陳靖敏
(中國葛洲壩集團三峽建設(shè)工程有限公司,湖北宜昌 443002)
向家壩右岸壩后電站下游橫向圍堰布置在水電站尾水渠末端,圍堰右端與排沙洞泄槽相接,其左端與消力池右導(dǎo)墻末端相接,圍堰軸線長131.675 m。圍堰為碾壓混凝土重力式結(jié)構(gòu),混凝土為C15。堰頂高程為282.20~291.50 m,堰頂寬12 m,下游迎水面鉛直,上游側(cè)高程278.60 m以上鉛直,高程278.60 m以下為坡度1∶0.75的臺階狀邊坡,最大堰高31.5 m。圍堰內(nèi)設(shè)有帷幕灌漿廊道。
右岸壩后電站9~11號機組下游尾水平臺及閘門已施工完成,具備擋水條件,為此圍堰拆除安排在2017年汛前。圍堰爆破拆除長度為101 m,總拆除工程量3.7萬m3。圍堰拆除范圍為:
(1) 圍堰下橫0+000 m~壩右0+277.350 m,拆除至283.20 m高程。
(2) 壩右0+277.350 m~下橫0+126.0 m,拆除至260.00 m高程。
(3) 圍堰下橫0+126.0 m~下橫0+131.675 m拆除至267.00 m高程。
圍堰拆除期間尾水渠內(nèi)未完成項目多,為減少水下出渣量,拆除爆破采用分區(qū)拆除、鉆孔爆破方案。根據(jù)圍堰結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析將圍巖分為5個區(qū)進(jìn)行拆除(見圖1)。其中Ⅰ~Ⅳ區(qū)為水上爆破,Ⅴ區(qū)為水下爆破。
圍堰左端與消力池右導(dǎo)墻相接,右端與排沙洞泄槽相接,相接處設(shè)一層苯板隔離。圍堰上游100 m是水電站尾水平臺及擋水閘門、平臺頂部尾水門機、電站廠房;右岸方向為水富縣城8號公路;圍堰左端頭空中有左岸電廠500 kV出廠線飛跨堰體,垂直距離僅40 m。
圖1 圍堰爆破拆除分區(qū)圖 單位:m
圍堰爆破拆除時尾水渠基坑內(nèi)還有以下項目尚未完成:尾水渠底板、護(hù)坡混凝土、排沙槽加寬段拆除、下基坑道路貼坡、蓋帽混凝土澆筑、尾水下游面臨時廊道封堵、永久水泵站安裝等項目。圍堰在Ⅴ區(qū)拆除之前仍將繼續(xù)擋水,為基坑提供干地施工條件。
圍堰鉆孔工作量共2.3萬m,且需要分期施工。鉆孔分為預(yù)裂孔、緩沖孔、主爆孔,其中保留部位水平預(yù)裂孔及垂直預(yù)裂孔鉆孔精度要求很高。圍堰臨邊鉆孔必須搭設(shè)平臺,堰頂鉆孔時,尾水渠內(nèi)混凝土正在施工,炮孔易堵塞,裝藥前吹孔工作量大。
圍堰拆除爆破必須確保大壩、水電站廠房及其他重要設(shè)施的安全。圍堰緊鄰水電站建筑物,爆破震動必須控制在允許范圍內(nèi)[1-2]。爆破前對尾水渠底板新澆筑混凝土、左側(cè)排沙槽側(cè)面和頂部、右導(dǎo)墻側(cè)面和頂部及尾水渠內(nèi)泵站等設(shè)施進(jìn)行防護(hù),同時要保證圍堰爆破不產(chǎn)生向上飛石及沖孔[3-4],以確保500 kV輸電線安全。
各區(qū)爆破拆除需一次成功,爆破后粒徑要滿足挖裝要求;爆破距離保護(hù)建筑物近,爆破時必須嚴(yán)格控制單響起爆藥量,防止爆破震動和水擊波的不利影響;主爆孔必須逐孔起爆才能滿足震動控制要求[5]。爆破網(wǎng)路連接極為復(fù)雜,雷管數(shù)量多,地表網(wǎng)路聯(lián)結(jié)工作量大。
圍堰拆除采用鉆孔爆破方式,分區(qū)之間垂直面布置預(yù)裂孔,在圍堰底部高程260.00 m處布置1排水平預(yù)裂孔,各區(qū)根據(jù)尾水一線施工進(jìn)度及汛期需求爆破拆除。
3.2.1 孔排距
孔深<5.0 m的炮孔采用手風(fēng)鉆造孔,孔徑為42 mm,其他孔采用快速鉆造孔,孔徑為76 mm。手風(fēng)鉆孔孔距0.8 m、排距0.65 m;快速鉆孔孔距1.5 m、排距1.2~1.3 m;預(yù)裂孔孔距0.75 m;緩沖孔孔距0.65~1.5 m,主爆孔采用菱形布置。
