吳世然，劉廣鑫，陳育權(quán)，盧文波，張 珂，陳 明

(1.中國(guó)電建集團(tuán) 中國(guó)水利水電第三工程局有限公司，西安 710024;2.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；3.中國(guó)水利電力對(duì)外有限公司，北京 100120)

在過去的三十年內(nèi)，我國(guó)及世界范圍內(nèi)的壩工技術(shù)得到了快速發(fā)展，其中，面板堆石壩由于具有經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，這種壩型也得到了廣泛的應(yīng)用[1,2]。為了宣泄洪水，常常需要在堆石壩壩體的兩岸開挖一條岸邊溢洪道，作為壩體泄洪通道，溢洪道對(duì)壩體運(yùn)行安全有著舉足輕重的作用。岸邊溢洪道的主要特點(diǎn)是露天，同時(shí)一般結(jié)構(gòu)都較為復(fù)雜，存在巖體開挖量巨大且開挖成型質(zhì)量控制困難等特點(diǎn)。

鉆孔爆破作為一種經(jīng)濟(jì)高效的破巖方式，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到溢洪道開挖中[3,4]。然而，在完成爆破破巖的同時(shí)，會(huì)對(duì)保留巖體造成破壞、產(chǎn)生爆破振動(dòng)、爆破損傷等負(fù)面影響[5-7]，并且局部會(huì)有超欠挖存在，難以獲得平整的輪廓面，存在開挖成型控制的難題，因此開挖成型控制和爆破損傷控制也一直是研究的熱點(diǎn)問題。

溢洪道的巖體開挖主要包括了巖石邊坡和水平基礎(chǔ)的開挖，輪廓成型的關(guān)鍵控制部位為：巖石高邊坡、消力池巖石基礎(chǔ)，尾坎和閘室段跌坎等。對(duì)于巖石邊坡，為了保證邊坡輪廓的開挖成型質(zhì)量和最小地減少爆破損傷，諸如預(yù)裂爆破和光面爆破的輪廓爆破技術(shù)應(yīng)用較為廣泛[8,9]；對(duì)于水平基礎(chǔ)，通常采用預(yù)留保護(hù)層的開挖技術(shù)，通過三十年的工程實(shí)踐，目前已經(jīng)積累了一系列的保護(hù)層開挖技術(shù)[10]，同時(shí)近年來也有專家學(xué)者提出了新型的保護(hù)層開挖技術(shù)[11,12]。

結(jié)合老撾南公1水電站溢洪道開挖，對(duì)巖石高邊坡、消力池巖石基礎(chǔ)，尾坎和閘室段跌坎等關(guān)鍵部位的輪廓成型開挖技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)地總結(jié)，介紹了具體的爆破方案和鉆爆參數(shù)，并給出了詳細(xì)的開挖效果，為其他類似工程的巖體開挖提供了良好的借鑒。

1 工程背景

南公1水電站位處老撾、越南、柬埔寨三個(gè)國(guó)家交界區(qū)域的南公河上，是我國(guó)建設(shè)“一帶一路”的示范工程，也是打造“東南亞蓄電池”的骨干工程。工程由首都樞紐和引水發(fā)電系統(tǒng)組成，其中首部樞紐主要包括面板堆石壩，左岸溢洪道和右岸電站進(jìn)水口等。南公1水電站溢洪道位于壩體左岸，其樞紐布置如圖1所示。溢洪道的總體土石方開挖量達(dá)260萬m3，開挖高程分布為：EL.325～EL.244 m(其中引渠段：EL.325～EL.300 m；閘室段：EL.325～EL.276 m；泄槽段：EL.325～EL.244 m)，開挖高差較大。同時(shí)溢洪道的設(shè)計(jì)泄洪流量為8000 m3/s，采用無混凝土襯砌的結(jié)構(gòu)形式，后期泄洪運(yùn)行時(shí)需要承擔(dān)巨大的動(dòng)水壓力，對(duì)開挖成型質(zhì)量的控制也不言而喻。同時(shí)，在滿足開挖成型質(zhì)量控制要求的前提下，又需要實(shí)現(xiàn)溢洪道的快速高效開挖，由此可見南公1水電站溢洪道施工具有開挖強(qiáng)度大，工期任務(wù)緊等特點(diǎn)。綜上所述，溢洪道開挖成型已成為制約南公1水電站建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)難題。

圖 1 南公1水電站首部樞紐及溢洪道布置圖Fig. 1 Layout of head hydroproject and spillway of Namkong 1 Hydropower Station

