淺談水電站擴建工程爆破控制設計
關鍵詞：江西 柘林電站 爆破 開挖 控制
1概況
柘林水電站擴建工程位于江西省北部，鄱陽湖以西的柘林鎮，地處修河中游末端。柘林水電站水庫總庫容79.2億m3，是我國最長的粘土心墻壩（總長590.75m）。
擴建工程在原柘林水電站泄洪（兼放空）洞北側，水工建筑物由引水系統（引水明渠、進水口、二條引水隧洞）和廠區系統（地面廠房、開關站、尾水渠）組成。裝機二臺單機容量120MW，擴建后該電站總裝機容量達420MW.兩臺機組分別于2001年12月和2002年5月并網發電。新廠房布置在古滑坡體地基山上，緊靠老電站廠房和老開關站。進水口布置毗鄰寬僅30余m的“80山包”，它實際上起著擋水壩的作用，并且“80山包”底部被F65、F67兩條大斷層切割成棱體，擴建工程中的兩條引水隧洞從此構造棱體的底部穿過。新開關站緊靠老開關站布置。
擴建工程施工期，原電站仍需承擔江西電網的調峰任務，要求保證其正常運行發電。大壩系統和泄洪系統仍按原設計、校核洪水標準攔蓄和宣泄洪水。施工期有正常航運、過木和供水要求。因此，控制爆破的成功與否，關系到整個擴建工程的成敗。
2施工特性
擴建工程土石方開挖總量為219.7萬m3，主體工程開挖項目有：引水明渠、進水口、引水隧洞、地面廠房、尾水渠、開關站等。各部位開挖工程量見表1.
該工程地質條件復雜，“80山包”為一單薄的柘林水庫擋水山體，山體厚度約30 m，風化嚴重，其間受F65、F67兩斷層橫向切割組成一構造棱體，成倒三角形，體積近12萬m3，它的穩定直接關系到水庫的安全。因此，在進水口、廠房實施開挖爆破時，必須嚴格控制爆破振動對“80山包”及構造棱體產生的不利影響。此外，由于本擴建工程廠區系統開挖距原樞紐建筑物較近，并穿插其中，而施工過程中要求爆破開挖不影響原建筑物的安全，保證電廠正常發電，開挖量大、爆破頻繁。
3爆破試驗
爆破試驗的目的是為了觀測爆破開挖對“80山包”、原電站建筑物及正在運行的機電設備的影響，確定爆破參數，提供參考的施工經驗公式。
爆破地震波在巖體內的傳播規律，質點振動速度的衰減特性可用下式來擬合：
式中：Q——單響藥量（kg）
R——測點至爆心的直線距離（m）
V——為質點振動速度峰值（cm/s）
K，α——反映爆破方式與地質條件等綜合影響的回歸待定統計系數。
進水口爆破開挖，對“80山包”沿地面傳播一般的規律，共進行了6次爆破試驗。廠房段開挖爆破，對原廠房、開關站、繼保室沿地面傳播一般的規律，共進行了8次爆破試驗。對進水EL106m以上梯段開挖爆破（孔徑Φ110mm）擬合的K值為36.2，α值為1.469；對進水EL106m以下梯段開挖爆破（孔徑Φ70mm）擬合的K值為20.3，α值為1.35；對廠區EL40m以上梯段開挖爆破（孔徑Φ110mm）擬合的K值為98.23，α值為1.97；對廠區EL40m以下梯段開挖爆破（孔徑Φ70mm）擬合的K值為23.1，α值為1.413.
根據建（構）筑物所允許的安全控制標準，由爆破振動衰減規律公式得允許最大單響藥量，從而對單響藥量控制。其單響藥量計算公式為：
表1各部位開挖工程量表
| 開挖部位 | 土石方（萬m3） | 巖石巖性 | |
| 引水系統 | 引水明渠 | 51.568 | Zbd硅質泥灰巖、Zbp冰磧巖、Zad6中粗粒砂巖 |
| 進水口 | 15.27 | Zad5粗粒砂巖、少量Zad6中粗粒砂巖 | |
| 引水隧洞 | 3.979 | Zad6厚層長石石英砂巖、Zad6中細砂巖、Zad6中粗粒砂巖 | |
| 廠區系統 | 排水洞 | 0.23 | |
| 尾水渠 | 35.772 | Zad6中粗粒砂巖、Zad6中粗粒砂巖、Zad6中粗粒砂巖、ptba泥質板巖 | |
| 開關站 | 10.306 | ptba泥質板巖 | |
| 廠房邊坡 | 97.425 | ||
| 其它 | 0.176 | ||
| 圍堰 | 1.521 | ||
| 爆區 | 需保護建（構）筑物 | 直線距離（m） |
| 引水渠進水口 | 攔河大壩 泄洪（兼放空）洞進口 “80山包”棱體及原防滲帷幕 |
280 120 50 |
| 廠房 | 攔河大壩 泄洪（兼放空）洞進口 “80山包”棱體 原防滲帷幕 原廠房 原開關站 |
50 50 40 100 110 100 |
| 尾水渠 | 原廠房 原開關站 泄洪（兼放空）洞 |
50 0 0 |
| 開關站 | 原開關站 | 0 |
| 引水隧洞 | 泄洪（兼放空）洞及“80山包”棱體 | 150 |
表3部份國內外工程實際采用的允許振速表
| 序號 | 電站名稱 | V/（cm/s） | 建（構）筑物 |
| 1 | 天生橋二級廠房開挖 | 10 4 |
邊坡坡角 滑坡體 |
| 2 | 北京官廳水庫溢流道擴建 | 4 5~6 |
房屋 土壩 |
| 3 | 青銅峽唐渠電站 | 2 0.5 1 |
開關站 中控室 電機層 |
| 4 | 八盤峽擴機 | 1.5 9.5 10 2.5 |
中控室 帷幕灌漿 大體積混凝土 閘門 |
| 5 | 三門峽 | 0.5 0.5 |
發電機樓板 機組運行時 |
| 6 | 江埡水電站 | 1.5 | 帷幕灌漿 |
| 7 | 西班牙維拉卡水電站 | 1.6 3 5 |
水輪機 閘門、閘墩 隧洞 |
其中對泄洪（兼放空）洞出口導墻認為不完全是大體積混凝土，作一般混凝土結構物處理，地面質點允許振速定為小于5cm/s.