3.2.2 孔深
爆破孔根據(jù)孔口高程與分區(qū)高程計算孔深,水平預(yù)裂孔孔深按結(jié)構(gòu)輪廓線控制,垂直預(yù)裂孔孔深按孔底或邊界輪廓線控制,水平預(yù)裂孔與垂直預(yù)裂孔孔底錯位布置??咨羁刂圃谠试S誤差范圍內(nèi)。
3.2.3 堵塞
炮孔堵塞長度在0.45~1.99 m,堵塞長度根據(jù)炮孔深度、直徑、裝藥結(jié)構(gòu)確定合適的堵塞長度。
3.3.1 線裝藥量
(1) 預(yù)裂孔線裝藥密度[6]
q線=0.127(σ壓)0.5a0.84(d/2)0.24
(1)
式中:q線為預(yù)裂爆破的線裝藥密度,kg/m;σ壓為巖石的極限抗壓強度,MPa;a為炮孔間距,m;d為炮孔直徑,m。
當(dāng)σ壓取15 MPa,計算得q線=0.176 kg/m。考慮到拆除結(jié)構(gòu)為碾壓混凝土,根據(jù)炮孔裝藥結(jié)構(gòu),線裝藥密度取0.3~0.4 kg/m。
(2) 主爆孔炸藥單耗
根據(jù)向家壩水電站二期縱向圍堰爆破拆除的成果[7],炸藥單耗q= 0.50~0.60 kg/m3。
(3) 緩沖孔炸藥單耗
根據(jù)相關(guān)資料的經(jīng)驗,緩沖孔炸藥單耗取主爆孔炸藥單耗的60%~80%。該工程取主爆孔炸藥單耗的70%左右,約0.3~0.4 kg/m3。
3.3.2 裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計
(1) 主爆孔裝藥結(jié)構(gòu)
采用Ф32 mm和Ф50 mm藥卷,間隔0.3~0.6 m裝藥,雙股導(dǎo)爆索連接,雙發(fā)600 ms雷管起爆。
(2) 緩沖孔裝藥結(jié)構(gòu)
采用Ф32 mm藥卷,間隔0.15~0.2 m裝藥,雙股導(dǎo)爆索連接,深孔在底部和中部各安裝單發(fā) 600 ms雷管。
(3) 預(yù)裂孔裝藥結(jié)構(gòu)
預(yù)裂孔采用Ф32 mm藥卷,底部連續(xù)裝藥,裝藥量為0.4~2 kg,中間正常裝藥段間隔0.5 m裝藥,上部減弱裝藥段間隔0.6 m裝藥。
3.4.1 爆破震動
(1) 爆破震動安全控制
允許單段藥量的計算公式為:
(2)
式中:Q為單段爆破裝藥量,kg;v為質(zhì)點安全振動速度,cm/s;R為爆源至防護(hù)目標(biāo)的距離,m;K、α為與地質(zhì)條件、巖性特性及爆區(qū)建筑物等有關(guān)的常數(shù),由爆破試驗確定。
圖2 圍堰爆破震動監(jiān)測點布置圖
根據(jù)向家壩二期縱向混凝土圍堰拆除爆破成果,K為70.95、α為1.3[7]。推算出圍堰拆除爆破最大單響藥量應(yīng)小于31 kg。爆破震動控制標(biāo)準(zhǔn)的要求見表1[1]。下游橫向圍堰拆除爆破安全震速測點布置見圖2。
3.4.2 爆破水擊波
Ⅴ區(qū)水下爆破,需驗算最大水沖擊波是否在允許范圍內(nèi)。采用爆破水沖擊波經(jīng)驗公式[8]如下:
(3)
式中:P為水中沖擊波壓力,MPa;Q為最大單段起爆藥量,kg;R為爆源至測點的距離,m。
表1 特殊部位及建筑物爆破震動質(zhì)點允許震速控制標(biāo)準(zhǔn)表
尾水閘門與爆源最近距離100 m,最大單響藥量為28 kg,計算得到水中沖擊波P=0.11 MPa,小于閘門允許水中沖擊波0.6 MPa。
3.4.3 爆破飛石
根據(jù)瑞典德湯尼克公式[9]計算:
RF=KQD
(4)
式中:RF飛石飛散距離,m;KQ安全系數(shù);D炮孔直徑,mm。
計算飛石飛散距離為76~91.2 m。經(jīng)過覆蓋防護(hù)后,飛石距離可控制在50 m范圍內(nèi)。取人員警戒距離不小于300 m,設(shè)備防護(hù)區(qū)域200 m,以拆除建筑物為中心設(shè)置300 m警戒范圍[1]。
