某引水工程取水口围堰和预留岩坎拆除爆破

孙云峰，李 冲，孟 涛，易清元

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，长沙 410014)

1 工程概况

某引水工程位于湖南省内，分近期(一期)、远期(二期)、远景(三期)建设。其中，近期按30万t/d设计，按40万t/d校核[1]。一期工程从已建水库开凿隧洞，净水采用重力直流方式，输送到供水城区。工程于2016年1月1日开工建设，工期为36个月，投资约为12亿元。建设内容包括取水口及引水隧洞、净水厂和输水管道3部分。已建水库正常蓄水位282.50 m，死水位239.50 m，正常蓄水位相应库容81.20亿 m3，死库容28.70亿 m3，为多年调节水库。

本工程取水口布置在水库右岸，采用岸塔式取水口，分别设置有拦污栅、叠梁闸门、检修闸门等，取水口塔体底板高程243.00 m，顶高程296.50 m。在施工期，取水口建筑物采用预留岩坎加混凝土围堰方式进行挡水[2]。挡水围堰级别为4级，按全年施工进行挡水设计，洪水标准采用1 000年一遇洪水标准，相应水库水位286.500 m，相应洪峰流量为15 000 m3/s。

图1 取水口围堰和预留岩坎Fig.1 Cofferdam and reserved rock ridge of water intake

2 工程难点

1)水下爆破部分深度较深。根据已建水库1942年～2011年共70年径流系列月径流调节计算成果，水库多年平均水位274.00 m，约有35年可蓄至正常蓄水位282.50 m或汛期防洪限制水位281.50 m，根据全年1～12月中3月份的水库水位最低，约有45年的3月份降至年消落水位271.50 m附近运行。根据已建水库5年一遇径流下水库各月最高水位统计分析，全年1～12月中3月份的水位最低，其水位为272.00 m，由此确定预留岩坎顶高程为272.50 m，比3月份的最高水位略高。若遇水库多年平均水位274.00 m，围堰和预留岩坎共计33.00 m处于该水位以下，水下爆破部分深度较深。

2)预留岩坎拆除方量大。围堰和预留岩坎总高度46.00 m，预留岩坎纵剖面近似为梯形，形成梯形形状较“胖”，底部最宽约76.78 m，对应的顶部宽约14.00 m，且受两侧岸坡及底部三面约束。岩坎本身岩性为坚硬的花岗岩，中间沟槽夹制作用大，拆除困难。围堰和预留岩坎总方量约为2.1万m3，拆除方量较大。

3)周边的建筑物保护难度大。预留岩坎距离本工程的取水口塔体较近，其下游坡脚距塔体上游边缘最小距离为8.00 m。取水口塔体后边坡为一高陡边坡，高约80 m，覆盖层和全风化的厚度较深，预留岩坎距离取水口边坡亦较近，最小水平距离约39 m。爆破时需关闭闸门，闸门、拦污栅等金属结构的保护难度大。另外，预留岩坎毗邻已建大坝，距大坝右坝头直线距离约460 m，距二级放空洞最近处约255 m，距右岸帷幕最近处距离为200 m。因此距离已建大坝的重点部位均较近，预留岩坎爆破时引起的振动可能对已建大坝产生影响[3]。

4)预留岩坎一次性爆破时需降低水库水位，已建电站的电能损失较大。已建水库为多年性调节水库,水库库容巨大。若预留岩坎采取一次性拆除爆破，遇已建水库水位较高时需降低水库水位，已建电站的电能损失巨大，当采用已建大坝闸门下泄方式降低水位时，平均电量损失约为3亿度。

5)爆破时，岩坎淹没水深较深，对火工品材料的性能和爆破网路要求高。因为岩坎开挖揭露的地质条件、水库运行水位、岩坎的形状与周边环境的复杂情况，所以在岩坎拆除过程中，对火工品材料的性能、起爆网路的可靠性有着极高的要求。

3 爆破方案

3.1 爆破范围

本次拆除将左、右侧纵向围堰保留，仅围堰顶部高程由287.00 m降至283.00 m，横向围堰全部拆除。预留岩坎位于取水口塔体前面，其开挖完成后近似一条引水渠，渠道断面上部为梯形、下部为矩形。引水渠沿塔体中心线全长约84.80 m。渠道底部高程介于241.00～242.00 m之间，底宽8.50 m。围堰和预留岩坎拆除爆破平面范围如图2所示。

