预留岩坎拆除爆破水下探查技术研究

甘孝清，胡代清，王延洪

（1.长江科学院工程安全与灾害防治研究所，湖北 武汉 430010；2.湖北白莲河抽水蓄能有限公司，湖北 罗田 438600；3.南水北调中线干线工程建设管理局河南直管建管局，河南 郑州 450046）

0 引 言

抽水蓄能电站利用已建水库作为下水库时，一般采取修建临时挡水围堰或预留岩坎围堰，在围堰保护下形成基坑，待基坑内水工建筑物施工完成后爆破拆除临时挡水围堰。相比于其他水工围堰，预留岩坎具有利于尽早进行出 （进）水口开挖施工、施工环节少、修建简单、成本低等优点，在抽水蓄能电站和常规水电站扩建出 （进）水口水下施工中被广泛采用。预留岩坎在基坑内水工建筑物施工完成后，还需进行水下拆除爆破和清挖，以满足出（进）水口设计、运行的要求。

为减少预留岩坎拆除爆破对周边建筑物的影响，保证爆破后的爆渣块度能够满足清挖要求，爆破前需对预留岩坎开展水下地形测量和水下地质勘察，为拆除爆破设计提供准确资料。为避免残存淤积爆渣 （包括小石、石屑、粗砂等）在抽水工况下 （尤其是在抽水蓄能电站首台发电机组采取水泵工况进行首次启动时）受水流作用在流道内运动，对流道和机组转轮、叶片等过流设施、设备造成损害，爆破后需对清挖、清淤质量和效果进行检查，为清挖、清淤施工提供技术指导和验收依据，为流道充水和机组运行提供安全保障。当一次水下爆破后存在局部残埂和大块石时，还需查明残埂和大块石所在部位和规模，便于进行补充爆破或解爆设计。

因预留岩坎的水下爆破与水下清挖、清淤均在水下进行，常规的陆上检查方法和仪器设备不能满足对拆除爆破成型、块度控制以及爆渣清挖、清淤效果等进行评价的要求，需要开展水下探查技术研究，通过采取有效手段和多种方式对拆除清挖区进行水下地形测量和水下视频检查，判断拆除边界与拆除高程是否满足设计要求，有无影响机组运行安全的残存爆渣和杂物，有无残存岩埂和未爆区等。

1 预留岩坎爆破水下探查技术

1.1 水下地形测量技术

水下地形测量主要包括平面定位测量和水深测量。例如，爆堆形状探测首先应测出每个测点的平面位置和爆堆顶部水深，在测得爆堆顶部距水面的深度d后，再由测量时的水面高程HW可以推算出爆堆顶部高程H=HW-d。得到测点的平面位置和高程后，可以绘制出三维水下地形图。

平面定位测量方法包括断面索定位法、前方交会法、极坐标法、无线电定位法、全球定位系统（GPS）以及水声定位法等；水深测量方法包括探水杆法、吊绳法、超声波测探仪法、水下单波束法、水下多波束法以及传感器法等。在抽水蓄能电站预留岩坎水下地形测量中，可将平面定位方式与水深测量方式组合起来应用。如果采用水下多波束进行测量，可一次完成平面定位与水深测量。如果采用其他测深方法，则需采用平面定位方式加以配合。对于探水杆法和吊绳法水深测量方式，可结合断面索定位法和前方交会法使用；对于超声波测探仪法和单波束法，可结合前方交会法和GPS使用；对传感器测深法，可结合水声定位法使用。

1.2 爆破及清挖、清淤效果探查技术

爆破及清挖、清淤效果探查通常采用水下视频检查的方法。水下视频检查的方法与手段比较简单，主要是通过水下摄像设备，在水下照明设备的配合下，对水下爆渣、水下杂物等进行拍摄并记录，通过视频资料对水下爆破效果和清挖、清淤效果进行直观分析判断。水下摄像可由两种方式完成，一种是水下机器人下潜拍摄；另外一种是通过潜水员手持水下摄像机，携带水下照明设备进行拍摄。水下机器人自身配备有照明设备和摄像设备，并且可以进行水下定位，实行24 h不间断作业；潜水员虽然可以拍摄到水下情形，但无法进行水下定位，且单次水下作业时间不能太长。两种方式比较，水下机器人更具有优势。

1.3 预留岩坎地质勘察

预留岩坎在勘察设计阶段一般会有比较粗略的地质资料，但在进行拆除爆破设计时宜进行更为详细的补勘。预留岩坎地质详勘可采用钻孔取芯、地质井下录像和地球物理探测等方法，因钻孔取芯法成本较高，建议采用后两种方法。