圍堰周圍環(huán)境復(fù)雜,需避免產(chǎn)生爆破震動等有害效應(yīng)的影響,為此,需嚴(yán)格控制爆破單段藥量、段間時差,不允許出重段、跳段現(xiàn)象。圍堰爆破網(wǎng)路采用非電導(dǎo)爆管網(wǎng)路,雷管使用高精度毫秒延期雷管,采用孔間、排間微差的起爆方法[10-11]。限制最大單段起爆藥量,以降低爆破震動,減小沖擊波的影響。網(wǎng)路采用雙干線網(wǎng)路,排間設(shè)多點搭接,地表低段接力傳爆,孔內(nèi)高段延時起爆,在孔內(nèi)藥包爆炸之前,網(wǎng)路的地表雷管已大部分傳爆完畢。爆區(qū)從中部起爆,自起爆點向左右兩側(cè)傳爆,將爆區(qū)分為左右2個片區(qū),自臨空面向后分排順序起爆。傳爆導(dǎo)爆管采用雙發(fā)傳爆,孔內(nèi)雙發(fā)起爆,網(wǎng)路可靠性高[12],爆破網(wǎng)路如圖3。
圖3 高精度雷管起爆網(wǎng)路圖
堰體爆區(qū)采取主動防護(hù),采用保溫被、砂袋、鋼絲網(wǎng)防護(hù),左端500 kV高壓線下采用保溫被、砂袋、鋼絲網(wǎng)、膠皮帶、水袋多重覆蓋防護(hù)[13-14],確保向上不產(chǎn)生飛石。其余部位建筑物、設(shè)施和設(shè)備采取被動防護(hù),采用掛保溫被、擋碴欄,以及竹跳板擋護(hù)等方式保護(hù)。
圍堰Ⅱ區(qū)位于堰頂,因拆除方量小,距左岸電廠500 kV輸電線距離近,采用液壓破碎錘拆除。圍堰Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ區(qū)自2017年3月17日至6月7日分4次爆破拆除,爆破共裝藥21.3 t,使用高精度雷管7 938發(fā),導(dǎo)爆索54 000 m,最大單段藥量28 kg。
圍堰Ⅰ、Ⅲ區(qū)爆破飛石全部落在基坑內(nèi),控制在50 m范圍以內(nèi),爆破混凝土塊徑在20 cm左右。圍堰頂部無向上飛石,頂部水袋降塵效果明顯。Ⅳ、Ⅴ區(qū)起爆順序均由下游中部首先起爆,向左右兩端分排順序起爆,堰體炸碎落入江中。
對圍堰爆破質(zhì)點震動監(jiān)測36點次,測點均未超標(biāo),合格率100%。爆破震動最大值為Ⅰ區(qū)爆破時在距爆源15.0 m、排沙槽下游端頭頂部1號測試儀的垂直向,測值為8.741 cm/s,主震頻率≤63.477 Hz。對保護(hù)范圍進(jìn)行清查,未發(fā)現(xiàn)爆破造成損壞。
向家壩右岸壩后電站下游圍堰爆破拆除獲得了圓滿成功,爆破后保留部分堰體及周圍建筑物完好無損??偨Y(jié)爆破成功經(jīng)驗有:
(1) 應(yīng)用微差爆破技術(shù)對圍堰進(jìn)行爆破拆除,對圍堰分區(qū)拆除后剩余堰體進(jìn)行抗傾覆校核。圍堰最后一部分拆除前仍然繼續(xù)擋水,是堰體分區(qū)拆除的關(guān)鍵。
(2) 采取必要的減震措施,Ⅰ~Ⅳ區(qū)爆破時在尾水渠底板表面鋪50 cm厚沙袋及竹跳板,以減小爆碴觸地震動影響。在Ⅴ區(qū)爆破時,在圍堰右端靠排沙槽開挖1道5 m寬、5 m深的減震溝,有效地阻止地震波的傳播[15]。
(3) 合理設(shè)計起爆網(wǎng)路,爆破采用孔間、排間微差爆破方式。起爆網(wǎng)路采用非電高精度延期雷管,提高了延時精度,保證孔間微差爆破,避免跳段、重段現(xiàn)象。網(wǎng)路采用雙干線、排間二次橋接以提高了網(wǎng)路可靠性高。
(4) 注重爆破安全防護(hù)。主動防護(hù)通過調(diào)整爆破孔網(wǎng)參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)、選擇爆破器材及起爆順序、控制炸藥單耗及選擇合適的臨空面等技術(shù)手段實現(xiàn)。被動防護(hù)主要對堰體采用覆蓋防護(hù)與水袋降塵,對重點設(shè)施采取竹跳板防護(hù),避免個別飛石的損害。