2 關(guān)鍵部位巖體爆破開挖技術(shù)

2.1 邊坡輪廓成型控制爆破技術(shù)

溢洪道邊坡總體的開挖方案為：自上而下、分臺(tái)階開挖?？紤]到施工工期的緊張性，在邊坡輪廓開挖時(shí)，采用了一次預(yù)裂成型的爆破技術(shù)，其中以引渠段的邊坡開挖高差最大，下面以引渠段邊坡開挖成型為例，介紹南公1水電站溢洪道邊坡輪廓成型爆破技術(shù)。引渠段邊坡的最大開挖高度為25 m，預(yù)裂孔鉆孔深度達(dá)28 m，其典型開挖方案見圖2。

如圖2所示，引渠段的設(shè)計(jì)開挖坡比為1∶0.5，自上而下、共分成三次臺(tái)階爆破，其中預(yù)裂孔鉆孔深度為28 m、采用一次預(yù)裂到底的深孔預(yù)裂爆破技術(shù)。在第一次臺(tái)階爆破中預(yù)裂孔和主爆孔、緩沖孔一次起爆，起爆順序依次為：預(yù)裂孔→主爆孔→緩沖孔；第二次及第三次臺(tái)階爆破均是在上一臺(tái)階開挖完成后進(jìn)行，僅起爆主爆孔和緩沖孔。炸藥采用2#巖石乳化炸藥，其中預(yù)裂孔采用底部φ65 mm藥卷加強(qiáng)，φ32 mm藥卷間隔裝藥，堵塞1.5 m；緩沖孔采用φ65 mm藥卷連續(xù)裝藥，堵塞2.0 m；主爆孔采用φ90 mm藥卷連續(xù)裝藥。炮孔典型裝藥結(jié)構(gòu)如圖3，主要鉆爆參數(shù)如表1。

圖 2 引渠段邊坡典型開挖方案示意圖(單位：m)Fig. 2 Typical excavation scheme of approach channel slope(unit:m)

圖 3 炮孔典型裝藥結(jié)構(gòu)示意圖(單位：cm)Fig. 3 Schematic diagram of typical charge structure of borehole(unit：cm)

表 1 引渠段邊坡輪廓爆破鉆爆參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

爆破清渣完成后，利用人工對(duì)預(yù)裂面進(jìn)行了清理，得到引渠段邊坡的輪廓開挖效果如圖4。

如圖4可知，引渠段邊坡預(yù)裂面清晰可見，開挖成型質(zhì)量?jī)?yōu)良，另外爆后對(duì)預(yù)裂面進(jìn)行了檢查和測(cè)量，殘孔率達(dá)100%，半孔率高達(dá)90%，最大起伏差僅為10 cm，由此可見深孔預(yù)裂爆破技術(shù)成功地解決了引渠段邊坡開挖成型控制難題。另外，一次預(yù)裂成型的深孔預(yù)裂爆破技術(shù)在消力池邊坡輪廓開挖中也取得了良好的開挖成型效果，現(xiàn)場(chǎng)的開挖效果如圖5。

圖 4 引渠段邊坡深孔預(yù)裂爆破效果圖Fig. 4 Excavation effect of deep-hole presplit blasting on approach channel slope

圖 5 消力池邊坡深孔預(yù)裂爆破效果圖Fig. 5 Excavation effect of deep-hole presplit blasting on stilling basin slope

2.2 消力池巖體快速開挖成型控制技術(shù)

溢洪道消力池的總體開挖方案為：自上而下，分區(qū)域開挖。在臨近建基面時(shí)，采用預(yù)留保護(hù)層的開挖方式，保護(hù)層的厚度一般為2～6 m，保護(hù)層上部巖體采用常規(guī)的梯段爆破技術(shù)(10 m一個(gè)梯段)，保護(hù)層開挖則需要采用特殊的控制爆破技術(shù)、以減少對(duì)基礎(chǔ)巖體的擾動(dòng)與破壞。消力池的具體開挖過程如圖6。

圖 6 消力池開挖過程示意圖(單位：cm)Fig. 6 Schematic diagram of stilling basin excavation process(unit：cm)

