大型水利枢纽工程土石方开挖技术措施分析

王 思

（广东水电二局股份有限公司，广东广州 511340）



大型水利枢纽工程土石方开挖技术措施分析

王 思

（广东水电二局股份有限公司，广东广州 511340）

【摘 要】大型水利枢纽工程土石方开挖量大、形式多样、技术复杂。本文结合工程实例，对水下石方开挖、永久边坡开挖、结构基础岩石开挖、高强度大方量土石开挖进行了详细说明，并针对大型水利枢纽水下石方开挖的优化技术措施进行分析。

【关键词】大型水利枢纽；土石方开挖；技术措施

1　工程概况

水利枢纽是集防洪、航运、发电、补水压咸、灌溉等功效为一体的流域关键性工程。湛江市鉴江供水水利枢纽工程土石方开挖包括:一期（左岸）导流明渠、二期（右岸）导流明渠、左岸泄水坝基础（如下页图1所示）、左岸厂房基础、纵向围堰及其坝段基础、开关站土建工程以及相应的永久边坡锚喷等。其中土方开挖360.51万m3、石方开挖426.88万m3、填筑方30.15万m3（利用厂房、闸坝基础、左岸明渠开挖的土石料）。一期上下游横向围堰占压二期导流明渠和厂房尾水渠，必须在围堰填筑前开挖。工程土石方开挖需要的技术支撑包括:水下石方开挖、永久边坡开挖、结构基础岩石开挖、高强度大方量土石开挖等。

2　水下开挖的优化技术措施

2.1排水开挖

该工程水下开挖包括:一期右岸导流明渠水下部分石方开挖（222805m3）、二期左岸导流明渠围堰外水下部分石方开挖。

图1　左岸泄水闸闸坝基坑断面（单位:mm）

经计算比较开挖标高和河道水位情况可知，右岸二期导流明渠4月水下开挖深度3.87m，1月水下开挖深度2.00m。采取如下措施:

a.选择开挖时机:以河道水位较低的时段（1月）进行水下部分开挖，降低开挖难度并满足（渠底标高）开挖要求。

b.选择合适的开挖程序:沿设计渠底高程22.00m等高线填筑临时土质围堰→全面开挖至设计标高→拆挖临时土质围堰至渠底。

原地面高于26.00m的部分，先分层开挖至高程26.00m，高程26.00m以下水下开挖→沿临水边高程26.00m留岩埂→岩埂内高程26.00m以下旱地开挖至设计底部→岩埂外进行水下钻孔爆破开挖→岩埂开挖。

2.2水下钻孔爆破方案

对于无法进行临时围堰填筑实现旱地作业的部位，采用水下钻孔爆破措施。

2.2.1主要设施的选择

根据该工程的施工条件选用抗风浪、抗水流能力都较好，定位速度快且稳定性好的漂浮式炸礁船作为水下爆破的主要设施。纵向沿船边安装30m轨道，供钻机在轨道上灵活移动，配备手风钻机钻孔。

2.2.2爆破器材的选择

该工程选择防水性能好、爆能较高、运输使用安全系数大、价格便宜的乳化系列炸药，规格为主爆孔: φ32mm×180mm，150g/包。雷管选用8号铜壳毫秒延期非电导爆管雷管，并根据钻孔深度及起爆网络情况选用不同段别的雷管，以控制单段最大药量，连接网络后由起爆雷管引爆。导爆索选用安全可靠便于网路设计的防水导爆索。

2.3爆破设计

2.3.1钻孔直径及布孔形式

为便于钻孔定位、提高钻孔效率、有利于装药堵塞，采用垂直孔钻孔形式，主爆孔使用φ42mm钻头进行钻孔。爆破炮孔采用矩形布孔方式。

2.3.2炸药单耗计算

炸药单耗使用《工程爆破使用手册》（第2版）中瑞典计算公式:

q＝q1＋q2＋q3＋q4

式中 q——水下爆破单位耗药量，kg/m3；

q1——基本炸药单耗，其值为一般陆地梯段爆破单耗的两倍，对于水下垂直孔，再增加10%；

q2——爆区上方水压耗药增量（q1＝0.01h1，h1为水深）；

q3——爆区上方覆盖层耗药增量（q2＝0.02h2，

h2为覆盖层厚度）；

q4——岩石膨胀耗药增量（q4＝0.01H，H为梯段高度）。

爆区的岩石普氏系数为f＝10～16，垂直孔水下爆破基本单位炸药单耗1.2～1.5kg/m3；高潮位时，爆区水深1.5～2.0m，爆区上方水压耗药增量q1＝0.15～0.2kg/m3，爆区上方基本无覆盖层，不考虑覆盖层增量。

