中部引黄工程取水口预留岩坎围堰拆除爆破设计

袁江霞，许毓才

(山西省中部引黄工程建设管理局，太原 030000)

0 引 言

中部引黄工程是山西省“十二五规划”大水网建设中一项重要的工程，工程自天桥水电站库区取水，供水范围包括四市十六个县。设计取水流量23.55 m3/s，设计扬程200 m，总装机99 MW。取水口位于天桥水电站枢纽上游约380 m处库区左岸，为岸边塔式无压引水。该部位岸坡较陡，背靠禹保沿黄公路，出露的地层主要为奥陶系中统峰峰组下段厚层泥灰岩，岩性软弱。顺水流方向依次为拦污栅段、渐缩段和工作闸门段。

天桥库区常年运行水位834.00 m，取水口设计开挖最低高程为824.00 m，浇筑后底板顶面高程为826.00 m。因受地形、水情及外部条件等限制，为便于施工，取水口施工前期采用预留岩坎形成围堰，岩坎布置三排钢管桩进行加固。现取水口施工完成，需对围堰进行拆除。围堰顶高程为835.80 m，横剖面底宽13.75 m，最厚处5.59 m，呈倒悬。本次对进水塔前13.2 m宽的岩坎进行一次性爆破拆除。拟拆除至高程825.00 m，爆破方量约为1 150 m3。

1 岩坎拆除难点

岩坎拆除要求爆破产生的冲击波不能对取水口周边永久建筑物和省道产生危害，又必须保证一次性爆破成功[1]。此次爆破的难点主要体现在：

(1)岩坎距天桥大坝主厂房、控制室320 m，距天桥生活区48 m，距S249省道15 m，距取水口闸门6.5 m，必须严格控制爆破范围，保证爆破振动在允许范围内。

(2)天桥库区运行水位在830～833 m之间，岩坎部分在水位线以下，爆破时应充分考虑水流对爆破效果的影响，且尽量避免渣块进入库区。

(3)为保证岩坎稳定性，前期采用3排Φ219钢管桩(共计54根，钢管壁厚10 mm，内注M25砂浆)进行加固，间排距1.5 m，梅花形布置，并进行了固结灌浆，增加了岩坎爆破难度。如何使钢管桩和岩石顺利分离，是爆破设计的关键所在。

2 爆破拆除方案

2.1 总体方案

针对岩坎的特点，采用小药量控制、整体一次性爆破的拆除方案[2]。岩坎上下游、进水塔前各布置一排预裂孔和减震孔，避免爆破对周围岩体和进水塔产生大的扰动[3]；岩坎底部布置一排倾斜的预裂孔，倾斜角度15°，保证岩坎拆除后底部平整，避免影响进水塔过流量；岩坎中间布置五排主炮孔，间隔装药。炮孔布置见图1。

图1 炮孔布置图Fig.1 Blasthole arrangement

2.2 炮孔参数

2.2.1 减震孔

因岩坎上下游保留岩体地质条件差，在爆破时尽量避免对其造成大的扰动[4]，在爆破边界线外侧0.5 m处增加一排减震孔，孔间距为0.5 m，孔深为12.5 m。进水塔与岩坎中间布置一排减震孔，孔间距为0.5 m，孔深2 m。减震孔不装填炸药。

2.2.2 预裂爆破孔

为保证拆除后保留的上下游和底部岩面平整、稳定，岩坎上下游两端边墙垂直孔和底板一排倾斜孔采用预裂爆破，钻孔直径90 mm。边墙孔间距0.8 m，孔深10.8 m，钻孔从进水塔向河道钻进，向外呈30°角；底板孔间距0.8 m，孔深7.5 m。线装药密度250 g/m，堵塞长度≥1.5 m，堵塞密实，保证质量。装药结构采用不耦合间隔装药，炸药使用φ32 mm乳化炸药，不耦合系数为2.88。

2.2.3 主爆孔

没有钢管桩加固的区域，炮孔间距1.5 m，孔深8.65～10.97 m，炮孔排距1.2 m，共5排。

采用钢管桩加固的区域，为了保证钢管桩与岩石分离，在每两个钢管桩之间布置一个炮孔，第一排钢管桩炮孔布置在两个钢管桩前方中心的位置，距离钢管桩中心线0.3 m，第二、三排钢管桩炮孔布置在两个钢管桩后方中心的位置，距离钢管桩中心线0.3 m。

为创造临空面，保证爆破效果，临河面按加强抛掷爆破选取爆破单耗，内侧炮孔按松动爆破选取爆破单耗，保证钢管桩和岩石顺利分离，同时避免产生大的冲击波对进水塔结构造成大的扰动。临河面一排为第一排，第二、三、四、五排依次靠近进水塔方向。炮孔位置不同炸药单耗不同，第一排炮孔单耗1.6 kg/m3，第二、三、四排炮孔单耗1.2 kg/m3，第五排炮孔单耗0.75 kg/m3。堵塞长度1.25 m。各炮孔具体装药情况见表1。

