聚能切割爆破技术在水电站应急抢险中的应用

王 强，张业辉，高 峰，赵忠晓

（1.国家能源集团四川发电有限公司，四川成都，610041；2.陕西北方友邦爆破科技有限公司，陕西西安，710000）

0 引言

随着我国基础设施建设速度的加快，各类工程建筑设施和构筑物数量也在不断增加，因达到建筑物生命周期或应急抢险等原因需要拆除的建筑设施和构筑物数量也相应增加。在建筑设施拆除工程技术方面，一般采用钻孔爆破拆除、机械破碎拆除和人工切割拆除等技术工艺，但对于作业条件受限（如作业区域环境复杂、大型设备无法到达作业面、人工拆除安全风险大等）且拆除对象为大型钢结构的应急抢险工程，常规拆除方法不易实现。因此，深入研究安全可靠、技术先进的爆破拆除技术，应用到特殊作业环境条件下的大型钢结构拆除工程显得十分必要。

聚能切割爆破技术在军事领域应用较多，在民用应用到岩土工程、大型构筑物拆除方面，尤其是应用到特殊作业环境条件下的应急抢险工程（如水工钢结构拆除、深水爆破作业、沉船打捞、水下切割等）方面还是一个新课题，工程实例不多，需加强应用研究。

1 聚能切割爆破原理

1.1 聚能爆破基本原理

聚能爆破是利用一定的装药结构设计出特定的聚能药包（或聚能切割索），利用聚能药包爆炸后的聚能效应（通常称为“门罗效应”），通过爆炸产生的高温、高压、高速射流对爆破对象进行作用的一种爆破方法，达到对岩土、金属等爆破对象进行穿孔、切割、破坏的目的。该方法具有能量集中、作用迅速、方向性强、穿透力大等特点，在实际工程应用中，还具有聚能药包体积小、安全易施工、对作业环境要求低等特点，因此，聚能切割爆破技术逐渐受到国内外爆破界的重视。

1.2 聚能药包主要结构及作用

聚能药包由炸药、药形罩、隔板、壳体、引信和支架等部分组成。聚能药包的爆炸性能及爆炸侵彻效果与炸药种类、装药量、药型罩材料、装药结构、起爆方式及其几何尺寸显著相关。

1.2.1 炸药

炸药是聚能切割爆破的能量源。炸药的爆压越大，聚能威力越大。为得到高爆压，需高爆速、高密度的炸药。常用炸药有TNT、黑索金（聚黑系列）炸药等，装药方法有熔铸、塑装和压装等。

1.2.2 药型罩

药型罩的作用是把炸药的爆炸能转化成射流动能，从而提高其穿透和切割能力。药型罩的材料必须满足四点要求，即可压缩性小、密度高、塑性及延展性好、在形成射流中不汽化。大量试验证明，用紫铜制作药型罩效果最好，其次为铸铁、钢和陶瓷。药型罩的形状多种多样，主要有轴对称型、面对称型和中心对称型，其中：轴对称型主要有圆锥形、半球形、抛物线形和喇叭形等；面对称型主要有直线形（多用于切割钢板）和环形；中心对称型主要有球形聚能药包。在工程中常用的是轴对称型和面对称型两类药型罩。

1.2.3 隔板

隔板的作用是改变爆轰波的形状，提高射流头部的速度。设计合理的隔板可使射流头部速度提高25%，穿孔深度提高15%～30%。隔板材料一般用塑料和木料等惰性材料，也有用低爆速炸药当作隔板的，直径不小于药包最大直径的一半，其位置、厚薄、大小均可按爆轰波理论进行计算，选出最优值。

1.2.4 壳体

壳体会影响爆轰波的阵面形态，可以减弱稀疏波的作用，有利于能量有效利用，但控制不好会造成“反向射流”现象，反而减弱了射流强度，所以聚能药包也有不用外壳的。

1.2.5 支架

支架的作用是保证最佳炸高。炸高的定义是聚能药包底面（即药形罩底线）到穿孔目标的最短距离。最佳炸高根据聚能药包设计决定，一般是药型罩底部直径的1～3倍。

2 聚能切割爆破技术在某水电应急抢险工程中的应用

2.1 工程概况及事件背景

某水电站是一座具有日调节功能的闸坝有压隧洞引水式电站，电站总装机容量24 MW，1996年6月建成投产。工程由重力坝、泄洪闸、底廊冲砂坝段、防渗墙、防渗帷幕、右岸进水口、闸后护坦及护岸等建筑组成。大坝为混凝土重力坝，坝顶高程1 637.30 m，最大坝高20.35 m。泄洪闸设三孔弧形门，闸门尺寸为8.0 m×6.5 m（宽×高），单扇门体自重40 t，采用2×25 t固定式卷扬机启闭。泄洪闸启闭机室底板高程1 638.5 m，泄洪闸底坎高程1 622.0 m。

2019年8月20 日，四川省阿坝州汶川县境内发生特大山洪泥石流灾害，造成汶川县境内多座水电站不同程度受灾，其中卧龙某水电站泄洪流道被泥石流淤堵，大坝工作电源被摧毁，发生了坝顶过流险情。据现场测量，漫坝洪水位超过坝顶约4.2 m，达到高程1 641.5 m；坝前淤泥超过泄洪闸底坎约13 m，达到高程1 635.0 m。由于漫坝水位、坝前淤泥、杂木卡阻等荷载叠加组合，远远超出了泄洪闸门设计荷载标准，导致泄洪闸门无法正常提升，抢险过程中曾先后采用大功率电机、无电液控应急启闭设备、液压千斤顶等多种方案提升闸门，效果甚微。经抢险专家组研究，决定采用聚能切割爆破技术拆除泄洪闸门。