综合考虑以上各影响因素，水下爆破的炸药单耗: q＝1.35～1.65kg/m3。

2.3.3 爆破安全距离计算

该工程属于浅水爆破，主要考虑爆破飞石的危害，采用300m警戒范围进行清场警戒。

张连长脸板得像块湿木头:“下雨只不过是下雨,下再大的雨也还是下雨,不是下刀子!你们不是那些插队知青!他们一插队,不想当农民那也是农民了!你们叫兵团战士!是战士就得有点战士的样子!没有口令擅自行动,不是好战士!跑到仓库去的,都要受处分!”

爆破孔网主要参数如下:

a.单段起爆最大药量控制在100kg以内。

b.孔、排距1.0m×1.0 m。

c.每2～4排孔爆破一次，排与排之间分段爆破，每排2～4个孔分成一段。

d.加上超深0.5m，孔深为2.5～4.5m。

e.药径32mm，孔口0.5m不装药。

f.单孔药量按实际孔深和炸药单位消耗量计算。

2.4施工部署

该工程采用漂浮式钻爆船，船上手风钻机配备PVC套管，以利于炮孔稳定和便于装药，一次钻爆长度可达30m。

2.5施工流程

水下爆破流程如图2所示。

图2　水下爆破流程

2.6施工方法

2.6.1测量定位

钻爆船采用全站仪定位。施工前，记录好每排两端点坐标以利于下一次船舶驻位。根据轨道上刻度及孔间距定位每个钻孔的位置。

2.6.2震压套管及钻孔

钻孔通过定位准确后，将钻机架上的套管下放到水中并震动压实。根据套管上刻度及水位推算出岩面标高，配备相应长度钻杆，然后将钻杆顺套管下放直至钻头接触到岩面，钻杆带动合金钻头在套管内旋转冲击钻孔。

2.6.3制作药卷

根据套管上刻度及施工水位计算出岩面标高，再根据设计孔底标高及岩面标高计算出该炮孔孔深，孔深确定好后根据爆破设计方案制作药卷。该工程使用的是乳化炸药，规格为φ32×180mm，外包塑料薄膜可捏成各种形状。根据孔深确定药卷长度，分包装在同直径的化纤袋中，装好导爆索及非电导爆管雷管，用防水胶布密封好并系好炮绳。

2.6.4清孔测深、提起钻杆

根据施工水位和下至岩面的钻杆长度计算出岩面高程，并计算出钻孔深度。钻至预定深度后，来回提升钻杆，使用高风压空压机将孔内岩屑气举排出。钻孔清理干净后提起钻杆，使用测绳复测钻孔深度。

2.6.5装药填塞、拔管移动钻机

钻孔深度满足设计要求后，将提前制作好的药卷顺套管下到孔内。装药过程中，在炮绳上打个节以便检查炸药是否到达孔底，若未到达，则用炮棍压送到孔底。装药完毕后用碎石填塞把炸药压实。导爆管与炮绳间隔1m用胶布捆在一起，拔起套管，通过套管上孔将炮绳引至船上安全位置并系好。

2.6.6连接网络与起爆

根据设计要求及钻爆船施工特点，每个船位打1～4排孔，根据爆破设计要求，将每排孔进行分段联网，保证单段最大药量满足设计要求。每排分段好后再使用不同段号的雷管将各排联结成网络，由低段号到高段号排列，实现孔外、排间微差爆破。每个船位完成后，将各段号的雷管用4～5枚引爆雷管分别连接，最后用起爆雷管（导爆管雷管）连接。为防止起爆雷管在引爆时雷管碎片将导爆管炸断，影响起爆效果甚至造成炸药拒爆，起爆雷管聚能穴方向与导爆管传爆方向要相反连接并用一定的防水胶布缠紧。起爆网络全部联结好后，将钻爆船移至100m的安全距离外，用起爆器击发导爆管起爆雷管进行起爆。

2.6.7 水下开挖出渣

采用填渣退挖法。爆破作业从上游边缘逐步向下游方向作业，沿开挖区已经爆破的上游边缘填筑渣堤，PC650反铲挖掘机从渣堤外缘退挖，渣土挖填至后方，逐步向下游、岸边退挖。当集渣量积累太多时，用20t汽车运输出渣，直至全区域开挖完毕。在后退开挖渣土期间，需要紧密监测水下地形，对未达设计要求的部位，及时补挖。

