围堰分洪爆破拆除及冲渣技术研究

２０１８年第８期　西部探矿工程　１７９　围堰分洪爆破拆除及冲渣技术研究　雷　荣　（中国葛洲坝集团第一工程有限公司，湖北宜昌４４３００２）　摘要：针对围堰爆破中水流冲渣的几个关键问题，分析了围堰拆除时的水流流速变化、爆破后爆渣　的块度特征以及爆渣启动流速与块度之间的关系。结合桃源水电站围堰分洪爆破预案，研究了围堰　爆破拆除水流冲渣技术。计算结果表明，爆渣特征块度控制在４０ｃｍ以下时，在爆破参数、水力学参　数得到良好控制情况下，可实现水流冲渣，满足围堰爆破形成缺口的要求，达到分洪的目的。　关键词：围堰；爆破分洪；水流冲渣；爆破块度　中图分类号：ＴＵ４５２文献标识码：Ａ文章编号：１００４—５７１６（２０１８）０８—０１７９—０５　围堰分洪爆破是一种特殊条件下的拆除爆破，大　多数情况下，围堰爆破后不具备挖渣条件，需要靠水　流冲渣，必须保证一次完成拆除。不能留下根底，并要　保证周边其他建筑物的安全口］。刘美山等以小湾水电　站导流洞围堰爆破拆除为例，总结分析了爆破拆除过　程中面临的关键问题，如爆破振动、冲渣过流、炮孔布　置、爆破器材的选型、被保护物的防护等问题［　。赵根　研究了深水条件下围堰拆除爆破技术，根据模型试验　及溢流坝的水流特性，分析了爆渣块度与启动流速间　的关系以及过流瞬间的水力参数口］。李金河等根据工　程实践从实际工程出发，依据水力学模型试验，确定了　实现冲渣的爆破块度特征、爆堆形状和飞石范围　］。目　前关于围堰爆破拆除研究成果大多是在围堰全部拆除　条件下进行的，对于围堰在特殊条件下部分爆破拆除　极少报道。围堰拆除爆破及冲渣效果的好坏则直接关　系到分洪任务能否顺利完成［　。在堰前水位一定的情　况下，要顺利冲渣过流，关键问题是爆破后爆渣块体　大小形状及围堰拆除中的水流流速，在爆破和堰外水　流的共同作用下形成过水断面的质量，很大程度上决　定了冲渣过流的效果。本文以沅水桃源电站围堰分洪　爆破拆除为例，进行围堰爆破拆除及冲渣技术研究，以　期为类似工程施工提供参考。　１工程概况　行的分洪爆破预案。工程具有以下特点：　沅水桃源电站位于左岸毗邻县城，右岸高于周边　的村庄，因此在水电站的施工过程中，必须考虑超标洪　水下的左岸县城与右岸村庄的安全。围堰分洪爆破是　为保证汛期特大洪水能够迅速分洪，针对一期围堰进　收稿日期：２０１８一Ｏ１一ｏ４修回日期：２０１８—０１－０５　（１）高水位实施爆破，施工难度大。根据一期围堰　设计标准，围堰在汛期允许过水。围堰分洪爆破是在　汛期河道高水位状态下，针对超标洪水的应急预案。　因此，必须构建爆区的施工操作平台，并进行炮孔或药　室的预施工，以满足汛期超标洪水情况下，对围堰进行　快速爆破分洪施工的要求。　（２）围堰分洪爆破工期紧，施工强度大。围堰分洪　爆破是在超标洪水情况下的分洪措施，从超标洪水预　报到实施爆破，有效作业时间一般不超过８￣１０ｈ，在水　流急、施工条件复杂的情况下进行分洪缺口的爆破，施　工进度及施工安全问题较为突出。　（３）爆破效果要求高，需确保形成分洪缺口。围堰　分洪段爆破不同于一般围堰拆除爆破，炸药单耗相对　围堰拆除爆破要高得多，以保证爆破部位破碎充分，石　渣形成抛掷，在高速水流作用下，迅速形成过流缺口，　满足分洪要求。　（４）爆破器材抗水性能要求高、起爆网路复杂。超　标洪水时，拆除最低高程为３０．０ｍ，爆破作业水深达　１０．Ｏｍ以上，因而对炸药、起爆器材的抗水、抗压性能提　出了很高的要求。由于作业时间紧、炮孔数量多、炸药　用量大，网路设计及施工精度是保证爆破效果和爆破　安全的关键。