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浅谈水工围堰拆除爆破技术

发表时间：2020/12/15 来源：《基层建设》2020年第24期作者：何辉煌

[导读] 摘要：围堰是水利水电工程修建时常用的挡水安全保护屏障，一般主体工程建成同时也意味着围堰其挡水使命完成。

        中国葛洲坝集团第一工程有限公司 443000
        摘要：围堰是水利水电工程修建时常用的挡水安全保护屏障，一般主体工程建成同时也意味着围堰其挡水使命完成。围堰类型繁多，其拆除方法和技术也各有千秋，随着民爆行业的快速发展，爆破拆除法技术已被广泛应用于围堰拆除施工，基于此，本文从围堰拆除爆破特点入手，对围堰爆破技术进行分析研究，以供参考。
        关键词：围堰拆除；爆破技术；爆破设计；有害效应；
        引言
        根据水工围堰结构型式，对于混凝土围堰、土石围堰中的混凝土心墙、岩坎围堰通常采用爆破法拆除。围堰拆除直接关系到主体工程能否安全投入使用，且水下二次处理难度极大，因此，围堰拆除爆破必须确保一次成功，不能失败。
        1.围堰拆除爆破特点
        水工围堰拆除爆破通常具有距离永久结构物近、周边环境复杂、爆破安全控制严格、水下地形地质条件复杂、工期紧张、施工条件恶劣、对炮渣粒径要求高、火工材料浸水时间长等特点。因此，对拆除爆破设计的要求较高，通常由经验丰富的专业人员进行设计，充分论证、因地制宜的制定爆破专项方案，并按规定进行报批和评审。
        围堰爆破设计要做到三个必须，一是必须要确保一次性爆破成功；二是要确保周围建筑物及环境的安全；三是要确保爆破块度或者堆积形状满足后期开挖要求。爆破设计主要包括：工程概况以及周边环境、工程特点及重难点、爆破设计方案的比选和论证、爆破安全控制标准、爆破参数的设计、单段药量的论证、起爆网络设计、爆破安全的防护、钻孔工作量以及火工材料的消耗量，另外还需要进行专门的施工组织设计。
        2.围堰拆除爆破技术
        2.1 分区、分层、分阶段拆除爆破
        水工围堰拆除的难度系数与水位高程关系密切，通常为了减少围堰水下开挖工程量，减小爆破的有害效应，降低爆破施工难度，可根据水位特性采取分层、分块、分阶段的爆破方式，降低围堰或岩坎拆除高度。围堰拆除尽量安排在枯水季节施工，爆破设计时，可根据水位特征分析最小经济挡水断面，对经济挡水断面以外的堰体采用陆地作业方式进行分层、分块爆破开挖，变不可见为可见，大大节约工期并降低施工成本，并减少爆破有害效应。
        2.2 堰内充水爆破
        围堰爆破后标志着其挡水功能已经失去，为避免爆破后水流夹杂块石冲击水工建筑物或闸门等。通常在爆破前会采用堰内预充水的方式，充水平压后，可有效控制水石流效应。选用充水方案时需提前考虑堰内水击波对闸门的影响并采取有效保护措施，堰内充水可选用钢管倒虹吸、机械抽水、围堰破口自流等方式。
        2.3堰顶与堰内钻孔爆破
        围堰横断面不大且顶部足够宽时，优先考虑堰顶钻孔方案，优点是孔口全部在堰顶，钻孔、装药、联网方便，避免在钻孔过程中渗水、漏水带来一系列施工难题，缺点是孔口炮孔密集，上下抵抗线不均匀，容易产生爆破飞石。当无法在堰顶布置炮孔时，只能采取堰内钻孔方案，优点是炮孔的抵抗线比较均匀，缺点是钻孔过程中可能出现渗水、漏水或透水现象，另外施工条件差，施工环节繁杂。
        2.4 钻孔设备
        围堰拆除爆破钻孔有钻孔精度要求高、精度控制难度大、钻孔类型多、钻孔环境恶劣、钻孔强度高等特点，钻孔质量的好坏是围堰拆除爆破成败的关键。根据施工需要，通常选择100B快速钻机造孔，必要时采用地质钻造孔。
        2.5 围堰爆破装药及联网
        围堰水下部分爆破炸药需要有一定的抗水、抗压性能，应提前进行耐水试验。炸药单耗设计是应充分考虑水压力作用影响，适当提高炸药单耗确保爆破效果，通常采用耦合装药和均匀间隔连续装药结构。炮孔顶部尽量减少堵塞长度或者对堰顶部分采用手风钻增加浅孔辅助破碎。

