沐若水电站大坝料场规划与施工

2015-11-28肖尊解陈书桂

湖南水利水电 2015年6期

肖尊解陈书桂黄勇

（中国水利水电第八工程局有限公司长沙市 410007）

1 工程概况

沐若水电站RCC 大坝混凝土总量约为166 万m3，其中碾压混凝土约152 万m3，常态混凝土约14万m3。根据大坝混凝土总方量及施工配合比并结合砂石系统生产工艺，计算生产混凝土所需毛料为174 万m3。考虑砂岩中存在页岩夹层及风化夹层，毛料获得率按75%～80%计算，则毛料开采规划量不少于232 万m3。

2 料场规划

2.1 钻孔勘探

投标阶段料场距离坝址较远，且根据勘探孔资料及地形地貌分析有用毛料分布情况，开采区选在细长山脉的中部山脊砂岩埋深相对较浅的范围，采取小范围深坑槽的开挖规划方案，计算开挖总量约830 万m3，其中毛料开采255 万m3，剥离量为575万m3，剥采比为2.25。为遵循降低剥采比、保证开采量、环境保护好的原则，经现场勘探最终选定与原投标阶段料场属同一岩层的瀑布沟料场。

经过现场踏勘发现，左岸瀑布沟位于坝址下游直线距离约1.2 km 处的山包处。地形特征显示，地表覆盖第四系残积物，表面坡度范围在20°～60°，但在山顶及瀑布沟水流两侧直接出露砂岩块石，部分直径大于20 m。褶皱的沉积性岩石形成了一个多山和崎岖的地形，山峰的高度范围在（300～500）m。

根据规划要求及现场实际情况，为进一步探明瀑布沟料场岩石质量、储量及剥离量，在料场布置了纵横两条钻探剖面，共计11个钻探孔，并于2008年10月28日～2009年1月19日完成了其中9个钻探孔施工（图1），合计进尺919.6 m，另两个钻探孔PK5、PK6 由于地形较陡未能成孔。

纵剖面完成5个钻探孔（PK7、PK8、PK2、PK9以及PK10），主要勘探了解料场有用料岩层的走向及延伸范围；横剖面完成6个孔（PK1、PK2、PK9、PK3、PK4 以及PK11），主要勘探了解有用料岩层厚度、倾向、倾角及分布宽度，从而分析判断瀑布沟料场的储量、有用料开采量及剥离量。

2.2 钻探资料分析

（1）从大范围来看，地表至地下150 m 内，从上至下，依次为含砂粘土层、砂岩层、页岩层。覆盖层沿剖面NWW-SEE 向厚度逐渐变小。覆盖层下的砂岩层沿纵剖面延展情况较好，反映了剖面基本上是顺着岩层走向布置。

（2）纵向剖面上，普遍覆盖第四纪覆盖层，覆盖层厚度不大，最少2.0 m，最深33.4 m（含全风化砂岩层），平均值为16.0 m，上部岩石风化程度高。覆盖层下的在钻探范围内砂岩层延展情况较好，没有发现页岩层。

图1 瀑布料场地质勘探孔布置图

砂岩普遍风化，且上部风化程度强烈，新鲜基岩硬度较大，主要矿物是石英、长石、云母，含有少量的铁质矿物和绿泥石，矿物颗粒从细粒到粗粒不等，不同段位岩石颗粒和成分含量变化大，少有夹石，可见微细的方解石条带。同时，初步判断在砂岩沉积时代发生海浸海退现象，造成部分段位存在（2～3）mm 的有机夹层。

（3）横剖面上，覆盖层较厚，主要为粘土化强风化砂质层，砂岩层沿剖面方向延展较好，没有发现页岩夹层。上层砂岩风化严重，裂隙发育，铁质矿物填充，下层砂岩颗粒较粗，硬度和密度较小，较破碎。砂岩层沿NWW-SEE 方向纵向延展情况较好，横向上初步判断砂岩层在PZK1 号控制区域内向SSW 方向转变成页岩层。

（4）从取芯试验成果看，弱风化～微风化岩石，饱和抗压强度（65～105）MPa，平均饱和抗压强度为91.72 MPa，表观密度>2.55 g/cm3，石料质量满足规范要求。但由于采石场分布页岩夹层，岩体局部完整性差，软弱、破碎及风化物质应在开采时予以剔除，严格控制石料质量。

2.3 规划设计

考虑到料场开采所需岩石的岩性、可开采量、储量、剥离量，实际施工时瀑布沟料场沿所布置纵剖面从PZK8 号孔开始向PZK10 孔方向开采。

根据相关地质资料，初步确定料场开采线范围，梯段边坡角及终采高程等参数。经过对有用料和无用料的估算，料场总的开挖量约为523 万m3，其中覆盖层剥离量约182 万m3，强风化砂岩、页岩等夹层剔除约120 万m3，毛料约221万m3，平均剥采比约为1.37。后来根据补充钻孔勘探情况，优化调整了开采范围，并将料场分为A、B 两个区域，其边坡最高开挖高程为600.0 m，覆盖层边坡坡比为1∶1.5，强风化岩体边坡坡比为1∶1，微风化岩石边坡坡比为1∶0.3。A区终采高程为500.0 m，终采面宽度40 m，长度为330 m；B 区终采高程为480.0 m，终采面宽度55 m，长度为220 m。边坡平均坡比为1∶0.8。

