水电站扩机工程挡水围堰拆除施工

景 通

（中国水利水电第十一工程局有限公司 河南 郑州 450000）

1 工程简介

卡里巴水电站位于赞比亚和津巴布韦两国交界的赞比西河中游的卡里巴峡谷内，枢纽包括一座混凝土双曲拱坝、泄洪闸、两岸地下厂房等，其中北岸电厂位于赞比亚境内，装机容量60万kW，南岸电厂位于津巴布韦，装机容量66.6万kW。水电站大坝最大坝高128m，水库总库容达1840亿m3，调节库容640亿m3，是世界上蓄水量最大的水库之一。为了缓解赞比亚国内电力匮乏的现象，赞比亚国家电力公司决定对北岸电厂进行扩机施工，再增加2台18万kW混流式水轮发电机组，因此扩机施工除了对现有厂房进行扩挖施工外，还需要对进、出水口，引、尾水系统等进行重新开挖。

进水口围堰位于水电站左岸库区以内现有发电进水口上游两座山谷的冲沟沟口，由于多年的冲积，使该区域存在约5m厚的覆盖层。为了加强围堰的防渗效果，在进口引水明渠开挖施工前，先对围堰进行了高喷防渗墙施工。围堰体形参数：横断面为倒梯形，底宽42.3m，上口宽约60.3m；左岸边坡坡比1∶0.5～1∶0.75～1∶1.2逐渐过渡；右岸边坡坡1∶0.5。纵向长度约65m（CH0-55～CH0-120）、高差 20m（EL.468.5～EL.488.5），围堰拆除时水位高程为EL.485.0，拆除总方量约5万m3。

2 围堰区域的岩石条件

围堰区域地层岩性主要以寒武系黑云母片麻岩和长石石英岩为主，黑云母片麻岩常常以较大的蜂窝状或囊状块体夹在长石石英岩中，风化相对较强，表层为第四系全新统松散堆积物。根据前期的钻孔探测，本区域覆盖层厚度5m左右，为含块、碎石沙土层，其中碎块石含量约5%～10%，块径一般5cm～10cm，最大的块径超过1m，成份以黑云母片麻岩为主，少量石英岩；所夹沙土以中粗沙为主，含量35%～40%，稍密，较湿。覆盖层整体结构松散，应属中等～强透水层。下伏基岩为黑云母片麻岩，岩体风化深度较大、卸荷比较强。

3 围堰施工的基本方案

根据现场施工需要，进水口挡水围堰分为三期进行施工（见图1）。

图1 挡水围堰分期开挖示意图

3.1 一期围堰

将纵向桩号为CH0-55～CH0-70的区域定为一期围堰。由于开挖时进水口区域混凝土施工尚未全部完成，所以施工过程中对爆破振动要求非常严格。爆破过程中稍有不慎，轻则因防渗墙被破坏出现大量渗水，从而导致排水费用增加；重则围堰垮塌，造成整个进水口区域施工停止，这将对整个工程造成难以弥补的损失。为了施工安全考虑，一期围堰采用手风钻钻浅孔、小药量爆破、薄层剥离的方式进行爆破施工，施工时必须保证围堰防渗性能及围堰稳定。爆破渣体由反铲配合15T自卸车从进水口施工便道运至弃碴场。

3.2 二期围堰

将纵向桩号为CH0-70～CH0-86.75（即高喷灌浆墙中心线）的区域定为二期围堰，开挖高度约17m。在二期围堰爆破前，整个进水口区域的混凝土施工均已完成，为了保证爆破质量及减少三期水下爆破开挖量，二期围堰开挖采用一次性爆破完成的方式进行。为了保证二期围堰一次性爆破成功，爆破设计选取了以水平孔为主的方案进行施工。由于二期爆破方量大、炮孔数量多、炸药用量大、周边的建筑物的被保护级别高，所以对爆破网络设计及施工精度提出了更高的要求，整个爆破过程不允许发生重段和串段现象，必须按照设计的起爆顺序、在设定的起爆时间内全部起爆，因此整个起爆网络设计非常复杂，为此项目部引进了非洲AEL炸药公司提供的高安全性、精准起爆的数码雷管起爆系统。同时为了防止飞石对周边设施的破坏，爆破前必须对整个围堰基坑的内部充满水，起爆时火工材料已经全部处于水中，所以爆破过程对爆破器材的抗水性能也提出了更高的要求，在爆破前必须对爆破器材的防水性能做了一系列的试验，确定达到工程要求后才使用。二期爆破完成后，首先采用长臂反铲配合15t自卸汽车对水面以下5m范围内的碴体清运至指定的弃碴地点，对于水深超过5m的区域，爆碴则采用水上抓斗船配合运碴驳进行清运，并运至指定的弃碴地点。在清挖二期围堰爆碴的过程中，同时也需要对三期围堰顶部的覆盖层全部进行清挖，以备三期围堰水下钻爆施工。

3.3 三期围堰

将纵向桩号为0-86.75～CH0-120的区域定为三期围堰，此区域全部为水下钻爆施工。采用水上钻孔平台船进行钻爆施工，为了保证周围建筑物的安全，最初采取单排浅孔方式开挖，根据爆破安全测试结果再确定是否增加爆破排数及孔深。钻孔爆破完成后，采用水上抓斗船配合运碴驳对开挖区域内的爆破碴体进行清运，并清运至指定的弃碴地点。为了降低爆破单响药量，三期围堰必须分层进行施工，在施工中也是按钻爆一层，清运一层的方式循环进行，直到整个围堰底部达到设计要求的标准。