需要控制爆破振动、水击波和动水压力　及飞石对防洪堤及堤岸建筑物的影响。　（５）装药难。保证装药到位并按设计装药结构和　装药量进行装药和堵塞是保证爆破效果的关键。由于　炮孑Ｌ是在围堰施工期预留，通过ＰＶＣ管或钢管等延伸　作者简介：雷荣（１９７３一），女（汉族），湖北宜城人，工程师，现从事水利水电工程建设的施工与管理工作。　１８０　西部探矿工程　２０１８年第８期　到爆破施工作业平台，在装药过程中易出现卡孔、堵　７ｍ。　孔、送药困难等各种各样问题，保证装药和堵塞质量成　为爆破需重点解决的难题。　（６）围堰填料的孔隙大，爆炸产生的气楔作用不明　显，难以发挥爆生气体的作用。　（２）爆破作用指数　：根据爆破性质和同类工程经　验，取７／＂值为０．８５～１．０。　（３）药包间距ａ：　ａ＝ｍ１Ｗ　式中，　】可取０．８～１．２，ａ可取７ｍ。　（１）　鉴于以上工程特点，爆破方案应保证分洪围堰段　拆除完全、堆积高度低，以满足高水位、高流速时能够　形成分洪缺口并快速分流。根据围堰结构及现场施工　条件，一期围堰分洪爆破拆除段内防渗墙按预留孔爆　（４）装药结构。装药是控制爆破质量的最后环节，　装药前须对各钻孔进行认真清理验收，以确保设计孔　深。采用　９０ｍｍ药卷装药。实施分洪爆破时，由施工　破设计，围堰堆积体按后钻孔爆破设计。为了加快缺　口的形成速度，结合河床过流现状，将缺口位置布置在　河床冲沟处（上游围堰０＋０７０．０００￣０＋１２０．０００，下游围　堰０＋０５０．０００￣０＋１００．０００）。为了保证缺口的形成，炸　药单耗取较大值，从缺口往两侧单耗可适当降低，以保　护围堰周围建（构）筑物的安全。起爆网路采用微差起　爆破方式，起爆顺序按下游围堰先爆，上游围堰后爆，　以利于分洪过流。　２爆破方案设计　２．１　围堰防渗墙炮孔布置　本次拆除时围堰的顶部高程为ＥＬ４２ｍ，围堰防渗　墙拆除底高程为ＥＬ３０ｍ，炮孔沿高喷墙轴线布置，延伸　到ＥＬ４２．０ｍ高程。　（１）炮孑Ｌ直径。为便于装药方便，全孔需采用ＰＶＣ　管护孔。炮孔上部ＰＶＣ管延伸到汛期分洪爆破施工　平台，进行保护。对于孑Ｌ内装　９０ｍｍ药卷的炮孔，　ＰＶＣ管内径应达到　１０５ｍｍ，相应的炮孔直径应达到　ｌｌ０ｍｍ以上。　（２）炮孔间距。围堰高喷防渗墙厚约０．８ｍ，因此炮　孔布置沿防渗墙轴线按孔距３．０ｍ布置垂直孔。　（３）孔深Ｌ。拆除时围堰的顶部高程为ＥＬ４２ｍ，　该围堰需拆除至ＥＬ３０ｍ高程，因此孔深Ｌ＝１２ｍ。　（４）炸药单耗。水下围堰爆破的要求相对较高：必　须保证爆破一次成功，以快速形成分洪缺口，为此，适　当提高炸药单耗，炸药单耗按１．２～１．５ｋｇ／ｍ。设计，装药　时根据实际情况作适当调整。　（５）炸药品种。围堰防渗墙炮孔选用防水、抗水性　能好，便于深孑Ｌ装药的高能乳化炸药。药卷直径选用　９０ｍｍ　（６）装药结构。采用连续装药结构形式。为增加　孔内炸药的传爆性能，孑Ｌ内采用防水导爆索传爆，在孔　内连接非电起爆雷管。堵塞材料采用河沙，以确保堵　塞长度和堵塞质量。　２．２围堰爆破参数设计　（１）最小抵抗线　：本工程取最小抵抗线Ｗ＝６～　平台通过钢管进行装药。　（５）炸药品种。围堰堆积体药室爆破选用防水、抗　水性能好，便于灌装的散装乳化炸药或是选用药卷直　径　９０ｍｍ高能乳化炸药。　（６）药室埋设。在填筑过程中，根据爆破设计构筑　药室。药室尺寸为长１．５ｍ，高ｌｍ，宽ｌｍ。　沅水两岸为桃源县城，围堰分洪爆破对堤防和邻　近建筑产生振动影响，因此必须控制单段起爆最大药　量。