地质井下录像法可利用已成形的爆破孔，将地质井下录像系统探头放入钻孔内进行地质钻孔孔壁全方位360°高精度成像、裂隙自动追踪、岩性识别和钻孔方向定位，经后处理形成三维地质图。可用于预留岩坎地质勘察的地球物理探测技术主要包括地质雷达法、瑞雷波法、电磁波CT层析成像法、高密度电法以及跨孔声波法等。

2 工程实例

2.1 工程概况

湖北白莲河抽水蓄能电站下水库出 （进）水口预留岩坎顶高程91.5 m，岩坎上部混凝土子围堰堰顶高程93.9 m，岩坎底板开挖原设计高程为68.0 m，预留岩坎高度23.5 m。预留岩坎剖面见图1。围堰拆除长度约190 m （堰顶），拆除最大纵深水平长度约为59 m，爆破拆除钻孔长度约1.6万m，爆破约3.6万m3，耗用炸药约39 t。

图1 下库出 (进)水口预留岩坎剖面 （单位：m）

2.2 爆渣分布情况水下调查

将爆渣分为4大类型：①较碎块体：粒径基本在30 cm以下；②一般块体：粒径以30 cm以下为主，少量夹杂30～60 cm粒径块体；③较大块体：粒径60～100 cm；④大块体：粒径大于100 cm。4种类型爆渣见图2。4类爆渣块体中，以较碎块体和一般块体为主，约占总量的88%左右，较大块体约占总量的10%左右，大块体约占总量的2%左右。从录像资料可以看出，爆堆内缘 （堰内）以较碎块体和一般块体为主，夹杂少量较大块体，基本无大块体；爆堆外缘 （堰外）以较大块体和大块体为主。从清挖施工的角度来看，第一次水下调查时爆堆内缘及堆顶等大部分部位的爆渣可以满足当前设备清挖要求，爆堆外缘的部分大块石需要采取专门的措施予以清挖。

图2 4种类型爆渣

2.3 爆堆形状水下探查

分析水声定位系统和水下机器人水深测量系统的数据，可得到爆渣堆积区的水下地形，见图3。未清挖爆堆的内缘坡度约30°～40°，未清挖爆堆的外缘坡度约35°～45°，外缘坡度略高于内缘坡度。

图3 爆渣堆积区水下地形

2.4 爆破残埂水下探查

从水下调查的录像可以看到，在下库出 （进）水口左岸存在一定范围的未爆区。未爆区岩体现状见图4。未爆区岩体在邻近区域爆破能量的作用下，岩体本身的裂隙和结构面有所松动和张开，但仍然无法采用现有设备进行清挖，需进行二次水下爆破。

根据水下调查得到的视频录像以及水声定位数据，可以得到未爆区的平面位置及规模 （见图5），据估算，未爆岩体约为2 000 m3。

2.4 清挖效果水下探查

爆渣及淤泥全部清挖完成后的水下地形见图6。清挖高程可以满足设计要求。

2.5 流道清淤水下探查

图4 未爆岩体现状

图5 未爆区平面示意

图6 清渣完成后的水下地形 （单位：m）

图7 1号拦污栅前清渣情况

流道清淤的部分成果见图7，清淤前流道内存在约20～30 cm厚的浮灰、小碎石和杂物。清淤完成后，流道内较为干净，能够满足机组正常运行的要求。

3 结 语

水下探查技术成功应用于湖北白莲河抽水蓄能电站下水库出 （进）水口预留岩坎拆除爆破及清挖工程。对爆渣清挖期间岩坎等进行了详细的水下探查，取得了较清晰的影像资料和探查数据，为爆渣清挖工作和未爆区二次水下爆破等起到了较好的指导作用，为白莲河抽水蓄能电站机组的安全运行提供了技术保障。应用实例表明，水下探查技术在抽水蓄能电站预留岩坎拆除爆破及清挖工程中是可行的，对爆破设计与清挖、清淤施工具有较好的指导作用，可应用于各类抽水蓄能电站预留岩坎拆除爆破中。

通过对多种水下测量方法与水下视频检查方法的对比研究，建议在清挖前和清挖完成后采用具有高精度的水下多波束系统进行水下地形测量，在清挖过程中采用吊绳法结合全站仪平面定位法进行水下地形测量；建议在清挖全过程中采用水下机器人进行水下视频检查。

［1］ 武汉大学信息学部.测量学［J］.武汉：测绘出版社，2000.

［2］ 何府祥.浅析几种常用的水下地形测量方法［J］.人民珠江，1995（6）:20-22， 35.

［3］ 吴文.浅谈水下地形测量技术［J］.科技资讯， 2011（21）:110-110.

［4］ 梁俊，甘孝清.水下无人探测系统在岩坎爆破效果调查中的应用［J］.长江科学院院报， 2010（2）:16-19.