割分區(qū)圖
(5)繩鋸切割。
本次拆除部位為異形結(jié)構(gòu),挑坎部位為漸變反弧,長5.9m,左側(cè)為漸變反坡三角體,長20m。根據(jù)拆除體的體型,分為5個面進(jìn)行切割,切割成反弧段和反坡三角體兩塊。采用德國進(jìn)口的混凝土鉆切設(shè)備“塞迪瑪WS-450H”全液壓切割機(jī)進(jìn)行無損靜力切割,切割面劃分見圖4。首先進(jìn)行1#和2#兩個水平面的切割,水平面切割過程中每隔2.0m插入1個鋼楔子,防止切割完成后脫離體下沉,擠壓切割繩;同時讓脫離體與母體之間形成一定的空隙,減小控制爆破對母體的沖擊。水平面切割完成后,進(jìn)行3#和4#兩豎直切割面的切割。最后進(jìn)行5#斜面切割。切割設(shè)備架設(shè)在混凝土面采用進(jìn)行切割,滑軌、導(dǎo)向輪采用膨脹螺絲固定。
根據(jù)拆除體的體型特征,爆破拆除分兩個區(qū)進(jìn)行,首先進(jìn)行反弧段的爆破,然后進(jìn)行反坡三角體的爆破。鉆孔采用TY28手風(fēng)鉆,炸藥選用2#巖石炸藥,非電微差毫米雷管引爆,電雷管起爆。采用孔外延時,簇并聯(lián)起爆網(wǎng)絡(luò)。
(1)單響藥量計算。
爆破拆除在母體上進(jìn)行,重點(diǎn)是減小爆破震動對母體的損害。查《水工建筑物地下開挖工程施工規(guī)范》(SL 378-2007)表D.0.3-1爆破質(zhì)點(diǎn)震動安全允許標(biāo)準(zhǔn)。按照新澆大體積混凝土齡期(7~28)d,質(zhì)點(diǎn)振動安全允許速度值為(7.0~12.0)cm/s。取12.0 cm/s進(jìn)行試算。試算公式:
式中V——質(zhì)點(diǎn)振動速度;
W——爆破裝藥量;
D——爆破區(qū)藥量分布的幾何中心至觀測點(diǎn)或建筑物、防護(hù)目標(biāo)的距離;
K——與場地地質(zhì)條件、巖性特性、爆破條件以及爆破區(qū)與觀測點(diǎn)或建筑物、防護(hù)目標(biāo)等有關(guān)的常數(shù)。
經(jīng)試算單響藥量為4.0 kg。
(2)爆破參數(shù)選擇。
根據(jù)《水利水電工程施工組織設(shè)計手冊》第2冊進(jìn)行爆破參數(shù)選擇。
最小抵抗線W值查表4-4-97,按照大體積混凝土取值,取W=60 cm。
炮孔間距a及排距b確定,查表4-4-98,按照鋼筋混凝土取值,取a=90 cm;取b=80 cm。采用梅花型布孔。
爆破孔孔底至保留體的距離E不小于最小抵抗線W。取E=W=60 cm。
(3)單孔爆破藥量計算。
臨空面一排孔的藥量計算:q=KWaH;多排炮孔布置中間各排炮孔的藥量計算:q=KabH。
式中q——單孔裝藥量(g/孔);
K——單位用藥量(g/m3);
W——最小抵抗線(m);
a——炮孔間距(m);
b——炮孔排距(m);
H——爆破拆除高度(m)。
(4)裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計。
根據(jù)拆除結(jié)構(gòu)形式及鋼筋的分布形式,為取得較好的爆破效果,爆破孔鉆孔方向垂直于混凝土面,根據(jù)孔深的變化采取分層裝藥,孔深在1.5m以內(nèi)裝藥不分層,孔深(1.5~3.0)m的孔分兩層裝藥,孔深(3.0~5.0)m的分三層裝藥。相鄰兩層藥包的中心間距大于0.3倍的孔深,小于1.5倍的最小抵抗線。炮孔堵塞采用黃泥,長度大于0.75的最小抵抗線。分層裝藥藥包采用導(dǎo)爆索串聯(lián),非電毫秒雷管起爆。
導(dǎo)流洞挑流鼻坎于2015年10月16日開始進(jìn)行施工,10月22日完成混凝土切割任務(wù),使拆除體與母體順利脫離。10月24日在反弧段進(jìn)行生產(chǎn)性爆破實驗。震動監(jiān)測點(diǎn)布置見圖5,震動監(jiān)測設(shè)備顯示最大震速v=11.44 cm/s,在規(guī)范允許范圍之內(nèi)。爆破最大震速見圖6,爆破后的混凝土塊體適中,便于反鏟清理;經(jīng)檢查在距離挑流鼻坎10m處的變形縫沒有發(fā)生位移;渣料清理后母體切割面光滑、平整,沒發(fā)現(xiàn)爆破損害的痕跡,滿足過流面的質(zhì)量要求。經(jīng)綜合分析所選取的爆破參數(shù)和降坎總體方案合理、實用。10月28日完成了剩余部位的拆除,比預(yù)期提前了2天。達(dá)到了預(yù)定的進(jìn)度、質(zhì)量和安全等各項目標(biāo)。挑流鼻坎降坎后的效果見圖7。
圖5 震動檢測點(diǎn)布置示意圖
圖6 爆破最大震速波形圖
圖7 挑流鼻坎降坎后效果照片
采用繩鋸切割和控制爆破相結(jié)合的方式進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)局部混凝土拆除,涔天河導(dǎo)流洞挑流鼻坎降坎為首例。該拆除技術(shù)不僅適應(yīng)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)局部鋼筋混凝土拆除,也適應(yīng)于簡單結(jié)構(gòu)局部鋼筋混凝土的拆除。在工程改造、擴(kuò)建和結(jié)構(gòu)修繕等方面具有很強(qiáng)的適用性,值得類似工程借鑒和推廣。
[1]GB 6722-2011.爆破安全規(guī)程[S].
[2]GB 50010-2002.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].
[3]SL 378-2007.水工建筑物地下開挖工程施工規(guī)范[S].