挡水条件下坝体混凝土水下拆除技术研究

陈荣华

（广西水利电力勘测设计研究院有限责任公司，南宁 530023）

1 工程概况

原桂平航运枢纽是郁江干流综合利用规划开发方案中的最下游梯级，是以航运为主兼顾发电的综合利用工程，位于浔江支流郁江上，距离黔、郁两江汇合口约3.7 km。枢纽设计正常蓄水位31.5 m，下游设计发电最低水位为19.87 m。电站为日调节性能电站，现状装机容量为46.5 MW（3×15.5 MW）。原桂平航运枢纽由拦河坝、船闸、电站厂房等建筑物组成，船闸及引航道布置在右岸阶地上；坝轴线上，从左到右依次布置：左岸重力坝（由25.00 m 长的闸门检修间和27.00 m 长的沉井组成）、溢流坝、河床式厂房、右岸支墩坝和悬臂式挡土墙。

受具有多年调节性能的郁江龙头梯级百色水库的调节影响，枯水季节桂平航运枢纽坝址来水量增加，电站为了充分利用水能，增加发电量，枯水季节没有安排检修，而洪水期上、下游水位较高，下闸检修风险较大，扩机将能充分利用水能并便于兼顾安排机组在枯水季节检修。因此，为充分利用水能兼顾机组检修需要，需对电站进行本次扩机增容建设。

本次扩机工程系在原桂平航运枢纽左岸增加一台机组，装机25 MW（1台套灯泡贯流式机组），为低水头径流式电站。扩建部分主要由进水渠、厂房、尾水渠、接头坝、闸门检修间及护坡等建筑物组成，其中进水渠由进水渠坝前段、穿坝段、坝后段组成，穿坝段需拆除挡水坝段混凝土，主要为原闸门检修间拆除与左岸重力坝局部开洞拆除，由于枢纽一直承担着航运兼顾发电任务，因此，坝体水下局部开洞施工期间不能降水施工，需在挡水条件下拆除。同时，左岸重力坝靠岸边紧接滨江防洪堤和商品住房，增加了工程施工难度。

2 拆除施工方法选择

左岸混凝土重力坝是枢纽的挡水建筑物，距离其它已建水工建筑物和滨江房建较近，且有部分拆除工作在挡水工况下进行，拆除施工方法需充分考虑影响因素。

（1）机械切割法。混凝土机械切割技术按照所用机械不同，主要包括高速钻孔机切割、盘锯机切割以及绳锯机切割。①高速钻孔机切割。该钻机具有轻便、高效、采用水冷降温无粉尘的特点，可钻深度为8 m，钻孔方向无特别限制。除作为钻孔工具常规使用外，还可作为特殊部位的切割工具。②盘锯机切割。该锯机包括墙体切割机和地面切割机，具有体积轻巧、装拆就位快速、切割能力强、效率高等特点，适用于线路长、直线或弯曲半径不大、切割深度不太大的钢筋混凝土构件的切割。③绳锯机切割。作为一种先进的混凝土结构切割分离技术，该工艺可在各种复杂特殊的环境下进行施工，拆除施工速度快，切割件切口平直光滑，噪声低、无振动，无粉尘、无废气污染，符合环保要求。此外，作为静力切割技术，对需要保留部分的构件不产生任何振动和损伤，操作安全性高。

（2）电弧和氧气枪切割法。电弧法是利用石墨电极，以电弧燃烧被破坏的结构；氧气枪切割法是以金属筒中的电弧灼烧被破坏的结构，此法的氧气消耗量极大。电弧和氧气枪切割是小尺寸钢筋混凝土切割与拆除的有效方法之一，但此类方法很少用于大体积钢筋混凝土结构切割，而且防火安全问题也较突出。

（3）高能燃烧剂爆破法。高能燃烧剂爆破法在高温下通过氧化还原反应产生高压膨胀气体，使被爆破介质在准静态下胀裂。高能燃烧剂没有冲击波的作用，具有无飞石、地震效应低、噪声小等优点。在实际使用中，由于对炮孔的密封质量要求较高，高能燃烧剂的成本比普通炸药高，使得高能燃烧剂的使用受到了一定的限制。

（4）钻孔水压爆破法。钻孔水压爆破法是钻深孔后在孔内放置炸药包并灌满水，炸药起爆后在孔内产生强烈的压力脉冲，使得深孔之间的混凝土产生裂隙并破坏。钻孔水压爆破法产生的爆破飞石和粉尘少，但地震波强度比常规的钻孔爆破法大。