图2 围堰和预留岩坎拆除爆破范围Fig.2 Demolition blasting scope of the cofferdam and reserved rock ridge

3.2 爆破前的必要条件

取水口塔体后接引水隧洞，引水隧洞设置了2条施工支洞，其出口接净水厂。为确保工程安全和防洪、度汛的要求，取水口塔体施工完成后，检修闸门下放至取水口塔体闸门的门槽，并启闭运行和验收，之后再进行混凝土围堰和预留岩坎的拆除爆破。

3.3 爆破分区

混凝土围堰和预留岩坎拆除爆破方案采用自上而下的分层、分区爆破方案。根据预留岩坎稳定分析成果，预留岩坎高程272.50 m以下部分适当削薄[4]，以降低岩坎的拆除难度。围堰及岩坎拆除总高度46.00 m，从287.00 m到241.00 m共分6个区进行分区拆除[5]，围堰和预留岩坎拆除爆破分区如图3所示。

图3 围堰及预留岩坎拆除爆破分层分区Fig.3 Demolition blasting layered and zoned in the cofferdam and reserved rock ridge

1)在确保围堰和预留岩坎稳定情况下，第Ⅰ区为岩坎外部削薄部分，从水库侧向取水口塔体侧拆除爆破。

2)第Ⅱ区为高程287.00 m到272.50 m之间横向围堰，拆除高度14.50 m。

3)第Ⅲ区为高程272.50～260.00 m范围内岩坎，拆除高度12.50 m。该区拆除方量较大，是爆破的重点。

4)第Ⅳ～Ⅵ区为高程260.00～241.00 m范围内岩坎，拆除高度为19.0 m，共分3个区，拆除高度分别为6.0、6.0、7.0 m。

3.4 爆破设计

3.4.1 第Ⅰ区(岩坎外部削薄部分)

1)主爆孔爆破参数。根据装药要求，钻孔孔径不小于90 mm，孔距1.5 m，排距1.5～2.0 m。炸药单耗1.3～1.7 kg/m3，炮孔采用袋装砂填塞，填塞长度1.0～1.4 m。

2)采用非电接力式起爆网路，控制最大单段起爆药量不大于100 kg。

3)爆破器材。对炸药的基本要求是：炸药密度大于1 100 kg/m3，炸药爆速大于4 500 m/s，做功能力大于320 mL，猛度大于16 mm，殉爆距离大于2 倍的药径。药卷采用乳化炸药。乳化炸药具有抗水(5 d)、抗压(3 kg/cm2)性能，起爆、传爆性能好。导爆索采用防水型导爆索。

3.4.2 第Ⅱ区(横向围堰)

第Ⅱ区为混凝土围堰，其横剖面上窄下宽，高度较高，因此选用分层爆破方案，即自上而下分层爆破。由于斜孔控制难度大，采用垂直钻孔方式，共分5层(见表1)。

表1 混凝土围堰拆除分层

1)围堰拆除时单响药量不大于27.7 kg。根据经验所得炸药单耗K取0.25 kg/m3，并根据实际情况调整。单个炮孔装药量为0.9 kg。

2)装药结构。当钻孔深度L≥1.5W(W表示最小抵抗线)时，应采用分层装药，L=(2.6～3.7)W时，单孔装药量Q分为3层装药，分别为上部0.25Q，中部0.35Q，下部0.4Q。

3)网路布置(见图4)。孔内雷管采用MS15，孔间雷管采用MS2，排间雷管采用MS5。

图4 网路布置Fig.4 Layout of the network

3.4.3 第Ⅲ区(岩坎)

1)主爆孔爆破参数

a)钻孔孔径。考虑到岩坎的岩石坚硬，为便于后期水下清渣，采用φ70 mm乳化炸药，钻孔孔径选取φ90 mm。

b)孔距和排距。预留岩坎分左右两部分先后进行拆除。左侧部分的倾斜孔距2.0 m，排距1.0 m。右侧部分主爆孔的排距为2.0 m×2.0 m。预留岩坎两侧上、下游边坡手风钻浅孔孔、排距为1.0 m×1.0 m，手风钻浅孔与主爆孔之间孔距1.5 m，排距1.0 m。

