水库输水洞水下岩塞爆破集碴坑设计及试验研究

韩 爽，杨 英，胡晓霖

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司科学研究院 吉林 长春 130061；2.水利部综合事业局 北京 100053）

水库输水洞水下岩塞爆破集碴坑设计及试验研究

韩 爽1，杨 英2，胡晓霖1

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司科学研究院 吉林 长春 130061；2.水利部综合事业局 北京 100053）

通过取水口水下岩塞爆破的集碴坑设计及模型试验研究，给出集碴形式的可行性、合理性。由试验现象和集碴效果分析得出：集碴坑进口纵向宽度的缩窄虽然更有利于岩碴在集碴坑内的堆积，但岩塞爆破中岩碴破裂程度具有不确定性，试验推荐集碴坑进口纵向宽度为11.00m 的布置方案。

岩塞爆破；集碴坑体型设计；影响集碴率的因素；丰满水库

1 工程概况

丰满水库输水洞取水口水下岩塞爆破，是吉林省引松供水工程输水总干线施工的一部分。取水口位于丰满大坝上游库区左岸，距大坝约 1.20 km。此处库岸地形向山内凹陷，形成低谷状，地形较缓，进口岩性为砂岩，上覆为碎块石含少量粘性土。地形坡度一般在 20°左右，进口洞轴线与岸坡平行状等高线交角在 70°左右，此处岩石完整，地质条件好。

2 集碴坑设计

2.1 爆破方案选定

目前水下岩塞爆破大致分三种：排孔方案、洞室方案和排孔、洞室联合方案。

由各方案特性指标及已往工程实例比较，选定排孔、洞室联合运用为此次实施的爆破方案。并确定岩塞口尺寸：内径 7.00m、外径 15.61m、岩塞厚度 9.80m。输水洞取水口设计流量 38.00m3/s。

2.2 封堵方式选定

水下岩塞爆破工程一般对取水洞采用封堵、半封堵和不封堵三种形式实施，这次爆破选用不封堵方式。不封堵爆破闸门井不产生井喷现象，对门槽、门楣安全有利，且节省水下清碴及拆除堵塞体的工作量。

2.3 集碴方式选定

岩塞爆破是一种水下控制爆破，对爆破后的岩碴处理主要为集碴和泄碴。

参考部分岩塞爆破实例和水下岩塞爆破的资料，泄碴爆破对输水洞底部的磨蚀十分严重，而采用集碴爆破可有效避免这种破坏。

2.4 集碴坑设计

集碴坑的形式大体分为矩型、平洞型、靴型，综合比较靴型布置集碴适宜本工程。

确定集碴坑剖面为城门洞型（洞高 5.65m，洞直径 7.00m）后，再依据集碴坑的容积，估算集碴坑总长度为45.00m。

3 研究基础

水下岩塞爆破是爆后极短时间内的水体运动，是一种非常复杂的演变过程。其运动中各种作用力存在的情况和发展规律，难以用计算和分析的方法彻底解决，而试验研究和原型观测是深入研究的较好方法和手段，为此针对上述初步设计选定在比尺 25的正态模型上开展试验。

3.1 岩塞模拟

丰满水库取水口水下岩塞爆破试验研究，仅考虑水流运动状态的相似即水力学的相似，对岩塞的岩石结构特性、爆破药量、爆破力以及因爆炸所导致的上、下抵抗线等均不做模拟。

试验研究对岩塞的模拟有两种方法：一是胶结模拟、二是松散模拟。而原型观测的爆破实例比较两种模拟方法都能基本反映水流岩碴运动的实际情况，集碴坑内堆碴的曲线、形状也基本一致。此外试验选用的模拟岩碴的碎石密度与原体碎石密度基本一致。

3.2 岩塞方量模拟

取水口水下岩塞爆破后，破碎岩石的体积由两部分组成：即岩塞体积、覆盖层体积。试验模拟上述两部分构成：其一岩塞体积的模拟即考虑松散系数后实际体积取 1649.14m3；其二覆盖层体积的模拟，虽然岩塞口上方覆盖层多为碎块石组成，但其组成中含有 20%～30%的粘性土，碎石的形状又多为次棱角和棱角形，不如岩石那么致密，因而对该体积方量不再考虑松散系数。试验模拟的总方量取其上述两部分之和为 0.155m3（工程实际方量为 2420m3）。

3.3 岩碴级配模拟

岩塞爆落后形成不同粒径的岩碴，其级配对集碴坑的集碴效果、集碴部位分配、泄碴对输水洞洞体等都有直接影响，因而岩碴粒径级配直接关系到试验成果的可信性、准确性。

这次岩塞爆破的单位耗药量 K=1.8kg/m3、总药量 Qt=1466.30kg、岩塞口岩石强度系数 A=6，则初步估算岩碴中值粒径 d50=12.64cm、d0=18.67 cm（n=0.94）。

3.4 爆破模拟

试验研究依设计爆破的成形尺寸，用钢筋混凝土筑成固定边界，然后用玻璃布置在岩塞体的底部用以顶托模拟的岩塞体。岩塞体用设计提供的爆落岩碴尺寸，按几何比尺缩放后筛选的碎石填充，数量为计入松散系数后的自然方量、覆盖层方量的总和，试验瞬时击发预埋起爆物，炸碎玻璃后岩碴爆落，用来模拟原型岩塞的爆破过程。

