某引水工程取水口岩塞爆破消能结构设计研究与应用

2022-02-23许晗

东北水利水电 2022年2期

许晗

（辽宁省水资源管理集团，辽宁沈阳110003）

1 工程概况

随着我国水利工程事业的发展及水资源的区域平衡要求，引调水工程越来越多，引调水工程取水口形式普遍采用岩塞形式，因此岩塞爆破消能结构设计极为关键。某重点输水工程，其取水口首部岩塞部位位于水源地水库库内一“U”形河谷的右侧山体中。设计岩塞开口中心点高程278.00m，水源地水库死水位为281.48m。岩塞部位边坡总体走向NE25°，高程288.00m以上为一陡崖，平均坡度约为55°，局部大于60°，其下为高约1.1m的倒坡，岩塞口及其下方从地形上看山坡变缓，坡度30°左右。库水位318.00m以上山体植被发育，以松树、杨树及低矮灌木为主。

由于取水首部岩塞爆破对于整个输水工程的重要程度，因此必须保证岩塞爆破消能结构设计稳妥。

2 岩塞工程地质条件及稳定性评价

2.1 地质条件

岩塞体及周边岩体岩性为侏罗系林子头组酸性熔岩，强风化岩饱和抗压强度28MPa，属较软岩，岩体一般较破碎，多呈碎裂结构；弱风化岩饱和抗压强度55MPa，属中硬岩，岩体一般完整性差，多呈镶嵌结构。

高程288.00～318.00m范围内山坡坡面较陡，仅局部覆盖少量崩坡积碎石，厚1.00m左右；高程288.00～269.00m范围内山坡坡度较缓，覆盖层厚1.50～4.20m，呈上薄下厚状，主要为坡积碎石土，但其组成物质随厚度的变化而变化，表现在黏土含量逐渐增多，同时碎石粒径逐渐变小。

前期勘察钻孔和岩塞体导向孔揭露两处构造破碎带，其中一条规模相对较大，宽3.00m左右，主要由构造片岩及碎块岩组成，于锁口段揭露，走向75°～85°，倾向NW（局部可能倾向SE），角度变化较大，为30°～70°，总体上呈一上陡下缓的不规则弯曲面，该构造总体上倾向坡外，但与边坡走向夹角在50°以上，属大角度相交，对自然边坡的稳定性影响较小；另一条构造破碎带宽0.5m左右，为规模相对较大构造破碎带的一个分支，延伸长度较小，对岩塞体稳定影响不大。

2.2 稳定性评价

1）边坡稳定评价

288.00 m高程以上坡度50°～60°，属峻坡，基岩直接出露，多弱风化状。按照规范分别采用边坡岩体质量分级及赤平投影等方法，总体评价结论为自然边坡基本稳定，边坡岩体质量分级为Ⅲ级，无控制边坡整体失稳的不利因素，局部存在沿节理不利组合发生楔形体掉块的可能。

2）岩塞口上边墙稳定性

采用赤平投影方法可得出，上边墙岩体所发育节理组合多形成“X”型组合体，是形成楔形体的基本因素，易发生掉块。对于岩塞周边岩体，现已完成超前固结灌浆，对岩体的强度及完整性均有很大的提高，故岩塞爆破后，其上边墙岩体的稳定性是可以保证的，但爆破对局部楔形体的稳定还是有影响的。

3 水库特征水位及岩塞爆破库水位确定

水源地水库特性表见表1，多年平均运行水位统计成果表见表2。

表1 水源地水库特性表

表22009 —2015年水源地水库平均运行水位统计成果表 m

根据水源地水库汛期起调水位可知：2018年8月21—31日，水位在301.60～313.30m进行过渡；9月1—22日，控制运行水位在313.30m以下。根据施工进度安排，2018年9月30日进行爆破，按正常调度推断库水位为313.30～318.75m。

4 岩塞爆破消能结构设计

检修竖井上游为进口段工程，主要建筑物包括进口岩塞爆破段、集渣坑、有压隧洞、检修竖井、封堵体、施工支洞等。进口段长4376.00m，检修竖井高度为81.12m，检修层长14.50m，宽13.78m；检修竖井设有进口检修闸门、出口事故闸门及其顶部的启闭机电设备；1号施工支洞投影长度为714.00m。

岩塞爆破段长176.76m，范围为桩号0-176.76～0+000.00m，包括岩塞口、锁口段、集渣坑段及其后的隧洞连接段。岩塞体设计厚度（中心线）为11.80m，进水口中心线高程为278.00m，岩塞开口断面为爆破漏斗形（倒圆台形），由上口内径14.02m渐变至下口内径7.55m，岩塞中心线倾角为55°。集渣坑断面为城门洞形，设计石渣松散系数采用1.6，渣坑的有效利用系数采用0.65，爆破方量的不确定系数采用1.15，集渣坑底边长44.00m，宽度为7.30m。岩塞爆破段包括锁口段、集渣坑段及其后长116.42m的连接隧洞段，混凝土衬砌厚度为0.80m，混凝土的性能指标为Ca35W12DF60。

集渣坑最大高度为19.60m，为圆拱直墙型，圆拱部分开挖半径为4.60m，成洞半径为3.65m，直墙部分成洞高度为15.035～15.910m，集渣坑容量约为3800m3，岩塞部位一次爆破方量为1163m3，岩塞爆破松方为1861m3（松散系数按1.6考虑），集渣坑容量完全满足要求。

1号支洞上游隧洞总长度为3.5km，进行隧洞开挖及岩塞体钻孔时，隧洞内空气质量差，为了解决岩塞爆破前隧洞空气质量问题，确保施工安全，在集渣坑部位桩号G0-123.334m设置通风竖井。圆形结构，直径D=1.20m，地面高程为321.00m，底高程为267.85m，深度为53.10m。通风竖井四周共布设4个直径56mm的灌浆孔，进口部位设置高度为2.50m锁口挡墙，底部设置高度为3.00m钢管锁口。通风竖井剖面图和平面布置图见图1。

图1 通风竖井剖面图和平面布置图

检修竖井布置在距离取水口4.3km的砬子沟内，山顶地面高程342.00m，断面为矩形。检修竖井地下部分分为2层，下层为闸门井，底高程260.88m，上层为检修层，底高程329.00m。启闭机室底高程为342.00m。检修竖井从上游至下游依次布置检修闸门门槽和事故闸门门槽，总长12.78m，闸门井总宽11.60m。下游侧布置5个φ500排气孔。

按照爆破期间库水位为313.00m控制，根据水工模型试验结果进行插值分析，检修竖井涌浪水位高程为325.80m，并未超过检修层底板高程。

该项目岩塞爆破采用中心掏槽、圆周扩展、光面成型的全排孔爆破设计方案，具有单段装药量小、爆破成型好，对周边建筑物爆破振动小、施工相对安全等优点，爆破网路采用可靠的复式起爆网路。岩塞爆破前，钻孔利用岩塞体进行挡水，爆破过程中，利用竖井内的检修闸门进行挡水，其中，通风竖井、1号支洞为岩塞爆破的调压建筑物，起到爆破消能作用。