向家坝右岸坝后电站下游围堰爆破拆除设计

陈靖敏

(中国葛洲坝集团三峡建设工程有限公司，湖北宜昌 443002)

1 工程概况

向家坝右岸坝后电站下游横向围堰布置在水电站尾水渠末端，围堰右端与排沙洞泄槽相接，其左端与消力池右导墙末端相接，围堰轴线长131.675 m。围堰为碾压混凝土重力式结构，混凝土为C15。堰顶高程为282.20～291.50 m，堰顶宽12 m，下游迎水面铅直，上游侧高程278.60 m以上铅直，高程278.60 m以下为坡度1∶0.75的台阶状边坡，最大堰高31.5 m。围堰内设有帷幕灌浆廊道。

右岸坝后电站9～11号机组下游尾水平台及闸门已施工完成，具备挡水条件，为此围堰拆除安排在2017年汛前。围堰爆破拆除长度为101 m，总拆除工程量3.7万m3。围堰拆除范围为：

(1) 围堰下横0+000 m～坝右0+277.350 m，拆除至283.20 m高程。

(2) 坝右0+277.350 m～下横0+126.0 m,拆除至260.00 m高程。

(3) 围堰下横0+126.0 m～下横0+131.675 m拆除至267.00 m高程。

围堰拆除期间尾水渠内未完成项目多，为减少水下出渣量，拆除爆破采用分区拆除、钻孔爆破方案。根据围堰结构稳定分析将围岩分为5个区进行拆除(见图1)。其中Ⅰ～Ⅳ区为水上爆破，Ⅴ区为水下爆破。

2 工程特点及难点

2.1 围堰拆除环境复杂

围堰左端与消力池右导墙相接,右端与排沙洞泄槽相接，相接处设一层苯板隔离。围堰上游100 m是水电站尾水平台及挡水闸门、平台顶部尾水门机、电站厂房；右岸方向为水富县城8号公路；围堰左端头空中有左岸电厂500 kV出厂线飞跨堰体，垂直距离仅40 m。

图1 围堰爆破拆除分区图 单位：m

围堰爆破拆除时尾水渠基坑内还有以下项目尚未完成：尾水渠底板、护坡混凝土、排沙槽加宽段拆除、下基坑道路贴坡、盖帽混凝土浇筑、尾水下游面临时廊道封堵、永久水泵站安装等项目。围堰在Ⅴ区拆除之前仍将继续挡水，为基坑提供干地施工条件。

2.2 钻孔要求高、施工难度大

围堰钻孔工作量共2.3万m，且需要分期施工。钻孔分为预裂孔、缓冲孔、主爆孔，其中保留部位水平预裂孔及垂直预裂孔钻孔精度要求很高。围堰临边钻孔必须搭设平台，堰顶钻孔时，尾水渠内混凝土正在施工，炮孔易堵塞，装药前吹孔工作量大。

2.3 安全防护难度大

围堰拆除爆破必须确保大坝、水电站厂房及其他重要设施的安全。围堰紧邻水电站建筑物，爆破震动必须控制在允许范围内[1-2]。爆破前对尾水渠底板新浇筑混凝土、左侧排沙槽侧面和顶部、右导墙侧面和顶部及尾水渠内泵站等设施进行防护，同时要保证围堰爆破不产生向上飞石及冲孔[3-4]，以确保500 kV输电线安全。

2.4 爆破网络复杂

各区爆破拆除需一次成功，爆破后粒径要满足挖装要求；爆破距离保护建筑物近，爆破时必须严格控制单响起爆药量，防止爆破震动和水击波的不利影响；主爆孔必须逐孔起爆才能满足震动控制要求[5]。爆破网路连接极为复杂，雷管数量多，地表网路联结工作量大。

