水电站扩机工程进水口围堰拆除设计与施工

姬学军 刘元广

摘要：赞：赞比亚卡里巴北岸水电站始运营于1976年，扩机工程进水口围堰与老进水口的最近距离只有60m，与大坝的最近距离只有180m，围堰拆除是整个工程中的重大难点。在特大水库库容、深厚覆盖层以及深水位的情况下，对围堰进行了成功的爆破拆除，为类似工程提供了借鉴和参考。

Abstract： The North Shore hydropower station in Kariba， Zambia was operated in 1976. The closest distance between the inlet cofferdam and the old intake of the expansion project is only 60m. The closest distance to the dam is only 180m. The demolition of the cofferdam is a major difficulty in the entire project. In the case of large reservoir capacity， deep overburden and deep water level， successful demolition of the cofferdam has provided reference for similar projects.

關键词： 围堰；拆除；成功

Key words： cofferdam；demolition；success

中图分类号：TV551.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）26-0178-03

1 工程概况

卡里巴水电站处于赞比亚和津巴布韦两国交界，具体位于赞比西河中游的卡里巴峡谷内部，混凝土双曲拱坝、泄洪闸、两岸地下厂房和输变电系统是其主要枢纽。其中，位于赞比亚一侧的是装机容量为60万kW的北岸电站，位于津巴布韦一侧的是装机容量为66万kW的南安电站，之后这两座电站分别增容到了72万kW和75万kW。作为世界上需水量最大的人工湖之一，其坝高最高为128米，其坝顶长为617米，水库容量达到1840亿立方米，调节库容为640亿立方米。

为了缓解电力匮乏的现状，根据卡里巴水库水能的实际蕴藏量，赞比亚国家电力公司融资扩机2台18万kW混流式水轮发电机组。主体建筑物包括进水口、引水隧洞、地下厂房、尾水隧洞、尾水口、母线平洞和竖井、升压站、开关站和降压站等，合同采用EPC模式实施。工程于2008年11月份开工，2014年7月份竣工，两台机组均按期并网发电；津巴布韦国家电力公司融资扩机2台15万kW机组，工程于2014年11月份开工。

对于水电站扩机项目，相对来说，投资低，工期短，见效快，现场实施有很多便利条件。但其难点也是显而易见的，既需要在施工过程中控制对原有设施的影响和损害，又要尽可能的和原有的设施紧凑布置；既要考虑新建项目的独立运行，还要兼顾对原有设备控制系统的接口和兼容。其中，进水口围堰设计、施工和拆除是土建工程部分的重点和难点之一。

2 进水口围堰

2.1 围堰设计

进水口围堰位于水电站左岸库区现有发电进水口上游的发电进水口上游的两座山谷冲沟沟口，因为经过了多年的冲积，致使该区域形成了5～15m左右厚度的砂石砼混合覆盖层。施工期利用引水明渠首部的原始岩体和覆盖层作为挡水围堰，并且通过高喷防渗墙对围堰的防渗效果进行了进一步加强。引水明渠的横断面为上口宽约60.3m，底宽42.3m的倒梯形。左岸边坡坡比1：0.5～1：0.75～1：1.2逐渐过渡、右岸边坡坡1：0.5。纵向长度大概65m（CH0-55～CH0-120）、高差20m（EL.468.5～EL.488.5），围堰计划拆除时，水位高程为EL.485.0，设计的开挖总方量为5万m3。

2.2围堰地质条件

寒武系黑云母片麻岩、长石石英岩是围堰区域地层岩性的主要类型。黑云母片麻岩，其外形特点主要呈现出较大的囊状和蜂窝状块体，其主要出现在长石石英岩缝隙中，受风化侵蚀较为严重，表层物质主要以第四系全新统松散堆积物为主。工程动工前期，首先对区域内进行了全面钻孔探测，其结果显示此区域覆盖层主要以砼块、碎石沙土层等等为主，覆盖层厚度达到5米左右。覆盖层中碎石块含量占比为5%～10%，其直径范围大多数在5～10cm，最大的石块块径达到1米左右，石块的成分主要为黑云母片麻岩并混有石英岩等等。此外，覆盖层夹杂大量密集性沙土，其中以含水量较高的粗沙为主，含量达到35～40%。覆盖层的结构整体呈现松散状态，属中等强透水层。下伏基岩为黑云母片麻岩，岩体风化深度较大、卸荷比较强。

