发电厂房正常运行时对消力池进行爆破施工

【摘要】正在运行的电站中有很多建设较早，当时的消力池设计很短，由于泄洪及厂房发电对下游消力池的混凝土和下游岩石破坏比较严重，有些甚至已经影响到电站的安全，怎样在不影响电站厂房正常发电的情况下对已经损坏的消力池进行爆破重建，就成为了关键问题，本文通过红石大坝泄洪消能工改造工程对电站厂房正常发电的情况下消力池的爆破施工进行简述，为今后正在运行的水电站消能工改造中，爆破施工提供一种思路。

【关键词】发电厂房运行 消力池 石方爆破

1 工程概况

红石水电站位于松花江上游的吉林省桦甸市，上游距白山水电站39km，下游距丰满水电站210km。水电站溢流坝布置在右岸主河床部位，消能工采用消力戽消能形式，下游混凝土纵向围堰将消力戽分为左右两个消能区。左侧宽44.00m，右侧宽76.00m。现混凝土纵向围堰靠近消力戽部位25.13m段，基础及基础以上的混凝土已破损，右侧在坝轴线下60.00m部位基础已被淘空50%以上，左侧在坝轴线下58.00m部位基础已被淘空33%。

消力戽挑坎混凝土从混凝土纵向围堰向左3.00m～35.00m，高程从260.20m至253.00m范围内被破坏，破坏深度1.40m～2.10m。消力戽挑坎混凝土破坏处理的措施是加长消力池长度，消能方式由戽流消能改为底流消能方式。

2 对爆破振动及飞石的要求

消力池在溢流坝的下游与大坝相连，大坝与厂房相连，消力池距离开关站仅为200m，在对消力池进行石方爆破时发电厂房正常运行，所以对消力池爆破振动和飞石的控制尤为重要，根据爆破实验过程中对振动的监控，东北勘探设计院科研院下发的文件规定如下表：

爆破振动允许值表

部位 吊車梁垂直 #1机保护屏垂直 #1机保护屏水平 坝顶垂直 坝顶水平 中墩垂直 坝基垂直 坝基水平

允许振速 5.0cm/s 1.0cm/s 1.0cm/s 5.0cm/s 5.0cm/s 5.0cm/s 2.5cm/s 2.5 cm/s

飞石不能到达厂房和开关站，岩石爆破单耗为0.3kg/m3，混凝土爆破单耗为1.1kg/m3，。

3 爆破参数

3.1最大单响药量

基岩开挖的最大单响药量，主要受控于周围各已有建筑物距离爆心的远近及其安全振速标准，同时也受爆区的振动特点控制。由于消力池紧邻大坝和厂房，而其开挖范围又相对较大，不同的开挖位置，其爆心距往往变化较大；还有，各已有建筑物的安全允许振速标准也不尽相同。因此初步按以下方式提供最大单响药量标准。

进行药量计算时，选择经验公式：

（1）

式中：V--最大允许振速（cm/s）；Q--最大单响药量（kg）；R--爆心距（m）；K--振动系数。

对（1）式进行整理，即可得到：

（2）

式中字母意义不变。

根据公式（2）及各保护对象振速控制标准，初步确定消力池右岸基岩部分地段的最大单响药量见下表：

消力池基坑右岸部分地段爆破最大单响药量

与大坝距离（m） 最大单响药量（kg） 与大坝距离（m） 最大单响药量（kg）

10～20 0.75 30～40 13

20～30 5.0 40以上 30

3.2 下游纵向围堰爆破拆除参数

根据围堰特点，在进行围堰拆除设计时，将纵向混凝土围堰分段处理，按其不同地段与大坝、厂房及开关站等已有建筑物的空间位置关系，分别选择切割爆破、松动爆破和加强松动爆破等3种施工方案，将该围堰从近坝段到远坝段分为3段：即在距鼻坎5m内采用切割爆破，5m～20m段采用松动爆破，20m～105m段则用加强松动爆破。

3.3 消力戽挑坎爆破拆除参数

由于消力戽紧邻大坝，为保证大坝安全和过程进度，采用手风钻钻孔和微振动控制爆破技术，并在孔底采取相应的缓冲措施的爆破设计方案；开挖前，沿设计边界线采用人工持手风钻进行凿除混凝土保护层并割断连接钢筋，其孔网参数如下：

a）钻孔间距0.5m，排间距0.4m，孔深为0.5m；

b）线装药密度为0.3kg/m（药卷尺寸为200mm×32mm，150g/卷）；

c）装药前，钻孔底部首先回填5cm～10cm的柔性材料。

4 施工方法

4.1 岩石开挖

消力池石方开挖大体分为三个阶段，第一阶段为岩石整体开挖，开挖厚度为3m～5m，下部留1.5m～2m的保护层。第二阶段为保护层石方开挖，开挖厚度为1.2m～1.7m，下部预留0.3m的撬挖保护层。第三阶段为0.3m厚撬挖保护层石方开挖。