2.2 工程应用

2.2.1 待爆体结构

泄洪闸门为钢构件，由槽钢和钢板焊接而成。材质为钢（Q235C），闸门钢板结构尺寸见图1，槽钢结构尺寸见图2，腹板钢板尺寸见图3，闸门现场照片见图4。

图1 闸门钢板结构尺寸Fig.1 Dimension of the gate plates

图2 槽钢结构尺寸Fig.2 Dimension of the channel steel

图3 腹板钢板结构尺寸Fig.3 Dimension of the web plates

图4 闸门现场照片Fig.4 Photo of the floodgate

2.2.2 爆破方案设计

现场实际情况为：洪水漫坝、应急抢险施工条件差，人工切割泄洪闸门方案安全风险非常高，无法实施；常规爆破方案施工条件不允许，且因泄洪闸坝段坝体内钢筋纵横交错，常规爆破效果得不到保证。根据闸门钢板厚度δ=16 mm，借鉴同类工程，可采用聚能切割索进行爆炸切割，使闸门钢板充分解体后形成泄洪通道。

为确保切割爆破效果，保证聚能切割索能彻底切穿闸门钢板，首先采用乙炔-氧气热熔切割方案切穿闸门后部的腹板、翼板槽钢及水平方向的部分腹板，再将切割索安放在闸门钢板表面并进行固定。

2.2.2 .1 爆炸切口设计

为使切口充分，在竖直方向连续布置切割索8条（编号1～8），在水平方向连续布置切割索2条（编号A、B），在腹板和翼板布置切割索（编号C1～8、D1～8和E1～6），具体爆炸切口布置见图5。

图5 爆炸切口Fig.5 Explosion cut

2.2.2 .2 药型罩设计

此次切割对象为泄洪闸门钢板，切割药型罩采用直线型方案，炸药采用聚黑-16型，见图6。

图6 聚能切割索示意图Fig.6 A shaped charge cutting cable

2.2.2 .3 起爆网路

为减少闸门钢板的振动，确保切割爆破效果，采用高精度导爆管雷管，延期时间选用瞬发段（0 ms），爆破网路采用簇连方式（一把抓），具体连接方式见图7。

图7 爆破网络示意图Fig.7 The blast network

2.2.2 .4 主要爆破材料

主要爆破材料见表1。

表1 主要爆破材料Table 1 Main blasting agents

2.2.2 .5 试爆试验

为确保闸门爆破切割成功，爆破器材进场后进行现场试爆试验，切割试验分两种。

（1）闸门钢板（槽钢）切割试验：试验闸门钢板厚度δ=16 mm，尺寸为0.5 m×0.5 m，试验装置见图8。切割索布置好后，人员撤离，引爆，爆后观看切割效果，并做好试验记录。

图8 δ=16 mm试验示意图Fig.8 Test as δ=16 mm

（2）腹板（工字钢）切割试验：工字钢厚度δ=24 mm，面宽B=0.8 m，进行两边对切，以提高爆破切割效果，试验装置见图9。根据要求将切割索布置好后，人员撤离，引爆，爆后观看切割效果，并做好试验记录。

图9 δ=24 mm试验示意图Fig.9 Test as δ=24 mm

2.2.3 警戒设计

GB 6722-2014《爆破安全规程》规定，复杂环境爆破安全允许距离不少于300 m。为保证本次爆破施工的安全，本工程安全允许距离确定为500 m，警戒示意见图10。

图10 警戒示意图Fig.10 Alert zone

2.2.4 安全核验

2.2.4.1 振动核验

根据萨道夫斯基控制爆破振动速度公式：

式中：V为地面质点峰值振动速度，cm/s；K和a为与爆破点至计算点间的地形、地质条件有关的系数和衰减系数，此处K取150，α取1.5；Q为一次起爆的最大药量，单位为kg，微差爆破时取最大一段装药量，30 kg；R为保护对象到闸板的距离，此处取500 m。

将上述参数代入公式计算得V=0.07 cm/s，远小于计算值，爆破振动满足设计要求。

2.2.4 .2 个别飞散物

根据GB 6722-2014《爆破安全规程》，在装甲爆破坑中，个别飞散物的最小安全允许距离不少于150 m，本次爆破警戒距离500 m满足要求。

2.2.4 .3 爆破空气冲击波安全验算

本方案按R=500 m、Q=70 kg验算冲击波超压值，验算公式采用GB 6722-2014《爆破安全规程》的推荐公式，即：

式中，ΔP为空气冲击波超压值，×105Pa；Q为一次齐发爆破总药量；R为至被保护距离，500 m。

Q=70 kg，代入公式计算得ΔP=0.006 526 106×105Pa。

以上计算值小于0.02×105Pa，符合GB 6722-2014《爆破安全规程》的相关要求，故爆破空气冲击波对周围环境不造成安全威胁。

2.2.5 爆破组织实施及效果

本次聚能切割爆破由电站业主组织指挥，委托具有爆破专业资质的单位负责实施现场爆破作业，爆破前做好了安全警戒和保障措施，于2019年9月3日20时49分安全顺利地实施了2号泄洪闸聚能切割爆破。闸门成功解体，坝前水位迅速降至坝顶以下,电站险情彻底解除，聚能切割爆破拆除和应急抢险获得圆满成功。

3 结语

某电站应用聚能切割爆破技术，克服了复杂的作业环境条件，成功爆破拆除了2号泄洪闸门，彻底解除了险情，应急抢险成功。特殊作业环境条件下、水电应急抢险工程中，该技术是拆除大型水工钢结构的一项创新突破，方案安全可靠，便于现场实施，可为类似的水电工程应急抢险、抗震救灾、特殊环境条件下大型构筑物安全快速拆除提供经验参考。