4 试验研究成果

4.1 设计方案

4.1.1 集碴率

由 3 种不同库水位集碴坑的集碴率（表 1）分析：爆破水位对集碴效果影响不大（水位相差21.50 m，集碴率相差仅 3%）。此外未观测到有散落的碎碴被水流携带进取水输水洞的现象，说明集碴坑的坑底高程和位置等设计的比较合理。

表1 不同爆破水位下集碴坑的集碴率

4.1.2 碴坑积水对集碴率影响

当岩塞爆破后岩碴在爆破冲击力、岩碴自重和水压力的多重作用下，被急速送入集碴坑时，若受到了碴坑内积水的顶托和反向冲击，将导致集碴坑内的岩碴数量减少。如爆破水位相同、集碴坑内积水 1.0m 厚时，集碴率减小了 5%～7%。

4.2 修改方案

为提高集碴坑的集碴率将原集碴坑进口宽度适当缩减，但“舌岩”的厚度不变。

缩窄岩塞口的纵向进口尺寸后，实施水下岩塞爆破，减弱了水流在此区间的纵向旋滚强度，相应的减小了水流裹挟岩碴进入取水输水洞以及受下泄水流砸击先期沉落的岩碴，而引起翻滚之后上旋的能力。使岩碴堆积量在集碴坑内沿程都有不同程度增加，如在同一爆破水位下比设计方案提高了 5%。

4.3 推荐方案

由试验现象和集碴效果分析：

1）集碴坑进口纵向宽度的缩窄虽然更有利于岩碴在集碴坑内的堆积，但岩塞爆破中岩碴破裂程度具有不确定性，试验推荐集碴坑进口纵向宽度为11.00m 的布置方案。

2）落入集碴坑内的岩碴受爆落后的反向外力作用，将对集碴率产生不利的影响。而近 50.00m 长的集碴坑在岩塞爆破瞬间必然有大量的空气难以瞬时排除。为此试验建议在集碴坑坑尾部上方设置直径不小于 0.30m 的排气孔与取水输水洞（最好在闸门井后，便于岩塞爆破后的封堵）或是施工时的出碴洞相联通，有利于岩碴的沉积。

4.4 闸门关闭时间

水下岩塞爆破后为减少库容损失，应及时顺利的将闸门关闭，因而合理的确定闸门关闭时间十分重要。

分析水下岩塞爆破对闸门主要影响因素为：地震波、空气冲击波和气浪及岩碴。参考国际和国内岩塞爆破后闸门的运行情形，地震波对平板闸门的作用是安全的；空气冲击波是炸药爆破后高压气体引起的，与装药量和爆破指数大小以及隧洞结构尺寸因素有关，并随着传播距离增加而逐渐衰减。因而只引起闸门的局部振动，对闸门整体无大影响；气浪压力主要是由于岩塞爆通后，水体突然泄入洞内推赶空气形成所谓的活塞效应造成的。因此岩塞爆破后泄流过碴时，对门槽防护需认真考虑。门槽和闸门井门楣处，需按防护设计考虑，以便采取妥善的防护措施。

丰满输水洞取水口水下岩塞爆破，采用聚碴开门爆破方案，大多数岩碴都存在聚碴坑内，但仍有部分岩碴通过隧洞泄到下游，并且零星的岩碴流经门槽时极有可能产生卡阻现象，而影响闸门的关闭。为使闸门在水下爆破后顺利关闭，可安装一种门槽的钢闸门框，预先填平门槽以避免门槽的卡阻。待水下爆破后，再将其提升上来。此外岩塞爆通后，应待洞内流态稳定、水流基本不携带岩碴的前提下关闭闸门。如何确定水流不携带岩碴，可吸取密云水库岩塞爆破经验，在工作闸门底坎埋设安装拾音器，监测石碴通过情况，掌握岩碴通过闸门段的开始和结束时间。

5 结论

1）岩塞爆破后岩碴级配、集碴坑是否积水对集碴坑布置形式和集碴率有直接影响。此外为提高集碴率，可在集碴坑尾部上方设置直径不小于0.30m 的排气孔与取水输水洞或施工的出碴洞相联通。

2）爆破水位对集碴坑的集碴效果影响不大，但试验研究难以模拟爆破能量，因而力的大小及爆破时，库区内涌起水浪高度等难以达到定量的相似，应综合考虑相关因素确定合理的爆破水位。

3）三种库水位下集碴坑内没有岩碴被裹挟进取水输水洞的现象发生，集碴坑设计比较合理。

4）岩塞爆破后关闭闸门的时间，可通过在工作闸门底坎下预埋拾音器监测岩碴通过闸门段的结束时间来确定。同时可采用钢闸门框预先填平门槽，避免爆破后破碎岩碴对门槽的卡堵，待爆后再将其提升上来。

5）建议关闭闸门后对其后的输水洞进行必要的清理。

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2013-11-11