首先将整个岩石开挖进行分区，共分37个区域进行爆破，第一阶段爆破采用梯段爆破，钻孔机械主要采用潜孔钻及手风钻。手风钻钻孔孔径4cm，间距1.5m，排距1.0m，梅花行布置，部分爆破孔采用间隔装药，单耗为0.3 kg/ m3，联线方式为簇联；潜孔钻钻孔孔径6～9cm，间距2.5m，排距2.0m，梅花形布置，爆破孔装药结构为连续装药，单耗为0.3 kg/ m3，联线方式为簇联；

第二阶段保护层开挖厚度为1.5～2m，使用手风钻钻孔，钻孔孔径4cm，间距1m，排距0.8m，梅花行布置，装药结构为连续装药，单耗为0.3 kg/ m3，联线方式为簇联。

第三阶段撬挖保护层石方开挖厚度0.3m，人工采用风镐进行开挖，岩台较厚处采用孤石爆破方法对岩台进行爆破。

由于爆破区域距离大坝和厂房较近，爆破区域内距离大坝最远处的最大单响药量为30kg，距离大坝最近处的最大单响药量仅为0.75kg，所以控制爆破振动和控制爆破飞石成为了本工程爆破的重点。

4.1.1 振动的控制及测试结果

距离大坝较近处在控制振动方面采用少装药，减小爆破孔的间距和排距，减小钻孔深度，装药结构采用间隔装药，使用多段位导爆管雷管进行爆破。为了减小哑炮率，所有爆破孔的联线方式均采用簇联。

消力池现场爆破振动测试自2007年11月2日第一次爆破，一直持续到2008年4月5日结束。现选择部分较典型日期的测试结果列于下表：

基坑岩石开挖爆破振动测试结果 单位：cm/s

表中，各测点的质点振速值均较小，远小于安全允许标准。其中，在11 月25日以前（以后则转移至上游处，其平面位置与#1机保护屏处的两个测点接近），吊车梁测点的传感器安装在下游，该点距离爆心最近，在加上其自身结构的放大因素，其振速测值明显高于其余几个测点。在12月份的两次测试中，受瞬时起爆药量较小制约，各测点的振速值均很小，一般不超过0.30 cm/s；而距离爆心较远的中控室和开关站两个垂直测点，其振速值甚至在环境噪声范围以内。

从记录到的波形图上可以看到，爆破振动作用在建筑物的持续时间一般在 0.5s～0.8s之间，但不超过1.0s，总体上持续时间较短。下图是2007年11月5日坝顶水平向传感器测得的振动波形，振动持续时间大约为0.7s，但施工中实际采用雷管的分段间隔长达0.5s，爆后余震时间仅0.2s左右。

坝顶水平向测点振动波形图

4.1.2 爆破飞石的控制

在控制爆破飞石方面采用炮被覆盖的方法对爆破飞石进行控制，炮被材料尽量用韧性好、重量大、强度高的材料。炮被共分三层，第一层为粘土袋，第二层为树枝，第三层为废旧轮胎。当部分爆破孔装药结束并且连线完成时开始进行第一层炮被覆盖，粘土袋內的粘土要装满袋子最小容积的80%，粘土袋内杜绝有小块石等坚硬物体，当冬季施工时，粘土结块后需要将冻实的粘土碾碎，或者采用沙袋来代替粘土袋；袋口必须封严，使用封口后的粘土袋将所有爆破孔堵住，手风钻孔使用一个粘土袋即可，潜孔钻孔需使用两个粘土袋对孔口进行封堵，两个粘土袋上下垂直摆放。第二层覆盖，树枝选用新鲜枝条，新鲜树枝重量大，韧性好，覆盖前先将树枝绑扎成捆，每捆树枝的直径为30～40cm，这样既能提高炮被的防飞石效果又能提高树枝的反复使用率，如果没有树枝可选用草帘子代替（草帘子的防护效果较树枝差）；树枝覆盖时要紧密相连，两捆树枝间不能留有空隙，枝条稀薄部位要进行双层覆盖，当爆破区域距离厂房和大坝较近时也要采用双层树枝作为炮被进行覆盖。第三层覆盖，废旧轮胎尽量选用完整，重量较大的轮胎，完整的轮胎容易捆绑，重量较大的轮胎对飞石的防护效果较好，废旧轮胎的体积不能过大，轮胎体积过大轮胎中间的中空面积就过大，很容易有飞石从轮胎中空部位飞出；轮胎要紧密摆放，尽量减小轮胎之间的缝隙，废旧轮胎摆放完成后要使用铁丝将所有轮胎捆绑连接成一体，这样既能提高炮被的防飞石效果又能减小废旧轮胎的损失，当所有废旧轮胎连成一体后，采用粘土袋将轮胎之间空隙较大和轮胎中空部位较大的地方填实。

