围堰分洪爆破拆除及冲渣技术研究

雷 荣

（中国葛洲坝集团第一工程有限公司，湖北宜昌443002）

围堰分洪爆破是一种特殊条件下的拆除爆破，大多数情况下,围堰爆破后不具备挖渣条件,需要靠水流冲渣，必须保证一次完成拆除。不能留下根底,并要保证周边其他建筑物的安全[1]。刘美山等以小湾水电站导流洞围堰爆破拆除为例，总结分析了爆破拆除过程中面临的关键问题，如爆破振动、冲渣过流、炮孔布置、爆破器材的选型、被保护物的防护等问题[2]。赵根研究了深水条件下围堰拆除爆破技术,根据模型试验及溢流坝的水流特性,分析了爆渣块度与启动流速间的关系以及过流瞬间的水力参数[3]。李金河等根据工程实践从实际工程出发，依据水力学模型试验，确定了实现冲渣的爆破块度特征、爆堆形状和飞石范围[4]。目前关于围堰爆破拆除研究成果大多是在围堰全部拆除条件下进行的，对于围堰在特殊条件下部分爆破拆除极少报道。围堰拆除爆破及冲渣效果的好坏则直接关系到分洪任务能否顺利完成[5]。在堰前水位一定的情况下,要顺利冲渣过流,关键问题是爆破后爆渣块体大小形状及围堰拆除中的水流流速，在爆破和堰外水流的共同作用下形成过水断面的质量，很大程度上决定了冲渣过流的效果。本文以沅水桃源电站围堰分洪爆破拆除为例，进行围堰爆破拆除及冲渣技术研究，以期为类似工程施工提供参考。

1 工程概况

沅水桃源电站位于左岸毗邻县城，右岸高于周边的村庄，因此在水电站的施工过程中，必须考虑超标洪水下的左岸县城与右岸村庄的安全。围堰分洪爆破是为保证汛期特大洪水能够迅速分洪，针对一期围堰进行的分洪爆破预案。工程具有以下特点：

（1）高水位实施爆破，施工难度大。根据一期围堰设计标准，围堰在汛期允许过水。围堰分洪爆破是在汛期河道高水位状态下，针对超标洪水的应急预案。因此，必须构建爆区的施工操作平台，并进行炮孔或药室的预施工，以满足汛期超标洪水情况下，对围堰进行快速爆破分洪施工的要求。

（2）围堰分洪爆破工期紧，施工强度大。围堰分洪爆破是在超标洪水情况下的分洪措施，从超标洪水预报到实施爆破，有效作业时间一般不超过8～10h，在水流急、施工条件复杂的情况下进行分洪缺口的爆破，施工进度及施工安全问题较为突出。

（3）爆破效果要求高，需确保形成分洪缺口。围堰分洪段爆破不同于一般围堰拆除爆破，炸药单耗相对围堰拆除爆破要高得多，以保证爆破部位破碎充分，石渣形成抛掷，在高速水流作用下，迅速形成过流缺口，满足分洪要求。

（4）爆破器材抗水性能要求高、起爆网路复杂。超标洪水时，拆除最低高程为30.0m，爆破作业水深达10.0m以上，因而对炸药、起爆器材的抗水、抗压性能提出了很高的要求。由于作业时间紧、炮孔数量多、炸药用量大，网路设计及施工精度是保证爆破效果和爆破安全的关键。需要控制爆破振动、水击波和动水压力及飞石对防洪堤及堤岸建筑物的影响。

（5）装药难。保证装药到位并按设计装药结构和装药量进行装药和堵塞是保证爆破效果的关键。由于炮孔是在围堰施工期预留，通过PVC管或钢管等延伸到爆破施工作业平台，在装药过程中易出现卡孔、堵孔、送药困难等各种各样问题，保证装药和堵塞质量成为爆破需重点解决的难题。

（6）围堰填料的孔隙大，爆炸产生的气楔作用不明显，难以发挥爆生气体的作用。

鉴于以上工程特点，爆破方案应保证分洪围堰段拆除完全、堆积高度低，以满足高水位、高流速时能够形成分洪缺口并快速分流。根据围堰结构及现场施工条件，一期围堰分洪爆破拆除段内防渗墙按预留孔爆破设计，围堰堆积体按后钻孔爆破设计。为了加快缺口的形成速度，结合河床过流现状，将缺口位置布置在河床冲沟处（上游围堰0+070.000～0+120.000，下游围堰0+050.000～0+100.000）。为了保证缺口的形成，炸药单耗取较大值，从缺口往两侧单耗可适当降低，以保护围堰周围建（构）筑物的安全。起爆网路采用微差起爆破方式，起爆顺序按下游围堰先爆，上游围堰后爆，以利于分洪过流。

