王长城 王兆卿
中国水利水电第六工程局有限公司
[摘 要]：在大型水电站施工过程中，施工围堰必不可少，相应围堰拆除施工较为广泛。围堰拆除施工爆破效果以及周围建筑物稳定性至关重要，尤其是是水下围堰一次性拆除。本文
依托乌东德水电站，针对水下导流围堰一次拆除的核心技术难题进行系统分析，总结出“数值分析，优选施工方案”、“精细化爆破设计”、“安全防护”、“安全预警”等一系列应对围堰拆除施工最优施工方案，形成一整套闻堰拆除施工程序，通过理论研究与工程实践解决了工程难题，对类似工程具有指导意义。
[关键词]：围堰；一次拆除；数值分析；安全防护；安全预警
乌东德右岸尾水主洞出口导流围堰为预留岩埂，长约50m，宽约40m，拆除高程827.0m~805.0m，水下拆除4.43万m3（其中剩余混凝土拆除工程量为0.27万m3），石渣填筑0.33万m3，乌东德水电站尾水出口围堰受地形、地质条件及围堰周边建筑物的限制，围堰距被保护的建筑物（集鱼站）很近，最小距离不足4.0m，因此爆破振动、爆破飞石及爆炸水击波是本次围堰及岩坎爆破控制的重点。本课题围绕水下导流围堰一次拆除的核心技术难题，进行了专项科技攻关：①方案比选，对比不同开挖方案的成型效果、应力稳定，优选施工方案；②精细化爆破设计，控制爆破，围堰拆除为水下爆破，周边保护建筑物较多，爆破风险极高；③临边安全防护施工技术；实现了水下导流围堰一次拆除技术的新突破。
.png)
1 施工方案优选
乌东德右岸尾水主洞出口导流围堰为预留岩埂，长约50m，宽约40m，拆除高程827.0m~805.0m，拆除高差大，一般有三种布孔方式：第一种布孔方式是从堰内向堰外钻水平孔，第二种方案是从堰顶向下钻竖直孔或小角度斜孔，第三种方案是堰内岩石条件较好的区域采用短进尺水平孔，堰外渗水区采用堰顶向下钻竖直孔或小角度斜孔。
.png)
比较这三种布孔方式，水平孔方式整体是上抬作用，飞石对周围保护物的的危害较小，但水平孔方式的缺点是难以解决钻孔过程中的渗水漏水问题；堰顶钻孔方案，孔均在围堰顶部开钻，钻孔施工比较方便，堰外部分以及迎水面的凸出岩石可以通过钻斜孔达到爆破破碎的目的，缺点是垂直孔或小角度斜孔爆破时，开口位置飞石抛掷较为严重，钻孔精度不易控制，部分凸出岩石可能炸药能量很难作用到位。但比较而言，渗水透水问题更难解决，而堰外斜坡段岩石可以通过斜孔和垫渣钻孔予以解决。水平孔结合垂直孔的方式能避免渗漏和钻孔精度不易控制的问题，但水平孔结合垂直孔的起爆网路复杂，且结合部位的抵抗线不易控制，容易出现拒爆。因此围堰采用堰顶钻孔的爆破方案。
本设计按堰顶钻孔方案进行设计。采用跟管钻机钻孔，装药孔径不小于Φ90mm，需要下套管的炮孔，套管内径不小于Φ90mm，采用φ70药卷乳化炸药，采用高精度毫秒微差顺序起爆网路起爆或电子数码雷管微差顺序起爆。爆破后，水上部分利用1.6m3挖掘机配合20t自卸车出渣，具备条件的情况下，水下部分采用长臂反铲配合20t自卸汽车出渣，不能机械出渣的剩余部分利用水流冲渣。
2 精细化爆破设计
围堰拆除爆破控制的重点是振动控制，围堰堰后有大量需要保护的钢筋混凝土结构物。以往类似工程经验认为钢结构和钢筋混凝土结构具有很强的抗振性能，爆破振动控制值较高。例如：葛洲坝大江围堰混凝土芯墙、山西禹门口提水工程进口围堰、东风水电站导流洞进、出口围堰等的拆除爆破，围堰体均距主体建筑物很近，有些还是紧连，最近处实测到的质点振速20cm/s左右，紧邻爆区的质点振速还要大。爆破拆除后这些建筑物均未发生破坏。
乌东德水电站尾水出口围堰受地形、地质条件及围堰周边建筑物的限制，围堰距被保护的建筑物（集鱼站）很近，最小距离不足4.0m，因此爆破振动、爆破飞石及爆炸水击波是本次围堰及岩坎爆破控制的重点。根据一般水电站的工程设计经验，地震设防烈度为8°，通过工程类比确定闸门的抗振设计标准为20cm/s，校核标准为30cm/s，其它钢筋混凝土结构物的抗振设计标准为15cm/s，校核标准为20cm/s。又根据在大朝山、糯扎渡、构皮滩、彭水、溪洛渡、深溪沟、官地、功果桥等围堰爆破拆除中的经验，闸门和闸门槽的爆破抗振设计标准为15cm/s，校核标准为20cm/s，实践证明是可行的。
.png)
2.1最大允许单段药量的确定
