扩机工程进水口开挖爆破减震与防护措施

景 通，陈彩霞（中国水利水电第十一工程局有限公司，河南郑州 450000）



扩机工程进水口开挖爆破减震与防护措施

景 通，陈彩霞
（中国水利水电第十一工程局有限公司，河南郑州 450000）

［摘 要］文章以赞比亚卡里巴北岸水电站扩机工程发电进水口开挖施工为例，对扩机工程进水口开挖过程中为了减小水中冲击波对闸门的影响，保证闸门安全，爆破前在闸门前加设了一道气泡帷幕来减小水中冲击波。但要注意的是开始应采用低风量向管道供风，等管道内的水完全排出，空气充满管道时，再以高风压向风管供风来达到最终的防护效果。

［关键词］扩机工程；进水口开挖；爆破；减震与防护；措施

1　工程概述

卡里巴北岸水电站位于南部非洲赞比亚和津巴布韦两国交界的赞比西河中游卡里巴峡谷内，枢纽包括一座混凝土双曲拱坝、泄洪闸、两岸地下厂房等，其中北岸电厂位于赞比亚境内，装机容量60万kW，南岸电厂位于津巴布韦境内，装机容量66.6万kW。水电站大坝最大坝高128 m，水库总库容达1 840亿m3，调节库容640亿m3，是世界上蓄水量最大的水库之一。目前北岸电站已有的4 台150 MW机组正常运行，但是为了解决赞比亚国内用电匮乏的情况，决定对整个电站进行扩机施工，再增加2台180 MW混流式水轮发电机组，因此需要对现有厂房进行扩挖施工，同时电站的进、出水口，引、尾水系统等都进行了重新开挖。

扩机工程进水口位于水库库区左岸现有发电进水口上游两座山谷的冲沟沟口，与现有进水口之间的最小距离约40 m。进水口引渠纵向长度约120 m（CH0-0～CH0-120）、垂直开挖高度32.5 m （EL.489.5以下部分），左岸边坡开挖坡比1∶0.5～1∶0.75～1∶1.2逐渐过渡、右岸边坡坡1：0.5，明挖工程量约9万m3。整个进水口引渠分两部分进行：第一部分长约55 m（CH0-0～CH0-55），此区域开挖主要是为进水口混凝土施工与金属结构安装提供条件；第二部分长约65 m（CH0-55～CH0-120），此区域为预留岩坎，作为进水口开挖中的挡水围堰，等进水口所有施工结束后再进行施工。为了加强挡水围堰的防渗效果，在引渠开挖施工前，先对围堰进行了高喷防渗墙施工，其轴线桩号为CH0-87.5。由于该工程是扩机工程，在引渠开挖时，需要穿插进行进水口混凝土和金属结构安装施工，等到进水口混凝土和金属结构安装完成后，最后再进行挡水围堰拆除，所以整个进水口引渠开挖施工经历的时间较长。

2　爆破过程中的减震与防护措施

为了更好更快速进行进水口开挖施工，同时保证现有发电进水口的正常运行，确保整个扩机工程顺利推进，就必须解决好爆破过程中爆破地震波和爆破飞石的问题。如果这个问题解决的不好或不彻底，将预示着新开挖进水口无法进行正常施工，从而影响到整个工程的发电目标。

2.1爆破的减震措施

爆破振动速度是爆破作业过程中产生的最主要危害之一，是影响现有发电进水口设施能否正常运行和爆区周边构筑物安全的主要因素，所以在新进水口开挖过程中，必须采用有效的措施来减小爆破振动速度。