（5）液压钳破碎法。机载液压破碎钳利用挖掘机的发动机驱动液压油缸产生的闭合力对混凝土结构构件进行剪切和破碎。缺点是受液压破碎钳开口度、液压系统压力、施工场地荷载等限制，对大截面结构难以发挥作用。这类设备的主要优点是操作灵活、效率高、能剥除或切割钢筋并且施工过程噪声小、无振动。

将各拆除方法的优缺点及适用范围见表1。

表1 混凝土拆除方法比较

本工程拆除结构主要为大体积混凝土结构，且拆除部位结构整体配筋少，与其它拆除方法相比较，爆破拆除技术成熟，拆除效率高。另外，考虑到施工工期短，拆除强度高，综合考虑各种拆除方法的使用范围、施工效率等，本工程选择采用钻孔爆破法拆除，局部辅以静态破碎或机械劈裂的方法。

3 拆除方案及程序

坝体混凝土拆除主要为原闸门检修间拆除与重力坝局部开洞拆除，其中重力坝局部开洞拆除分为水上部分拆除与水下部分拆除。拆除方案如下：原闸门检修间拆除首先采用岩石破碎机拆闸门检修间钢筋混凝土梁板柱，然后采用风镐拆除下部重力坝扶壁，下部坝体混凝土拆除安排在扩机厂房进水口闸门安装调试完成且已具备下闸挡水条件后才能拆除，拆除分I期、II期和III期进行（见图1和图2）。

图1 坝体混凝土拆除剖面图

图2 坝体混凝土拆除上游立视图

3.1 I期混凝土拆除

先拆除重力式下部三角块混凝土，保留上游侧4 m 厚混凝土挡水，并在底板及挡水混凝土间架立斜向钢支撑，待钢支撑架立完毕后，浇筑一期混凝土进水箱涵。

上游侧保留混凝土在施工过程中必须具有可靠的挡水功能，故需保证其结构的完整性，在Ⅰ期混凝土拆除过程中，在靠近挡水侧保留1.5 m 厚的保护层，采用静态破碎剂拆除，其余部分可采用弱爆破或机械的方法拆除。若采用爆破方法拆除，则需遵循“多打眼，少装药，多分段，弱振动”的爆破施工原则，严格控制爆破对保留坝体的扰动，采用合理的布孔参数、装药结构、最大单响药量及爆破振动安全控制标准；同时为避免坝体拆除过程中爆破抵抗线的后冲向正对两侧及上游保留坝体而产生的损伤或破坏，需要调整开挖面的平面布置及其推进方向，选择合理的开挖程序。

本部分混凝土拆除可分两步进行，第一步通过浅孔修整爆破形成规则的台阶面，第二步考虑到爆破拆除区域距离上游保留挡水结构仅1.5 m，为降低对上游挡水结构的影响，保证挡水结构的完整性，Ⅰ期拆除采用弱爆破。通过采用小梯段、小孔间距、单孔单响的浅孔爆破方式来控制单响药量，同时通过控制爆破拆除方向及抛掷方向来削弱爆破振动效应。

在第一步形成台阶面后，剩余待拆除区域高约12 m，分为8层，每层高1.5 m，当单层顺水流方向宽度超过4 m 时应考虑分多次爆破，每次爆破的宽度不超过为3 m。采用42 mm 孔径，0.6 m×0.6 m 的炮孔间排距，25 m 直径的药卷，单孔装药量约150 g，采用类似光面爆破的不耦合装药结构，毫秒微差接力起爆网路。

3.2 Ⅱ期混凝土拆除

待一期箱涵混凝土达到设计强度的70%以上后，再拆除预留坎体32.0～37.3 m 高程坝体混凝土（位于水上），按先两头后中间的顺序分两次拆除，拆除后设置临时支撑，并在原位置铺设钢筋，浇筑二期箱涵混凝土。待两头混凝土达到设计强度的70%以上后才拆除中间部位混凝土。该步工序完成后，形成该重力坝段保留部分混凝土的承重结构。

为了便于后期混凝土的拆除，此部分拆除时在设计轮廓面中部向下设置2个矩型槽，并预留2.5 m宽的支撑墩。矩型槽顶宽1.2 m，高2.4 m，该槽腔部分不浇筑混凝土，主要为后续混凝土拆除创造临空面。考虑箱涵混凝土的结构安全以及爆破作业的便利性，该部分混凝土主要采用混凝土液压劈裂机配合风镐拆除。

