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        桓仁水庫深水圍堰爆破設(shè)計研究與應(yīng)用

        2021-09-16 00:50:30王宇寧
        東北水利水電 2021年9期
        關(guān)鍵詞:裝藥量土石取水口

        王宇寧

        (遼寧省水資源管理集團有限責(zé)任公司,遼寧沈陽110003)

        0 引言

        近年來,我國在水下淤泥地基的爆破處理、水下沙土地基的壓密處理,以及水下巖坎、巖塞爆破等方面取得了許多寶貴的施工經(jīng)驗,但在上述領(lǐng)域的理論研究成果甚少,如水下孔內(nèi)裝藥量多依賴于經(jīng)驗。在進行長江三峽三期圍堰爆破拆除設(shè)計時,尤其是深水爆破設(shè)計,很難找到可供參考理論依據(jù)與工程實例[1]。

        目前,國內(nèi)外水利工程施工土石圍堰水下拆除爆破施工方法較多,但在內(nèi)陸湖庫水深40.00m及距取水首部建筑物較近條件下,開展水下防滲體及巖坎爆破拆除施工的案例并不多見,且尚未形成較完善施工體系。鑒于此,結(jié)合遼寧重點輸供水工程施工緊迫性,深度考慮桓仁水庫取水口各類已建建筑物及配套機電設(shè)備對整個工程的重要程度,如何精準施鉆、高效裝藥,以使火工材料水下成功爆破,保證動水壓力、表面應(yīng)變、振動位移等處于規(guī)范允許范圍,因此,開展深水圍堰防滲體及巖坎爆破設(shè)計研究工作勢在必行。

        1 工程概況

        1.1 地質(zhì)條件及圍堰特性

        遼寧重點輸供水工程二段取水口土石圍堰位于桓仁水庫右岸附近,所在庫區(qū)岸邊山坡植被較發(fā)育,為各種林木。圍堰所在地層分布巖性主要為元古界花崗巖,礦物成分為云母、石英、長石等,為強度較高的硬質(zhì)巖。

        圍堰為土石圍堰,長81.24m,頂高程為307.60m,頂寬6.00m,所在水域最大水深約40.00m。主材由洞挖石渣填筑,孔隙率較大,常規(guī)灌漿難以形成有效防滲體,采用常規(guī)結(jié)合膏漿防滲,總填筑量為287791m3。剖面見圖1。

        圖1 圍堰填筑剖面圖

        研究表明:當(dāng)達到同陸地爆破相同爆徑,水深30.00m,裝藥量增幅約16.5%,水深25.00m,裝藥量增幅約12.3%,取水口土石圍堰深度大多位于水下20.00~40.00m,這些研究數(shù)據(jù)對圍堰拆除裝藥量計算具有一定參考意義[2]。

        1.2 爆破開挖建議

        1)提前處理有松動趨勢大塊石,清除坡面松散塊石,防止發(fā)生墜落。

        2)開挖巖坎最大深度約為35.00m,考慮長期水流沖蝕影響,為保證取水口運行安全,進行削坡處理。

        3)兩側(cè)山體自然坡度為45°~60°,岸坡基本穩(wěn)定,結(jié)合邊坡穩(wěn)定情況,放坡至1∶0.5。

        1.3 施工重點、難點及對策

        1)施工重點、難點:地處內(nèi)陸湖庫,大型成套設(shè)備無法通過航道進入開展安拆工作,加之遼西北多年干旱形勢嚴峻,通水工期緊迫,需使用可利用設(shè)備合理安排圍堰拆除施工;爆破棄渣的挖、裝、運等工作,均需水上結(jié)合水下,堰體方量約30萬m3,如何快速完成施工任務(wù),保證既定進度目標,是施工的重點;圍堰鉆孔、裝藥、起爆等工序均在水下進行,最深達40.00m,水下施工難度非常大,能否及時搭建穩(wěn)定水上施工平臺,完成精準鉆孔、裝藥等任務(wù),是施工難點。

