淺談水電站擴建工程爆破控制設(shè)計
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關(guān)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(zhèn)，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(cè)，水工建筑物由引水系統(tǒng)（引水明渠、進水口、二條引水隧洞）和廠區(qū)系統(tǒng)（地面廠房、開關(guān)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(wǎng)發(fā)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(guān)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(gòu)造棱體的底部穿過。新開關(guān)站緊靠老開關(guān)站布置。
擴建工程施工期，原電站仍需承擔(dān)江西電網(wǎng)的調(diào)峰任務(wù)，要求保證其正常運行發(fā)電。大壩系統(tǒng)和泄洪系統(tǒng)仍按原設(shè)計、校核洪水標(biāo)準(zhǔn)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(guān)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(guān)站等。各部位開挖工程量見表1.
該工程地質(zhì)條件復(fù)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(fēng)化嚴(yán)重，其間受F65、F67兩斷層橫向切割組成一構(gòu)造棱體，成倒三角形，體積近12萬m3，它的穩(wěn)定直接關(guān)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(yán)格控制爆破振動對“80山包”及構(gòu)造棱體產(chǎn)生的不利影響。此外，由于本擴建工程廠區(qū)系統(tǒng)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(fā)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(shè)備的影響，確定爆破參數(shù)，提供參考的施工經(jīng)驗公式。
爆破地震波在巖體內(nèi)的傳播規(guī)律，質(zhì)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(zhì)點振動速度峰值（cm/s）
K，α——反映爆破方式與地質(zhì)條件等綜合影響的回歸待定統(tǒng)計系數(shù)。
進水口爆破開挖，對“80山包”沿地面?zhèn)鞑ヒ话愕囊?guī)律，共進行了6次爆破試驗。廠房段開挖爆破，對原廠房、開關(guān)站、繼保室沿地面?zhèn)鞑ヒ话愕囊?guī)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(qū)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(qū)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(jù)建（構(gòu)）筑物所允許的安全控制標(biāo)準(zhǔn)，由爆破振動衰減規(guī)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(tǒng) | 引水明渠 | 51.568 | Zbd硅質(zhì)泥灰?guī)r、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(xì)砂巖、Zad6中粗粒砂巖 | |
| 廠區(qū)系統(tǒng) | 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(zhì)板巖 | |
| 開關(guān)站 | 10.306 | ptba泥質(zhì)板巖 | |
| 廠房邊坡 | 97.425 | ||
| 其它 | 0.176 | ||
| 圍堰 | 1.521 | ||
| 爆區(qū) | 需保護建（構(gòu)）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(guān)站 |
50 50 40 100 110 100 |
| 尾水渠 | 原廠房 原開關(guān)站 泄洪（兼放空）洞 |
50 0 0 |
| 開關(guān)站 | 原開關(guān)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(nèi)外工程實際采用的允許振速表
| 序號 | 電站名稱 | V/（cm/s） | 建（構(gòu)）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(guān)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(fā)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(dǎo)墻認(rèn)為不完全是大體積混凝土，作一般混凝土結(jié)構(gòu)物處理，地面質(zhì)點允許振速定為小于5cm/s.
開關(guān)站包括多種輸配電構(gòu)架及安全控制的電氣設(shè)備，耐振性能各異，不能采用一個標(biāo)準(zhǔn)，其中最重要和最敏感的是繼保室的控制元件，國內(nèi)工程一般采用小于0.5cm/s的振動速度作為安全控制標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)為小于0.25cm/s.對于開關(guān)站內(nèi)各種輸配電構(gòu)架，按基礎(chǔ)地面質(zhì)點振動速度小于0.5cm/s作為安全控制標(biāo)準(zhǔn)。對開關(guān)站內(nèi)一般房屋爆破安全振動速度控制標(biāo)準(zhǔn)為小于2cm/s.
防滲帷幕的爆破安全控制標(biāo)準(zhǔn)主要是根據(jù)大體積新澆混凝土的爆破安全控制標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)強度理論，當(dāng)某一點的應(yīng)力σmax≥[σd]，則材料被拉壞，當(dāng)某一點的剪應(yīng)力τmax≥[τd]時，則材料被剪壞。防滲帷幕大多數(shù)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(yīng)力，可承受較大的振動，但“80山包”灌漿區(qū)由于受兩條大斷層的影響，其承載能力較低，因此提出較嚴(yán)格的控制標(biāo)準(zhǔn)。
根據(jù)以上條件，提出擴建工程各建（構(gòu)）筑物控制爆破參數(shù)見表4.
