爆破技术在界江石质浅滩整治中的设计应用

赵世青

(黑龙江省航务勘察设计院，哈尔滨 150001)

1 概 述

鸭绿江为中朝界河，发源于长白山脉南麓，流经吉林、辽宁两省，于丹东市东沟注入黄海，干流全长859 km。吉林省境内鸭绿江全长587 km，属山区河流。其中，鸭绿江源头至八道沟280.4 km，水流小且坡陡流急，无法通航；八道沟至浑江河口段306.6 km为通航河段。因建有云峰、渭源、水丰、太平湾4座水电站，均无过船设施，航道处于不连续渠化状态，因此只能采取分段通航。

鸭绿江吉林段航道未经过规模性整治，仅对局部河段进行养护性炸礁和疏浚。位于鸭绿江中游临江公路桥与云峰大坝之间的小栗子浅滩江段，石质河床，存在乱石滩及孤石，局部航道水深较浅，枯水期最小水深0.41～1.19 m之间，浅滩碍航严重。为推进沿边开放、发展界江旅游、建设综合交通运输网、加强国防建设，亟待实施小栗子浅滩航道养护工程。

2 航道养护范围、标准

2.1 养护范围

拟对鸭绿江挡石至小栗子航道小栗子浅滩约3 km河段进行航道养护疏浚工程。

2.2 养护标准

工程河段航道等级定为Ⅵ级，航道设计水深按下式计算：

H=T+ΔH

式中：H为航道设计水深，m；T为船舶吃水，m，结合本河段及上下游现有船型及规划船型，取船型最大吃水0.9 m；ΔH为富裕水深，m，Ⅵ级航道取0.2 m，卵石和岩石河床另加0.1 m。

经计算，航道设计水深1.2 m。确定拟爆破疏浚江段航道养护尺度：航道宽度30 m，水深1.2 m，弯曲半径不小于180 m，通航保证率90%。

3 疏浚爆破工程技术方案

3.1 设计水位

云峰电站位于本工程下游77 km，电站正常蓄水位318.75 m，死水位290.00 m。本工程位于云峰电站变动回水区内，当畅流期库区内水位消落较大时，工程河段不受回水影响，因此按天然河道计算设计最低通航水位。

3.1.1 基本站设计最低通航水位

根据1965-2016年临江站水文系列资料，考虑到水文站迁移，采用流量综合历时曲线计算对应保证率90%的流量为86.5 m3/s；绘制临江站水位-流量关系曲线，对应流量86.5 m3/s的水位为326.31 m，即临江站设计水位为326.31 m。见图1、图2。

图1 临江站流量综合历时曲线

图2 临江站水位流量关系曲线

3.1.2 各爆破挖槽处设计最低通航水位

根据2019年4月实测比降观测资料，采用线性相关法推求各挖槽设计最低通航水位。

3.2 挖槽平面布置

3.2.1 航道线路布置原则

根据河道演变规律、深泓走势，航道线路的选择遵循以下原则：与天然河流的主流线走向一致，在满足航道尺度要求和船舶安全航行的前提下，尽量避免大开挖岩石、暗礁和底质不稳定的浅滩;在开阔的河段，航道线路沿中、枯水主流线或主深泓线布置；在弯曲河段，航道尽量靠近凹岸，避开凸岸边滩；在过渡河段，航道线路与上下深潭顺直连接，尽量保证航道的稳定与畅通。

3.2.2 工程布置方案

按规划航线，对水深和航宽不足的水域布设疏浚挖槽。共布设挖槽6处，挖槽总长1 929.5 m。

3.3 挖槽设计

3.3.1 挖槽纵坡

挖槽底部纵坡坡度宜与原河段河床比降相一致，设计中挖槽纵断面底坡与河段河床比降保持一致。

3.3.2 挖槽横断面

1) 设计挖槽边坡坡比。挖槽断面为梯形断面。根据浅滩河床底质确定挖槽边坡坡比。本工程疏浚段河床底质为岩石，按规范确定挖槽边坡为1∶1。

2) 设计挖槽底宽与设计水深。设计挖槽底宽为8～30 m；挖槽设计水深为1.2 m。

3.3.3 设计挖槽的超宽和超深

由于本河段河床底质为岩石，爆破施工首先采取100 mm型潜孔钻机水下爆破炸礁预处理，然后采用2.0 m3液压挖掘机对爆破后产生的岩石碎渣倒运到岸边，顺岸堆放，再由20 t自卸汽车运至弃渣场的作业方式。因此，根据爆破施工设备类型和浅滩底质情况，水下钻孔爆破预处理的设计挖槽超宽值为1.0 m，超深值为0.4 m。

3.4 水力计算

3.4.1 挖槽稳定计算

假定挖槽前后糙率n不变，挖槽后槽内、外比降J相同，挖槽前后通过流量相等。在设计水位时，通过水流运动方程：

挖槽断面平均流速和挖槽后槽内、外平均流速为：

由水流连续方程Q=VBh计算得：

式中：v0、h0、B0分别为挖槽前浅滩断面平均流速、平均水深、水面宽度；vn、hn、Bn分别为挖槽后槽内断面平均流速、平均水深、水面宽度。

挖槽稳定验算公式如下：

式中：a=hn/h0；b=Bn/B0

经计算，各挖槽稳定系数Km均大于1，表明挖槽后挖槽范围内的流速均大于开挖前的流速，满足挖槽稳定要求。

3.4.2 挖槽水面降落值计算

浅滩河段进行疏浚施工后，因挖槽扩大了过水断面，引起水面降低，使实际增加的水深小于要求的水深，同时因挖槽河段的水位下降而影响上游水深减少。因此，在进行挖槽设计时，要预先估计水面降落值。见图3。

