岩塞爆破在引水工程建筑物中的应用

2011-04-03陈建军何锡明

浙江水利科技 2011年2期

陈建军,何锡明

(宁波市自来水总公司,浙江宁波 315041)

从已建水库引用优质淡水正日益成为一些城市改善供水水质、提高城市竞争力的一项长远目标。对于优质淡水水库在山区的引水工程,引水工程建筑物中的取水口采用岩塞爆破是一种比较经济、干扰较小的施工方式,具有普遍借鉴意义。

1 工程概述

宁波市周公宅 (皎口)水库引水及城市供水环网工程是浙江省、宁波市重点工程,是世界银行贷款项目之一。工程由9.6 km的取水隧洞、50万m3/d的水厂以及近60 km输水管网组成,于2005年2月开工,计划2010年底完工,总投资13.6亿元。

隧洞取水口布置在皎口水库大坝左岸,离左坝头约1000m,采用竖井式分层取水塔形式,分上下2层,上层取水口采用常规爆破施工,下层取水口采用水下岩塞爆破施工。岩塞底高程38.80 m,水库正常蓄水位高程68.08 m。

2 下层取水口采用岩塞爆破的原因

下层取水口基岩以弱风化为主,完整性较好,弱透水性,为Ⅲ类围岩,f=3～4,k0=20～30 MPa/cm,覆盖层厚度及风化层厚度不大,地质构造简单,具备采用水下岩塞爆破的条件。同时,下层取水口在正常蓄水位以下31.08 m处,如果采用常规开挖,需放空皎口水库30多米库水,经济损失巨大。因此,下层取水口采用岩塞爆破是一个理想的方案。

3 岩塞爆破设计要求

岩塞设计厚度为4.2 m,里端直径D=2.8 m,外端直径D≥2.8 m,岩塞爆破要满足以下要求:

(1)爆破和岩渣处理同时完成,岩塞一次性爆通进水,爆破后取水口不发生较大的坍塌,爆开的岩塞口要有良好的成型,满足使用要求;

(2)洞内混凝土衬砌不能发生结构性破坏;

(3)积碴坑利用率不得小于90%。

4 岩塞实际厚度的确定

探明岩塞的实际厚度是岩塞爆破能否成功的关键。主要采取了2种方法:一是当隧洞开挖到离岩塞还有25 m左右时,开始采用地震勘探和地质雷达探测对剩余隧洞厚度进行超前探测;二是在岩塞段隧洞掘进时,采用5 m钻杆中心钻孔进行超前探孔,分析超前探孔渗水情况,判断超前探孔是否已经与水库贯通。当中心探孔有压力泥浆水喷出时,立即用松木桩堵孔,然后在岩塞不同位置补打了3只探孔,均发现有压力泥浆水喷出,从而可以判断探孔已经与水库贯通。通过探孔分析确定岩塞厚度平均在4.2 m左右。

5 爆破方案施工设计

5.1 爆破原理

岩塞爆破采用周边孔预裂、5个大直径孔掏槽、2圈小直径孔扩孔爆破、水力冲渣的爆破方式。在岩塞中心部位布置5个大直径揭顶掏槽孔组合形成集中药包 (其中中心掏槽孔不进行装药,也叫中心导向空孔),其作用是起爆时打通岩塞形成上下爆破漏斗;岩塞周边布置2排扩大孔(即内爆孔1环,外爆孔2环),其作用是扩大爆破成岩塞断面;在岩塞设计的周边布置1圈预裂防震孔,其作用是使之形成符合设计要求的标准断面,并起减震作用,以稳定洞脸。为了更好的成型,在岩塞断面上部180°范围内,预裂孔之间布置1个空孔总计12个(导向孔),其作用是加强预裂作用,使上半断面形成规则的形状,以支撑隧洞上部的岩体,形成稳定的洞口。

5.2 单位耗药量的确定

岩石为熔结凝灰岩,新鲜岩石坚硬、致密、完整性一般。参照引水隧洞开挖K值和其它工程经验,该工程单位耗药量暂按K=2.0 kg/m3选择。

5.3 炸药选用

由于该项目炸药用量很小,采购特种炸药难度较大,结合浙江省长潭、牛头山、温州等岩塞爆破中2#岩石炸药的使用情况,决定采用生产使用均比较方便的2#岩石炸药。

5.4 孔网参数的确定

根据钻孔的不同部位和所起的不同作用,选用不同的钻孔直径,钻孔方向都与岩塞轴线方向一致,以水平夹角30°角向上抬升,参照国内外部分岩塞爆破的经验,结合该工程的地质情况,孔底距岩面的距离按设计爆破漏斗确定,约为0.4～0.6 m。该工程钻孔布置见图1、2,爆破参数见表1、2,装药结构见图3、4。