3.3 III期混凝土拆除

拆除高程32.0 m以下的预留坎体混凝土，需要进行水下爆破拆除。在拆除前先拆除钢支撑，然后开槽引水至下游进入发电厂房进水前池，待上下游水位持平后，再采用松动爆破拆除水下部分混凝土至21.0 m高程。

Ⅲ期混凝土拆除采用水平浅孔爆破的方式进行拆除。水上部分拆除时可分多次拆除，水下部分（高程32 m以下）及支撑墩一次拆除，水下混凝土轮廓部位设置轮廓孔。爆破钻孔直径42 mm，乳化炸药，药卷直径32 mm，主爆孔间排距0.75～0.80 m，采用数码电子雷管，每孔双发，毫秒微差接力起爆网路，炸药单耗约为0.8 kg/m3。轮廓孔间距0.5 m，采用传统轮廓爆破技术。

4 拆除中坝体结构响应数值模拟

在完成混凝土爆破破碎的同时，爆破拆除作业必然会伴生地震波、爆破飞石、空气冲击波、噪声等负面效应，即爆破公害。因此，爆破作业中，需研究爆破公害产生的原因、公害强度的分布及衰减规律，以确保被保护对象的安全。

各种爆破公害中以地震波即爆破振动对坝体保留结构及临近水工建筑物的威胁性最大。为分析爆破振动对枢纽重要结构的影响，应用目前较为成熟的计算机仿真技术，对拆除过程进行三维数值模拟，研究爆破拆除诱发的振动波传播及其衰减规律，为后续拆除安全影响评价和指导工程实践提供依据。

4.1 模型

根据坝体拆除方案，建立了对应的几何模型和CAE计算模型，几何模型见图3。

模型主要由坝体混凝土、新建箱涵、钢支撑和地基4部分组成，其中钢支撑采用梁（Beam）单元模拟，其余结构均采用8 节点的C3D8R 实体单元模拟，单元总数为16 327，节点总数为18 054。原坝身材料为R15090混凝土，箱涵结构为C35混凝土，钢支撑为I14型工字钢，地基为含泥生物碎屑灰岩夹黑色泥岩微风化层（D2d1-3），数值计算中材料本构模型均采用线弹性模型。

4.2 结构应力控制分析

根据工程的实际施工过程，在坝体水下爆破拆除前，主要考虑以下6 种工况下保留坝体的结构安全性。

（1）工况一为采用三维有限元计算保留4 m厚混凝土坝体在水压力和扬压力下的稳定情况。

（2）工况二为采用三维有限元计算挡水坝体下游安装钢支撑、浇筑混凝土箱涵和混凝土底板，并置换坝身混凝土，形成该重力坝段保留部分混凝土的承重结构，并在原坝身待开挖区域先开挖两个尺寸为1.2 m×2.4 m的空腔，以便于后期开挖和拆除工况。

（3）工况三为采用三维有限元计算拆除水上坝身混凝土的稳定情况。

（4）工况四为采用三维有限元计算在坝身混凝土和箱涵结构变形稳定后，在水下待拆除坝体钻设孔径为42 mm的梅花形炮孔。

（4）工况五为采用三维有限元计算钻设梅花形炮孔后，拆除钢支撑的工况下引水结构的整体稳定情况。

（5）工况六为采用三维有限元计算撤除坝身箱涵下部的橡胶支撑工况下引水结构的整体稳定情况，由计算结果可知，在撤除坝身箱涵下部的橡胶支撑工况时，会在箱涵顶板靠下游的中部产生较大的拉应力，最大拉应力值可达1.71 MPa，超过了混凝土的设计抗拉强度。为了降低箱涵顶板靠下游的中部的拉应力，同时控制拆除过程中引水结构的振动位移，特提出以下控制措施：在开挖置换原有坝身混凝土时预留2.5 m厚混凝土中隔墩。

4.3 坝体水下爆破拆除的三维流固耦合数值模拟

目前在描述爆炸冲击波传播过程及随后结构动态响应的方法主要有基于有限元法的Lagrangian方法和基于有限体积法的Eulerian 算法。耦合的Lagrangian-Eulerian 方法充分联合了Lagrangian 方法和Eulerian 方法的优势，可有效描述流固耦合动态相互作用及大变形问题。本项目采用显式动力有限元程序AUTODYN 建立炸药-库水-引水结构-地基耦合的三维全耦合数值模型，研究不同单响药量条件下引水结构、接头坝、溢流坝边墩的动态响应及水中冲击波衰减规律，分析水下爆破拆除对结构安全的影响。施工过程中要求在保证不破坏保留结构的前提下，尽可能提高施工效率。混凝土挡水墙拆除是由上到下逐步拆除，当拆除到临近保留结构时，此时对其他结构的影响是最大的，因此选取最后一层爆破拆除时单孔一响、两孔一响、三孔一响三种爆破方式作为典型工况进行计算。