3　永久边坡开挖

3.1测量放样、地形图复测

以施工控制网、设计图纸为依据，进行现场放样，测定开口线；在开口线范围内复测原地形图，报监理单位审核批准。

3.2开口线、坡顶截水天沟开挖

开口线测定后，对开挖范围内的植被、坟地进行清理。主要采用PC200反铲挖掘机开挖坡顶截水天沟，对于挖掘设备难以到达的部位采用人工开挖，开挖渣土弃于坝区开口线之内，伴随坝基开挖，弃渣运至弃渣场。

3.3 削坡下挖

土方开挖时，直接用反铲挖掘机开挖、削坡。土方边坡开挖接近设计坡面时，按设计边坡预留0.2～0.3m厚度的削坡余量，再人工整修至设计要求的坡度和平整度。

石方开挖时，边坡面采用预裂爆破法控制开挖边线，并设置2m厚的爆破缓冲区，以减少永久边坡受到的爆破震动。爆破缓冲区采用密孔少药量微差梯段爆破，缓冲区范围以外采用深孔梯段微差爆破。

4　结构基础岩石开挖

岩石开挖从上至下分层进行梯段爆破，爆破分层高度6m；主开挖区采用分段微差松动爆破。所有斜面基础均采用预裂爆破法开挖，同时斜面3m范围内设置为爆破缓冲区，并按照缓冲区的开挖工艺进行爆破开挖，缓冲区采用密孔少药量微差爆破；斜坡面采用预裂爆破，水平建基面采用手风钻钻孔预裂爆破。

在水平基底附近，保留大于2m厚的保护层，保护层采用手风钻水平孔光面爆破开挖。建基面的预裂或光面爆破、缓冲区爆破前需进行爆破试验，以满足建基面质量要求为前提，获取可行的爆破参数。

斜坡面预裂孔、主爆破孔采用液压钻机钻孔，进行深孔爆破开挖；大型设备难以到达的部位，采用手风钻钻孔，进行浅孔爆破开挖。

5　高强度大方量土石开挖

高程26.00m以上边坡，用1m3反铲挖掘机（PC200）从上至下逐层削坡开挖，土方开挖分层高度5m、石方爆破分层高度6m。渣土用挖掘机向外摔挖，推土机向外推送。从施工主干道路开挖一条7m宽的临时施工道路至开挖作业区，用3.5m3反铲挖掘机（PC650）铲装渣土至35t自卸汽车，沿临时施工道路向外运输出渣至弃渣场，或者利用渣土填筑上下游横向围堰。

石方开挖采用孔径90mm的液压钻机打孔，乳化炸药爆破，非电毫秒雷管起爆。在进行石方开挖之前，必须进行爆破设计，经监理单位审查、当地公安部门批准后方可实施。

在高强度开挖期间，按进度要求创造多作业区、有序施工条件，并维护施工主干道交通畅通；及时维修保养施工机械，保证施工设备等主要资源的有效投入。

6　结 语

随着水利工程建设规模的日益发展，一些大型工程的土石方开挖量常达到数千万立方米，因此，必须在满足设计要求、工程质量、施工安全和工期要求等条件下，通过技术经济比较，进行施工方案的优化选择。■

参考文献

［1］ 马志全.浅谈深基坑土石方工程施工［J］.山西建筑，2008 （34）.

［2］ 张华钿.浅谈土石方开挖及支护方案［J］.山西建筑，2004 （14）.

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［4］ 罗林峰，潘明杰，刘莹.非开挖技术在水库坝下输水涵管重建中的应用［J］.水利建设与管理，2014（11）.

［5］ 张建强.大型河道水下开挖方法与应用［J］.水利建设与管理，2008（10）.

DO l:1O.16616/j.cnki.11-4446/TV.2O16.O2.OO6

Analysis on earthwork and stonework excavation technology measures in large water conservancy hub Project

WANG Si
（Guangdong No.2 HydroPower Engineering Bureau Co.，Ltd.，Guangzhou 511340，China）

Abstract：Large water conservancy hub project is characterized by high stonework and earthwork excavation quantity，diversified forms and comp1icated techno1ogy.In the paper，engineering examp1es are combined for describing underwater stonework excavation，permanent s1ope excavation，structure foundation rock excavation，high strength and high quantity stone and earth excavation in detai1.Optimization technica1measures of underwater stone and earth excavation in 1arge water conservancy hub are ana1yzed.

Key words：1arge water conservancy hub；stonework and earthwork excavation；technica1measures

中图分类号：TV541

文献标志码：A

文章编号：1005-4774（2016）02-0021-04