3 爆破设计

3.1 爆破方案

围堰拆除采用钻孔爆破方式，分区之间垂直面布置预裂孔，在围堰底部高程260.00 m处布置1排水平预裂孔，各区根据尾水一线施工进度及汛期需求爆破拆除。

3.2 网孔参数

3.2.1 孔排距

孔深<5.0 m的炮孔采用手风钻造孔，孔径为42 mm，其他孔采用快速钻造孔，孔径为76 mm。手风钻孔孔距0.8 m、排距0.65 m；快速钻孔孔距1.5 m、排距1.2～1.3 m；预裂孔孔距0.75 m；缓冲孔孔距0.65～1.5 m，主爆孔采用菱形布置。

3.2.2 孔深

爆破孔根据孔口高程与分区高程计算孔深，水平预裂孔孔深按结构轮廓线控制，垂直预裂孔孔深按孔底或边界轮廓线控制，水平预裂孔与垂直预裂孔孔底错位布置。孔深控制在允许误差范围内。

3.2.3 堵塞

炮孔堵塞长度在0.45～1.99 m，堵塞长度根据炮孔深度、直径、装药结构确定合适的堵塞长度。

3.3 装药量及装药结构

3.3.1 线装药量

(1) 预裂孔线装药密度[6]

q线=0.127(σ压)0.5a0.84(d/2)0.24

(1)

式中：q线为预裂爆破的线装药密度,kg/m；σ压为岩石的极限抗压强度，MPa；a为炮孔间距，m；d为炮孔直径，m。

当σ压取15 MPa，计算得q线=0.176 kg/m。考虑到拆除结构为碾压混凝土，根据炮孔装药结构，线装药密度取0.3～0.4 kg/m。

(2) 主爆孔炸药单耗

根据向家坝水电站二期纵向围堰爆破拆除的成果[7]，炸药单耗q= 0.50～0.60 kg/m3。

(3) 缓冲孔炸药单耗

根据相关资料的经验，缓冲孔炸药单耗取主爆孔炸药单耗的60%～80%。该工程取主爆孔炸药单耗的70%左右，约0.3～0.4 kg/m3。

3.3.2 装药结构设计

(1) 主爆孔装药结构

采用Ф32 mm和Ф50 mm药卷，间隔0.3～0.6 m装药，双股导爆索连接，双发600 ms雷管起爆。

(2) 缓冲孔装药结构

采用Ф32 mm药卷，间隔0.15～0.2 m装药，双股导爆索连接，深孔在底部和中部各安装单发 600 ms雷管。

(3) 预裂孔装药结构

预裂孔采用Ф32 mm药卷，底部连续装药，装药量为0.4～2 kg，中间正常装药段间隔0.5 m装药，上部减弱装药段间隔0.6 m装药。

3.4 爆破危害控制

3.4.1 爆破震动

(1) 爆破震动安全控制

允许单段药量的计算公式为：

(2)

式中：Q为单段爆破装药量，kg；v为质点安全振动速度，cm/s；R为爆源至防护目标的距离，m；K、α为与地质条件、岩性特性及爆区建筑物等有关的常数，由爆破试验确定。

图2 围堰爆破震动监测点布置图

根据向家坝二期纵向混凝土围堰拆除爆破成果，K为70.95、α为1.3[7]。推算出围堰拆除爆破最大单响药量应小于31 kg。爆破震动控制标准的要求见表1[1]。下游横向围堰拆除爆破安全震速测点布置见图2。

3.4.2 爆破水击波

Ⅴ区水下爆破，需验算最大水冲击波是否在允许范围内。采用爆破水冲击波经验公式[8]如下：

(3)

式中：P为水中冲击波压力，MPa；Q为最大单段起爆药量，kg；R为爆源至测点的距离，m。

表1 特殊部位及建筑物爆破震动质点允许震速控制标准表

尾水闸门与爆源最近距离100 m，最大单响药量为28 kg，计算得到水中冲击波P=0.11 MPa，小于闸门允许水中冲击波0.6 MPa。

3.4.3 爆破飞石

根据瑞典德汤尼克公式[9]计算：

RF=KQD

(4)