根据确定的控制标准，安全振速标准取　＝２ｃｍ／ｓ，　Ｋ＝１５０，　＝１．８，最近建筑物与爆破区域距离为８０ｍ。　因此，允许的安全药量为　］：　３　３　Ｑ　≤Ｒ。ｌ１７／Ｋｌ。＝８０。［２／１５ｏ］￣＝７５０（ｋｇ）　（２）　根据爆破振动速度公式反算的允许单段最大药　量，在起爆网络设计时，上游围堰按照单段最大药量　５００ｋｇ进行设计，下游围堰按照单段最大药量４００ｋｇ进　行设计。围堰炮孔布置如图１所示。　图１围堰炮子Ｌ布置图　为保证爆堆形成缺口，必须合理地选择最先起爆　点及爆渣抛掷方向。根据现场实际地形及周围施工环　境，围堰下游端临空面较好，同时围堰下游爆破时需保　护的建（构）筑物也较少，因此将起爆点选定在靠近围　堰下游端，向下游方向抛掷。为了减小对防洪提的振　动，将爆破后冲方向与堤岸平行。从设计缺口的中部　起爆，逐步向两岸传爆。为了保证起爆的可靠性，采用　复式网络。孔外采用ＭＳ２（３）、ＭＳ５段进行联网，孔内　采用ＭＳｎ段起爆。起爆网路如图２所示。　２０１８年第８期　『．。　叫。。．。Ｌ　西部探矿工程　１８１　Ａ　萋　图２围堰爆破网路图　３理论分析　３．１爆渣启动速度　围堰拆除爆破是将围堰体炸成一定粒径的爆渣，　并在适当的位置形成过流缺口，使爆渣能在水流的作　用下，被水流顺利冲走。这涉及多大的爆渣块度才能　被水流冲走的水力学问题。在水力学模型试验与模型　实践中，有关起动流速与粒径的关系较多。最早应用　的是前苏联著名水力学专家伊兹巴什按照抗滑和抗倾　条件推导的伊兹巴什公式口］：　ｒ＿　１１／２　ｖ＝ｋｌ２ｇ／（￣　／ｒ一１）Ｉ√Ｄ　（３）　式中：　稳定系数，抗滑时取０．９，抗倾时取１．２；　——启动流速，ｍ／ｓ；　Ｄ——块石转化为球体粒径，ｍ；　、ｒ——块石和水的密度，ｋｇ／ｍ。。　本文在分析过程时，采用的是伊兹巴斯公式来建　立爆渣块度与起动流速之间的关系。　３．２块度分析　自２０世纪６０年代以来，各国学者在岩体爆破块　度的研究方面做了大量的工作，提出了许多描述块度　分布的方法与经验模型。模型ＫＵＺ—ＲＡＭ认为爆破　块度分布服从Ｒｏｓｉｎ－Ｒａｍｍｌｅｒ（Ｒ－Ｒ）分布函数。尺　分布函数由下式表达，它包含石料特征尺寸　。和块度　分布不均匀指数　两个变量Ｉ８］：　Ｒ＝１一ｅ　（４）　式中：Ｒ——小于某一粒径ｚ的百分比；　——石粒粒径，ｍ；　ｚ。——特征粒径，即筛下累积率为６３．２１％的块度　尺寸，ｍ。　’　模型的基本表达式由Ｋｕｚｎｅｔｓｏｖ方程和Ｒ一尺分布　函数和块度不均匀指数　值公式３部分组成。　＝Ａｏ　。。。　Ｑ１／６（ｎ５／Ｅ）珀　（５）　＝（２．２—１４ｗ／ｄ）（１一　／　）Ｉ１＋（　—Ｗ２ＩＬＩＨ　（６）　式中：Ａ。——岩石系数，中硬岩Ａ。＝７，节理发育岩　Ａ０＝１０，节理不发育坚硬岩Ａ０＝１３；　ｇ——单位炸药耗药量，ｋｇ／ｍ。；　Ｑ——单孑Ｌ装药量，　；　Ｅ——炸药相对重量威力；　——爆破岩块的平均粒径，ｍ；　——不均匀指数；　７７／——间距指数；　Ｈ——台阶高度；　Ｅ——钻孔精度标准差，一般取０．０５Ｈ；　——最小抵抗线，ｍ；　ｄ——炮孔直径，ｍ；　Ｌ——不计超钻部分的装药长度，ｍ。　特征块度按下式进行计算：　Ｘｏ＝（　／０．６９３）　（７）　假定大块的特征尺寸定义为ｘ，则大块率可按式　（８）计算：　Ｙ＝ｅ　（８）　根据式（５）～式（８），结合围堰的相关爆破参数，就　可以进行爆渣块度、特征尺寸及大块率方面的计算分　析。　３．