4.4 模拟结果分析

（1）原有方案最危险工况发生在运行工况六中（即撤除坝身箱涵下部的橡胶支撑）。分别会在箱涵顶板靠下游的中部和橡胶支撑开口与箱涵交界处产生集中的拉应力区和压应力区，最大拉应力数值可达1.71 MPa，超过了新浇箱涵混凝土的设计抗拉强度值，有可能会威胁引水结构的稳定性，需要引起特别注意。

（2）在原坝身混凝土开挖与置换区采取预留2.5 m厚中隔墩控制措施，可以有效降低在撤除坝身箱涵下部橡胶支撑（工况六）引水结构中产生的最大拉应力，最大拉应力值为1.41 MPa，下降幅度达17.5%，并且峰值仅仅只存在局部表层，使得引水结构满足应力安全要求。

（3）水下待拆除坝体钻设梅花形炮孔后，撤去钢支撑对坝身结构的整体变形场和应力场影响较小。

（4）水下爆破拆除靠近箱涵底板的混凝土面板过程中，在爆破振动荷载作用下，总体来说单孔一响的振动响应小于两孔一响，两孔一响的振动响应小于三孔一响；三种工况下的结构都出现了不同程度的损伤；由于三孔一响对结构的振动响应较大，对箱涵底板引起的损伤较大，因此，不推荐使用三孔一响进行爆破作业，两孔一响比起单孔一响能够提高施工效率，推荐采用两孔一响进行水下爆破施工。

（5）水下爆破引起的水击波压力较小，传递到厂房的水击波压力峰值小于允许水击波压力（0.2 MPa），但爆破水击波对新浇混凝土箱涵结构安全将产生一定影响，主要在箱涵底板与侧墙交界处的角点表层区域产生较大拉应力集中，分布范围较小，实际爆破过程中需加强该部位的安全监测。

（6）在水下爆破拆除第一层混凝土面板过程中，预留中隔墩工况与无中隔墩工况在振动速度响应峰值方面总体相当，但是从箱涵顶板振动位移峰值方面来说，预留中墩工况下的位移峰值较小，因此预留混凝土中墩对减小箱涵顶板振动是有利的。

在满足引水结构整体运行稳定的要求下，采用在原坝身混凝土开挖与置换区预留2.5 m厚中隔墩的控制措施，可以减少开挖量、有效减小坝体混凝土拉应力、降低整体的振动响应。

5 爆破安全控制

研究爆破负面效应的产生机理、分布与衰减规律，通过科学的爆破设计，采用合理有效的施工工艺措施，确保邻近的建（构）筑物的安全。

根据相关规范，参考类似工程的经验，针对桂平航运枢纽扩机工程爆破作业提出了爆破振动、水击波、爆破噪声及爆破飞石的安全控制标准（见表2）。

表2 桂平航运枢纽水电站扩机工程施工爆破安全控制标准

6 爆破施工影响评价

（1）爆破振动影响，在重力坝拆除阶段，单响控制在2 kg内可保证闸门检修间上部保留坝体、左侧重力接头坝及右侧1#溢流坝边墩的安全；爆破对民房及水电站中控室影响可控。

（2）水击波影响，在10 kg的单响下重力坝混凝土拆除所诱发水击波超压仍小于0.1 MPa，对厂房进水口闸门等建筑物的影响较小。

（3）爆破噪声对单响药量不敏感，当单响药量较大时，爆破噪声仍低于控制标准（120 dB）。建议采取一定的工程措施，如提高炮孔的堵塞长度与质量、尽量避免在地面敷设雷管和导爆索、采用水封爆破或者延期爆破、采用防爆墙削减爆破冲击波（超压）强度，进一步减小爆破噪声带来的影响。

