唐家山堰塞湖泄洪洞进水口岩埂拆除工程控制爆破方案浅析

陈 昊，翟耀武，林晓强

(1.四川省水利水电勘测设计研究院，成都，610072； 2.中国人民武装警察部队水电三总队九支队，成都，610036； 3.中国水电建设集团如东新能源公司，江苏 南通，226400)

设计与施工

唐家山堰塞湖泄洪洞进水口岩埂拆除工程控制爆破方案浅析

陈 昊1，翟耀武2，林晓强3

(1.四川省水利水电勘测设计研究院，成都，610072； 2.中国人民武装警察部队水电三总队九支队，成都，610036； 3.中国水电建设集团如东新能源公司，江苏 南通，226400)

随着社会经济的不断发展，科学技术不断进步，人类处置自然灾害的方法也日渐增多。唐家山堰塞湖是世人关注的重大灾后治理项目，是人类利用科学技术战胜自然灾害的成功典范。本文浅述了唐家山堰塞湖左岸泄洪洞围堰爆破拆除工程的技术方案，对水下爆破进行了一定的分析研究，其研究成果对后期处置类似工程问题具有一定的借鉴意义。

唐家山堰塞湖 水下爆破 围堰爆破拆除 装药量

1 工程概况

唐家山堰塞湖是汶川大地震113座堰塞湖中唯一一座极高危级的堰塞湖，位于北川县城曲山镇，涪江支流通口河上游湔江河河段上。

为确保堰塞湖上下游沿岸人民群众的生命财产安全，在左岸布置可宣泄汛期平均流量(138m3/s)的泄洪洞。泄洪洞工程布置左岸山体内，全长489.397m，进口底板高程为703.0m；进口后布置竖井，内设检修闸门及工作闸门各一道，闸门尺寸均3.5m×4.0m(宽×高)。洞身段城门洞型，断面尺寸3.50m×4.00m(宽×高)，底坡比降i=0.018，全断面钢筋混凝土衬砌。出口底板高程为695.0m。

泄洪隧洞穿越地层为河段内出露寒武系下统清平组上部(∈1c)灰黑色薄～中厚层状长石云母粉砂岩、硅质板岩为主，夹薄～极薄层泥灰岩、泥岩，岩块强度总体以坚硬为主，岩层总体产状N60°～80°E/NW∠35°～45°。隧洞段位于青林口倒转复背斜的核部及附近，褶皱断裂较多，地层比较零乱，上覆山体最大厚度205m。隧洞进口边坡基岩多裸露，多弱风化，地形坡度40°～55°，岩层倾向坡外，为顺向坡，对洞脸边坡稳定不利，节理裂隙发育，易相互切割产生不稳定块体，围岩类别为Ⅴ类。

由于当时堰塞湖水位基本维持在712.30m左右，泄洪洞设计的进水口底板高程为703m，整个隧洞的施工高程均在712.30m以下。进口处采用半明半暗式闸室开挖，并利用部分原状山体(岩体)经帷幕灌浆后作为临时围堰挡水，隧洞完工后需要对围堰爆破拆除。

2 围堰(岩埂)爆破拆除难点

按照泄洪洞进口设计文件，唐家山堰塞湖泄洪洞土建工程完成后，需要对进水口的岩埂工程进行围堰爆破拆除。即在完成泄洪洞工程的施工导流任务后，围堰如果对永久性建筑物的运行有妨碍还需拆除。由土或石料填筑的围堰，一般采用机械设备或人工挖掘或扒缺口冲渣拆除；而对于混凝土、岩石等有一定强度的围堰，目前大多采用爆破法拆除〔1〕。但围堰水下爆破难度较大，原因在于：

2.1 水下钻爆，成孔困难

因岩埂顶面高程717.0m，湖水面高程712.0m以下岩埂位于唐家山堰塞湖水下，水下爆破深度达12m～15m，而岩埂岩性为灰黑色—中厚状长石云母粉砂岩、硅质板岩为主，加薄—极层泥灰岩、泥岩岩块强度总体以坚硬为主，钻孔过程渗水严重，有的甚至产生塌孔等。爆破工作要在水位较低时段择机施工。

2.2 水下爆破，块度控制困难

施工前未对水下地形情况进行勘察，从施工现场揭示地质表明，进水口地质主要为V类岩体，边坡岩体为强风化、强卸荷岩层，闸室后坡有部分岩体为崩坡堆积体，施工过程中又在此大量弃渣，爆破块度和爆堆形状控制要求高，水下出渣难度大，装药量不好控制。

