(中國水利水電第五工程局有限公司,成都,610066)
金沙江白鶴灘水電站左岸導(dǎo)流洞進(jìn)口采用全年圍堰擋水,設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)10年一遇洪水流量22700m3/s,洪水位624.3m,擋水高程626m;圍堰體約在高程605m以下至585m為預(yù)留巖埂,高20m;在高程605m以上至626m為混凝土圍堰體,高21m,重力壩型式,頂寬3m,迎水面為垂直坡,背水面坡比為1∶0.7;設(shè)置一排防滲帷幕,幕底高程575m。
圍堰全長約315m,共計(jì)16個(gè)堰塊,順江、沿左岸坡布置在3個(gè)閘門井進(jìn)口處;1#井對應(yīng)1#~3#堰塊,1#井與2#井之間的分隔巖體對應(yīng)4#~5#
圖1 左岸圍堰拆除前工程形象
堰塊;2#井對應(yīng)6#~9#堰塊,2#井與3#井之間的分隔巖體對應(yīng)10#~11#堰塊;3#井對應(yīng)12#~15#堰塊,16#堰塊為3#井右側(cè)保留巖體置換體。
進(jìn)口圍堰拆除工程量主要有:巖體C15混凝土拆除5.8萬m3,預(yù)留堰埂拆除23.3萬m3(其中水上拆除8.2萬m3,水下拆除15.1萬m3)。
進(jìn)口圍堰軸線分布長度315m,爆破分區(qū)必須充分考慮爆破后江水水位對道路布置的影響及撈、裝、運(yùn)渣作業(yè)的協(xié)調(diào)。由于圍堰在拆除過程中進(jìn)口閘門井明渠底板正在澆筑、導(dǎo)流洞內(nèi)正在進(jìn)行灌漿施工,圍堰拆除過程中還兼顧著擋水防滲的功能,因此,圍堰拆除分區(qū)必須充分考慮相鄰工作面的施工進(jìn)度情況及江水水位的影響,并能根據(jù)水情變化及時(shí)調(diào)整。
根據(jù)2013年實(shí)測水位,分析后確定圍堰拆除以602m為水下拆除分界高程,水下造孔孔深達(dá)18m,同時(shí)鉆孔還必須穿過石渣填筑平臺(tái)、斷層帶、層間、層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶。對于鉆孔工藝及鉆機(jī)的選擇是難點(diǎn)。
由于爆破孔位于水下,且為深孔,普通乳化炸藥藥卷受上浮力的影響難以確保柱狀連續(xù)裝藥的要求,同時(shí)普通微差雷管精度難以滿足爆破要求。
根據(jù)設(shè)計(jì)、監(jiān)理、業(yè)主單位要求,進(jìn)口圍堰水下爆破拆除部分,必須嚴(yán)格控制單段藥量,采用單孔單響控制爆破,以確保圍堰各區(qū)、各序拆除過程中相鄰的建筑物及未拆巖體不受爆破影響。
1#井混凝土至堰體最近距離約16m,2#井混凝土至堰體最近距離約11m,3#井混凝土至堰體最近距離約10m,對于閘門井混凝土、進(jìn)口閘門及啟閉機(jī)的防護(hù)是拆除重點(diǎn)。
圍堰拆除順序首先是確定經(jīng)濟(jì)斷面巖坎最后整體拆除的時(shí)間,并結(jié)合拆除時(shí)間段的水位情況確定經(jīng)濟(jì)斷面的平面尺寸位置。經(jīng)過施工、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、業(yè)主單位多次討論后確定經(jīng)濟(jì)巖坎的拆除時(shí)段定在2013年4月,經(jīng)濟(jì)巖坎拆除時(shí)間確定后再以此為目標(biāo),根據(jù)周邊工程施工進(jìn)度情況及江水水位推算圍堰降低區(qū)域、內(nèi)外減薄區(qū)域的時(shí)間段,總體原則是圍堰在拆除期間仍然具備擋水功能,保證進(jìn)口基坑、洞身建筑物正常進(jìn)行施工。