2 爆破方案设计

2.1 围堰防渗墙炮孔布置

本次拆除时围堰的顶部高程为EL42m，围堰防渗墙拆除底高程为EL30m，炮孔沿高喷墙轴线布置，延伸到EL42.0m高程。

（1）炮孔直径。为便于装药方便，全孔需采用PVC管护孔。炮孔上部PVC管延伸到汛期分洪爆破施工平台，进行保护。对于孔内装Ø90mm药卷的炮孔，PVC管内径应达到Ø105mm，相应的炮孔直径应达到Ø110mm以上。

（2）炮孔间距。围堰高喷防渗墙厚约0.8m，因此炮孔布置沿防渗墙轴线按孔距3.0m布置垂直孔。

（3）孔深L。拆除时围堰的顶部高程为EL42m，该围堰需拆除至EL30m高程，因此孔深L=12m。

（4）炸药单耗。水下围堰爆破的要求相对较高：必须保证爆破一次成功，以快速形成分洪缺口，为此，适当提高炸药单耗，炸药单耗按1.2～1.5kg/m3设计，装药时根据实际情况作适当调整。

（5）炸药品种。围堰防渗墙炮孔选用防水、抗水性能好，便于深孔装药的高能乳化炸药。药卷直径选用Ø90mm。

（6）装药结构。采用连续装药结构形式。为增加孔内炸药的传爆性能，孔内采用防水导爆索传爆，在孔内连接非电起爆雷管。堵塞材料采用河沙，以确保堵塞长度和堵塞质量。

2.2 围堰爆破参数设计

（1）最小抵抗线W：本工程取最小抵抗线W＝6～7m。

（2）爆破作用指数n：根据爆破性质和同类工程经验，取n值为0.85～1.0。

（3）药包间距a：

式中，m1可取0.8～1.2，a可取7m。

（4）装药结构。装药是控制爆破质量的最后环节，装药前须对各钻孔进行认真清理验收，以确保设计孔深。采用Ø90mm药卷装药。实施分洪爆破时，由施工平台通过钢管进行装药。

（5）炸药品种。围堰堆积体药室爆破选用防水、抗水性能好，便于灌装的散装乳化炸药或是选用药卷直径Ø90mm高能乳化炸药。

（6）药室埋设。在填筑过程中，根据爆破设计构筑药室。药室尺寸为长1.5m，高1m，宽1m。

沅水两岸为桃源县城，围堰分洪爆破对堤防和邻近建筑产生振动影响，因此必须控制单段起爆最大药量。根据确定的控制标准，安全振速标准取Vˉ=2cm/s，K=150，α=1.8，最近建筑物与爆破区域距离为80m。因此，允许的安全药量为[6]：

根据爆破振动速度公式反算的允许单段最大药量，在起爆网络设计时，上游围堰按照单段最大药量500kg进行设计，下游围堰按照单段最大药量400kg进行设计。围堰炮孔布置如图1所示。

图1 围堰炮孔布置图

为保证爆堆形成缺口,必须合理地选择最先起爆点及爆渣抛掷方向。根据现场实际地形及周围施工环境，围堰下游端临空面较好，同时围堰下游爆破时需保护的建（构）筑物也较少，因此将起爆点选定在靠近围堰下游端，向下游方向抛掷。为了减小对防洪提的振动，将爆破后冲方向与堤岸平行。从设计缺口的中部起爆，逐步向两岸传爆。为了保证起爆的可靠性，采用复式网络。孔外采用MS2（3）、MS5段进行联网，孔内采用MS11段起爆。起爆网路如图2所示。

图2 围堰爆破网路图

3 理论分析

3.1 爆渣启动速度

围堰拆除爆破是将围堰体炸成一定粒径的爆渣，并在适当的位置形成过流缺口，使爆渣能在水流的作用下，被水流顺利冲走。这涉及多大的爆渣块度才能被水流冲走的水力学问题。在水力学模型试验与模型实践中，有关起动流速与粒径的关系较多。最早应用的是前苏联著名水力学专家伊兹巴什按照抗滑和抗倾条件推导的伊兹巴什公式[7]：

式中：k——稳定系数，抗滑时取0.9，抗倾时取1.2；

V——启动流速，m/s；

D——块石转化为球体粒径,m；

rs、r——块石和水的密度,kg/m3。

本文在分析过程时，采用的是伊兹巴斯公式来建立爆渣块度与起动流速之间的关系。

3.2 块度分析

自20世纪60年代以来，各国学者在岩体爆破块度的研究方面做了大量的工作，提出了许多描述块度分布的方法与经验模型。模型KUZ-RAM认为爆破块度分布服从Rosin-Ramm ler（R-R）分布函数。R-R分布函数由下式表达，它包含石料特征尺寸x0和块度分布不均匀指数n两个变量[8]：