開關站包括多種輸配電構架及安全控制的電氣設備，耐振性能各異，不能采用一個標準，其中最重要和最敏感的是繼保室的控制元件，國內工程一般采用小于0.5cm/s的振動速度作為安全控制標準，考慮原電站正常工作的重要性，繼保室爆破安全振動速度控制標準為小于0.25cm/s.對于開關站內各種輸配電構架，按基礎地面質點振動速度小于0.5cm/s作為安全控制標準。對開關站內一般房屋爆破安全振動速度控制標準為小于2cm/s.
防滲帷幕的爆破安全控制標準主要是根據大體積新澆混凝土的爆破安全控制標準。根據強度理論，當某一點的應力σmax≥[σd]，則材料被拉壞，當某一點的剪應力τmax≥[τd]時，則材料被剪壞。防滲帷幕大多數在靜力作用下是受壓，在允許抗拉強度相同的條件下該點能承受更大的動拉應力，可承受較大的振動，但“80山包”灌漿區由于受兩條大斷層的影響，其承載能力較低，因此提出較嚴格的控制標準。
根據以上條件，提出擴建工程各建（構）筑物控制爆破參數見表4.
實際施工中不同的開挖部位，選取不同的控制指標，如發電廠房建筑結構允許質點振動速度為5 cm/s，而中控室的允許質點振動速度為0.25 cm/s，只要控制中控室的允許質點振動速度不超標，則發電廠房建筑結構允許質點振動速度一定會滿足設計要求。引水洞進口EL73.5m高程以上開挖，以“80山包”允許質點振動速度作為控制指標，引水洞進口EL73.5m
表4擴建工程各建（構）筑物控制爆破參數表
| 序號 | 需保護建（構）筑物名稱 | 允許質點振速V （cm/s） |
| 1 | 泄洪（兼放空）洞 | <10 |
| 2 | 泄洪（兼放空）洞進口閘門 | <2.5 |
| 3 | 泄洪（兼放空）洞進口混凝土導墻 | <5 |
| 4 | 發電廠房建筑結構 | <5 |
| 5 | 發電廠房中控室 | <0.25 |
| 6 | 一般房屋 | <2 |
| 7 | 交通洞 | <10 |
| 8 | 繼電保護室 | <0.25 |
| 9 | 開關站輸配電構架 | <0.5 |
| 10 | 攔河大壩 | <2.5 |
| 11 | 滑坡體 | <3 |
| 12 | “80山包”棱體 | <0.5同時a<0.1g |
| 13 | 原防滲帷幕 | <2.5 |
柘林電站擴建工程于1998年12月開始動工，開挖主要有進水口、引水渠、引水洞、廠房、開關站和尾水渠等部分，可見爆破施工控制平面圖。
根據以上分析，被保護的重點建筑物是原開關站（主要是繼保室）和“80山包”，為此根據爆破控制參數和被保護建筑物的特性來確定爆破措施。
廠房邊坡石方爆破開挖量為38.36萬m3，采用YQ-80型潛孔鉆鉆孔，局部輔以手風鉆，6~10m一層臺階進行梯段爆破，邊坡周邊采用預裂爆破，其余部分采用控制爆破技術開挖。
廠房基坑爆破開挖量為19.52萬m3.采用YQ-80型潛孔鉆鉆孔，局部輔以手風鉆，6~8m一層臺階進行梯段爆破，周邊預裂爆破，爆破控制較邊坡更為嚴格。
尾水渠爆破開挖采用YQ-80型潛孔鉆結合手風鉆鉆孔，局部輔以人工開挖。根據其它工程經驗，爆破開挖時主要是防止爆破振動引起的跳閘事故，尤其是繼保室的控制元件。因此尾水渠開挖主要受原繼保室控制，在離原繼保室25m范圍內，不得采用爆破開挖，在《爆破施工控制平面圖》上18kg裝藥量范圍線內只能采用手風鉆開挖，在18kg裝藥量范圍線外可采用潛孔鉆鉆孔開挖。
開關站的爆破開挖主要受原開關站控制。根據《爆破施工控制平面圖》，在0.3kg裝藥量范圍線內只能采用人工開挖，其余部分爆破控制要求與尾水渠爆破開挖相同。
以上的控制爆破按最大單響限藥量分為：非爆破開挖區、爆破特控開挖區、爆破嚴控開挖區、爆破控制開挖區。
（1）非爆破開挖區
非爆破開挖區采用“靜態破碎法”開挖。
