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）

0 引言

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。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件及圍堰特性

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]。

1.2 爆破開(kāi)挖建議

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。

1.3 施工重點(diǎn)、難點(diǎn)及對(duì)策

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。

2 防滲體巖坎爆破設(shè)計(jì)

2.1 鉆孔定位及形式

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。

2.2 防滲體

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

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(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。

3 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)

3.1 振動(dòng)位移

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

3.2 動(dòng)水壓力

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

3.3 結(jié)果

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。

4 結(jié)語(yǔ)

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。