对爆破区进行炮被覆盖时，施工人员要注意脚下的爆破联线网络，禁止踩踏导爆管，当导爆管的下部有岩石的棱角或岩石面较锋利时，需在导爆管下部垫上松软物质，如纸壳、草帘子等。

4.1.2.1石方爆破炮被覆盖工程图片

石方爆破施工炮被覆盖

石方爆破施工炮被覆盖破后的效果

4.2 原消力池挑坎混凝土拆除

原消力戽挑坎混凝土爆破施工首先进行挑坎下游侧混凝土平台及残碎墙体爆破，然后从爆破后的豁口向两侧分别进行爆破施工，最后进行消力戽挑坎结构混凝土的爆破施工。消力戽挑坎结构混凝土拆除分段进行，分段按照原混凝土结构缝进行分段，每段分四个阶段拆除；

第一阶段在挑坎的开挖边线人工采用风镐将挑坎根部的混凝土保护层凿除，然后将挑坎与混凝土底板的连接钢筋割断，使挑坎与结构建筑物断开，减小爆破对整个坝体的振动也减小钢筋对挑坎混凝土的束缚。

第二阶段对挑坎顶部距离垂直面40cm处的混凝土保护层凿除，然后将此处的钢筋网割断，使挑坎混凝土爆破时的束缚减小。

第三阶段在挑坎顶部距离垂直面25cm处打一排孔，间距40cm，孔深3.6m，然后对此处进行爆破，爆破单耗为1.1kg/m3，装药结构为间隔装药，联线方式为簇联；爆破后将此处的钢筋网全部割除，为消力戽挑坎爆破施工提供临空面。

第四阶段对挑坎上部高程为260.2m～258.2m的混凝土进行爆破拆除，然后对高程为258.2m～256.6m的挑坎混凝土进行爆破拆除，爆破单耗为1.1kg/m3，装药结构为间隔装药，爆破孔间距0.5m，排距0.4m，联线方式为簇联，爆破后底部预留0.1m保护层，最后人工采用风镐将挑坎底部0.1m保护层凿除。

消力戽挑坎爆破施工需要进行炮被覆盖，炮被覆盖方法与消力池石方爆破的炮被覆盖方法相同。

4.2.1消力池爆破振动测试结果

基于挑坎混凝土本身属于大坝的一部分，为防止爆破对保留混凝土造成破坏，其拆除过程中在采取微振动技术外，还严格限制药量（最大单响起爆药量为0.9kg），因此挑坎混凝土拆除振动测试的施工药量均为0.9kg。挑坎混凝土拆除振动测试的典型测值见下表：

消力戽挑坎混凝土拆除爆破振动测试结果 单位：cm/s

测试日期 12月5日 12月6日 12月9日 12月13日 12月27日 安全允许振速

瞬时起爆药量（kg） 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9

吊车梁垂直 0.39 0.20 0.06 0.10 0.14 5.0

#1机保护屏垂直 0.33 0.15 0.03 0.11 0.11 1.0

#1机保护屏水平 0.21 0.13 0.03 0.05 0.07 1.0

坝顶垂直 0.19 0.20 0.45 0.16 0.98 5.0

坝顶水平 0.28 0.19 0.22 0.15 0.49 5.0

中墩垂直 0.14 0.16 0.33 0.17 0.62 5.0

坝基垂直 0.09 0.10 0.53 0.09 0.56 2.5

坝基水平 0.08 0.12 0.85 0.11 0.77 2.5

挑坎混凝土拆除爆破所测得的各质点振速都比较小，吊车梁和#1机保护屏前的3个测点的振速值都不超过0.5cm/s，而距离爆心较远的中控室和开关站2个测点则未见到爆破振动波形，始终处于环境噪声范围以内，因此表中没有列出这两个点的数据。安装在#15～#16坝段的5个测点，其大多数情况亦不超过0.5cm/s；仅当爆心处在测点附近坝段时，其振速值可大于0.5cm/s，但仍不超过1.0cm/s。这说明消力戽挑坎拆除爆破对大坝、厂房等已有建筑物是安全的，其振速测值较小与施工药量较小相一致。