        2)分析及對策:采用自制水上浮式移動作業(yè)平臺,包括定位機構(gòu)和平臺機構(gòu);平臺四角用錨索與岸坡連接,保證鉆孔作業(yè)過程平穩(wěn),嚴控孔位偏差;拋設(shè)區(qū)域纜繩影響航道通行,其它船舶須避讓,限制挖泥船作業(yè)范圍。

        2 防滲體巖坎爆破設(shè)計

        2.1 鉆孔定位及形式

        應(yīng)用GPS放樣設(shè)標,RTK復(fù)核開孔。鉆孔下樁固定平臺,RTK放樣定位,當(dāng)水深超過2節(jié)鉆桿深度,潛水員輔助就位,確保誤差在10cm范圍內(nèi)。

        鉆孔采用全液壓航道潛孔鉆,鉆頭在套管內(nèi)旋轉(zhuǎn)沖擊,高風(fēng)壓沖擊成孔鉆進。當(dāng)孔深達標時,風(fēng)壓增大,上下提升鉆桿,保證孔壁、孔底清理干凈。深入穩(wěn)定巖層,更換常規(guī)120mm鉆具鉆孔,成孔后提出鉆桿鉆具,通過套管下放PVC護孔管,保證后續(xù)裝藥順利。

        圍堰爆破常用鉆孔形式有垂直、傾斜、水平及組合孔等。如1986年葛洲壩土石圍堰爆破的拆除是在2道混凝土防滲墻中布置1排垂直孔進行水下爆破。綜合考慮,桓仁水庫取水口圍堰防滲體及巖坎水下爆破鉆孔采用垂直鉆孔結(jié)合傾斜鉆孔施工方案。

        2.2 防滲體

        防滲體長75.00m,寬6.50m,布設(shè)3排炮孔,采用拉裂爆破方式。排距為1.80m、孔距2.80m、最小抵抗線為1.00m??紤]外側(cè)堆筑體注漿滲透因素,實際寬度可能有一定增幅,因而上下游距炮孔分別設(shè)置成1.00,1.50m,選用孔徑120mm,內(nèi)裝?90mm乳化炸藥。

        1)裝藥結(jié)構(gòu)為非連續(xù)結(jié)構(gòu),根據(jù)炮孔所在位置高程結(jié)合底部高程確定鉆孔及超鉆深度,為確保一次爆破完成,鉆孔增加超深1.50m。

        2)單耗及堵塞長度。爆破完成后,絕大數(shù)石渣位于水面下,為提高出渣效率,需降低大塊石比例,火工材單耗q取1.12kg/m3,封孔塞長取2.00m。

        3)單孔裝藥量。按下式計算:

        式中:Q——炮孔計算裝藥量,kg;q——水下鉆爆單耗值,kg/m3;a——孔距,m;b——排距,m;H——設(shè)計開挖深度,10.00m。

        經(jīng)計算,最大裝藥量Q=58.0kg。

        4)爆破震動驗算。根據(jù)GB6822-2011《爆破安全規(guī)程》及周圍建筑物,按新建水工建筑物為保護對象,距離取40.00m,抗震速率為5m/s,按下式進行驗算:

        式中:V——距爆區(qū)R距離的質(zhì)點振動速度cm/s;K——巖石系數(shù),混凝土取150;Q——最大集爆藥量,1孔單段為20kg;R——距爆點距離,取31.00m(相對于發(fā)電機組);a——衰減系數(shù),取1.8。

        經(jīng)計算,V=1.18m/s<5m/s,滿足安全防震要求。

        5)起爆網(wǎng)絡(luò)??變?nèi)微差、孔外延時,總藥能量分割許多較小能量,創(chuàng)造多面臨空,各藥包地震波相互干涉,降低地震效應(yīng)。