（1）重点保护对象确定
根据尾水出口围堰周边保护物分布情况，周边的保护物主要分为永久水工建筑物、断层等各种不利地质结构。尤其是距离尾水出口围堰堰内集鱼站钢筋混凝土结构的距离仅4.0m，为本次爆破的控制建筑物，根据前面的分析，爆破近区的集鱼站钢筋混凝土结构的爆破振动设计标准为15cm/s，校核标准为20cm/s。
（2）爆破振动参数回归
爆破振动即质点振动速度大小取决于爆源点至被保护区域的距离、最大单段药量以及与场地地质条件、岩体特性、爆破条件等有关的系数。
目前国内普遍采用萨道夫斯基公式预测爆破地震波衰减规律：
.png)
式中：v为峰值质点振动速度，cm/s；Q为单段药量，kg；r为爆心距，m；K、α是与爆破方法、场地条件相关系数，与爆破方式、装药结构、爆破点至计算点间的地形、地质条件密切相关，由爆破试验确定。
关于爆破振动传播规律的K、α值，暂时参考类似工程的经验进行选取：小湾水电站导流洞进出口围堰：水平径向K=54.9，α=1.47；垂直向K=15.6，α=0.78；水平切向K=18.7，α=0.87。溪洛渡围堰拆除爆破试验，1#导流洞垂直向K=35.57、α=1.396；1#导流洞水平向K=33.43、α=1.384。以上的K、α对乌东德导流洞主体围堰拆除能够起到一定的参考作用。下表给出了前期右岸厂房顶拱扩挖爆破试验中K、α参数取值以及对应的相关性系数。
.png)
结合乌东德水电站尾水出口围堰的岩性性特征，围堰边界距离集鱼站最近3.9m，实际爆破取围堰中心线，中线距离集鱼站钢筋混凝土结构物边界R取25m，爆破近区的集鱼站钢筋混凝土结构的爆破振动设计标准为15cm/s，校核标准为20cm/s。计算最大单段药量见下表。
.png)
本围堰堰外需要填筑施工平台的区域，仅下部岩石段装药，单孔装药30~50kg，3~4孔一段，最大单段药量150kg，堵塞段必须延伸到基岩面以下不小于0.5m；正常钻孔区域两孔一段，最大单段药量140kg；距集鱼站较近的区域，单孔单段，最大单段药量80kg。结合表6-2，设计最大单段药量均未超过按《爆破安全规程》（GB6722-2014）取值计算的允许最大单段药量156kg，单段最大药量能够满足爆破振动控制的要求。
（3）爆破水击波参数回归
围堰（岩坎）拆除爆破时，一部分炸药能量从被爆体中逸出至水中或者爆破时生成的高压气体直接作用于水中形成水击波，其压力峰值随传播距离增加很快衰减，持续时间一般在几个毫秒以内另外还有部分炸药能量通过岩体或被爆体以应力波的形式作用于水中，产生水体振动而形成脉动水压力。
由于大部分炸药能量被用来破碎、抛掷被爆体，只有小部分能量形成水击波，另外岩坎爆破拆除为有限水域，水击波在传播中经过多次折射与反射，还将耗散部分能量，因此，在工程实际中，要从理论上计算水击波效应是非常困难的对于较重要的工程，一般通过现场爆破试验或参考类似工程的实测资料，确定适用于工程的水中冲击波压力计算值。选取闸门为研究对象，控制标准按止水结构进行考虑，根据类似工程水击波压力经验公式计算的水击波压力如下表。
.png)
注：表中ρ为比例药量ρ＝Q1/3/R；Q为最大单段药量，kg；R为爆心距，m；
由上表可知，本围堰爆破设计最大单段药量远小于按水中冲击波控制的允许最大单段药量，因此，能够满足水中冲击波控制的要求。
2.2 爆破参数设计
2.2.1主爆孔爆破参数
（1）钻孔布置形式
采用堰顶钻垂直孔和小角度斜孔方案，矩形布孔，局部采用正方形布孔。
（2）钻孔设备
以跟管钻机为主。
（3）钻孔直径
斜孔和岩石质量不佳部位的孔孔内一律下内径大于Φ90mm的PVC套管，PVC套管内径满足Φ70mm炸药的装药要求。大于Φ90mm，需要下PVC套管的孔，钻孔直径大于Φ105mm，确保孔内可以下内径大于Φ90mm的PVC套管，满足Φ70mm药卷装药要求。
（4）炮孔间距：明渠内1.5m，明渠外1.8m。
（5）排距：1.5m。
（6）超深：1.5m，超深的目的是确保围堰爆破到805m的设计底高程。
（7）炸药单耗：平均1.5～1.8kg/m3，上部1.0～1.5 kg/m3，底部1.5～2.0 kg/m3。
（8）炸药类型：防水型乳化炸药。
（9）炸药直径：Φ70mm