c)爆堆形状和爆破块度。因为预留岩坎拆除立足于水下机械挖渣，所以一方面要使爆渣具有适合挖渣的块度，另一方面要使爆堆具有合理的堆积体型，不至于过度飞散，不利挖渣。最大爆破块度按50～60 cm设计，主体块度分布在30～40 cm间，由于细颗粒在水下并不方便捞渣，因此小于10 cm的细粒料控制不超过5%。因为围堰及预留岩坎为检修闸门下闸关门爆破，不需要爆破瞬间的水流冲渣，因此不限定爆堆的最低高程，以最适合机械清渣的爆堆形状和爆堆位置来进行设计。又由于采用迎水面首先起爆的开口方式，受水压影响，向前的抛掷有限，因此爆堆以原地堆积为主。

d)炸药单耗。岩坎基岩为燕山期侵入岩—中粗粒花岗岩，坚硬均一。正常的花岗岩岩石破碎单耗为0.5～0.6 kg/m3；爆渣的平均块度按30～40 cm 控制，所需要的单耗为0.8～1.0 kg/m3；考虑迎水面的压渣及水压条件影响，按目前的孔、排距，炸药单耗在1.0～1.5 kg/m3之间。同时根据KUZ-RAM块度预报模型[6]，主体块度按照0～40 cm控制时，底部基岩的炸药单耗也应大于1.5 kg/m3，考虑取水口有很多保护物，所以选取炸药单耗为1.5 kg/m3。

按此炸药单耗，爆渣的平均块度可控制在30～40 cm之间，此块度的爆渣为水下机械清渣提供了方便。

2)装药结构

a)主爆孔装药结构。主爆孔采用φ70 mm乳化炸药连续装药结构，在装药段1/3 和2/3 处各设置1发非电高精度雷管起爆。

b)光爆孔装药结构。两侧边坡及后边坡光爆孔采用φ32 mm乳化炸药不耦合装药结构，线装药密度600 g/m左右，孔口填塞1.0 m，采用双股防水导爆索将φ32 mm乳化炸药药卷绑扎在竹片上成串装的装药结构，孔内放1发非电高精度雷管起爆。

c)单孔装药量。单孔装药量由于孔深和填塞长度变化较大，最小单孔装药量仅1.2 kg，最大单孔装药量为54 kg。

d)填塞长度。对于孔、排距为2.0 m×2.0 m的炮孔，填塞长度取2.0 m，用黄泥或袋装砂进行填塞。

3)起爆网路

起爆网路采用高精度非电复式起爆系统。孔内起爆雷管选择1 025 ms延时雷管，排间传爆雷管选择42 ms的雷管。

4)岩坎两侧边坡炮孔爆破参数

为确保岩坎两侧边坡稳定，在岩坎左右两侧布设1排预裂孔，钻孔孔径φ90 mm，排距均为1.0 m(见图2)。采用φ45 mm 震源药柱连续装药，水深超过6.0 m时，可不填塞。

3.4.4 第Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ 区(岩坎)

采用垂直钻孔方式，孔径定为φ90 mm，爆堆形状和爆破块度与第Ⅲ区的要求相同，炸药单耗亦取1.5 kg/m3，孔、排距为2.0 m×2.0 m，超深1.5～2.0 m。炸药为高密度、高威力的铵梯型震源药柱，根据孔深，各孔内连续装φ70 mm的高密度铵梯型震源药柱，避免对药柱进行切割。为保证孔内装整节数的药柱，靠近孔口位置不装药。采用非电导爆管雷管起爆网路，为了确保每个孔的准爆，每孔装2发非电导爆管雷管。

岩坎两侧边坡炮孔爆破参数同第Ⅲ区一样。

4 爆破施工

2017年8月1日～2017年12月10日，预留岩坎第Ⅰ区拆除爆破。在施工中，第Ⅰ区根据水深、水下地形、爆破振动监测和方便清渣等因素被分成若干个小块先后进行爆破和清渣。施工内容主要有水下爆破和水下清渣。水下爆破施工工艺主要为：水下钻孔、装药、填塞、连线及起爆。

1)定位。施工前进行严格的水下钻孔施工技术交底。按照设计图纸进行钻孔测量定位并编号，监理工程师复测合格后开钻。

2)钻孔。采用潜孔钻机，钻头在套管内钻孔，达到设计深度后采用测斜仪及时对钻孔角度进行校对，以纠正偏差，确保钻孔质量。若出现异常现象，立即停止钻进。确定处理方案，处理完毕后，重新钻孔。