３爆破后的水流速度　围堰爆破利用起爆过程的极短时间，首先形成爆　堆最低缺口，让水从爆破缺口最低处流人、下泄，在底　部形成较大的流速，将围堰爆渣堆积体的底部爆渣冲　走，到一定程度后，围堰堆积体由于底部被水流掏空将　发生坍塌，围堰堆积体上部的过流断面将增大，流量、　流速将增大，块度适宜的爆渣将被水流冲走。　在围堰溃决瞬间，围堰处的流速　与堰前水深Ｈ　的关系可表示为　］：　＝号√ｇＨｏ　（９）　式中：ＨＯ——溃坝前上游水深，ｍ；　ｇ——重力加速度，ｍ／ｓ　。　４结果分析　４．１计算结果　‘　根据爆破设计参数，由计算可得到爆渣的平均块　度　＝１９．４ｃｍ，均匀性指标ｎ＝１．２３，特征块度Ｘｏ　２７．５ｃｍ，特征颗粒大于４０ｃｍ的大块率值Ｙ＝１９．３％。　分析过程中，取平均水深Ｈ０取６．５ｍ，由公式（９）　计算可得到围堰拆除时流速近似为５．４ｍ／ｓ。而在实际　工程中，由于坎高的存在，实际流速将大于５．４ｍ／ｓ。　根据式（３），以及岩石、混凝土的相关参数，可得到　１８２　西部探矿工程　２０ｌ８年第８期　不同特征粒径的岩石及混凝土爆渣在抗滑动及抗倾倒　时的水流流速，如图３所示，很明显，由于混凝土的密度　较岩石小，此时混凝土爆渣在同等特征粒径时滑动或　者倾倒所需的水流流速较小。　爆渣粒径（ｍ）　图３　爆渣特征粒径与启动水流流速关系曲线　根据围堰拆除的爆渣块度以及拆除时的水流流　速，对照图３中特征粒径与水流流速的关系可知，围堰　拆除瞬间，５．４ｍ／ｓ的水流速度可以将块度０．６ｍ以下的　所有爆渣冲走。　据此可通过式（３）计算得到爆渣特征块度为０．４ｍ　时对应的启动流速为４．４ｍ／ｓ，该启动速度小于围堰拆　除瞬间的水速度，在围堰爆破拆除瞬间，水流速度可将　块度在０．４ｍ以下的爆渣冲走，形成设计的分洪缺口，　降低洪水位，实现爆破分洪的目标。　４．２数值模拟结果　运用ＰＦＣ２Ｄ软件进行了流水冲刷的过程模拟，产　生试样颗粒集使用ＧＥＮＥＲＡＴＥ命令，生成颗粒集后　通过循环平衡内部应力。颗粒粒径取区间０．０３～　０．６０ｍ之间的高斯分布。由于实际上在爆破的过程中　是一直存在水流的作用，为了便于简化分析，假定水流　对爆渣的冲刷是从爆破完成后才开始的，并将水流作　用简化为速度施加在边界墙上。其大小取为由谢任之溃　坝理论的统一公示推倒出来的围堰爆破后的水流速度。　将计算步中的７００００￣１０００００步提取出来，得到不　同时刻的爆堆形态（图４），爆堆形态的变化可以反映同　堰的冲刷过程。　由图４可以明显得看出，随着冲刷时间的增长，爆　堆高度在逐渐降低，较初始形态有明显下降，爆堆体积　也有所减小。利用软件中的输出坐标命令，可以得到　计算步时结束后，在定义的边界内的颗粒数目约为　８７０，而建模时的颗粒数为２５００，说明有３４．８％的颗粒　图４不同时刻模型爆堆形态　尚未冲走，这个比例和经验公式得到的大于４０ｃｍ的大　块率值以及围堰堆石颗粒级配里的大于４０ｃｍ的比例　基本吻合。　５结论　（下转第１８５贞）　２０１８年第８期　西部探矿工程　１８５　注浆，使用这种方式保证结构稳定，隧道安全。隧道填　充物也可以依据实际状况，使用换填进行处理。对于软　层深的，使用桩基托梁处理。在桩基处理中设置在二次　衬墙脚下，端部嵌入稳定岩体，主要是承受衬砌以及围　岩中的垂直载荷，避免因为隧道不均匀出现沉降。要想　保证施工安全，要在长管棚保护中进行基桩软弱位置的　施工，一直到支护施工完成之后，重新进行人工挖孔桩　和横梁。纵梁、横梁等都要达到预期强度才可以进行全　加固，根据现场施工情况，使用浆砌片石作为挡墙，同　时要做好过水涵洞，堵好原有的过水通道。　