（4）爆破飞石影响，在爆破施工方案下，最大飞石水平飞散距离可达135.3 m，垂直飞散高度可达67.6 m。若飞石控制不当，可能会影响周边建构筑物的安全。

7 爆破施工影响控制措施

（1）爆破振动的控制措施。通过采用合理的爆破参数、装药结构、爆破起爆顺序及抵抗线方向，选取合适的分段延迟时间，在爆源处控制爆破振动的强度。重力坝段拆除爆破的关键保护对象是闸门检修间上部保留坝体、左侧重力接头坝、右侧1#溢流坝段，3 种保护对象的控制标准和最小爆心距相同，因此重力坝段拆除可按照爆破施工不影响距爆源10 m 的闸门检修间上部保留坝体安全的控制标准8 cm/s，确定爆破方式及最大单响药量，进一步考虑爆破振动安全控制要求，建议重力坝段拆除爆破施工时，最大单响药量不超过2.0 kg。

（2）爆破水击波防护措施。通常情况下，扩机工程爆破产生的水击波压力峰值较小，一般不会造成威胁大坝等主体水工建筑物的安全问题。通常要予以重视的是水面以下迎水侧的闸门、拦污栅等结构。因此要做好安全分析，采取必要的主动防护和加固措施。对水击波超压影响的控制与防护，可以通过提高水击波的允许标准、控制水击波的峰值及削减水击波强度来实现，主要有以下措施：①控制爆破单响药量，在满足爆破施工的前提下，尽量采用较小的爆破单响离；②传播途径上削减水击波超压的强度；③加强炮孔堵塞质量。

（3）空气冲击波与噪声控制措施。①合理布置爆破过程的抵抗线，爆渣抛掷方向一般为产生强烈空气冲击波的主方向，因此在拆除爆破工程施工中，均须将爆渣抛掷方向避开保护对象。严格按设计抵抗线施工、保证平整的台阶掌子面可防止强烈冲击波的产生。②保证炮孔的堵塞长度与质量，对裸露地面的导爆索用砂、土掩盖。③运用微差爆破技术来削弱空气冲击波的强度。实践证明，采用排间微差间隔时间为15～100 ms 的深孔微差爆破技术效果最佳。④用控制爆破方向及合理调节爆破时间来避免冲击波的破坏作用。爆破时间的选择，通常应避开人流大、活动频繁的时段。

（4）爆破飞石的控制方法。①优化堵塞结构与材料。炮孔堵塞必须要有一定的长度，一般取1 倍最小抵抗线，最短不得小于最小抵抗线的0.7 倍。堵塞材料可用砂粉或岩粉组成的炮泥，堵塞时要边堵边捣，堵塞要密实连续，堵塞材料中应避免杂石。②优化最小抵抗线方向及大小。最小抵抗线可以影响爆破飞石的飞行距离和飞行方向。实际施工时应根据爆破岩体的性质、飞石的安全距离，确定最小抵抗线的大小。抵抗线的方向所对应的临空面应朝向无人、无民房以及无高压输电线的方向。③覆盖爆体及架设隔离带。在爆体上铺设装砂草袋、炮被，可在爆源处控制飞石。此外，在被保护对象与爆破开挖区域之间可以架设一定长度及高度的防护排架作为隔离带，隔离带可以设置在爆区近处。防护排架主体采用钢管作为骨架，防护排架两侧面采用钢筋作骨架，钢筋焊接成格栅网格；同时在排架底层放置沙袋，排架内侧挂设竹笆，其表面附设金属网，从飞石的传播途径上进行阻断。

（5）水下爆破爆渣防护措施。混凝土坝改建段拆除过程中，在拆除III 区水下结构时，由于下游紧邻进水口段，爆破拆除区域距离进水渠底板斜坡段仅有16.5 m，爆渣易滑入厂房段，给出渣带来极大的难度。为防止爆破后的混凝土碎渣进入进水口，在紧靠箱涵末端位置设置高度为2 m 的防护网，以拦截爆渣。防护网共有两层，第一层为方格大小为10 cm的支撑钢筋网，第二层为方格大小为1～2 cm的密钢筋网，防护网后设置支撑结构支撑。

8 结语

采用理论分析、数值模拟及工程类比等方法，研究了桂平航运枢纽水电站扩机工程混凝土结构拆除爆破影响，确定了坝体混凝土拆除施工方案，以及爆破振动、水击波、噪声及飞石的安全控制标准，评价了爆破振动、水击波、噪声及飞石等负面效应的影响并提出了相应的控制措施，混凝土重力坝改建施工过程中，加强对预留混凝土结构质量的观察与监测，防止后续拆除混凝土的质量劣化；进行混凝土水下爆破拆除时，建议在坝体混凝土与箱涵混凝土之间设置支撑墩，在箱涵中心悬空部位设置竖向支撑结构，改善结构的动态应力状态，维护结构安全。