經(jīng)濟(jì)巖坎按照5年一遇(P=20%)時(shí)4月份金沙江流量3440m3相應(yīng)水位599.5m為擋水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì),考慮施工安全最終確定經(jīng)濟(jì)斷面的頂部高程為600.0m。
為保護(hù)帷幕防滲線,經(jīng)濟(jì)巖坎順江軸線與圍堰帷幕軸線一致,因巖坎巖層走向順層發(fā)育,傾向河心且與圍堰走向斜交,為了減少垮塌,迎水面坡比為1∶0.1,背水坡比為1∶0.3;橫剖面高程為600.0m,寬10m,底部高程為585.0m,寬16m,如圖2所示。
圖2 經(jīng)濟(jì)巖坎斷面設(shè)計(jì)
經(jīng)濟(jì)巖坎平面位置、斷面尺寸確定后,按照重力壩受力模型對其進(jìn)行受力分析驗(yàn)算,以驗(yàn)證其安全穩(wěn)定性,驗(yàn)算結(jié)果如下:
圖3 經(jīng)濟(jì)巖坎受力簡圖
3.2.1 抗剪斷分析
式中:Ks′——抗剪斷安全系數(shù);
∑G──作用在擋土墻上全部垂直于水平面的荷載(kN);
∑P——接觸面以上的總水平力(kN);
f——接觸面間的抗剪斷摩擦系數(shù)。
根據(jù)SL 319-2018《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,通過地質(zhì)資料的查詢,該段地質(zhì)屬于Ⅲ類巖體,依最不利條件分析,查詢可知f′=0.8,c′=0.7MPa。通過圖3中所示可知:
∑G=G1+G2+G3+G4+G5-U1-U2=15×0.1×15/2×10+(15×0.1×15/2×15.36+9.64×0.1×1/2)+(15×7×15.36+25×7)+3×15×25+15×0.3×15/2×25-10×14×(15×0.1+7)-10×14/2×(3+15×0.3)=2327.332
∑P=10×14×14/2=980
所以,Ks′=2327.332×0.8/980=1.90>1.10,滿足要求。
3.2.2 抗浮穩(wěn)定計(jì)算
式中:Kf──施工期沉井抗浮穩(wěn)定安全系數(shù);
∑V──作用在沉井上全部向下的垂直力之和(kN);
∑U──作用在沉井基底面上的揚(yáng)壓力(kN)。
3.2.3 抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算
式中:K0──擋土墻抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù);
∑MV──對擋土墻基底前趾的抗傾覆力矩(kN·m);
∑MH──對擋土墻基底前趾的傾覆力矩(kN·m)。
(1)對A點(diǎn)分析:
∑MV=G1×15×0.1/3+G2×1.5×2/3+G3×5+G4×10+G5×13=31387.28
∑MH=U1×(11/2+15×0.1)/2+U2×(3+1.5+7+1.5)×2/3=8715
所以,K0=31387.28/8715=3.6>1.5,滿足穩(wěn)定要求。
(2)對B點(diǎn)分析:
∑MV=G1×15.5+G2×15+G3×11+G4×6+G5×3=33290.03
∑MH=U1×(4.5+3+4.5)+U2×7.5×2/3+∑P×15/3=21805
所以,K0=33290.03/21805=1.53>1.5,滿足要求。
綜合結(jié)果,經(jīng)濟(jì)巖坎梯形斷面體型設(shè)計(jì)穩(wěn)定、安全,滿足規(guī)范要求。