图1 岩塞钻孔纵剖面图

图2 钻孔布置剖面图

表1 钻孔布置表

表2 爆破参数表

图3 预裂孔装药(间隔不耦合)结构图

图4 掏槽眼、主爆孔装药(连续)结构图

5.5 岩渣处理及影响分析

按照该工程的岩性、节理及单位装药量分析,爆破岩渣直径为15～50 cm,百分率约为85%;5～15 cm碎石约为10%;5 cm以下的小石约为 5%。设计积渣坑容积约为75 m3,下层引水隧洞中还有约27 m3的集石坑,按80%利用率计算合计可容纳82 m3。岩塞的理论计算爆破方量为26 m3,考虑不可预料因素,乘1.5系数,并按1.7的松散系数计算岩塞的爆破方量为67 m3。因此积渣坑和集石坑可以容纳爆破后的全部石渣,爆破石渣不会对门叶启闭造成影响,可保证门叶正常关闭。

6 爆破安全校核

根据相关工程经验及文献研究资料结果,结合该工程的实际,岩塞爆破位于水下约30 m处,受水体阻隔几乎不发生飞石和水柱。需要注意的是爆破振动和水下冲击波危害。

6.1 爆破振动对周围建筑物的安全校核

使用鲍氏公式:

对于上层取水隧洞,R=21 m,算得v=5.98 cm/s,小于水工隧洞的安全振速7 cm/s;爆破振动不会对上层取水隧洞造成危害;对于竖井及启闭机室,R=42 m,算得 V=2.11 cm/s,小于安全振速3.5 cm/s,所以该岩塞爆破振动也不会对竖井结构造成危害。

通过上述计算表明,该爆破设计的爆破振动对周围建筑物是安全的。

6.2 爆破冲击波对周围建筑物的影响

(1)水下冲击波对水库水域的影响。皎口水库没有通航及潜水作业要求,爆破对水域影响较小。

(2)水中冲击波对水工闸门的影响。水中冲击波根据经验公式:P=80.27ρ1.42,ρ=Q1/3/R(密云水库水下岩塞爆破水冲击波经验公式)进行校核,其中Q=33.1 kg。

对上层取水口闸门:R=63 m ρ=0.054 P=0.43(105Pa)。

对下层取水口闸门:R=42 m ρ=0.08 P=0.77(105Pa)。

由计算可知:冲击波的峰值不大,闸门可以承受,爆破不会对闸门造成危害。

6.3 岩塞段地质条件影响

岩塞范围没有较大断层,地表覆盖较薄,岩石单一,完整性好,满足岩塞爆破作业要求。小断面采用钻孔爆破岩塞,爆破药量小,岩塞内炸药量分布均匀,防震预裂孔成型好,爆破震动影响小,爆破震动上部岩石,滑动下塌影响小,进口洞脸边坡稳定。因此爆破对岩塞段地质影响较小。

7 岩塞爆破施工实施

(1)提前与各有关部门联系通告,在预定爆破时间发布起爆信号,全线实行警戒。起爆作业严格遵守起爆程序。

(2)爆破结束后,按要求及时下放事故闸门,如事故门漏水较大时,下放工作闸门进行补救。

(3)爆后检查:岩塞爆破完成后,在工作闸门及事故闸门均处于挡水工作状态下,将闸门后洞内水尽可能放光。工作人员进洞检查发现,闸门后约30～100m范围分布有部分石渣,但闸门后隧洞衬砌混凝土没有发现爆石撞击损伤现象,事故闸门渗流较小。

(4)水下探摸、摄像及人工清渣。水下探摸及摄像的目的有2个:一是检查岩塞爆破后孔口形状、孔口周边围岩震动影响、隧洞衬砌混凝土影响以及集渣坑充填情况;二是对闸门前面被高速水流带来的碎石进行人工清理,防止以后对闸门运行造成不良影响。检查结果表明,孔口成型较好,周边岩石较完整,积渣坑未填满,隧洞衬砌混凝土未发现明显撞击损伤。闸门前隧洞有少量石渣,采取人工水下清理。