2.3 周边环境复杂，安全性要求高

岩埂距闸墩最近水平直线距离不到12m，距闸墩最近，爆破时冲击波对闸室混凝土主体结构、金属闸门结构、电机设备势必会造成不同程度的损伤，需要对闸墩及闸门进行防护。附近还有灾后恢复重建的居民房屋，爆破时对其也会造成一定影响。

2.4 爆破控制的项目较多，风险控制难度加大

控制的项目有爆破振动、水击波及动水压力、涌浪、飞石、噪声等，特别是飞石和涌浪，在警戒范围确定不合理时，可能对人员产生危害〔2〕。

3 爆破参数的确定

装药量一般由炸药单耗确定，单耗取决于爆破后爆渣块度、堆积方式、抛掷效果等要求而确定。本项目参考乌江构皮滩水电站、金沙江溪洛渡水电站、雅砻江锦屏二级水电站等工程的导流洞围堰爆破拆除的技术参数，结合本工程地质特性和地形条件，经过综合计算分析确定，平均炸药单耗按1.5kg/m3的高单耗设计。

3.1 炸药单耗

对于迎水面岩埂(围堰)水下爆破单耗，一般为常规爆破的2.33～4.08倍，即使无水条件下单耗也较常规爆破增加50%～100%。一般20m水深部位采用常规乳化炸药，单耗应达2.0kg/m3～2.5kg/m3。单耗取值较高的原因，是保证在1孔未正常起爆的条件下,其它周边孔爆破可将该孔应爆破的岩体破碎。

3.2 孔间排距

预留岩埂采取钻爆法拆除，钻孔梅花形布置，炮孔孔径90mm。由于岩埂不规则，堰顶共钻设6排主爆孔，布孔时炮孔顶部排拒0.7m～0.8m，底部排拒为1.30m～1.70m，断面上呈扇形分部。

3.3 装药结构

尽量采用连续装药，一般在孔口段可适当采用小药卷，控制飞石。一般水深超6m时，飞石难以逸出水面，因此在水深小于6m范围装小药卷。

3.4 预裂爆破

预裂与光面爆破参数与陆地爆破基本相同，仅线装药密度适当增加20%～50%。在岩埂两端以1∶0.5的坡比分别布置1排预裂孔，各9孔，孔距为650mm。

4 爆破拆除方案设计

4.1 岩埂基本几何参数

岩埂的汛期顶高程717m，枯期顶高程713m，基槽底高程702m。明渠段开挖后，岩埂顶部宽度约3m～5m，底部宽度约15m(枯期1∶1坡比估算)，岩埂长度约18m。汛期水位高程714.5m，枯期水位高程712.5m。

4.2 设计思路

实施爆破作业前，需先进行物探、超声波及其他各种有效手段，查清水下地形地貌，土石分界线等基本情况。通过现场爆破试验获取相关爆破参数，对边坡进行锚杆锚索及灌浆加固处理。基槽开挖边界采用预裂爆破技术，阻断拆除爆破震动对保留岩体的破坏，尽量减小对后期边坡的危害。

原则上采用松动与弱松动爆破及水压爆破相结合的方式，加大钻孔密度，力求药量均匀分布，以避免出现岩渣大块率。加大前后区块起爆段差，以使岩渣尽量多进入堰塞湖内。由于岩埂离闸室距离太近，除严格控制好药量外，防护是爆破非常关键的环节，使用适宜材料防护，避免爆破飞石对闸室的直接破坏。

4.3 设计方案

鉴于工程的特殊性，宜在枯期实施爆破拆除作业。由于堰塞湖库容较大，原则上采用一次性爆破拆除。在一次性爆破前，利用小药量爆破，将岩埂顶高程降至水面高程以上0.5m，同时尽可能削减岩埂厚度。依据边坡地形作放射状钻孔，将设计开口线向上游偏移拆除，靠近闸室部分适度加大布孔密度，适度减小单位耗药量。采用较大不耦合装药，利用水压进行爆破，既能减少飞石危害，又能获得满意的破碎效果。