4 主要爆破参数

4.1 一期围堰爆破参数

一期围堰采用手风钻钻垂直孔的方式进行施工，钻孔直径Φ42mm、孔深h=2m～2.5m、孔距 a=1.5m～2.0m、排距 b=1.0m～1.5m，装药直径φ32mm，堵塞长度L=1.0m，装药长度l=1.0m～1.5m，单孔药量Q=1.0kg～1.5kg，单孔单响。

4.2 二期围堰爆破参数

（1）底板及边坡边界的水平预裂爆破参数

采用100B潜孔钻钻孔，钻孔直径Φ76mm、孔深h=3m～14.5m、孔距a=0.6m、装药直径为 3φ18mm～4φ18mm，堵塞长度L=1.0m，线装药密度q=540g/m～720g/m，最大单孔装药量Q=3.5kg～10.6kg，两孔一响，最大单响药量20.8kg。在临近现有进水口、大坝的右岸边坡及底部10m范围内，预裂孔距减小为40cm，以起到减小单响药量及加强隔振的作用。

（2）围堰内水平孔爆破参数

采用100B潜孔钻钻孔，钻孔直径Φ76mm、孔深h=3m～14.5m、孔距a=1.5m、排距b=1.5m、装药直径φ65mm，线装药密度q=3.714kg/m，堵塞长度L=1.5m。为了减小爆破震动对临近建筑物的破坏，对于孔深h≥7m的爆破孔，则按一孔两响的方式装药；孔深h＜7m的爆破孔则采用单孔单响的方式装药，最大单孔装药量Q=41.6kg，最大单响药量20.8kg。

（3）防渗墙垂直钻孔爆破参数

采用100B潜孔钻钻孔，钻孔直径Φ76mm、孔深h=7m～12m、孔距a=1.0m、装药直径φ50mm，线装药密度q=2.0kg/m，堵塞长度L=1.5m。最大单孔药量Q=24kg，最大单响药量24kg。

4.3 三期围堰水下钻孔爆破参数

初始参数：钻孔直径Φ90mm、孔深h=5m、孔距 a=2.0m、排距 b=2.0m、装药直径φ65mm，堵塞长度L=2.8m，装药长度l=2.2m，单孔药量Q=9kg，一次钻孔爆破1排，单孔单响。同时进行爆破振动、水击波测试，根据测试数据判断是否安全，再确定增大钻孔深度、排数及单孔药量。根据施工过程对爆破振动、水击波的测试，爆破参数最终调整为孔深7m，单孔药量18kg，一次性最多起爆2排孔。通过参数调整，缩短了三期围堰的拆除时间，为项目实现发电目标鉴定了基础。

5 数码雷管起爆系统在二期围堰爆破中的应用

数码雷管起爆系统由可编程的数码雷管和控制设备（编码器和起爆器）组成。编码器用于联网前设定每一个数码雷管的孔号信息和检测每一个数码雷管的完好情况。起爆器根据每一个数码雷管导入的位置信息进行数码雷管的爆破延时的设定、检测编码过程中错误的位置信息和修改必要的爆破延时及整个爆破网络的连接及和起爆网络的点火，可以实现对起爆时间的精确设计和控制。

由于二期围堰需要一次性爆破完成，爆破钻孔多，装药量大，而且爆破区周边的建筑物被保护的级别高，所以对爆破振动及水击波控制要求更严格，施工时使用了南非AEL炸药公司生产的DigishotTM型数码雷管起爆系统。一次性拆除开挖总量约18000m3，钻孔共计403个，其中水平预裂孔129个，水平主爆孔222个，高喷防渗墙垂直孔52个，共使用炸药8300kg，数码雷管876发，导爆索14572m，整个爆破过程总延时为9962ms。其中水平主爆孔孔深大于7m时，孔内分2段起爆，孔内炸药均使用2束导爆索串联，爆破最大单响药量为20.8kg，爆破网络图见图2。

图2 二期围堰爆破网络示意图

表1 二期围堰爆破各测点监测的爆破震动速度监测值表

二期围堰爆破各测点监测的爆破震动速度监测值如表1。

从整个爆破过程中振动监测结果来看，各测点的最大振动速度均小于电站区域内业主要求的最大值，同时小于水利水电施工规范所要求的最大值，确保了爆破区周围建筑物的正常运行。

6 结语

赞比亚卡里巴北岸水电站扩机工程的进水口挡水围堰拆除施工，从2011年11月份开始，到2013年9月份结束，经过大约20个月。从一期围堰开挖开始，到三期围堰爆破及爆碴清运完成，总方量50000多方，总爆破次数85多次。无论是质点振动速度的控制还是水击波的控制均没有影响现有进水口的正常运行，保证了扩机工程的正常施工，同时保证了原有机组的正常运行，从而说明所采用的围堰拆除施工工艺、分期方式、爆破设计都是合理实用的。陕西水利

[1]吴新霞，赵根，王文辉等.数码雷管起爆系统及雷管性能测试[J].爆破.2006,23（4）:93～96.