實際施工中不同的開挖部位，選取不同的控制指標(biāo)，如發(fā)電廠房建筑結(jié)構(gòu)允許質(zhì)點振動速度為5 cm/s，而中控室的允許質(zhì)點振動速度為0.25 cm/s，只要控制中控室的允許質(zhì)點振動速度不超標(biāo)，則發(fā)電廠房建筑結(jié)構(gòu)允許質(zhì)點振動速度一定會滿足設(shè)計要求。引水洞進口EL73.5m高程以上開挖，以“80山包”允許質(zhì)點振動速度作為控制指標(biāo)，引水洞進口EL73.5m
表4擴建工程各建（構(gòu)）筑物控制爆破參數(shù)表
| 序號 | 需保護建（構(gòu)）筑物名稱 | 允許質(zhì)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(dǎo)墻 | <5 |
| 4 | 發(fā)電廠房建筑結(jié)構(gòu) | <5 |
| 5 | 發(fā)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(guān)站輸配電構(gòu)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(guān)站和尾水渠等部分，可見爆破施工控制平面圖。
根據(jù)以上分析，被保護的重點建筑物是原開關(guān)站（主要是繼保室）和“80山包”，為此根據(jù)爆破控制參數(shù)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(fēng)鉆，6~10m一層臺階進行梯段爆破，邊坡周邊采用預(yù)裂爆破，其余部分采用控制爆破技術(shù)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(fēng)鉆，6~8m一層臺階進行梯段爆破，周邊預(yù)裂爆破，爆破控制較邊坡更為嚴(yán)格。
尾水渠爆破開挖采用YQ-80型潛孔鉆結(jié)合手風(fēng)鉆鉆孔，局部輔以人工開挖。根據(jù)其它工程經(jīng)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(nèi)，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(nèi)只能采用手風(fēng)鉆開挖，在18kg裝藥量范圍線外可采用潛孔鉆鉆孔開挖。
開關(guān)站的爆破開挖主要受原開關(guān)站控制。根據(jù)《爆破施工控制平面圖》，在0.3kg裝藥量范圍線內(nèi)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(qū)、爆破特控開挖區(qū)、爆破嚴(yán)控開挖區(qū)、爆破控制開挖區(qū)。
�。�1）非爆破開挖區(qū)
非爆破開挖區(qū)采用“靜態(tài)破碎法”開挖。
�。�2）爆破特控開挖區(qū)
特控開挖區(qū)由最大單響限藥量0.3kg、0.8kg、1.5kg三個限藥區(qū)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(nèi)采取不耦合方式裝藥，裝藥分布于底部及中部。爆破區(qū)與非爆破區(qū)之間設(shè)置防震孔，孔深采用2倍于特控區(qū)鉆爆梯段高度。
�。�3）爆破嚴(yán)控開挖區(qū)
嚴(yán)控開挖區(qū)由最大單響限藥量3kg、4kg、6.5kg、9.5kg、10kg、14kg、18kg七個限藥區(qū)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(nèi)采取不耦合方式間隔裝藥。
�。�4）爆破控制開挖區(qū)
控制開挖區(qū)由最大單響限藥量25kg、32kg、40kg、45kg、50kg、60kg、80kg、110kg等8個限藥區(qū)段組成。該區(qū)同樣在經(jīng)“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(nèi)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(guān)站邊坡高程EL85~EL40.5m高于原開關(guān)站地面高程EL40m，新老開關(guān)站緊靠一起，爆區(qū)居高臨下，爆破飛石比控制質(zhì)點振動速度更難，為此采用下列措施進行控制：
�。�1）正確設(shè)計炮孔參數(shù)及起爆網(wǎng)絡(luò)，選用合格的爆破器材；
�。�2）加強施工質(zhì)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(xiàn)象；
�。�3）調(diào)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(shù)，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(jiān)測
在本工程招標(biāo)階段現(xiàn)場進行了爆破試驗，并根據(jù)爆破試驗結(jié)果確定各開挖部位最大單響裝藥量分區(qū)。施工中對開挖進行了全過程監(jiān)測，監(jiān)測情況如下：
引水隧洞進水口爆破作業(yè)時主要保護對象為防滲帷幕和“80山包”構(gòu)造棱體。進水口在EL73m高程以上部位爆破時，共進行168次監(jiān)測，監(jiān)測到“80山包”控制點的質(zhì)點振動速度小于0.5 cm/s的占進水口爆破開挖次數(shù)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(jiān)測，監(jiān)測到“80山包”控制點的質(zhì)點振動速度小于0.5 cm/s的占廠房段爆破開挖次數(shù)的98.5%.據(jù)統(tǒng)計，從1999年3月下旬到2000年3月下旬廠區(qū)開挖爆破時對老繼電室共進行了83次監(jiān)測，當(dāng)振速控制標(biāo)準(zhǔn)為0.25 cm/s時，實際施工中有40.96%的次數(shù)超標(biāo)，但大多數(shù)集中在0.25~0.5 cm/s范圍內(nèi)，最大振速達到0.67 cm/s，在整個施工期未出現(xiàn)繼保室跳閘的現(xiàn)象或其它不良反應(yīng)。以上監(jiān)測值的主振頻率在20~80Hz的占93%.
5結(jié)論
柘林電站擴建工程已于2001年12月實現(xiàn)首臺機組發(fā)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(jié)論：
�。�1）本擴建工程爆破振動可能對原建（構(gòu)）筑物帶來一些不利的影響，但采取控制爆破技術(shù)可以將這些影響控制在允許范圍內(nèi)。
（2）雖然施工中采取了嚴(yán)格的控制措施，但大多數(shù)部位從單響裝藥來看與常規(guī)施工無很大區(qū)別，主要是對重點部位必須嚴(yán)格控制爆破。如原繼保室附近25m范圍內(nèi)尾水渠不得采取爆破作業(yè)，原開關(guān)站附近、“80山包”附近進水口邊坡、廠房邊坡等裝藥量要嚴(yán)格控制等。
（3）只要精心組織，精心設(shè)計、認(rèn)真對待，對在地質(zhì)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(shè)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(shè)計》。1996年7月
[2]貴陽勘測設(shè)計研究院。江西柘林水電站擴建工程招標(biāo)階段技術(shù)設(shè)計報告《施工組織設(shè)計》。1998年6月
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