根據(jù)進(jìn)口圍堰平面分布特性及周邊工程施工進(jìn)度情況,總體將圍堰拆除分為3個(gè)作業(yè)區(qū),其中1#閘門井對應(yīng)的預(yù)留巖坎為拆除Ⅰ區(qū)、2#閘門井對應(yīng)的預(yù)留巖坎為拆除Ⅱ區(qū)、3#閘門井對應(yīng)的預(yù)留巖坎為拆除Ⅲ區(qū)。單個(gè)區(qū)域分6序進(jìn)行拆除,其中:①序?yàn)檫M(jìn)口混凝土圍堰602m高程以上部位巖體拆除,并借渣進(jìn)行堰外水下作業(yè)平臺(tái)的填筑;②序?yàn)閲呋炷敛鸪虎坌驗(yàn)榻?jīng)濟(jì)巖坎內(nèi)側(cè)預(yù)留巖坎降低減?。虎苄?yàn)榻?jīng)濟(jì)巖坎水下巖體拆除;⑤序?yàn)榻?jīng)濟(jì)巖坎頂部預(yù)留巖坎拆除;⑥序?yàn)榻?jīng)濟(jì)巖坎拆除。
圖4 圍堰總體拆除程序斷面
表1圍堰拆除施工時(shí)段與江水水情對照
從表1看出,圍堰采用分序拆除,確保了拆除過程中圍堰剩余巖坎均發(fā)揮了擋水功能,為進(jìn)口基坑及導(dǎo)流洞洞內(nèi)作業(yè)提供了有利條件。
重力式混凝土堰體的拆除爆破設(shè)計(jì)以便于鉆孔作業(yè)、爆破飛石方向向江心、爆破粒徑滿足反鏟、裝載機(jī)就地轉(zhuǎn)運(yùn)至外側(cè)填筑水下巖坎拆除作業(yè)平臺(tái)的要求,爆破后形成平整的建基面以便于巖坎后續(xù)拆除作業(yè)為設(shè)計(jì)原則。
綜合比較,有在圍堰頂部布置豎向斜孔及在巖體背坡布置水平孔兩種方案,選擇后者進(jìn)行混凝土堰體爆破設(shè)計(jì),具體爆破參數(shù)如下。
4.1.1 布孔參數(shù)
混凝土堰體梯段爆破孔間距1.5m、排距1.5m、孔徑90mm,矩形布置;預(yù)裂孔間距0.8m、孔徑90mm,頂部按照排距1m、間距1.5m布置3排垂直孔。具體布孔形式見圖5。
圖5 混凝土堰體爆破布孔
4.1.2 爆破網(wǎng)絡(luò)
混凝土堰體拆除采用水平預(yù)裂微差控制爆破,預(yù)裂孔采用導(dǎo)爆索起爆,主爆孔采用塑料導(dǎo)爆管雷管起爆,孔間采用MS1、MS3段雷管、排間采用MS3、MS5段雷管、孔內(nèi)采用MS13段雷管進(jìn)行傳導(dǎo)爆,為控制爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度最大單響藥量控制在100kg以內(nèi)。
圖6 混凝土堰體拆除爆破網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
4.1.3 裝藥
梯段爆破主爆破孔采用柱狀連續(xù)裝藥、預(yù)裂孔采用不耦合間隔裝藥且藥卷采用竹片進(jìn)行綁扎,裝藥線密度為450g/m,為確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)爆破安全,孔內(nèi)傳爆雷管全部雙發(fā)布置。
4.2.1 單耗選定
查閱參考書籍,有多種經(jīng)驗(yàn)公式,其計(jì)算結(jié)論差異較大,在此推薦使用我國水利系統(tǒng)常用的經(jīng)驗(yàn)公式:
q水=q陸+0.01H水+0.02H介質(zhì)+0.03H臺(tái)階
式中:q水——水下鉆孔爆破炸藥單耗(kg/m3);
q陸——表示相同介質(zhì)的陸地爆破炸藥消耗(kg/m3);
H水——水深(m);
H介質(zhì)——炸藥在介質(zhì)中的埋深(m);
H臺(tái)階——鉆孔爆破的臺(tái)階高度(m)。
在公式中,硬巖選用q陸=0.8kg/m3,H水=15m,H介質(zhì)=19m,H臺(tái)階=17m,代入式中計(jì)算得:q水=1.84kg/m3。