图3 挖槽水面降落值计算图

水面线采取水流连续方程和水流运动方程等恒定流方程进行计算：

(1+ΔH0/H0-ΔZ1/2H0)10/3(1-ΔZ1/ΔZ0)=1

ΔH0=(bn/B0)Δhn

式中：ΔH0为施工后计算段平均水深的增加值，m；H0为施工前计算段的平均水深，m；ΔZ1为施工后浅滩上断面水位降低值，m；ΔZ0为施工前计算段水位落差，m；bn为挖槽宽度，m；B0为原河床宽度；Δhn为挖槽内平均挖深，m。

经计算，施工后各挖槽水面降落值为0.000 1～0.11 m之间。考虑到本次工程位于山区河流且挖槽长度较长，下游挖槽疏浚后产生的水位降落势必会对上游河段的水位产生一定的影响。

为此，需采用如下公式，对单个挖槽的水位降落计算结果予以修正：

式中：ΔZ1为上游末端水位降落值；ΔZ2为首端水位降落值。

图4 上游河段水位降落值计算图

经计算，得出上游河段因下游挖槽水位降落影响的水位降落值。经修正，最终得出施工后各挖槽水面的最终降落值在0.05～0.11 m之间。为避免水面降落对挖槽水深产生影响，需适当降低挖槽设计底高程，以保证水位降落后挖槽内水深仍能满足设计水深的标准。

3.5 挖槽底高程

疏浚挖槽底高程应为设计最低通航水位下1.2 m并考虑水位降落值，以此确定各疏浚挖槽设计底高程。

4 施工组织设计要点

4.1 施工方法

本工程底质为岩石，施工需水下爆破，工程爆破等级为B级，水下爆破施工通常采用水下裸露药包爆破方法或水下钻孔爆破方法。综合考虑工程规模、地质构成、施工环境和安全要求等，该水下炸礁工程宜采用水下钻孔爆破方法。见表1。

表1 施工方法对比表

4.2 施工顺序

本工程施工顺序为水下炸礁工程，具体施工顺序如下：开工准备→测量、设立施工标志→测量定位→爆破船钻孔→装药→连接起爆网络→移船→警戒→发信号→起爆→清渣→验收。

4.3 施工要点

4.3.1 施工时机和施工水位

小栗子浅滩处于云峰电站水位变动区上段，现场踏勘、调研表明，拟养护工程河段受云峰电站影响时间较少。工程所处江段每年11月份至次年4月份为枯水期，水位最低。朝方边民有流放木排习惯，每年漂放木排时间约为4月中旬至10月中旬。因此，应抢抓冬季枯水期实施爆破施工。

工程所处江段冬季冰盖厚度在0.5 m以上的时间大约90 d，期间可进行钻孔、埋药、爆破作业。

采用冰下钻孔爆破方法对挖槽区域进行炸礁预处理，再利用2.0 m3液压挖掘机，将爆破后挖槽内覆盖卵砾层、爆破石渣及冰覆盖层收集成堆后，倒运至岸边，顺岸堆放，填筑形成临时便道，填筑高度不超过1.0 m，再利用挖掘机配合20 t自卸汽车将弃渣运至弃渣场。

挖掘机选择在施工水位(设计水位上0.5 m)以下作业，水位大于施工水位时，工程停止施工。

4.3.2 爆破参数

为保证爆破施工安全和效果，爆破作业时，必须严格按照爆破设计参数。见表2。

表2 设备及爆破设计参数表

4.3.3 炮孔布置

施工展开拟采用分断面、分带爆破的方式，梅花型布孔(图5)。爆破施工采用非电导爆管起爆系统，电力引爆方式，防水型8#金属雷管作击发元件，非电导爆管雷管作传爆体，引爆主炸药。

图5 炮孔布置图

4.3.4 疏浚土处理

鉴于鸭绿江为中朝界河，难以就近设置弃土区，拟在大栗子镇与望江楼之间江边的三角地带设置弃土场，抛泥面积20 190 m2，抛泥量56 520 m3，平均抛高约2.80 m。为便于外运，利用疏浚土修筑长约10 km临时便道。

5 结 语

1) 鸭绿江小栗子浅滩江段按Ⅵ级航道标准进行养护，养护尺度：航宽30 m，水深1.2 m，弯曲半径不小于180 m，通航保证率90%。

2) 按天然河道推求基本站设计水位，临江站设计水位326.31 m。

3) 鸭绿江小栗子浅滩江段布设挖槽6处，挖槽总长1 929.5 m。

4) 各挖槽稳定系数Km>1，满足挖槽稳定要求。

5) 各挖槽水面降落值在0.05～0.11 m之间，据此优化、调整槽底高程，保证水位降落后挖槽内水深仍能达到设计水深。

6) 爆破挖槽采用水下钻孔爆破方法，按设计爆破参数和炮孔布置、利用冬季枯水期实施爆破施工。利用液压挖掘机堆砌、自卸汽车倒运将爆破石渣、冰渣运至设计弃渣场。