桓仁水库深水围堰爆破设计研究与应用

王宇宁

（辽宁省水资源管理集团有限责任公司，辽宁沈阳110003）

0 引言

近年来，我国在水下淤泥地基的爆破处理、水下沙土地基的压密处理，以及水下岩坎、岩塞爆破等方面取得了许多宝贵的施工经验，但在上述领域的理论研究成果甚少，如水下孔内装药量多依赖于经验。在进行长江三峡三期围堰爆破拆除设计时，尤其是深水爆破设计，很难找到可供参考理论依据与工程实例[1]。

目前，国内外水利工程施工土石围堰水下拆除爆破施工方法较多，但在内陆湖库水深40.00m及距取水首部建筑物较近条件下，开展水下防渗体及岩坎爆破拆除施工的案例并不多见，且尚未形成较完善施工体系。鉴于此，结合辽宁重点输供水工程施工紧迫性，深度考虑桓仁水库取水口各类已建建筑物及配套机电设备对整个工程的重要程度，如何精准施钻、高效装药，以使火工材料水下成功爆破，保证动水压力、表面应变、振动位移等处于规范允许范围，因此，开展深水围堰防渗体及岩坎爆破设计研究工作势在必行。

1 工程概况

1.1 地质条件及围堰特性

辽宁重点输供水工程二段取水口土石围堰位于桓仁水库右岸附近，所在库区岸边山坡植被较发育，为各种林木。围堰所在地层分布岩性主要为元古界花岗岩，矿物成分为云母、石英、长石等，为强度较高的硬质岩。

围堰为土石围堰，长81.24m，顶高程为307.60m，顶宽6.00m，所在水域最大水深约40.00m。主材由洞挖石渣填筑，孔隙率较大，常规灌浆难以形成有效防渗体，采用常规结合膏浆防渗，总填筑量为287791m3。剖面见图1。

图1 围堰填筑剖面图

研究表明：当达到同陆地爆破相同爆径，水深30.00m，装药量增幅约16.5%，水深25.00m，装药量增幅约12.3%，取水口土石围堰深度大多位于水下20.00～40.00m，这些研究数据对围堰拆除装药量计算具有一定参考意义[2]。

1.2 爆破开挖建议

1）提前处理有松动趋势大块石，清除坡面松散块石，防止发生坠落。

2）开挖岩坎最大深度约为35.00m，考虑长期水流冲蚀影响，为保证取水口运行安全，进行削坡处理。

3）两侧山体自然坡度为45°～60°，岸坡基本稳定，结合边坡稳定情况，放坡至1∶0.5。

1.3 施工重点、难点及对策

1）施工重点、难点：地处内陆湖库，大型成套设备无法通过航道进入开展安拆工作，加之辽西北多年干旱形势严峻，通水工期紧迫，需使用可利用设备合理安排围堰拆除施工；爆破弃渣的挖、装、运等工作，均需水上结合水下，堰体方量约30万m3，如何快速完成施工任务，保证既定进度目标，是施工的重点；围堰钻孔、装药、起爆等工序均在水下进行，最深达40.00m，水下施工难度非常大，能否及时搭建稳定水上施工平台，完成精准钻孔、装药等任务，是施工难点。

2）分析及对策：采用自制水上浮式移动作业平台，包括定位机构和平台机构；平台四角用锚索与岸坡连接，保证钻孔作业过程平稳，严控孔位偏差；抛设区域缆绳影响航道通行，其它船舶须避让，限制挖泥船作业范围。

2 防渗体岩坎爆破设计

2.1 钻孔定位及形式

应用GPS放样设标，RTK复核开孔。钻孔下桩固定平台，RTK放样定位，当水深超过2节钻杆深度，潜水员辅助就位，确保误差在10cm范围内。

钻孔采用全液压航道潜孔钻，钻头在套管内旋转冲击，高风压冲击成孔钻进。当孔深达标时，风压增大，上下提升钻杆，保证孔壁、孔底清理干净。深入稳定岩层，更换常规120mm钻具钻孔，成孔后提出钻杆钻具，通过套管下放PVC护孔管，保证后续装药顺利。

围堰爆破常用钻孔形式有垂直、倾斜、水平及组合孔等。如1986年葛洲坝土石围堰爆破的拆除是在2道混凝土防渗墙中布置1排垂直孔进行水下爆破。综合考虑，桓仁水库取水口围堰防渗体及岩坎水下爆破钻孔采用垂直钻孔结合倾斜钻孔施工方案。

2.2 防渗体

防渗体长75.00m，宽6.50m，布设3排炮孔，采用拉裂爆破方式。排距为1.80m、孔距2.80m、最小抵抗线为1.00m。考虑外侧堆筑体注浆渗透因素，实际宽度可能有一定增幅，因而上下游距炮孔分别设置成1.00，1.50m，选用孔径120mm，内装ϕ90mm乳化炸药。