表1 炮孔装药情况Tab.1 Blasthole charge condition

为避免药包集中导致爆破振动过大或爆破飞石，分散炸药能量，单个炮孔采用间隔装药结构。炮孔装药结构见图2。

图2 主炮孔装药结构图Fig.2 Charge Structure of main blasthole

2.3 爆渣块度控制及预测

取水口预留岩坎部分位于天桥库区，爆破后需进行水下清渣，为避免渣块入库，保证清渣效果，需控制爆渣块度，爆渣块度按平均粒径≤50 cm控制。

对于节理岩体爆破块度，选用Kuz-Ram模型[5]用于台阶爆破平均块度尺寸的预测，平均块度尺寸与爆破参数及岩石性质等有关。由于水的影响，炸药在水中的威力有一定下降，因此需要对该模型进行修正，通过修正的Kuz-Ram模型预测水下爆破的爆渣块度分布。

水下爆破块度模型公式为：

根据岩坎拆除爆破方案，考虑最不利的情况，上部装药情况按照单耗1.1 kg/m3，单孔装药量7.2 kg计算；下部装药情况按照单耗1.6 kg/m3，单孔装药量9.0 kg计算。得出爆破后爆渣平均粒径结果见表2。

表2 爆渣平均粒径计算表Tab.2 Calculation of average particle size of blasting slag

由表2可知，炸药水下性能降低20%，渣块平均粒径最大也只有16 cm，能够保证≤50 cm的块度要求。

2.4 起爆网路

爆破网络采用普通导爆管雷管组成的非电接力式起爆网路，临空面中间开口，爆渣向开口部位抛掷的方案。孔内起爆选用高段别(MS11、MS13)雷管，孔外传爆选用低段别(MS2、MS5)普通导爆管。

3 爆破安全论证

邻水岩坎拆除爆破产生的有害效应主要是爆破地震波、爆破飞石及爆炸水击波等。根据临近岩坎建(构)筑物特点和类似工程资料[6]，不考虑水击波对保护物的影响，重点是爆破振动的控制。

3.1 振动安全要求分析

中部引黄预留岩坎爆破的保护范围包括：进水塔、闸门和拦污栅等水工建筑物，最小距离为6.5 m；天桥电站生活区和围墙等民用建筑物，最近处48 m；发电厂中控室，约320 m。按相关爆破规程的要求[7]，闸门和闸门槽爆破安全控制标准按照10 cm/s设计，12 cm/s校核；需保护的民用建筑物的振动允许值取1.50 cm/s；对于天桥电厂中控室的振动允许值取0.50 cm/s。

3.2 爆破振动校核

爆破对建(构)筑物(保护对象)的损害一般以质点振动速度衡量，质点振动速度传播规律估算公式[8]：

V=K(Q1/3/R)α

式中：V为爆破地震对建筑物地基产生的质点垂直振动速度，cm/s；Q为齐发爆破时总装药量，延期爆破时取最大一段装药量，kg；R为从爆破地点药量分布的几何中心至监测点或被保护对象的水平距离，m；K为与岩石性质、地形和爆破条件有关的系数；α为爆破地震随距离衰减系数。

参照本工程前期爆破监测数据和类似工程经验[9]，α取1.62，K值取54。根据不同的保护对象的允许振动速度及回归公式得到最大单段药量控制结果见表3。

表3 最大爆破单段药量控制表Tab3 The maximum amount of explosives shot per delay

由表3可知，取水口岩坎爆破最大单段药量为9.0 kg，没有超过允许的最大单段药量，爆破不会对需要保护建(构)筑物造成有害影响。

3.3 防护设施

闸墩、门槽及进水塔底板上挂设橡胶轮胎和铺设竹跳板，防止飞石破坏闸门及门槽。爆破前天桥水电站暂停机组运行，防止爆破石渣随水流进入机组，对机组造成破坏。起爆网络连接过程中对接力雷管等进行固定，完成后用装沙的编织袋进行覆盖，保证网络在传爆过程中不被破坏。

4 结 语

(1)本次爆破过程中未见飞石，爆破网络准爆率达100%，未对周边建筑物造成破坏，未破坏闸门密封性。爆破岩坎破碎均匀，总体效果较好。

(2)采用减震孔、预裂孔和主炮孔相结合、小药量分段装药、起爆网络延时起爆不重段的一次性整体爆破拆除方案是合理有效的。

(3)严格控制最大爆破单段药量，采用科学的安全防护措施，可有效控制爆渣块度和爆破振动对周围环境的影响。

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