式中：RF飞石飞散距离，m；KQ安全系数；D炮孔直径，mm。

计算飞石飞散距离为76～91.2 m。经过覆盖防护后，飞石距离可控制在50 m范围内。取人员警戒距离不小于300 m，设备防护区域200 m，以拆除建筑物为中心设置300 m警戒范围[1]。

3.5 爆破网路

围堰周围环境复杂，需避免产生爆破震动等有害效应的影响，为此，需严格控制爆破单段药量、段间时差，不允许出重段、跳段现象。围堰爆破网路采用非电导爆管网路，雷管使用高精度毫秒延期雷管，采用孔间、排间微差的起爆方法[10-11]。限制最大单段起爆药量，以降低爆破震动，减小冲击波的影响。网路采用双干线网路，排间设多点搭接，地表低段接力传爆，孔内高段延时起爆，在孔内药包爆炸之前，网路的地表雷管已大部分传爆完毕。爆区从中部起爆，自起爆点向左右两侧传爆，将爆区分为左右2个片区，自临空面向后分排顺序起爆。传爆导爆管采用双发传爆，孔内双发起爆，网路可靠性高[12]，爆破网路如图3。

图3 高精度雷管起爆网路图

3.6 安全防护

堰体爆区采取主动防护，采用保温被、砂袋、钢丝网防护，左端500 kV高压线下采用保温被、砂袋、钢丝网、胶皮带、水袋多重覆盖防护[13-14]，确保向上不产生飞石。其余部位建筑物、设施和设备采取被动防护，采用挂保温被、挡碴栏，以及竹跳板挡护等方式保护。

4 爆破效果

围堰Ⅱ区位于堰顶，因拆除方量小，距左岸电厂500 kV输电线距离近，采用液压破碎锤拆除。围堰Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ区自2017年3月17日至6月7日分4次爆破拆除，爆破共装药21.3 t，使用高精度雷管7 938发，导爆索54 000 m，最大单段药量28 kg。

围堰Ⅰ、Ⅲ区爆破飞石全部落在基坑内，控制在50 m范围以内，爆破混凝土块径在20 cm左右。围堰顶部无向上飞石，顶部水袋降尘效果明显。Ⅳ、Ⅴ区起爆顺序均由下游中部首先起爆，向左右两端分排顺序起爆，堰体炸碎落入江中。

对围堰爆破质点震动监测36点次，测点均未超标，合格率100%。爆破震动最大值为Ⅰ区爆破时在距爆源15.0 m、排沙槽下游端头顶部1号测试仪的垂直向，测值为8.741 cm/s，主震频率≤63.477 Hz。对保护范围进行清查，未发现爆破造成损坏。

5 结 语

向家坝右岸坝后电站下游围堰爆破拆除获得了圆满成功，爆破后保留部分堰体及周围建筑物完好无损。总结爆破成功经验有：

(1) 应用微差爆破技术对围堰进行爆破拆除，对围堰分区拆除后剩余堰体进行抗倾覆校核。围堰最后一部分拆除前仍然继续挡水，是堰体分区拆除的关键。

(2) 采取必要的减震措施，Ⅰ～Ⅳ区爆破时在尾水渠底板表面铺50 cm厚沙袋及竹跳板，以减小爆碴触地震动影响。在Ⅴ区爆破时，在围堰右端靠排沙槽开挖1道5 m宽、5 m深的减震沟，有效地阻止地震波的传播[15]。

(3) 合理设计起爆网路，爆破采用孔间、排间微差爆破方式。起爆网路采用非电高精度延期雷管，提高了延时精度，保证孔间微差爆破，避免跳段、重段现象。网路采用双干线、排间二次桥接以提高了网路可靠性高。

(4) 注重爆破安全防护。主动防护通过调整爆破孔网参数、装药结构、选择爆破器材及起爆顺序、控制炸药单耗及选择合适的临空面等技术手段实现。被动防护主要对堰体采用覆盖防护与水袋降尘，对重点设施采取竹跳板防护，避免个别飞石的损害。