王宇寧
(遼寧省水資源管理集團(tuán)有限責(zé)任公司,遼寧沈陽(yáng)110003)
近年來(lái),我國(guó)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(yàn),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(yàn)。在進(jìn)行長(zhǎng)江三峽三期圍堰爆破拆除設(shè)計(jì)時(shí),尤其是深水爆破設(shè)計(jì),很難找到可供參考理論依據(jù)與工程實(shí)例[1]。
目前,國(guó)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(kù)水深40.00m及距取水首部建筑物較近條件下,開(kāi)展水下防滲體及巖坎爆破拆除施工的案例并不多見(jiàn),且尚未形成較完善施工體系。鑒于此,結(jié)合遼寧重點(diǎn)輸供水工程施工緊迫性,深度考慮桓仁水庫(kù)取水口各類已建建筑物及配套機(jī)電設(shè)備對(duì)整個(gè)工程的重要程度,如何精準(zhǔn)施鉆、高效裝藥,以使火工材料水下成功爆破,保證動(dòng)水壓力、表面應(yīng)變、振動(dòng)位移等處于規(guī)范允許范圍,因此,開(kāi)展深水圍堰防滲體及巖坎爆破設(shè)計(jì)研究工作勢(shì)在必行。
遼寧重點(diǎn)輸供水工程二段取水口土石圍堰位于桓仁水庫(kù)右岸附近,所在庫(kù)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(zhǎng)石等,為強(qiáng)度較高的硬質(zhì)巖。
圍堰為土石圍堰,長(zhǎng)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(jiàn)圖1。
圖1 圍堰填筑剖面圖
研究表明:當(dāng)達(dá)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(duì)圍堰拆除裝藥量計(jì)算具有一定參考意義[2]。
1)提前處理有松動(dòng)趨勢(shì)大塊石,清除坡面松散塊石,防止發(fā)生墜落。
2)開(kāi)挖巖坎最大深度約為35.00m,考慮長(zhǎng)期水流沖蝕影響,為保證取水口運(yùn)行安全,進(jìn)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)施工重點(diǎn)、難點(diǎn):地處內(nèi)陸湖庫(kù),大型成套設(shè)備無(wú)法通過(guò)航道進(jìn)入開(kāi)展安拆工作,加之遼西北多年干旱形勢(shì)嚴(yán)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(yùn)等工作,均需水上結(jié)合水下,堰體方量約30萬(wàn)m3,如何快速完成施工任務(wù),保證既定進(jìn)度目標(biāo),是施工的重點(diǎn);圍堰鉆孔、裝藥、起爆等工序均在水下進(jìn)行,最深達(dá)40.00m,水下施工難度非常大,能否及時(shí)搭建穩(wěn)定水上施工平臺(tái),完成精準(zhǔn)鉆孔、裝藥等任務(wù),是施工難點(diǎn)。
2)分析及對(duì)策:采用自制水上浮式移動(dòng)作業(yè)平臺(tái),包括定位機(jī)構(gòu)和平臺(tái)機(jī)構(gòu);平臺(tái)四角用錨索與岸坡連接,保證鉆孔作業(yè)過(guò)程平穩(wěn),嚴(yán)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。
應(yīng)用GPS放樣設(shè)標(biāo),RTK復(fù)核開(kāi)孔。鉆孔下樁固定平臺(tái),RTK放樣定位,當(dāng)水深超過(guò)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(jìn)。當(dāng)孔深達(dá)標(biāo)時(shí),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(guò)套管下放PVC護(hù)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(jìn)行水下爆破。綜合考慮,桓仁水庫(kù)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。
防滲體長(zhǎng)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(shí)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(zhǎng)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(zhǎng)取2.00m。
3)單孔裝藥量。按下式計(jì)算:
式中:Q——炮孔計(jì)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(jì)開(kāi)挖深度,10.00m。
經(jīng)計(jì)算,最大裝藥量Q=58.0kg。
4)爆破震動(dòng)驗(yàn)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(hù)對(duì)象,距離取40.00m,抗震速率為5m/s,按下式進(jìn)行驗(yàn)算:
式中:V——距爆區(qū)R距離的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)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(diǎn)距離,取31.00m(相對(duì)于發(fā)電機(jī)組);a——衰減系數(shù),取1.8。
經(jīng)計(jì)算,V=1.18m/s<5m/s,滿足安全防震要求。
5)起爆網(wǎng)絡(luò)。孔內(nèi)微差、孔外延時(shí),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
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(jì)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(jì)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(jì)算,其它各部位按照該公式逐排計(jì)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(jì)算,Q1=7.63kg/m。
5)堵塞長(zhǎng)度。考慮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(jì)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(jì)算最大裝藥量Q=71.0kg。
2017年09月25日18∶15啟動(dòng)水下巖坎爆破。閘門(mén)控制室最大振動(dòng)位移約為1.99mm,爆破沖擊波導(dǎo)致振動(dòng)位移幅值快速增加,0.8s時(shí)達(dá)峰值,受約束衰減,持續(xù)5s振動(dòng)基本結(jié)束。振動(dòng)過(guò)程見(jiàn)圖2、測(cè)點(diǎn)振動(dòng)位移統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。
圖2 測(cè)點(diǎn)DS02(1)爆破振動(dòng)位移過(guò)程線
表2 測(cè)點(diǎn)振動(dòng)位移統(tǒng)計(jì)表 μm
B01測(cè)點(diǎn)位于水下約11.00m水深位置,較難出現(xiàn)負(fù)壓;B02測(cè)點(diǎn)位于水下約2.00m位置,可能出現(xiàn)短時(shí)負(fù)壓。
結(jié)果表明:B01脈動(dòng)過(guò)程最大脈動(dòng)壓力192.5 kPa,最小脈動(dòng)壓力62.1kPa;B02脈動(dòng)過(guò)程最大脈動(dòng)壓力84.3kPa,最小脈動(dòng)壓力-5.6kPa;脈動(dòng)過(guò)程見(jiàn)圖3。
圖3 B01測(cè)點(diǎn)動(dòng)水壓力過(guò)程線
爆破時(shí)順?biāo)鞣较蚬ぷ鏖T(mén)墻頂測(cè)點(diǎn)振動(dòng)最大位移約1.99mm,主要與建筑結(jié)構(gòu)特性及爆破點(diǎn)位置有關(guān)。此次爆破測(cè)點(diǎn)負(fù)壓值較小且持續(xù)時(shí)間較短,對(duì)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(qiáng)監(jiān)測(cè)。取水口攔污柵附近爆破涌浪高達(dá)4.85m,對(duì)既有建筑物不構(gòu)成影響。
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(yán)控鉆孔過(guò)程,保證精度在允許范圍,進(jìn)而提高施工效率。此次爆破設(shè)計(jì)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(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了預(yù)期爆破目標(biāo)。
經(jīng)過(guò)近7年基礎(chǔ)研究和實(shí)踐應(yīng)用,既定目標(biāo)已全部完成,并在工程實(shí)際施工中發(fā)揮了巨大的效益,得到了充分驗(yàn)證,可為同類圍堰爆破拆除施工提供參考。