（10）钻孔深度：12.0~22.6m。
（11）装药结构
为了避免药包集中导致爆破振动过大或爆破飞石，分散炸药能量，单个炮孔采用连续装药结构，利用岩粉进行封堵，分层填塞，并利用炮棍捣实，清除孔口附近的浮石。由于炮孔深，且孔内有水，为保证炸药能够连续传爆，每个炮孔增加单股导爆索，增加连续传爆的可靠性。具体参数见下表。
.png)
2.2.2 预裂孔爆破参数
与混凝土纵向围堰连接处布置一排预裂孔，向下垂直，爆破参数如下：
（1）孔距：0.8m。
（2）线装药密度：450g/m，底部2m增强装药，线装药密度1500g/m。
（3）堵塞长度：1.5m。
（4）炮孔深度：预裂孔不超深。
（5）炸药类型：Φ32mm乳化炸药，竹片绑扎下药，采用导爆索将Φ32药卷绑扎成串状的间隔装药结构，导爆索传爆。具体参数见下表。
.png)
2.2.3 光爆孔爆破参数
在围堰拆除范围的上游侧边布置一排光爆孔，爆破参数如下：
（1）孔距：1.0m。
（2）线装药密度：350g/m，底部2m增强装药，线装药密度1500g/m。
（3）炮孔深度：钻至EL810m。
（4）堵塞长度：1.5m。
（5）炸药类型：Φ32mm乳化炸药，竹片绑扎下药，采用导爆索将Φ32药卷绑扎成串状的间隔装药结构，导爆索传爆。具体参数见下表。
.png)
3 爆破附属结构安全稳定技术
围堰爆破属于大型爆破，爆破周围面临闸门、尾水塔等建筑物防护及安全稳定问题。针对上诉问题，采用①砂石换填技术，将围堰内侧填满细砂，减少爆破对周边建筑物的震动影响；②气泡帷幕技术，在闸门前方设置气泡帷幕，保护闸门。③周边密集防护技术，将爆破范围周边建筑物采用竹跳板、密目网全面防护起来，保证建筑物不受爆破飞石影响。
3.1 爆破飞石（滚石）防护
（1）爆破飞石的安全距离
为防止个别飞石对人员、设备和建筑物带来损伤，在爆破设计中必须对飞石安全距离做出计算或确定。对钻孔爆破，目前尚无公式计算飞石安全距离。《爆破安全规程》（GB6722-2014）对飞石安全距离仅规定了最小值。
为了确保安全，应根据工地的具体条件，针对人员或机械设备等不同的保护对象，在爆区周围划定飞石安全警戒范围。爆破时，施工人员及设备必须撤至安全区，对那些无法撤离的设备及其他需保护的对象则需进行合理的防护。根据相关技术要求，确定爆破飞石的安全距离为150m。
（2）根据水深调整装药量
一般水深大于6m时，水下爆破飞石很难飞出水面，为保证爆破效果，该部位的炸药单耗适当取大些；对于水深小于6m的岩坎部分，炸药单耗则取小些。
（3）加强孔口封堵
必须保证一定的孔口封堵长度，并严格控制封堵质量。
（4）周边建筑物保护
周边保护建筑物主要采用悬挂竹跳板，悬挂范围由水平面向上20m，竹跳板横向采用φ25钢筋连接固定，钢筋间距1.5m。本工程浇筑物距围堰仅4m，为保证建筑物的安全，采用回填细砂置换保护，即减少了爆破的震动传播，又防止了爆破碎石进入建筑物。
（5）围堰拆除过程中，配置技术质控人员24小时负责现场技术指导工作，确保各环节的施工质量。同时，对爆破区表面采用砂袋进行覆盖，以减少爆破飞石。此外，爆破前, 由安全警戒人员通知导流隧洞沿江500m范围内所有工程全部停工避炮，区内的所有施工人员及机械撤离至安全地带。
（6）围堰下游1km范围内江中禁止船舶航行或停泊，禁止人员及牲畜在水中游泳。
3.2 爆破水击波（动水压力）防护
（1）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或动水压力。
（2）设置气泡帷幕
由于爆破采用堰内充水方案，在闸墩前布置1道气泡帷幕，防止水击波对尾水闸门等建筑物的损伤与破坏。
.png)
4 结语
通过研究表明，根据围堰实际参数及边界条件，进行围堰拆除的全过程开挖模拟，通过不同开挖方案的围岩变形、应力和稳定对比分析，优选施工方案。通过实时监测和反馈分析，动态控制，及时优化调整施工方案，全过程指导施工作业，有效控制了围堰拆除成型质量及邻近建筑物的安全稳定。
[作者简介]：
王 长 城（1983—），男，水电六局，高级工程师，主要从事水利水电工程施工。
王 兆 卿（1990—），男，水电六局，助理工程师，主要从事水利水电工程施工。