式中：R——小于某一粒径x的百分比；

x——石粒粒径，m；

x0——特征粒径，即筛下累积率为63.21%的块度尺寸，m。

模型的基本表达式由Kuznetsov方程和R-R分布函数和块度不均匀指数n值公式3部分组成。

式中：A0——岩石系数，中硬岩A0=7，节理发育岩A0=10，节理不发育坚硬岩A0=13；

q——单位炸药耗药量，kg m3；

Q——单孔装药量，kg；

E——炸药相对重量威力；

Xˉ——爆破岩块的平均粒径，m；

n——不均匀指数；

m——间距指数；

H——台阶高度；

E——钻孔精度标准差，一般取0.05H；

ω——最小抵抗线，m；

d——炮孔直径，m；

L——不计超钻部分的装药长度，m。特征块度按下式进行计算：

假定大块的特征尺寸定义为X，则大块率可按式（8）计算：

根据式（5）～式（8），结合围堰的相关爆破参数，就可以进行爆渣块度、特征尺寸及大块率方面的计算分析。

3.3 爆破后的水流速度

围堰爆破利用起爆过程的极短时间，首先形成爆堆最低缺口，让水从爆破缺口最低处流入、下泄，在底部形成较大的流速，将围堰爆渣堆积体的底部爆渣冲走，到一定程度后，围堰堆积体由于底部被水流掏空将发生坍塌，围堰堆积体上部的过流断面将增大，流量、流速将增大，块度适宜的爆渣将被水流冲走。

在围堰溃决瞬间，围堰处的流速vc与堰前水深H0的关系可表示为[12]：

式中：H0——溃坝前上游水深，m；

g——重力加速度，m/s2。

4 结果分析

4.1 计算结果

根据爆破设计参数，由计算可得到爆渣的平均块度Xˉ=19.4cm，均匀性指标n=1.23，特征块度X0=27.5cm，特征颗粒大于40cm的大块率值Y=19.3%。

分析过程中，取平均水深H0取6.5m，由公式（9）计算可得到围堰拆除时流速近似为5.4m/s。而在实际工程中，由于坎高的存在，实际流速将大于5.4m/s。

根据式（3），以及岩石、混凝土的相关参数，可得到不同特征粒径的岩石及混凝土爆渣在抗滑动及抗倾倒时的水流流速，如图3所示，很明显，由于混凝土的密度较岩石小，此时混凝土爆渣在同等特征粒径时滑动或者倾倒所需的水流流速较小。

图3 爆渣特征粒径与启动水流流速关系曲线

根据围堰拆除的爆渣块度以及拆除时的水流流速，对照图3中特征粒径与水流流速的关系可知，围堰拆除瞬间，5.4m/s的水流速度可以将块度0.6m以下的所有爆渣冲走。

据此可通过式（3）计算得到爆渣特征块度为0.4m时对应的启动流速为4.4m/s，该启动速度小于围堰拆除瞬间的水速度，在围堰爆破拆除瞬间，水流速度可将块度在0.4m以下的爆渣冲走，形成设计的分洪缺口，降低洪水位，实现爆破分洪的目标。

4.2 数值模拟结果

运用PFC2D软件进行了流水冲刷的过程模拟，产生试样颗粒集使用GENERATE命令，生成颗粒集后通过循环平衡内部应力。颗粒粒径取区间0.03～0.60m之间的高斯分布。由于实际上在爆破的过程中是一直存在水流的作用，为了便于简化分析，假定水流对爆渣的冲刷是从爆破完成后才开始的，并将水流作用简化为速度施加在边界墙上。其大小取为由谢任之溃坝理论的统一公示推倒出来的围堰爆破后的水流速度。

将计算步中的70000～100000步提取出来，得到不同时刻的爆堆形态（图4），爆堆形态的变化可以反映围堰的冲刷过程。

由图4可以明显得看出，随着冲刷时间的增长，爆堆高度在逐渐降低，较初始形态有明显下降，爆堆体积也有所减小。利用软件中的输出坐标命令，可以得到计算步时结束后，在定义的边界内的颗粒数目约为870，而建模时的颗粒数为2500，说明有34.8%的颗粒尚未冲走，这个比例和经验公式得到的大于40cm的大块率值以及围堰堆石颗粒级配里的大于40cm的比例基本吻合。

图4 不同时刻模型爆堆形态

5 结论

根据围堰拆除爆破中几个关键问题，结合爆渣启动流速与爆渣块度的关系，确定了实现水流冲渣所对应的爆渣特征块度。通过设计合理的围堰拆除爆破参数，使爆渣处于实现水流冲渣所需的爆破块度。理论分析及数值模拟结果表明，爆渣特征块度控制在40c m以下时，在爆破参数、水力学参数得到良好控制的情况下，可实现水流冲渣，满足围堰爆破形成缺口的要求，达到分洪的目的。