3)装药、填塞。验孔合格后将准备好的药柱装入孔内，装完后检验炸药是否到位，检验合格后进行填塞，填塞长度1.0～1.5 m。

4)联网、移船、起爆。待爆破区的爆破孔联网后，移动水面上工作船，撤至安全区并引爆。

水下清渣施工工艺主要流程为：搭建水下清渣平台、布缆绞锚定位、下斗挖渣、石渣装驳、运输卸渣。具体的施工是先将6.0 m×3.0 m×1.5 m的钢制浮箱吊运至施工水域，并进行水面拼装(组装成施工船舶)，再用25 t旋转吊配2 m3梅花挖石抓斗至船上集渣斗内，然后用10 t塔机吊运至岸上10 t自卸汽车内，运至弃渣场堆弃。

2018年8月15日，取水口混凝土塔体浇筑完成，检修闸门安装调试完成并验收，因此围堰具备拆除条件。第Ⅱ区的混凝土围堰进行了拆除爆破，拆除高度14.50 m。本区为陆地爆破和陆地清渣。陆地清渣是先用长臂钩机清渣及转运(1 km之内)，再用短臂钩机进行装车。

第Ⅲ区由于拆除工程量较大，以取水口塔体中心线(顺水流向)为界分成左右侧两部分。爆破时水库水位约为267.00 m，低于预留岩坎顶高程272.50 m，故预留岩坎的钻孔和装药在干地施工，爆破完成后水下清渣。爆破施工工艺主要为：施工前准备→设计布孔→测量定位→钻孔→装药→填塞→连线→起爆。清渣施工工艺同第Ⅰ区的工艺。2018年8月16日～2018年8月29日，本区右侧部位先行拆除爆破，之后进行了水下清渣。2018年10月10日～2018年10月30日，预留岩坎本区左侧部位拆除爆破，之后进行了水下清渣。

2019年3月10日～2019年5月30日，第Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ区相继拆除爆破和水下清渣。施工过程中已建水库水位约为267.50～269.00 m。

5 振动监测与飞石控制

1)振动监测。混凝土围堰和预留岩坎爆破时，在取水口和附近的已建大坝共布置有13个监测点[8]。其中在取水口边坡高程296.00 m马道、取水口塔体叠梁门库门槽分别布置了振动监测点，其余监测点分别布置在已建大坝部位。爆破前在各测点埋设仪器。

在围堰和预留岩坎拆除爆破的同时，完成了相应的爆破振动监测。根据监测结果，取水口边坡高程296.00 m马道监测的爆破振动速度为0.63～3.79 cm/s，取水口塔体叠梁门库门槽监测的爆破振动速度为0.59～4.23 cm/s，均小于爆破振动速度控制值10 cm/s；右岸二级放空洞启闭机房监测的爆破振动速度为0.03～0.37 cm/s，小于爆破振动速度控制值5 cm/s；其余监测点未触发或监测数据远小于爆破振动速度控制值。

2)飞石控制。在岩坎拆除爆破施工时，为防止岩坎拆除过程中的滚石和水石流(水和爆炸的混合物)冲击取水口塔体，在塔体前竖向布置简易叠梁门[7]。简易叠梁门从塔体底部高程242.00 m到高程290.00 m进行布置，其结构为钢框架竹排结构。钢框架采用工字钢和槽钢焊接组成。钢框架里面铺设一层竹跳板，竹跳板表面(迎水面)铺设两层土工布。在简易叠梁门安装完成后，采用20 mm 厚的橡胶垫充填在简易叠梁门与塔体拦污栅边墙之间，减弱叠梁门对塔体混凝土的挤压破坏。

为减弱岩坎爆破时对塔体产生的水平方向作用力，在岩坎和塔体之间的空腔从塔体底部高程242.00 m到高程272.00 m充填细砂。拆除爆破完成后利用泵进行抽砂和转运。

6 结语

1)本工程取水口混凝土围堰和预留岩坎拆除爆破经历一年多时间的精心施工，严格执行拆除爆破方案，控制爆破参数和优化爆破网路，爆破时进行爆破振动监测，安全有效地完成了拆除爆破，达到了预期的目的。

2)在爆破施工中保证了周边建筑物的安全，同时确保了按期取水。

3)由于取水口混凝土围堰和预留岩坎总高度大，位于大型水库的岸边，预留岩坎水下淹没深度较深，因此选择分层分区爆破方案，从而解决了拆除爆破时水库水位较高而不需人为降低水库水位的难题。