再結(jié)合周邊電站(溪洛渡)拆除的經(jīng)驗(yàn),咨詢了專家建議,爆破炸藥單耗在2.0kg/m3~2.5kg/m3之間。
4.2.2 主爆破孔參數(shù)
(1)鉆孔直徑:滿足φ70mm藥徑炸藥的裝藥要求,不小于90mm。
(2)炮孔間排距:以585m高程為準(zhǔn)控制,排距不大于1.2m,間距不大于1.5m,滿足爆破塊度40cm的控制技術(shù)要求。
(3)布孔方式:在頂部高程601m平臺(tái)上矩形布孔,見圖8所示。
(4)炸藥單耗:2kg/m3~2.5kg/m3。
(5)鉆孔深度:從高程600m到585m,超鉆深度1m~2.0m。
4.2.3 周邊孔布孔參數(shù)
(1)孔距:以585m高程控制,在該高程孔距不大于0.8m。
(2)炮孔傾角:與輪廓面坡度一致。
(3)線裝藥密度:450g/m~500g/m。
(4)炮孔深度:從高程600m到585m,預(yù)裂孔不超深。
圖7 水下爆破布孔平面
圖8 水下爆破布孔斷面
4.2.4 爆破網(wǎng)絡(luò)
水下爆破拆除要求單孔單響,根據(jù)爆破分區(qū)的劃分,水下爆破網(wǎng)絡(luò)采用孔外延期、孔內(nèi)延時(shí)中間起爆左右分區(qū)延時(shí)起爆的網(wǎng)絡(luò)。其中孔內(nèi)采用雙發(fā)16段位(1020ms)延時(shí)雷管,為確??淄庾畲笱悠谛∮诳變?nèi)延時(shí),孔間延期雷管采用2段位(25ms),排間延期采用4段位(75ms)延期雷管,區(qū)間跳段雷管采用5段位(MS110)延期雷管,連接爆雷管采用1段位,預(yù)裂采用導(dǎo)爆索傳爆。
圖9 水下爆破網(wǎng)路設(shè)計(jì)
進(jìn)口圍堰堰體混凝土拆除采用扣件式腳手架搭設(shè)鉆孔平臺(tái),采用100B潛孔鉆機(jī)造水平爆破孔及水平預(yù)裂孔,鉆孔孔徑φ90mm,采用普通φ70mm、φ32mm乳化炸藥進(jìn)行水平預(yù)裂梯段爆破。
進(jìn)口圍堰預(yù)留巖坎,經(jīng)濟(jì)巖坎內(nèi)側(cè)石方降低減爆屬于典型的旱地梯段爆破,其爆破鉆孔采用D7液壓鉆機(jī)及CM351高風(fēng)壓潛孔鉆機(jī)進(jìn)行,鉆孔孔徑均為φ90mm。采用普通乳化炸藥進(jìn)行垂直梯段爆破。
5.3.1 設(shè)備、材料選擇
水下巖坎的拆除首先克服的是墊渣區(qū)域、破碎地段鉆孔難點(diǎn)和水下深孔上浮力對裝藥質(zhì)量的影響,以及水下環(huán)境對炸藥、雷管安全起爆性能的影響。
對此,本工程在進(jìn)行了大量的市場調(diào)研及現(xiàn)場試驗(yàn)后,從施工設(shè)備及火工產(chǎn)品上進(jìn)行了選型比較,最終選擇成都哈邁70~90跟管鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔作業(yè)、選擇硬殼絲扣乳化炸藥及抗水性能良好的高精度雷管進(jìn)行爆破網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。
5.3.2 操作要點(diǎn)
5.3.2.1 鉆孔
測量測放的爆破孔位進(jìn)行鉆機(jī)初步就位,調(diào)整鉆孔角度及方向后再由測量人員進(jìn)行復(fù)測,確認(rèn)無誤后方可開孔,開孔時(shí)選用短鉆桿、半風(fēng)壓進(jìn)行鉆進(jìn),分別鉆進(jìn)0.2m、0.5m、1m時(shí)進(jìn)行一次鉆孔角度及方向的校正,如出現(xiàn)偏差應(yīng)及時(shí)調(diào)整鉆機(jī)位置再繼續(xù)鉆進(jìn)。鉆孔至設(shè)計(jì)孔深后采用高壓風(fēng)、水聯(lián)合進(jìn)行清孔,將孔內(nèi)殘?jiān)壳謇砀蓛簟c@孔過程中鋼套管應(yīng)隨鉆孔的加深及時(shí)跟進(jìn),待終孔驗(yàn)收后拔出套管安裝PVC護(hù)孔管。