如圖6所示，制約消力池巖體快速開挖成型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)為保護(hù)層的開挖，傳統(tǒng)的保護(hù)層開挖技術(shù)已經(jīng)不能滿足溢洪道的快速高效施工需求。近年來，武漢大學(xué)盧文波教授團(tuán)隊(duì)提出的消能-聚能聯(lián)合控制爆破技術(shù)由于具有施工速度快、開挖質(zhì)量可控等優(yōu)勢(shì)，在眾多工程巖石基礎(chǔ)開挖成型中得到了推廣應(yīng)用，解決了眾多開挖難題的同時(shí)取得了良好的開挖效果。南公1水電站在進(jìn)行溢洪道消力池保護(hù)層開挖時(shí)，引進(jìn)了此技術(shù)，并結(jié)合溢洪道的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性爆破，開展了一系列科研試驗(yàn)，并對(duì)消能-聚能結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)選[13]，得到了適用于南公1水電站溢洪道保護(hù)層開挖的鉆爆參數(shù)，具體參數(shù)與開挖方案見圖7和表2，消能-聚能爆破炮孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖8。

表 2 溢洪道保護(hù)層消能-聚能聯(lián)合控制爆破鉆爆參數(shù)

圖 7 消力池保護(hù)層開挖方案示意圖Fig. 7 Schematic diagram of protection layer excavation scheme for stilling basin

圖 8 消能-聚能爆破裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 8 Schematic diagram of charge structure of energy dissipation-accumulation boreholes

在保護(hù)層開挖完成后，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)消力池底板進(jìn)行了清渣處理，得到了底板開挖效果如圖9，利用RTK進(jìn)行了平整度測(cè)量，結(jié)果顯示，底板的超欠挖主要控制在±30 cm范圍內(nèi)，無明顯的爆坑和凸起，滿足設(shè)計(jì)要求，開挖成型效果良好。

圖 9 溢洪道消力池開挖效果示意圖Fig. 9 Schematic diagram of spillway stilling basin excavation effect

2.3 尾坎巖體開挖成型控制技術(shù)

消力池的尾坎作為輔助消能結(jié)構(gòu)可以有效解決底流水躍消能不充分的問題，同時(shí)能夠避免因消能不充分帶來的嚴(yán)重沖刷、磨蝕破壞問題。南公1水電站的溢洪道消力池采用無襯砌的結(jié)構(gòu)形式，其設(shè)計(jì)流量達(dá)8000 m3/s，尾坎的最大開挖高差為28 m，預(yù)裂孔的鉆孔深度達(dá)31.3 m，開挖成型難度大，同時(shí)超挖會(huì)帶來額外的混凝土澆筑成本，開挖成型質(zhì)量不言而喻。

南公1水電站溢洪道消力池在尾坎開挖時(shí)，為做到精細(xì)控制，專門成立了QC小組進(jìn)行攻關(guān)，加強(qiáng)了對(duì)鉆孔爆破過程的監(jiān)控與指導(dǎo)。其中，尾坎的上下游面均采用深孔預(yù)裂一次開挖成型的爆破技術(shù)，頂部水平面采用水平預(yù)裂+垂直孔的輪廓開挖技術(shù)，下面以一級(jí)消力池的尾坎開挖為例來概括說明具體的開挖成型控制技術(shù)，尾坎的開挖方案示意圖如圖10。

圖 10 溢洪道一級(jí)消力池尾坎開挖方案示意圖Fig. 10 Schematic diagram of tailsill excavation scheme of spillway primary stilling basin

由圖10可知，尾坎上游側(cè)Ⅰ和頂部區(qū)域Ⅱ均采用一次預(yù)裂爆破完成，下游區(qū)域III則是先進(jìn)行預(yù)裂爆破，然后分三個(gè)臺(tái)階來完成常規(guī)巖體的開挖，其開挖順序?yàn)椋孩瘛颉蟆Ｈ齻€(gè)區(qū)域輪廓開挖時(shí)預(yù)裂孔的鉆爆參數(shù)及裝藥結(jié)構(gòu)與引渠段邊坡深孔預(yù)裂邊坡的參數(shù)相同，在此不做贅述。

現(xiàn)場(chǎng)開挖結(jié)束后，對(duì)尾坎的上下游面和頂面進(jìn)行了清渣處理，得到了尾坎的輪廓開挖效果如圖11。

圖 11 消力池尾坎輪廓開挖效果Fig. 11 Excavation effect of stilling basin tail sill contour

由圖11可知，一級(jí)消力池尾坎的輪廓面清晰可見，開挖成型質(zhì)量?jī)?yōu)良，同時(shí)爆后對(duì)輪廓面進(jìn)行了檢測(cè)，半孔率高達(dá)90%，最大起伏差僅為15 cm，由此可見：所提出的尾坎開挖成型控制技術(shù)確保了溢洪道尾坎開挖質(zhì)量，加快了施工進(jìn)度，成功地解決了消力池尾坎的開挖難題。