1）控制爆破的最大单响药量。根据撒到夫斯基经验公式［2］得知，在其他条件不变的情况下，爆破最大单响药量直接决定着振动速度，而爆破振动速度则是影响被保护构筑物安全的主要因素。为了保证现有发电进水口设备的正常运行及邻近构筑物的安全，确保现有电厂的正常运行，就必须在扩机进水口爆破施工过程中，控制好每次爆破的最大单响药量。在实施爆破作业前，先利用该工程地质报告提供的岩石级别，初步选取k、α经验值，同时根据现有电厂要求的质点振动速度、爆源到被保护物的距离，利用撒到夫斯基经验公式计算出初始的单响药量。再根据这个计算的单响药量，进行爆破试验并监测实际爆破振动速度，利用回归分析，修正k，α值并反推计算出单响药量，以此作为爆破作业的最大单响药量，用于限制后续施工的爆破药量。同时在施工过程中对单响药量进行动态控制，及时调整并最终得到合理的单响药量，用于指导工程施工。在整个引渠开挖时，通过对最大单响药量的限制，确保了现有发电进水口的正常运行，同时没有对高喷防渗墙的防渗效果造成破坏，为进水口顺利开挖奠定了基础。

2）采取合理的爆破方法减震。开挖过程中，为了减小爆破震动，爆破时预先采用预裂爆破将主爆区与山体分离。据资料显示，主爆区爆破时爆破地震波通过预裂缝的缓冲与反射后可削减54%～84%［3］。主爆区内则采用毫秒微差顺序爆破的方式进行爆破作业，通过这种方式，使先爆破的孔为后爆破的孔创造更好的临空面，从而减小了爆破震动。

3）利用预先钻防震孔的方式来有效地削弱爆破振动影响。根据围堰施工整体方案，进水口二期围堰需要一次性进行爆破，因此无论从爆破的整体装药量还是单孔装药量都是比较大的，同时二期围堰右侧与现有发电进水口之间的最小距离仅40 m。所以为了防止爆破震动速度过大对附近的构筑物造成破坏，爆破前，在二期围堰与现有发电进水口之间钻了一排间距20 cm，孔径90 mm的深孔（孔底部高程超过围堰底部高程）作为防震孔，用于减小爆破震动的破坏。据资料显示，主爆区爆破时爆破地震波通过一排防震孔缓冲后可削减35.5%［3］。

4）引进数码雷管及其起爆系统。根据围堰施工整体方案，进水口二期围堰需要一次性爆破完成，一次性拆除开挖总量约18 000 m3。为了减小爆破震动的破坏，必须对二期围堰进行精细化爆破施工，为此项目部引进了南非AEL炸药公司生产的DigishotTM型数码雷管起爆系统。二期围堰钻孔共计403个，使用炸药8 300 kg，数码雷管876发，导爆索14 572 m，整个爆破过程总延时为9 962 ms，最大单孔装药量41.6 kg［1］。当钻孔深度大于7 m时，按单孔两响的方式进行装药，调整后最大单响药量为20.8 kg，小于爆破区内允许的最大单响药量24 kg。经过爆破过程中震动监测结果显示，各监测点的监测值均小于卡里巴电站的允许值。

表1　二期围堰爆破各测点监测的爆破震动速度统计表［1］

2.2爆破飞石的防护措施

爆破飞石系指被爆介质中那些脱离爆体而飞得较远的碎石。爆破飞石虽属个别，但由于其飞行方向的不确定性和飞石距离难于准确的计算，会给爆区附近的人员、建筑物和设备造成严重的安全威胁［4］。因此在进水口开挖时必须防止爆破飞石对现有发电进水口附属设施及邻近构筑物的破坏，结合施工现场实际情况，通过以下方式对飞石进行防护。

1）通过施工技术措施来有效的控制飞石。在进水口开挖过程中，主要控制爆破飞石的技术措施有：①根据进水口开挖区岩石的物理性质，进行精心的爆破设计，使飞石方向尽量按照预先设定的方向；②在能够满足爆破目的前提下，尽量降低单耗，控制爆破的总装药量，同时选用低爆速、低猛度的炸药；③选取合理的炮孔堵塞长度，为了提高炮孔封堵质量，尽量选用摩擦系数大、密度高的粘土堵塞炮孔。