类似地观察振动波形，仪器记录完整，各段位起爆的振动波形清晰完整，基本未见叠加现象，如图所示的坝基垂向测点在12月27日波形图。爆破振动持续时间与雷管段位间隔一致，一般在1.0s以内；爆后余振则较短，一般在0.1s～0.2s之间。

坝基垂直向测点振动波形图

4.3 纵向混凝土围堰拆除

纵向混凝土围堰爆破拆除工作主要采用爆破技术两侧钻孔爆破使其偏心失稳将其分段，分段按照混凝土原结构缝进行，然后对孤体进行二次爆破；每段混凝土分四个阶段。

第一阶段在纵向混凝土围堰两侧1.2m平台上分别打两排孔，第一排孔距离纵向混凝土围堰平台垂直面1.2m，即平台与纵向混凝土围堰的交界处，第一排孔分两序孔，一序孔间距0.6m，钻孔角度为84度，孔深3.9m，二序孔布置在两个相邻的一序孔中间，间距0.6m，钻孔角度为73度，孔深4.1m，纵向围堰厂房侧只有一序孔，背向厂房侧有二序孔；第二排孔距离纵向混凝土围堰平台垂直面0.6m，间距0.6m，钻孔角度为87度，孔深3.9m，与一序孔成梅花形布置，钻孔完成后对背向厂房侧的两排爆破孔进行装药、联线爆破。本次爆破是对纵向混凝土围堰进行瘦身，为第三阶段的钻孔工作提供工作面。

第二阶段对第一阶段爆破后剩余的根部混凝土和下部岩石进行爆破，为第三阶段的钻孔提供工作面。

第三阶段如附图第三步所示进行钻孔，详见附图。

钻孔完成后对所有剩余爆破孔进行装药爆破，爆破时中间两个孔内的导爆管雷管选用延迟较小的导爆管雷管先进行掏槽，然后使本段纵向混凝土围堰偏心失稳倒地。

第四阶段对倒地后的纵向混凝土围堰进行爆破解体。整个爆破阶段的单耗均为1.1kg/m3。

由于纵向围堰距离厂房和开关站较近，所以纵向围堰的爆破必须进行炮被覆盖，平台上的爆破孔采用三层覆盖，第一层为粘土袋，第二层为树枝，第三层为废旧轮胎，形式与石方爆破炮被覆盖相同；纵向围堰的立面炮被覆盖采用树枝进行覆盖，先将绑扎成捆的树枝采用铁丝连接起来，连接长度略长于混凝土纵向围堰的高度，然后将上部固定在平台上，下部自然垂下，没有树枝也可用草帘子代替。详见工程图片。

纵向混凝土围堰的拆除

混凝土纵向围堰爆破施工炮被覆盖

4.3.1 纵向混凝土围堰爆破振动测试结果

纵向围堰拆除振动测试的典型测值见下表：

纵向混凝土围堰拆除爆破振动测试结果 单位：cm/s

测试日期 12月8日 12月19日 12月26日 12月29日 12月31日 安全允许振速

瞬时起爆药量（kg） 40 22 25 17 14

吊车梁垂直 0.10 0.16 0.33 0.14 0.30 5.0

#1机保护屏垂直 0.09 0.14 0.20 0.13 0.19 1.0

#1机保护屏水平 0.13 0.22 0.32 0.11 0.19 1.0

中控室垂直 0.08 — — — — 1.0

开关站垂直 0.08 0.12 0.09 0.06 0.07 2.0

壩顶垂直 0.57 0.74 1.04 0.58 1.66 5.0

坝顶水平 0.24 0.35 0.81 0.36 0.99 5.0

中墩垂直 0.45 0.62 0.66 0.36 1.00 5.0

坝基垂直 0.09 0.24 0.36 0.18 0.50 2.5

坝基水平 0.13 0.24 0.53 0.25 0.41 2.5

围堰拆除爆破对大坝、厂房等周围已有建筑物的振动影响较小，其中厂房和开关站内的5个测点的振速值均在0.5cm/s以内，大坝5个测点的测值亦不超过2.0cm/s，都在各自的安全允许标准以内。

在爆破振动持续时间方面，波形显示值为0.3s～0.5s，总体上持续时间更短。这主要是因为围堰拆除施工中雷管分段间隔较短，如图所示的2007年12月 19日坝顶垂直向传感器的记录波形，振动持续时间仅0.3s，而施工中采用的雷管间隔只有0.1s。

坝顶垂直向测点振动波形图

5 总结

本工程自爆破开始至结束共进行496炮爆破施工，采用多段位，少药量，减小孔深，减小间距排距爆破和采用粘土袋、树枝、废旧轮胎进行炮被覆盖未发生一次振动超标和飞石事件。

作者简介：姜勇（1971- ）男，辽宁丹东人 中广核风力发电有限公司 工程师