某调水工程水库内取水口施工方案探讨

刘万浩，李 婷，刘 亮，范轶君

(湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北 武汉 430070)

湖北省十堰市中心城区水资源配置工程自潘口水库取水，设计流量6.7 m3/s。取水口位于距潘口水库大坝直线距离约7.5 km的库区右岸岸坡，取水口设拦污栅、检修闸门、工作闸门，工作闸门后为连接段，连接段后为明流输水洞。取水建筑物级别为3级，设计洪水标准为30年一遇、校核洪水标准为100年一遇；输水隧洞成型断面尺寸3.0 m×3.5 m(宽×高)。工程总工期40个月。输水线路进口侧平面布置见图1。

进水口底板高程为327.50 m，进水口采用竖井式，竖井进水口为单孔，孔口净宽3.0 m，检修平台高程363.00 m；进水口前设拦污栅，孔口尺寸5.0 m×7.7 m；拦污栅后接连接隧洞，隧洞断面尺寸3.0 m×3.5 m；连接段后为竖井闸室段，闸室段长10.0 m、底板厚1.3 m、边墩厚1.5 m、胸墙及边墙厚0.6 m；检修平台以上为启闭机房，采用排架支撑；进水塔后设长20.0 m的消力池渐变段，消力池池深0.8 m、池宽3.0 m、底板厚0.8 m，渐变段后接引水隧洞。进水口纵剖面见图2。

图1 输水线路进口侧平面布置图

图2 进水口纵剖面图

1 施工导流方案

本工程取水口导流建筑物级别为5级，相应设计洪水标准为洪水重现期10～5年(土石类)，导流建筑物位于水库库内，为安全考虑取上限10年一遇标准。取水口所在的潘口水库正常蓄水位为355.0m，死水位330.0 m，进水口设计底高程327.5 m，位于水库死水位以下。拟定全年围堰方案、预留岩埂方案两个导流方案进行比选。

1.1 全年围堰方案

该方案拟在进口施工一道全年围堰保护进水口作为全年工作面全年施工。围堰对应水位为全年10年一遇洪水位355.0 m，围堰顶高程设置为356.0 m，为便于防渗墙施工顶宽设置为6 m，两侧边坡1∶2，围堰填筑料采用取水口启闭平台上部开挖石渣料填筑，最大垂高约44 m，为围堰稳定考虑垂直方向上每隔10 m设置一道2 m宽平台，围堰基础为6 m厚砂卵石层，用双排高压喷射防渗墙防渗。

1.2 预留岩埂方案

设计结合主体工程布置、地质条件等因素在全年围堰方案上研究预留岩埂方案，但若按全年10年一遇洪水位355.0 m设置岩埂，则主体工程进水口平面布置受到极大影响：开挖量巨大，高边坡处理难度高，需完全截断现有主干道032县道；该岩埂高约28 m，底宽约52 m，无论高度和厚度均对后期爆破拆除造成极大影响。

经与本工程相关部门沟通协调，结合潘口水库的调度方案和近年来水库实际水位分析，可在施工工期内其中1年的12～4月保证水库水位预降并保持在335.0 m，在此期间完成进水口施工内容。为保证隧洞进口端全年施工，取水口工作面存在两个选择：一是直接利用主体工程竖井增加垂直运输；二是新增施工支洞水平运输，考虑到竖井垂直运输效率低下，造价上也无优势，最终在取水口附近增加了一条约300 m长施工支洞替代其进口作为全年工作面，该施工支洞进口底高程为356 m，而施工支洞防洪标准为潘口水库全年10年一遇洪水，对应水位为355 m，满足防洪要求。

预留岩埂方案导流时段为12～4月，岩埂顶高程设计为336.0 m，顶宽10.0 m，最大垂高约为8.5 m，外侧边坡为现状岩体边坡，内侧边坡设置为1∶0.75，为边坡安全计，岩埂背水侧采用挂网喷7.5 cm厚C20聚丙烯纤维混凝土，同时设置Ф 22单根长3.0 m水泥砂浆锚杆，间排距3.0 m，梅花形布置；同时考虑到预留岩埂内存在一定裂隙，为防渗考虑对其采用帷幕灌浆处理，灌浆孔单排设置，孔深9.5 m，深入岩埂底部1.0 m。

1.3 方案比较与选择

全年围堰方案与预留岩埂方案相比，优势是进水口工作面可保留，不需要额外增设施工支洞，施工时段不受水库洪水位影响无需协调各方对水库水位预降，可全年施工。缺点是填筑与防渗工程量大，施工难度大，造价高，施工周期长影响工程总工期，且由于围堰体型巨大占压水域面积过多影响水库周边杨二姐沟等水系泄洪。

预留岩埂的优缺点则恰好相反，但其还存在水下爆破拆除难度大、施工时段受到限制、需要对水库水位进行调度协调等缺点。

经技术经济等方面综合比较后，结合国内同类型项目和最新的施工技术成果，最终推荐采用预留岩埂方案。

2 岩埂拆除爆破与防护方案

根据选定的预留岩埂方案，取水口施工完毕后，需要对岩埂进行拆除，拟在爆破前将取水口与岩埂之间的基坑预充水，采取水中静压爆破的方式[1]：参考同类型项目预留岩埂拆除爆破方案[2]，拟采用底部预裂爆破成缝，斜孔松动爆破拆除的方案，该方案爆破时可以形成较为平整的爆破面，减少爆破对进水口结构的影响，改善进口水流条件。