调整后瀑布沟料场总的开挖量约为505 万m3，其中覆盖层及全强风化岩剥离量约250 万m3，毛料约255 万m3，平均剥采比约为0.98。料场至大坝砂石系统平均运距约3 km。

3 料场开采施工

3.1 开挖施工程序

开挖按照“自上而下、从外向内、分区分层（梯段）”的原则进行，当施工高峰期一层开挖工作面无法满足毛料开采强度要求时，可上下层结合施工，且应保证每层留有足够的平台宽度以便于取料作业，一般平台宽度最小为30 m。

先剥离无用料（覆盖层及岩体边缘），然后进行有用毛料的开采。覆盖层开挖分层高度不大于5 m，石方开挖分层高度不大于10 m。

3.2 开挖施工方法

（1）覆盖层剥离。料场覆盖层剥离包括投产前的揭顶剥离和投产后的岩体边缘剥离。

土方采用CAT330 型挖掘机配合25 t 自卸汽车直接挖装运往指定渣场，采用推土机直接推挖时，应在距离渣场100 m 范围内进行推挖作业；石方经钻孔爆破后，再运往指定渣场。

每个开挖梯段的外侧周边均存在一定厚度的覆盖层，这部分的剥离随开挖高程的下降先期进行，总的原则是先剥离后开采。

（2）毛料开采。料场毛料开采按照梯段分高度逐层向下开挖，一般梯段高度为10 m 开采梯段平台下降时，根据现场实际情况，以解决好道路布置为原则，选择合理的位置开始打开新的平台工作面。

（3）钻孔和爆破。料场风化岩石剥离及毛料开采均采用钻孔梯段爆破法施工。

钻孔机械采用CM351、D7 型液压钻以及YQ100B 型潜孔钻，孔径为Φ105 mm 和Φ76 mm，梯段爆破高度10 m，采用宽孔距的孔网参数，以保证爆块粒径小于70 cm。料场边坡采用预裂爆破，孔距根据岩石风化程度通过爆破试验确定，最终确定的爆破参数如表1。

表1 料场开采爆破参数表

3.3 毛料质量控制措施

由于料场砂岩层普遍存在页岩夹层及边邦强风化砂岩，为保证弱风化带下限有用毛料不与页岩及强风化砂岩混杂，保证混凝土砂石骨料质量，需采取切实有效的控制措施。

针对本工程料场实际地形地质条件，毛料开挖质量控制程序为：先剥离覆盖层，进行土石分界线界定；再剥离强风化砂岩及页岩，进行有用料及无用料边界界定。岩石质量鉴定方法为：先用肉眼鉴定，肉眼无法鉴定的在室内进行试验鉴定。

在施工环节中采取如下管理措施：

（1）爆破设计做到爆块岩石质量等级分明，在边界部位无用料范围应延伸到有用毛料范围内至少3m（爆破破裂区以内）。

（2）毛料与无用料区设立明显的开挖分区分块标志。毛料装车时，现场工程师跟踪旁站检查。

（3）在人工砂石系统粗碎平台布置面积足够大的毛料临时堆放场，尽量避免来料直接倾倒至粗碎车间，以便于现场工程师进行二次检查。

3.4 重铵油炸药混装车技术

由于受当地法律法规及市场限制，申请程序复杂，运输条件有限，所用乳化炸药一直供应不畅，甚至因乳化炸药不能及时到位而导致开挖停工的现象。为了扭转不利局面，通过广泛的市场调研、科学的爆破试验，最终确定在料场开采施工中采用重铵油炸药（Heave ANFO）代替乳化炸药。该炸药不仅爆炸性能良好，成本低廉，还可实现机械化施工。

3.4.1 重铵油炸药性能

重铵油炸药是由乳胶基质与多孔粒状硝铵按一定比例混合（3∶7）而成具有良好爆炸性能的防水性炸药，其主要性能参数见表2。

表2 重铵油炸药性能表

重铵油炸药为乳胶状，刚拌制的成品流动性较大。当暴露在空气中时间较长时，重铵油炸药中含有的酸性物质（起稀释作用）将挥发而导致其体积膨胀，流动性减小，体积膨胀率达到5%～10%。