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为确保爆破一次性成功，常选择高强度、高精度的导爆管雷管或数码电子雷管，合理的设置起爆方式，确保起爆网络安全可靠并利于爆破渣块破碎。
        3.围堰拆除爆破的有害效应
        围堰爆破设计时需结合现场特点，对爆破有害效应进行充分计算和论证。其有害效应主要体现在以下七个方面。
        3.1爆破振动效应
        围堰距离永久结构物距离通常较近，爆破时，大量的炸药的能量会以地震波形式从爆破点向外进行传爆，可能对结构物或帷幕灌浆的安全性构成危害。因此，爆破设计时，首先需根据爆破规范或设计要求确定建筑物的质点振动安全控制标准，并通过实验试爆确定出与爆破区地形和地质条件有关的衰减指数，从而计算出确保结构物安全状况下的最大允许单段药量。
        3.2水击波和动水压力
        围堰爆破时炸药能量的一部分会通过爆破生成的高压气体作用于水中，从而形成水击波，同时还有部分能量会以应力波的形式作用于水中，爆破产生的水击波会对围堰附近水域中的钢结构或水面船舶等构成安全威胁，如引水钢闸门、拦污栅、压力钢管、止水结构等，通常采用冲击波的峰值压力作为判别对建筑物的破坏依据，设计时采用库尔公式与类似工程水击波经验公式为参考进行计算。若计算结果超出保护结构的安全控制标准，可考虑在爆破点与被保护物之间增加水下气泡帷幕的方式进行被动防护，用以削弱水击波峰值压力。同时严格控制最大单段起爆药量、加强孔口封堵，使炸药能量最大限度地用于破碎岩体，而不致过早或过多地逸出至水中形成水击波。
        3.3涌浪
        当围堰爆破后的岩体经爆破抛掷作用落入水体中，会形成水浪，另外在炸药外溢能量的作用下，也会在水中形成涌浪。涌浪会以爆破点为中心向四方传递，波浪遇到河岸或物体后会引起附加的水压力，对物体或船只等构成安全威胁。涌浪的高度会随着传播距离的加长而削减，由于涌浪的影响难于计算，通常是参考类似工程进行分析，一般围堰爆破工程中，以防护控制措施为主，爆破前转移可能影响的人员设备，设置防浪排，以及禁止在涌浪影响范围内停靠船只。
        3.4水石流效应
        当围堰爆破处于动水状态下时，爆破后大量的爆石会在水流的作用下通过导流洞或泄放洞等冲往下游，或堆积在闸门前端，可能影响工程运行期闸门的正常启闭，需要对爆渣的平均粒径和抛掷范围进行有效控制，一般采用堰内充水爆破方案来降低石渣流对保护物的影响，必要时在保护物前用沙袋堆拦渣坝。
        3.5空气冲击波及噪声
        水上部分的围堰堰体在爆破时会产生气体冲击波，由于围堰拆除爆破多为钻孔爆破，且多为水下爆破，空气冲击波作用相对较小，其防护一般不予考虑。主要避免有裸露的导爆索传爆，必要时将爆区附近房屋玻璃窗户打开，以防空气冲击波超压可能对玻璃造成损坏。根据参考资料，炮孔在装药填土后，在顶部再覆盖一层水带，可有效降低爆破噪声。
        3.6爆破飞石
        根据相关研究资料，当水深大于6米时，水下爆破飞石难于飞出水面，当水深小于6米时，爆破飞石的计算可参考汤尼克深孔爆破飞石距离计算经验公式。控制爆破飞石的有效措施，一是要控制封堵质量，保证一定的封堵长度，二是主动防护，对炮孔顶部或围堰外露部分采取沙袋、钢丝网、炮被等进行防护，防止飞石溢出，三是被动防护，采用钢板、竹跳板、废旧轮胎或炮被等柔性材料对被保护体表面进行覆盖。
        3.7爆破有害气体
        爆破的有害气体与爆破炸药的氧平衡相关，在零氧平衡、正氧平衡和负氧平衡三种不同状态下，产生的有毒气体的种类和含量也不同，炸药爆破产生有毒气体几乎是必然的，由于围堰主要分为水面以上的露天爆破和水下爆破，其露天爆破产生的有毒气体会在风和大气的作用下迅速稀释，水下爆破产生的有毒气体也会为水体所溶接吸收，通常围堰爆破有害气体不做重点考虑。
        结语
        总而言之，围堰拆除爆破是水工建设中的一个重要工序，爆破设计时不仅需要爆破理论和技术的支持，更需要丰富的实践经验来指导。必须要高度重视爆破设计工作，需进行系统性的学习和调查、充分比选和论证，以确保围堰爆破万无一失，打好水工建设的收官战。