2.3 围堰拆除设计

根据施工现场的实际情况，进水口围堰设计拆除时主要分为三期进行拆除，如图1所示。

2.3.1 一期围堰

CH0-55～CH0-70的区域为一期围堰。一期围堰受到进水口混凝土施工未完工的影响，爆破任务所产生的振动需要严格进行开工至，否则会由于过于强烈的振动致使防渗墙破坏，造成大量渗水或围堰垮塌状况发生。一旦发生渗水或者垮塌，势必增加工程排水费用，甚至造成工程的停工，因此一期围堰拆除设计过程中爆破是最为关键的环节。基于此，特别委托我国水利部岩土力学与工程重点实验室，对工程项目进行全面的计算和分析，得出可行性结果后，再进行的拆除工程施工。

2.3.2 二期围堰

CH0-70～CH0-86.75的区域为二期围堰。二期围堰的开挖高度达到了17米，施工前已经完成了对于进水口区域的混凝土的施工，可以进行进一步的爆破任务。对于二期围堰的爆破任务主要采用的是水平孔为主的方案设计，一次性爆破完成的方式，这是主要考虑到尽量减少三期围堰爆破开挖量，同时保证爆破质量。二期围堰由于周边建筑物保护级别较高的原因，所以对爆破网络设计时要求有非常高的精度和准确性，施工要求非常严格。并且由于此次爆破特点放量大、炸药量大、炮孔数量多等等因素，爆破过程中必须控制好爆破顺序、爆破时间，在设定时间内完成所有起爆，并且爆破过程不能够出现重段和串段的现象发生。基于此，为了能够顺利的完成爆破任务，采用了非洲AEL炸药公司提供的具有安全性、高精准度的数码雷管起爆系统。出于对爆破可能出现的飞石现象，爆破前将围堰基坑内部蓄满水以避免飞石现象的发生。同时，爆破时火工材料已经全部出于水中，因此对爆破器材抗水性要求非常严格，在爆破前，需要进行全面的防水性试验，试验合格才可以将火工材料投入使用。

2.3.3 三期围堰

0-86.75～CH0-120的区域是三期围堰。三期围堰主要采用水下钻爆施工。水下钻爆施工首先要考虑安全问题，故而采用了较为保险的单排浅孔方式开挖，并且在爆破之前要经过安全测试，对结果进行分析研究后，考虑是否增加爆破排数及孔深，争取达到最佳爆破效果。钻孔爆破完成后，通过水上抓斗船配合运碴驳将开挖区域内的爆破碴体清运至指定的弃碴地点。为了能够节省爆破单响药量，三期围堰以分层施工为主，钻爆与清运交替进行，保证钻爆完成后能够及时清运完毕，使整个围堰底部能够达到设计标准要求。

3 拆除施工

3.1 一期围堰爆破

施工时段自2011年11月初至2011年12月底，库水位平均为EL485.4m。一期围堰选用的施工方式是薄层剥离、小药量爆破、手风钻钻浅孔等，钻孔直径Φ42mm、排距b=1.0～1.5m、孔距a=1.5～2.0m、孔深h=2～2.5m。装药长度l=1.0～1.5m，堵塞长度L=1.0m，药卷直径？准32mm，单孔药量Q=1.0～1.5kg，单孔单响。爆破渣体由反铲配合15T自卸车从进水口基坑开挖施工道路运至弃碴场。

3.2 二期圍堰爆破

施工时段自2012年1月底至2012年4月底，库水位平均为EL486.0m。二期爆破完成后，首先采用长臂反铲配合15t自卸汽车对水面以下9m范围内的渣体清运至指定的弃碴地点，对于水深超过9m的区域，爆渣则采用水上抓斗船配合运碴驳进行清运，并运至指定的弃碴地点。在清挖二期围堰爆渣的过程中，同时也需要对三期围堰顶部的覆盖层全部进行清挖，以便三期围堰水下钻爆施工。

3.2.1 底板及边坡边界的水平预裂爆破参数

采用100B潜孔钻钻孔，装药直径为3？准18mm～4？准18mm，最大单孔装药量Q=3.5～10.6kg，孔距a=0.6m、孔深h=3～14.5m、钻孔直径Φ76mm，线装药密度q=540～720g/m，堵塞长度L=1.0m，两孔一响，最大单响药量20.8kg。在临近现有进水口、大坝的右岸边坡及底部10m范围内，预裂孔距减小为40cm，以起到减小单响药量及加强隔振的作用。

3.2.2 围堰内水平孔爆破参数

采用100B潜孔钻钻孔，钻孔直径Φ76mm、排距b=1.5m、孔距a=1.5m、孔深h=3～14.5m，线装药密度q=3.714kg/m，堵塞长度L=1.5m。装药直径？准65mm。为了减小爆破震动对临近建筑物的破坏，对于孔深h≥7m的爆破孔，则按一孔两响的方式装药；孔深h<7m的爆破孔则采用单孔单响的方式装药，最大单孔装药量Q=41.6kg，最大单响药量20.8kg。