（2）爆破特控開挖區
特控開挖區由最大單響限藥量0.3kg、0.8kg、1.5kg三個限藥區段組成。巖石開挖采用非電微差淺孔爆破法進行低梯段薄層開挖，梯段高1.3~1.5m，孔徑40~50mm，孔內采取不耦合方式裝藥，裝藥分布于底部及中部。爆破區與非爆破區之間設置防震孔，孔深采用2倍于特控區鉆爆梯段高度。
（3）爆破嚴控開挖區
嚴控開挖區由最大單響限藥量3kg、4kg、6.5kg、9.5kg、10kg、14kg、18kg七個限藥區段組成。采用淺孔梯段孔間微差、低單耗減弱松動爆破薄層開挖，梯段高3.2m，孔徑48mm，孔內采取不耦合方式間隔裝藥。
（4）爆破控制開挖區
控制開挖區由最大單響限藥量25kg、32kg、40kg、45kg、50kg、60kg、80kg、110kg等8個限藥區段組成。該區同樣在經“耕犁法”開挖表層后，其余巖體用深孔梯段孔間微差、低單耗減弱松動爆破，梯段高6~10m，孔徑76mm，孔內采取不耦合方式間隔裝藥。
4.3爆破飛石控制
爆破飛石是對本擴建工程的另一主要危害，新開關站邊坡高程EL85~EL40.5m高于原開關站地面高程EL40m，新老開關站緊靠一起，爆區居高臨下，爆破飛石比控制質點振動速度更難，為此采用下列措施進行控制：
（1）正確設計炮孔參數及起爆網絡，選用合格的爆破器材；
（2）加強施工質量，如鉆孔、裝藥邊線、堵塞等，防止過量裝藥、串段重段、沖炮、帶炮現象；
（3）調整開挖掌子面方向，使掌子面方向盡量避開需要保護建筑物方向；
（4）減小爆破作用指數，采用松動爆破或采用微差擠壓爆破防止揚起飛石；
（5）重要部位施工爆破采用覆蓋、攔擋措施以防止個別飛石。
4.4施工期爆破監測
在本工程招標階段現場進行了爆破試驗，并根據爆破試驗結果確定各開挖部位最大單響裝藥量分區。施工中對開挖進行了全過程監測，監測情況如下：
引水隧洞進水口爆破作業時主要保護對象為防滲帷幕和“80山包”構造棱體。進水口在EL73m高程以上部位爆破時，共進行168次監測，監測到“80山包”控制點的質點振動速度小于0.5 cm/s的占進水口爆破開挖次數的81.4%，實測峰值加速度值0.085 cm/s（小于0.1 cm/s）。
廠房段開挖共進行了135次監測，監測到“80山包”控制點的質點振動速度小于0.5 cm/s的占廠房段爆破開挖次數的98.5%.據統計，從1999年3月下旬到2000年3月下旬廠區開挖爆破時對老繼電室共進行了83次監測，當振速控制標準為0.25 cm/s時，實際施工中有40.96%的次數超標，但大多數集中在0.25~0.5 cm/s范圍內，最大振速達到0.67 cm/s，在整個施工期未出現繼保室跳閘的現象或其它不良反應。以上監測值的主振頻率在20~80Hz的占93%.
5結論
柘林電站擴建工程已于2001年12月實現首臺機組發電，從成功完成柘林電站擴建工程的爆破開挖中，可得出下列結論：
（1）本擴建工程爆破振動可能對原建（構）筑物帶來一些不利的影響，但采取控制爆破技術可以將這些影響控制在允許范圍內。
（2）雖然施工中采取了嚴格的控制措施，但大多數部位從單響裝藥來看與常規施工無很大區別，主要是對重點部位必須嚴格控制爆破。如原繼保室附近25m范圍內尾水渠不得采取爆破作業，原開關站附近、“80山包”附近進水口邊坡、廠房邊坡等裝藥量要嚴格控制等。
（3）只要精心組織，精心設計、認真對待，對在地質條件較差的電站附近進行近距離開挖爆破是可行的。
參考文獻：
[1]貴陽勘測設計研究院。江西柘林水電站擴建工程可行性研究報告《施工組織設計》。1996年7月
[2]貴陽勘測設計研究院。江西柘林水電站擴建工程招標階段技術設計報告《施工組織設計》。1998年6月
上一篇:11.4KW絞車防護裝置綜述
下一篇:淺談污水厭氧生物處理新工藝