2）对现有发电进水口区域设施进行直接防护。为了防止爆破飞石脱离预先设定的方向而飞向现有发电进水口区域对设施造成损毁，施工前对有可能被飞石损坏的设施进行直接防护，防护方法是在被保护的设施上部利用脚手架钢管和马道板搭设防护棚。

在进水口引渠第一部分开挖和一期围堰开挖过程中，主要采用以上两种方式进行飞石的防护，并且取得了较好的效果。

3）利用水下爆破控制爆破飞石。根据施工方案，二期围堰需要一次性爆破拆除，因此整体装药量大，所以产生的爆破飞石也可能较多，加之二期围堰与现有发电进水口之间的距离近，为了减少爆破飞石的破坏，二期围堰采用了水下爆破方式。爆破前，需要预先在围堰内侧充水，使爆区充分埋入水下，同时堰内水位略高于堰外水位。从围堰爆破过程来看，水下爆破基本不产生明显的飞石，对爆破飞石的控制非常明显。

2.3进水口底板混凝土的防护措施

由于二期围堰底部高程比进水口区域底板混凝土表面高出11 m，所以爆破时碴体会直接滑落至底板混凝土表面，对混凝土面造成破坏，因此在爆破施工前采用下部摆放水囊、水囊上部铺沙子、水囊与沙子中间加铺塑料篷布的方式对混凝土表面进行防护。

2.4爆破水中冲击波的防护措施

由于进水口二、三期围堰为水下爆破，且二期围堰爆破方向朝向进水口闸门，为了减小水中冲击波对闸门的影响，保证闸门安全，爆破前在闸门前加设了一道气泡帷幕来减小水中冲击波。气泡帷幕的工作原理是：在药包与所需保护对象之间铺设一道或多道气泡帷幕，当水中冲击波传播到达帷幕时，在不断上升的气泡表面产生漫反射，同时水中冲击波压缩气泡，使得大部分能量消耗于气泡的压缩过程中，穿过气泡帷幕后的水中水中冲击波压力大大降低，从而起到保护目标的作用［5］。据相关资料显示，采用一道气泡帷幕，就能消减水击波峰值压力70%以上［3］。在该工程爆破过程中气泡帷幕的制作方法如下：采用75 mm的黑色硬质PVC管，顺着进水口两侧和底部固定好，在底部水平段PVC管上采用电钻钻孔径为1.5 mm的孔，间距为10 cm，单排孔，孔口朝上，PVC管两端和空压机相连。爆破前打开空压机供风，由于风压作用使气体不断沿钻孔溢出到达水面，就形成了气泡帷幕。但要注意的是开始应采用低风量向管道供风，等管道内的水完全排出、空气充满管道时再以高风压向风管供风来达到最终的防护效果。

3　结语

赞比亚卡里巴北岸水电站扩机工程EL489.5以下进水口引渠爆破开挖，从2010年1月份开始，到2013年10月份结束，总施工时间为46个月，总方量90 000多m3。施工过程中无论从爆破减震措施还是飞石、水中冲击波的防护措施都取得较好效果，确保整个开挖施工的顺利进行，同时保证了现有发电进水口的正常运行，为整个扩机工程的按期发电创造了条件。

［参考资料］

［1］景通.水电站扩机工程挡水围堰拆除施工［J］.陕西水利，2014（5）：66～67.

［2］郭进平，聂兴信主编.新编工程爆破实用技术大全［M］.北京：光明日报出版社，2002：1846.

［3］张正宇等著.现代水利水电工程爆破［M］.北京：中国水利水电出版社，2003：147～232.

［4］邵必林，惠鸿斌.拆除爆破飞石产生的原因与防护措施［J］.西安矿产学院学报，1998，18（3）：280～282.

［5］李泽华，白春华等.气泡帷幕减弱水中冲击波强度的研究［J］.中国安全科学学报，1999，9（5）：69～73.

［中图分类号］TV551.4+2

［文献标识码］B

［文章编号］1002－0624（2016）02－0020－02

［收稿日期］#2015-10-17