5.3.2.2 裝藥
水下深孔爆破裝藥需克服高壓水頭的擠壓影響、江水上浮力的影響,因此,水下爆破采用φ70mm塑殼絲扣炸藥及抗水性良好的高精度卡扣式連接雷管。
裝藥人員必須是經(jīng)過相關(guān)機(jī)構(gòu)培訓(xùn)合格持證并具有多年爆破經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)炮工。
堵塞質(zhì)量的好壞是保證爆破效果和爆破安全的重要環(huán)節(jié),為了保證堵塞質(zhì)量,選擇黃泥作為堵塞材料。使用編制袋包裹黃泥,做成長30cmφ80mm的土卷,由專人負(fù)責(zé)加工備用。
5.3.2.3 聯(lián)網(wǎng)、爆破
按設(shè)計(jì)依次先左后右、先內(nèi)后外、先上后下的原則連接網(wǎng)絡(luò),預(yù)裂孔單獨(dú)連接后再統(tǒng)一上網(wǎng),分段雷管、并網(wǎng)雷管采用膠管包裹保護(hù),并用不同的鮮艷顏色標(biāo)示。
5.3.2.4 爆后檢查
爆破安全后,及時(shí)進(jìn)入爆區(qū)檢查爆破情況,首先檢查爆破是否完整,是否存在拒爆現(xiàn)象,如有應(yīng)查明原因,再進(jìn)行處理;其次是檢查爆破效果,分析爆破粒徑大小、爆破飛石對相鄰周邊建筑物的影響情況、爆破振動(dòng)是否滿足爆破設(shè)計(jì)要求,根據(jù)爆破進(jìn)行下一爆破循環(huán)參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整。
5.3.2.5 水下?lián)圃?/p>
巖坎水下深度達(dá)15m,采用普通液壓反鏟難以將爆破渣料撈干凈,因此,采用0.4m3的長臂反鏟進(jìn)行水下?lián)圃?/p>
爆破振動(dòng)是本次圍堰爆破拆除控制的重點(diǎn),需保護(hù)的建筑物有閘室混凝土和閘門等,閘室混凝土為大體積鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),閘門屬于鋼結(jié)構(gòu)。進(jìn)口圍堰與進(jìn)口閘室的最小距離約30m?!侗瓢踩?guī)程》(GB 6722-2003)中未明確規(guī)定其抗震標(biāo)準(zhǔn)。參考其它類似工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),要求進(jìn)口區(qū)域混凝土(28d齡期)小于10cm/s,閘門按7cm/s設(shè)計(jì),12cm/s校核。在閘門井土石方開挖期間,進(jìn)行了爆破振動(dòng)效應(yīng)試驗(yàn),推算出垂直向k=70.4、α=1.364;水平向k=66.1、α=1.341。根據(jù)上述數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算確定最大單響藥量不大于150kg。因此,在圍堰水下爆破時(shí),要求單孔單響。
嚴(yán)格控制裝藥量和堵塞長度及質(zhì)量,是防止飛石的重要措施。飛石防護(hù)手段有兩種:
一是覆蓋防護(hù),就是在被爆體上用沙袋或其他材料進(jìn)行覆蓋,本次爆破主要是在頂部孔口位置覆蓋沙袋。