1）装药结构为非连续结构，根据炮孔所在位置高程结合底部高程确定钻孔及超钻深度，为确保一次爆破完成，钻孔增加超深1.50m。

2）单耗及堵塞长度。爆破完成后，绝大数石渣位于水面下，为提高出渣效率，需降低大块石比例，火工材单耗q取1.12kg/m3，封孔塞长取2.00m。

3）单孔装药量。按下式计算：

式中：Q——炮孔计算装药量，kg；q——水下钻爆单耗值，kg/m3；a——孔距，m；b——排距，m；H——设计开挖深度，10.00m。

经计算，最大装药量Q=58.0kg。

4）爆破震动验算。根据GB6822-2011《爆破安全规程》及周围建筑物，按新建水工建筑物为保护对象，距离取40.00m，抗震速率为5m/s，按下式进行验算：

式中：V——距爆区R距离的质点振动速度cm/s；K——岩石系数，混凝土取150；Q——最大集爆药量，1孔单段为20kg；R——距爆点距离，取31.00m（相对于发电机组）；a——衰减系数，取1.8。

经计算，V=1.18m/s＜5m/s，满足安全防震要求。

5）起爆网络。孔内微差、孔外延时，总药能量分割许多较小能量，创造多面临空，各药包地震波相互干涉，降低地震效应。

防渗体爆破拆除参数如表1所示。

表1 围堰防渗体爆破拆除参数表

2.3 岩坎

1）钻孔孔径。在主爆破区布竖直孔，孔径为120mm，内装ϕ90mm乳化炸药。

2）爆破参数计算。炸药单耗：

式中：q1——基本装药量，kg/m3；q2——爆区上方增量水压，q2=0.01h2，h2为水深，取h2=30.00m；q3——上方覆盖层增量，q3=0.002h3，h3为覆盖层厚度，取h3=2.00m；q4——岩石膨胀增量，q4=0.03h，h为梯段高度，取h=10.00m。

经计算，q=0.88+0.3+0.004+0.3=1.484kg/m3。

3）钻孔及超钻深度。超钻△L=W，即最小抵抗线W等于超钻值，但最小超钻为0.80m，取△L=1.50m。则炮孔深L=h+△L=10.00+1.50=11.5m，以最大钻孔深度计算，其它各部位按照该公式逐排计算。

4）孔网参数。延米装药量：

式中：ρ——乳化炸药密度为1.2g/cm3；d——药卷直径。

经计算，Q1=7.63kg/m。

5）堵塞长度。考虑此次爆破可能存在部分灌浆结石体，取1.00m。

6）装药结构、单孔装药量Q的计算方法与该工程围堰水下防渗体相同。其中初选q为1.484 kg/m3，经计算最大装药量Q=71.0kg。

3 爆破振动监测

3.1 振动位移

2017年09月25日18∶15启动水下岩坎爆破。闸门控制室最大振动位移约为1.99mm，爆破冲击波导致振动位移幅值快速增加，0.8s时达峰值，受约束衰减，持续5s振动基本结束。振动过程见图2、测点振动位移统计见表2。

图2 测点DS02（1）爆破振动位移过程线

表2 测点振动位移统计表 μm

3.2 动水压力

B01测点位于水下约11.00m水深位置，较难出现负压；B02测点位于水下约2.00m位置，可能出现短时负压。

结果表明：B01脉动过程最大脉动压力192.5 kPa，最小脉动压力62.1kPa；B02脉动过程最大脉动压力84.3kPa，最小脉动压力-5.6kPa；脉动过程见图3。

图3 B01测点动水压力过程线

3.3 结果

爆破时顺水流方向工作门墙顶测点振动最大位移约1.99mm，主要与建筑结构特性及爆破点位置有关。此次爆破测点负压值较小且持续时间较短，对既有建筑物尚未产生影响，在后续爆破施工中应加强监测。取水口拦污栅附近爆破涌浪高达4.85m，对既有建筑物不构成影响。

4 结语

深水围堰钻孔技术是爆破成功的先决条件，GPS放样、RTK定位、潜水员辅助三重定位方式严控钻孔过程，保证精度在允许范围，进而提高施工效率。此次爆破设计打破单一常规钻探方式，顶坡垂直孔与斜坡倾斜孔结合，解决了土石围堰顶坡窄、底面超宽、体积大导致的装药量不宜控制产生的二次爆破问题，实现了预期爆破目标。

经过近7年基础研究和实践应用，既定目标已全部完成，并在工程实际施工中发挥了巨大的效益，得到了充分验证，可为同类围堰爆破拆除施工提供参考。