4.4 钻孔机械选择

潜孔钻孔径80mm～100mm；孔深12m～16m；孔距50cm～80cm；排距40cm～60cm。最后确定选用YQ-100B型钻机。

泄洪洞进口平面见图1所示。

图1 泄洪洞进口平面示意

4.5 安全药量计算

最大安全药量按下式计算

Q=R3﹙V/K﹚3/a

式中：Q—最大单段起爆药量(kg)；R—爆破震动安全距离(m)；V—建筑物允许的振动速度(cm/s)；K、a—爆破点至被保护对象间地形、地质条件有关的系数和衰减指数，a=1.5～1.8，K=50～350。

具体K、a值需在实施爆破作业前，通过现场实地爆破实验进行测试。

表1 岩石乳化炸药性能

表2 确定石方明挖钻爆参数表

经设计计算，爆破方量约950m3，预计耗用炸药1.5t。

5 爆破中安全防护措施

围堰拆除爆破爆区周围有大量需保护物，应合理确定各类需保护的安全控制标准。爆破安全控制标准过严，将影响爆破方案实施；爆破安全控制标准过松，将不能保证爆破安全。一般《爆破安全规程》(GB6722-2003)中有规定的按规范执行，此外还可针对工程特点及类似工程经验分析比较确定。本工程采取的防护措施如下：

5.1 预裂减震缝

预裂减震缝布置在岩埂底部及左右两侧端头。预裂孔深18m，孔距0.5m，孔径90mm，药卷直径32mm，按照线装药量180g/m～250g/m，采用不耦合间隔装药单孔起爆。岩埂拆除施工首先施工预裂孔，预裂减震效应按照40%～60%估算。

5.2 气泡帷幕

为了防止爆破产生的水中冲击波对附近设施造成危害，并可在一定程度上改善爆破效果，采用高密度气泡帷幕进行防护。本工程拟布置4、5组密集气泡帷幕，布置爆破点和重要设施之间的位置，气泡帷幕长度50m，每组帷幕由100～120根气泡帷幕发射管组成，间隔40cm布置。气泡帷幕滤波系数按照40%～60%计算。

5.3 其他防护

爆破飞石是控制爆破工作的主要有害效应之一。为防止爆破飞石对建筑设施的直接破坏，分别对岩埂、闸门、闸墩及附近相关设施采用堆放沙袋、悬挂竹跳板等防护措施，沙袋厚度不得小于30cm。

5.4 合理孔网参数及最大药量控制

综合考虑闸门、闸墩等因素，安全允许振速取值为5cm/s，按此标准计算出各层爆破最大允许起爆药量后，通过科学合理的搭配雷管段数，调整钻爆网络，孔内微差与孔外延相结合等方式，严格有效控制最大药量，确保建筑物的安全。所有传爆节点，均要求保持50cm的安全距离，检查完爆破网络后，在孔外所有传爆节点上压沙袋防护。

5.5 爆破安全监测

爆破时，实施爆破震动检测、闸门变形监测采用电子应变片对爆破振动监测和水中冲击波压力峰值监测。

6 结语

经过4个小时紧张的前期工作准备，完成了1.6t炸药的布设任务。经过现场检查，在确认完成达到设计要求后同意实施爆破。进水口岩埂拆除爆破后，共清除了1000m3左右的岩埂，在泄洪洞进水口形成了一条上部宽18m、下部宽8m、深度约达10m的泄流通道。设计采用开口线向上游偏移拆除、进行一次性爆破施工方案，技术可靠，经济可行，安全可靠。在隧洞断面较小，不满足水力冲渣的情况下，对岩埂“降低高度削薄预拆除，关闭检修闸门围堰后冲水平压后一次爆破拆除”的方案是可行的，较好地解决了爆渣拥堵闸室的问题。

〔1〕汪旭光等.工程爆破名词解释.北京：中国冶金出版社(第一版)，2003.5.

〔2〕李文成，许志勇等.黄金坪水电站导流洞进口围堰拆除爆破〔J〕,四川水利发电，2012,31(2)：149～151.

〔3〕吴新霞，张文煊，刘美山.三峡三期RCC围堰拆除深水爆破药量计算研究J.工程爆破，2006，12(4)：1～3.

陈 昊(1977-)，男，湖南省醴陵人，高级工程师，主要从事水利水电设计与建设管理工作；

翟耀武(1978-)，男，河南省驻马店人，高级工程师，主要从事水利水电施工建设管理工作；

林晓强(1976-)，男，四川省资中人，高级工程师，负责项目建设管理工作。

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