二是保護(hù)性防護(hù),即對被保護(hù)建筑或構(gòu)筑物進(jìn)行防護(hù)。本次爆破防護(hù)重點(diǎn)是閘門井混凝土與閘門,對閘門槽座進(jìn)行重點(diǎn)防護(hù),其方法除采用堆碼沙袋防護(hù)外,還可用鋼板罩進(jìn)行防護(hù)。洞門口和閘門附屬構(gòu)件均視其具體情況,頂面采用兩層沙袋,迎水面掛草袋竹包進(jìn)行防護(hù)。
經(jīng)濟(jì)巖坎采用下閘關(guān)門爆破,基坑內(nèi)部充水,為了防止爆炸水擊波對閘門造成危害,在閘門前設(shè)置兩道氣泡帷幕。氣泡帷幕設(shè)置方法為:在圍堰與爆區(qū)之間的漸變段底板混凝土上敷設(shè)2道橫過建筑物長度、φ80mm的鋼管作為噴氣管,間距2m,各由1臺(tái)20m3/min空壓機(jī)提供壓縮空氣。為防止充氣后噴氣管受到浮力而上浮、擺動(dòng),還需加沙袋壓重。
噴氣管上鉆3排噴氣孔,第1排孔口豎直向上,第2排孔口與第1排夾角60°,第3排孔口與第2排夾角60°,第2、3排孔口朝向爆破區(qū);每排內(nèi)的氣孔間距60mm,氣孔φ2.0mm。
經(jīng)試驗(yàn)可行后,噴氣管在爆前15min啟動(dòng)。
爆破后,及時(shí)將噴氣管從水中撈出。
圖10 爆破沖擊波防護(hù)
水下爆破采用雙發(fā)高段位、高精度雷管進(jìn)行延時(shí)起爆,確保了大梯段爆破單孔單響,在不影響拆除進(jìn)度的條件下最大限度降低了單段藥量,極大地減少了對周邊建筑物的爆破影響,同時(shí)提高了爆破網(wǎng)絡(luò)的安全可靠性,采用下閘沖水進(jìn)行經(jīng)濟(jì)巖坎斷面一次爆破,充分利用了水壓力對爆堆的反作用力,減少了爆堆對閘門的擠壓作用,并設(shè)置氣泡帷幕有效地減少了爆破沖擊波對閘門的影響,采用跟管鉆機(jī),有效地克服了預(yù)留巖坎層間、層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶、斷層帶、填渣區(qū)成孔難的問題,同時(shí)采用PVC管全孔護(hù)孔,有效地保護(hù)了爆破孔,使各區(qū)爆破與鉆孔平行作業(yè),保證了施工進(jìn)度。
圍堰拆除采用跟管鉆孔工藝、采用高精度雷管、可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)條件下水下巖體的大梯段規(guī)模爆破,減少了爆破作業(yè)的循環(huán)次數(shù),節(jié)約了施工工期,利于機(jī)械設(shè)備的連續(xù)作業(yè),減少設(shè)備的轉(zhuǎn)序閑置,從而節(jié)約施工成本。同時(shí),由于采用單孔單響控制爆破,有效降低了爆破最大單段藥量,減少了爆破對周邊建筑物的影響,節(jié)約安全防護(hù)成本的投入。
在水電工程、航道工程、疏浚工程以及其他設(shè)計(jì)明挖、地下洞室開挖工程中,控制爆破技術(shù)是一項(xiàng)應(yīng)用較為廣泛也相對比較成熟的施工技術(shù),但不同類型的工程,其工程規(guī)范、施工邊界條件又存在較大差異,因此,其施工參數(shù)具有差異。本工程以高單耗、低單段為爆破設(shè)計(jì)理念,利用高段位雷管孔內(nèi)延時(shí)、高精度低段位雷管孔外延期,實(shí)現(xiàn)了700多孔的單孔單響控制爆破,并通過分區(qū)分序拆除,確保了工程總體按期完工。本工程的總體施工理念及施工經(jīng)驗(yàn),在后續(xù)工程中具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。