水平向预裂孔：在基坑内侧岩埂坡脚进口328.0 m高程布置一排水平预裂孔，孔深20 m，间距1.0 m。水平预裂孔炮孔直径105 mm，堵塞长度2 m；炸药采用Ф 32 mm药卷，底部加强段采用Ф 50 mm药卷。

竖直向倾斜孔：在岩埂顶部布置9排倾斜炮孔，孔口间排距1.0 m，孔底间距2.0 m。爆破拆除区主爆孔炮孔直径110 mm，堵塞长度3 m；炸药采用Ф 70 mm药卷。

预留岩埂爆破孔布置示意图见图3。

图3 预留岩埂爆破孔布置示意图

3 安全防护方案

3.1 安全允许爆破振动速度分析

本工程岩埂爆破为露天深孔爆破，振动频率f在10～60 HZ，根据《爆破安全规程》(GB 6722-2014)，本工程岩埂拆除爆破频率安全允许爆破振动速度[3-4]分析如下：

1)保护对象为混凝土结构，可待其达到28 d龄期后进行岩埂的爆破拆除，安全允许爆破振动速度范围为8～10 cm/s；

2)保护对象有水工隧洞，安全允许爆破振动速度范围为8～10 cm/s；

3)保护对象有永久性岩石高边坡，安全允许爆破振动速度范围为8～12 cm/s。

考虑工程重要性，本工程安全允许爆破振动速度取8 cm/s。

3.2 爆破振动安全允许距离

根据《爆破安全规程》(GB 6722-2014)，爆破安全允许距离按下式计算：

R=(K/V)1/α×Q1/3

式中：K、α分别为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，根据本工程地质情况并参考同地区相邻项目的爆破经验[5]，K取300，α取2.0；V为安全允许爆破振动速度，依上文取8 cm/s；Q为最大单段药量，岩埂以结晶灰岩、硅质岩为主，按经验数据法[6]，爆破的单耗药量取0.68 kg/m3，根据爆破孔分布按单孔单响考虑，测算Q约为48 kg。

经计算，爆破安全允许距离R=22.3 m，大于现有建筑物距离岩埂最近距离8.1 m，由于距离较近，爆破振动及飞石而对工程建筑物影响很大，需要采取相应的保护措施。

3.3 爆破安全防护措施

岩埂爆破时，需要重点保护的对象为取水口高边坡、拦污栅、闸门、输水隧洞，防范的对象为飞石、水冲击波等。爆破飞石有害效应分为两种，一种是小块石，抛射速度快，抛掷距离远，容易造成弹射型破坏；一种是大块石，抛掷速度慢，抛掷距离近，但由于块径大，重量大，也会容易造成撞击型破坏。另外，岩埂拆除后水库水流涌入基坑，飞石防护装置会被水淹没，防护装置自身的的拆除极为不便。

结合本工程施工条件，拟采取内刚外柔的拼装式飞石防护装置[7]进行防护，包括柔性垫层、刚性骨架、弹性保护层三层防护组成，刚性骨架采用工字钢拼接而成的口字型框架，框架内侧为废旧轮胎拼成的柔性垫层，框架外侧为竹排拼成的弹性保护层。工字钢框架左侧留有滑轨，右侧设连接杆；工字钢框架下部留连接孔，上部设卡扣。

本防护装置能够同时防护小块石、弹射和大块石的撞击，现场便于拼装，爆破作业后方便从水下进行拆除，能够有效地保护主体建筑物免受爆破飞石的破坏，同时能够提高施工作业的效率。具体防护措施与程序如下：

1)关闭竖井闸室段的闸门，闸门上游侧堆放一层袋装土或袋装砂；

2)岩埂顶部及内坡面用袋装土或袋装砂覆盖，在源头上降低爆破飞石速率；

3)沿进口边坡全断面搭设工字钢做骨架防护；工字钢外铺设一层旧轮胎做柔性垫层；旧轮胎上面铺满双层竹排进行全面防护；

4)进口处在竹排外铺4 m宽、3 m高的柔性石渣，完全覆盖取水口洞口，降低爆破产生的飞石、滚石的冲击力；

5)爆破前基坑预先充水，降低岩埂两侧水头差，减少基坑侧爆破冲击力；

6)实施爆破前，对当地交通、水库水域500 m范围内进行管制，避免对当地社会人员生命财产造成威胁。

4 结 语

在水库内的取水建筑物，由于设计时为提高取水保证率，其底板高程一般接近甚至低于水库死水位，极大增加了施工难度，因此其施工导流方案的选择就尤其重要，本工程全年围堰方案受到诸多因素制约，难以实施，预留岩埂配合水库降水的方案大大降低了围堰施工难度和投资，且进水口附近具备条件设置一条施工支洞替代进口工作面，综合而言选择岩埂方案是较为合适的选择。岩埂方案首要问题就是其爆破拆除方案必须一次完成，不能出现爆炸不完全甚至拒爆，影响工程正常取水，故而爆破设计应精细可行；爆破方案拟定之后，随之而来的就是要做好对主体建筑物的防护，本工程采取以易于后期拆除、内刚外柔的拼装式防护装置为主的防护措施，能较好防护岩埂爆破产生的飞石及水击波影响，其设计思路可为类似工程提供了一种可借鉴的解决办法。