2.4 閘室跌坎巖體開挖成型控制技術(shù)

溢洪道閘室段跌坎作為開挖基礎(chǔ)面，后期要澆筑混凝土，與混凝土形成有機(jī)整體，共同受力抵擋泄洪動(dòng)水壓力，因此，其開挖成型質(zhì)量直接影響了混凝土的澆筑與后期的運(yùn)行穩(wěn)定，重要性不言而喻。南公1水電站在閘室跌坎開挖時(shí)，上游輪廓面采用了大孔徑小梯段預(yù)裂爆破技術(shù)，底部平臺(tái)的開挖則是采用消能-聚能聯(lián)合控制爆破技術(shù)，取消了之前采用預(yù)留0.5 m保護(hù)層的開挖方案(保護(hù)層后期采用小孔徑手風(fēng)鉆鉆孔爆除)，大大提升了施工效率。下面以第三級(jí)跌坎開挖為例，闡述說明閘室段跌坎具體的開挖成型控制技術(shù)，其開挖方案示意圖如圖12。

由圖12可知，本次輪廓爆破爆區(qū)共設(shè)置預(yù)裂孔、變深孔及主爆孔三種炮孔，預(yù)裂孔采用間隔裝藥結(jié)構(gòu)，變深孔和主爆孔均采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)(其中在待開挖的第三級(jí)臺(tái)階處的三排主爆孔在孔底安放了消能-聚能結(jié)構(gòu))。試驗(yàn)區(qū)炮孔直徑均為120 mm，其中：預(yù)裂孔的孔距為1 m；變深孔的孔距為2 m、與預(yù)裂孔的排距為1.5 m；主爆孔的間排距為2.4 m×2.2 m。鉆孔裝藥參數(shù)見下表3，典型的裝藥結(jié)構(gòu)見圖13。

爆破完成后，對(duì)閘室段跌坎處進(jìn)行了清渣處理，得到了跌坎的整體開挖輪廓效果如圖14。

由圖14可知，由于臺(tái)階寬度較小、同時(shí)局部區(qū)域由于節(jié)理裂隙等影響，溢洪道跌坎的設(shè)計(jì)開挖輪廓并未完全地開挖成型，整體的開挖成型效果一般。跌坎段的開挖實(shí)踐表明：對(duì)于類似具有開挖成型質(zhì)量要求的小臺(tái)階爆破區(qū)域，大孔徑小梯段的爆破技術(shù)并不是很適宜，取而代之的是應(yīng)采用小孔徑小梯段的控制爆破。

圖 12 閘室段第三級(jí)跌坎開挖方案示意圖(單位：m)Fig. 12 Schematic diagram of excavation scheme for the third level drop sill of lock chamber section(unit：m)

圖 13 典型炮孔裝藥結(jié)構(gòu)圖(單位:m)Fig. 13 Schematic diagram of typical borehole charge structure(unit:m)

圖 14 溢洪道閘室段跌坎整體開挖效果圖Fig.14 Overall excavation effect drawing of spillway sluice chamber section drop sill

表 3 閘室段跌坎開挖鉆爆參數(shù)統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

在老撾南公1水電站溢洪道開挖過程中，針對(duì)不同的開挖部位采用了不同的開挖技術(shù)，經(jīng)過精心的組織和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，溢洪道獲得了良好的開挖成型效果，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，又大大地加快了施工進(jìn)度，經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益顯著，并得到了以下結(jié)論與認(rèn)識(shí)：

(1)深孔預(yù)裂爆破技術(shù)在溢洪道高邊坡和尾坎開挖中取得了良好的開挖成型效果，其中預(yù)裂孔半孔率達(dá)90%以上，痕跡均勻、平行，起伏差控制在15 cm以內(nèi)，預(yù)裂面未受到爆破損傷破壞，滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)消能-聚能聯(lián)合控制爆破技術(shù)在消力池底板保護(hù)層開挖中取得了良好的開挖成型效果，其中建基面整體超欠挖控制在±30 cm以內(nèi)，無明顯的爆坑與凸起，滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)閘室跌坎段的開挖實(shí)踐表明，對(duì)于類似具有開挖成型質(zhì)量要求的小臺(tái)階爆破區(qū)域，大孔徑小梯段的爆破技術(shù)并不是很適宜，應(yīng)優(yōu)先采用小孔徑小梯段的控制爆破技術(shù)。

(4)本工程中溢洪道不同部位的開挖方案與鉆爆參數(shù)可為今后同類工程的施工提供了很好的經(jīng)驗(yàn)和借鑒。