４强化施工勘探和安全监控　岩溶有隐蔽性的特征，工程勘探过程中，要对岩溶　的发育和特征以及规模这些都要有深刻认识。在设计　中，地质勘查一定要深入细致施工的重要前提，同时也　是不可缺失安全保证。在施工开挖后，岩溶发育特征　以及规模等都会更加清晰，这时一定要依据岩溶地质　面施工，进行仰拱铺设和二次衬砌。纵横梁要同时浇　动态追踪进行设计。在切方路，一定要挖到设计要求　筑，在横梁中要预留出仰拱钢筋。要想抱枕施工安全，　之后才可以进行物探、钻探以及验槽等这些工作。在　在开挖后的基础部分使用贫砼整平。见图２。　对桥梁基础使用岩溶岩体，为以后的开挖扩大基础或　者选桩基作为端承柱时，首先要保证桥梁基础可以到　标高，同时依据变化中的地质进行物探、验槽和钻探。　在隧道施工中主要使用ＴＳＰ和ＴＧＰ等这些物探技术，　以及超前钻孔，探明前方熔岩的发育状况，特别是要使　用超前钻孔查清有没有会发生突涌。　５小结　使用这种施工方式，在对杭州至瑞丽公路贵州境毕　节至都格段的施工中的溶洞都进行处理，从实际运行效　果可以看出，施工速度快，同时工程成本较低，安全稳　定。因此每个溶洞都会因为洞穴大小和填充清况等各种　图２　溶洞充填物换填处理图　问题产生不确定性，但是只要技术人员使用基本原则，结　合现场施工条件，综合处理一定可以得到良好效果。　洞内没有出现填充物，依据实际使用钢筋混凝土　梁跨绕。溶洞某个方向上的宽度变窄时，使用钢筋跨　参考文献：　越，梁体高度在５０￣１００ｃｍ，下部使用浆体片石回填，同　［１】赵东升．高速公路岩溶地区长大隧道溶洞处理技术［Ｊ］．价值　时在施工中预留出透水管。溶洞内发育较宽，使用扩　工程，２０１５，３４（９）：１５５—１６２．　大桩基，同时设置混凝土梁进行跨越。　［２】毕树峰．岩溶区高速铁路桩基础施工溶洞处理技术研究［Ｊ１　．隧道下发育中有大规模溶洞，溶蚀溶洞顶部到隧　中外公路，２０１４，３４（５）：２００—２０２．　【３］周威锦．岩溶隧道跨越暗河及穿越大型充填溶洞处理技术　道岩层厚度对隧道安全出现威胁时，可以对溶洞进行　【ＪＪ．四川建筑，２０１５（３）：９３－９４．　（上接第１８２页）　控制标准研究『Ｊｌ＿爆破，２００６，２０１０，２７（１）：９９－１０３．　根据围堰拆除爆破中几个关键问题，结合爆渣启　【２］刘美山，李丹，彭翠玲，等．大型水电站导流洞围堰拆除爆破　动流速与爆渣块度的关系，确定了实现水流冲渣所对　关键问题分析【Ｊｌ１．爆破，２００６，２３（２）：８０－８４．　应的爆渣特征块度。通过设计合理的围堰拆除爆破参　［３］赵根．深水条件下围堰拆除爆破技术研究【Ｄ］．中国科学技　数，使爆渣处于实现水流冲渣所需的爆破块度。理论　术大学，２００８．　［４　李金河，刘美山．溪洛渡水电站导流洞围堰爆破技术及效果　４］分析及数值模拟结果表明，爆渣特征块度控制在４０ｃ　ｍ　分析［ＪＪ．工程爆破，２０１１，１７（３）：５３－５７．　以下时，在爆破参数、水力学参数得到良好控制的情况　［５】冯叔瑜，张正宇，刘美山．爆破技术在水利水电工程中的应　下，可实现水流冲渣，满足围堰爆破形成缺口的要求，　用和前景［Ｊ］．工程爆破，２００５，１　１（４）：２２—２６．　达到分洪的目的。　ｆ６】ＤＬ／Ｔ５３５３—２００６水利水电工程边坡设计规范【Ｓ】．北京：中国　水利水电出版，２００６．　参考文献：　［７］　肖焕雄．施工水力学【Ｍ】．北京：中国水利电力出版社，１９９２．　［１］１　吴新霞，沙保卫．白莲河抽水蓄能电站取水口围堰拆除爆破　［８］李炜．水力计算手册【Ｍ］．北京：中国水利电力出版社，２００６．