3.4.2 混装车系统

重铵油炸药混装车系统工作原理是先将多孔粒状硝铵、柴油及乳胶基质装入1 台卡车的不同料仓内，运送到爆破现场后再进行重铵油炸药的混制，最后用特制输送管进行炮孔装药（图2 所示）。它是一种移动式炸药系统，集原材料运输、炸药混制、机械化装药于一体，取代了传统的炸药制备、储存、运输和人工装药过程及方法，具有生产效率高、爆破效果好、使用安全可靠、成本低等优点。

图2 炸药混装车侧视图

沐若工程所采用的炸药混装车载重量为（10～13）t，装药效率为100 kg/min。

3.4.3 装药结构

采用重铵油炸药（Heave ANFO）装药的炮孔直径不能小于40 mm，否则会产生孔内炸药传爆不完全甚至拒爆现象。

根据沐若工程经验，大坝料场毛料开采均采用钻孔梯段爆破法施工，梯段爆破高度为（5～10）m。钻孔机械采用CM351、HCR1200 型（古河）液压钻以及YQ100B 型潜孔钻，孔径为Φ76 mm、Φ89 mm 或Φ105 mm，线装药密度分别为4.78 kg/m、6.5 kg/m、9.1 kg/m。

由于重铵油炸药起爆敏感度较低，普通雷管爆炸威力较小，无法将其引爆，因此在进行孔内装药前，需首先安置起爆药包。根据实践经验，采用10 cm 长Φ55 mm 乳化药卷作为起爆药包可以引爆孔径为Φ105 mm，孔深为10 m 左右的炮孔，并能使其完全传爆。炮孔结构如图3 所示。

图3 炮孔结构示意图

3.4.4 现场装药

（1）炸药混装。爆破施工前一天，作业队技术人员根据爆破设计及实际钻孔资料，计算所需炸药用量，并通知炸药混装车作业班组。作业班组根据炸药用量按比例配置各种原材料（硝酸铵、柴油、乳胶基质及稀释酸等），并在炸药库指定区域进行装车。

（2）炮孔检查。当爆破区内岩体裂隙发育，完整性较差时，炮孔孔壁裂隙可能延伸较远，甚至会发生串孔现象，此时炸药在装药压力下会沿着裂隙渗透到邻近炮孔，对控制爆破单响不利。特别应注意的是，当主爆孔与邻近预裂孔（或光爆孔）发生裂隙贯通现象时，预裂孔（或光爆孔）爆破后会同时引爆主爆孔，客观上消除了预裂孔（或光爆孔）与主爆孔间的爆破网络时差，导致永久边坡预裂面（光爆面）无法形成而遭到爆破振动破坏。

因此装药前除要求检查炮孔孔深外，还需观测炮孔孔壁裂隙发育情况，必要时应进行通水检查，以确定裂隙是否贯通。

将检查结果详细记录在册，并经整理分门别类，针对不同的裂隙发育情况采取相应的应对措施：

①当裂隙宽度＞3 mm，且延伸较远（或串孔）时，需先在孔内套上一层塑料薄膜封闭后再进行装药；

②当裂隙宽度＞3 mm，但延伸不远（或未串孔）时，可直接装药；

③当裂隙宽度介于（1.5～3）mm 之间时，减小装药压力后可直接装药；

④当裂隙宽度小于1.5 mm 时，可直接装药。

（3）装药。

①炸药混装车应停放在距离爆破区最远炮孔距离不超过50 m 的范围内，以不影响交通为宜。停放区与爆破区之间应地势平坦，无遮挡物。停放区地面与爆破作业工作面高差不宜超过±10 m，地势太高将增大输药压力及速度，不便于控制；地势太低将超出混装车压力泵扬程，致使药膏无法输出。

②根据炮孔检查资料，做好装药前的准备工作，需铺塑料薄膜封闭的炮孔应安排在最后施工。

首先用导爆管雷管将起爆药包（10 cm 长Φ55乳化药卷）按规范要求捆绑，缓缓放入孔内，并确保起爆药包到达孔底，然后将导爆管雷管脚线固定在孔口附近，确保牢靠。

③挑选经验丰富、操作熟练的控制盘操作手及装药工装药，控制盘操作手与装药工应配合默契，联系畅通。

装药时，输药软管应伸入到孔底，并逐步向上提升，这样既可以确保装药密实，还可以随时掌握装药高度，以免炸药装填过高而导致堵塞长度达不到设计要求，影响爆破效果。输药流量应遵循“先小→后大→再小”的原则。在装药过程中，如遇特殊情况需暂停装药时，暂停时间不得超过15 min，否则残留的炸药膨胀硬化后会导致输药软管堵塞。装药完成后应用混装车自带的清水对输药软管进行冲洗。

（4）堵塞。考虑到重铵油炸药成品具有膨胀性的特点，为确保足够的炮孔堵塞长度，装药前需根据炸药膨胀率δ 计算出实际装药高度Ha[由式（1）计算得出]，待炸药膨胀完成后（一般为10 min），再采用炮孔岩屑进行堵塞。