        防滲體爆破拆除參數(shù)如表1所示。

        表1 圍堰防滲體爆破拆除參數(shù)表

        2.3 巖坎

        1)鉆孔孔徑。在主爆破區(qū)布豎直孔,孔徑為120mm,內(nèi)裝?90mm乳化炸藥。

        2)爆破參數(shù)計算。炸藥單耗:

        式中:q1——基本裝藥量,kg/m3;q2——爆區(qū)上方增量水壓,q2=0.01h2,h2為水深,取h2=30.00m;q3——上方覆蓋層增量,q3=0.002h3,h3為覆蓋層厚度,取h3=2.00m;q4——巖石膨脹增量,q4=0.03h,h為梯段高度,取h=10.00m。

        經(jīng)計算,q=0.88+0.3+0.004+0.3=1.484kg/m3。

        3)鉆孔及超鉆深度。超鉆△L=W,即最小抵抗線W等于超鉆值,但最小超鉆為0.80m,取△L=1.50m。則炮孔深L=h+△L=10.00+1.50=11.5m,以最大鉆孔深度計算,其它各部位按照該公式逐排計算。

        4)孔網(wǎng)參數(shù)。延米裝藥量:

        式中:ρ——乳化炸藥密度為1.2g/cm3;d——藥卷直徑。

        經(jīng)計算,Q1=7.63kg/m。

        5)堵塞長度??紤]此次爆破可能存在部分灌漿結(jié)石體,取1.00m。

        6)裝藥結(jié)構(gòu)、單孔裝藥量Q的計算方法與該工程圍堰水下防滲體相同。其中初選q為1.484 kg/m3,經(jīng)計算最大裝藥量Q=71.0kg。

        3 爆破振動監(jiān)測

        3.1 振動位移

        2017年09月25日18∶15啟動水下巖坎爆破。閘門控制室最大振動位移約為1.99mm,爆破沖擊波導(dǎo)致振動位移幅值快速增加,0.8s時達峰值,受約束衰減,持續(xù)5s振動基本結(jié)束。振動過程見圖2、測點振動位移統(tǒng)計見表2。

        圖2 測點DS02(1)爆破振動位移過程線

        表2 測點振動位移統(tǒng)計表 μm

        3.2 動水壓力

        B01測點位于水下約11.00m水深位置,較難出現(xiàn)負壓;B02測點位于水下約2.00m位置,可能出現(xiàn)短時負壓。

        結(jié)果表明:B01脈動過程最大脈動壓力192.5 kPa,最小脈動壓力62.1kPa;B02脈動過程最大脈動壓力84.3kPa,最小脈動壓力-5.6kPa;脈動過程見圖3。

        圖3 B01測點動水壓力過程線

        3.3 結(jié)果

        爆破時順水流方向工作門墻頂測點振動最大位移約1.99mm,主要與建筑結(jié)構(gòu)特性及爆破點位置有關(guān)。此次爆破測點負壓值較小且持續(xù)時間較短,對既有建筑物尚未產(chǎn)生影響,在后續(xù)爆破施工中應(yīng)加強監(jiān)測。取水口攔污柵附近爆破涌浪高達4.85m,對既有建筑物不構(gòu)成影響。

        4 結(jié)語

        深水圍堰鉆孔技術(shù)是爆破成功的先決條件,GPS放樣、RTK定位、潛水員輔助三重定位方式嚴控鉆孔過程,保證精度在允許范圍,進而提高施工效率。此次爆破設(shè)計打破單一常規(guī)鉆探方式,頂坡垂直孔與斜坡傾斜孔結(jié)合,解決了土石圍堰頂坡窄、底面超寬、體積大導(dǎo)致的裝藥量不宜控制產(chǎn)生的二次爆破問題,實現(xiàn)了預(yù)期爆破目標。

        經(jīng)過近7年基礎(chǔ)研究和實踐應(yīng)用,既定目標已全部完成,并在工程實際施工中發(fā)揮了巨大的效益,得到了充分驗證,可為同類圍堰爆破拆除施工提供參考。

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