3.2.3 防渗墙垂直钻孔爆破参数

采用100B潜孔钻钻孔，钻孔直径Φ76mm、装药直径？准50mm、孔距a=1.0m、孔深h=7～12m。线装药密度q=2.0kg/m，堵塞长度L=1.5m。最大单响药量24kg，最大单孔药量Q=24kg。（图2）

3.3 三期围堰爆破

初始参数：孔距a=2.0m、孔深h=5m、钻孔直径Φ90mm、装药直径？准65mm、排距b=2.0m。装药长度l=2.2m，堵塞长度L=2.8，单孔药量Q=9kg，一次钻孔爆破1排，单孔单响。同时为了检测数据判断是否万无一失，应进行爆破振动、水击波测试，增大钻孔深度、排数及单孔药量都由该项工作开展。通过施工过程测试爆破振动和水击破，最终的爆破参数调整为单孔药量18kg，孔深7m，一次性最多起爆2排孔。通过参数调整，不仅三期围堰的拆除时间缩短了，也更有利于实现发电目标。

3.4 水下出渣

3.4.1第一阶段（联合出渣）

2012年11月6日开始，2013年1月25日结束，库水位平均EL484.5m。采用三种方式相结合进行出渣，分别是长臂反铲装自卸汽车、长臂反铲装运渣船和钻爆船上的抓斗装运渣船。

①长臂反铲（表1）

②钻爆船

船体为单底、单甲板、钢质电焊结构，起重船型。首部安装GQ2516型旋转式抓斗挖掘机一台（起重量25t），尾部及两舷沿舷边安装CQGN120型内燃高压船用钻机两台，首尾两舷布置移船绞车，中部设置工作用集装箱。

主要尺度及参数（表2）：

③运渣船

船体为单底、单甲板、单舷结构。船底、甲板、舷侧均为横骨架式。全船设2道纵舱壁，2纵桁架。采用40马力雅马哈挂桨机作动力实现自航，每次装运约80m3。采用推土机作为卸船的机械设备。

主要尺度及参数（表3）：

3.4.2 第二阶段（水下钻爆出渣）

2013年1月26日开始，10月15日结束，库水位平均EL485.5。

3.4.3第三阶段（基坑内清理）

2013年10月2日开始，11月15日结束，库水位平均EL485.0。采用自制抽砂筒清理底板和坡面上的泥砂和直径小于200mm的石渣。抽砂筒以压缩风为动力，供风压力不小于1.2Mpa，风量不小于21m3/min。

4 检查验收

采用潜水员和水下机器人检查基坑底部水平面、集渣坑和斜坡段的泥沙和石渣的清理情况，通过详细拍摄和记录，来指导下一步的清理作业，也为验收积累了宝贵的资料。

5 起爆系统与震动测试

可编程的数码雷管、编码器、起爆器等控制设备组成了数码雷管起爆系统。编码器负责设定数码雷管的孔号信息，并能够检测数码雷管是否完好。每个数码雷管的位置信息都将导入到起爆器中，并对数码雷管的爆破延时进行设定，并对编码位置、延时时间、网络连接进行必要的检测校对，将错误的信息进行纠正。起爆器负责数码雷管网络的点火、时间精确计算和控制。

二期围堰爆破过程中，要注意保护周边建筑物，但是实际爆破任务进行时由于药量大，爆破钻孔多，爆破过程容易产生振动和水击波，因此要严格进行控制。此过程采用了南非AEL炸药公司生产的DigishotTM型数码雷管起爆系统。此次爆破任务中，水平预裂孔129个、水平主爆孔222个、高喷防渗墙垂直孔52个，总计403个爆破钻孔，共使用炸药8300kg，数码雷管876发，导爆索14572m，整个爆破过程总延时为9962ms，一次性拆除开挖总量约18000m3。其中水平主爆孔孔深若大于7m，孔内起爆时应分成2段，使用2束导爆索串联孔内炸药，爆破最大单响药量为20.8kg。二期围堰爆破各测点监测的爆破震动速度监测值如表4。

分析表4得出，各测点的最大振动速度均控制在电站区域内业主要求的最大值范围内，且小于水利水电施工规范所要求的最大值，保证了爆破区周围建筑物的正常运行。按照环保的要求，在二期和三期围堰爆破过程中均采取了水击波防护和鱼类的保护措施，效果良好。

6 结语

赞比亚卡里巴北岸水电站扩机工程的进水口挡水围堰拆除施工，始于2011年11月份，在2013年11月份，歷时24个月完工。全部工程总方量达到54000方，总爆破次数达到85次以上。在施工过程中，质点振动速度的控制、水击波的控制等等相关工程操作，对进水口都没有造成影响，一直保持正常运行。扩机工程得以正常施工，与此同时，原有机组也仍能够保持正常运行。从而说明所采用的围堰拆除施工工艺、分期方式、爆破设计都是合理实用的。

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