三峡三期RCC围堰拆除方案与设计关键技术研究
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内容摘要：
三峡三期RCC围堰拆除方案与设计关键技术研究
陈敦科 倪锦初 向文飞
(长江水利委员会长江勘测规划设计研究院,湖北 武汉 430010)
【摘 要】:本文介绍了三峡三期RCC围堰爆破拆除方案.通过对设计中遇到的围堰倾倒可靠性,深水爆破装药量确定等技术难题进行分析与研究,提出了相应解决方法和处理措施,确保了三峡三期RCC围堰拆除爆破的成功.
【关键词】:三峡,RCC围堰,拆除方案,爆破
1.工程概况
三峡三期RCC围堰平行于大坝布置,围堰轴线位于大坝轴线上游114m,其右侧与右岸白岩尖山体相接,左侧与混凝土纵向围堰上纵堰内段相连.横向围堰轴线总长580m,从右至左分为右岸坡段(2#～5#堰块),河床段(6#～15#堰块)和左接头段(长60m);纵向围堰上纵堰内段轴线总长122m.围堰施工分两阶段进行,横向围堰右岸坡段 ,左接头段,纵向围堰堰内段及横向围堰河床段基础部位在一期施工期浇筑完成;横向围堰河床段于2003年建成.
在右岸厂房坝段和右岸非溢流坝段浇筑至高程185m并具备挡水条件后,为满足右岸电站厂房进水条件和右岸排漂过流条件,需要对三期RCC碾压混凝土围堰进行拆除.相对于国内外其它水利水电工程围堰拆除,该围堰爆破拆除具有爆破规模大,边界条件复杂,爆破控制要求严格,爆破水深大等特点.
2.三峡三期RCC围堰拆除方案研究
在三峡三期RCC围堰拆除爆破方案论证阶段,重点研究比较了三种方案:滑移方案,炸碎方案和倾倒方案.滑移方案通过爆破形成滑移面,使堰体靠自重滑落;炸碎方案是从堰顶或背水面钻孔,将围堰堰体炸碎塌落;倾倒方案通过爆破形成缺口,使堰体失稳翻转下落.
滑移方案是靠自身重力在滑移面的切向分力下滑,下滑力大于摩擦力是滑移的必要条件.而爆破形成的滑移面受许多不确定因素的影响,滑动摩擦系数难以通过简单的理论研究进行确定,致使该方法在围堰拆除爆破中应用受到很大限制.在国内外工程实践少有应用实例.
炸碎方案是目前国内外采用最多的方案,爆破技术成熟,可靠性好,爆破效果相对容易预测.但该方案在三峡三期RCC围堰拆除中采用仍受到以下两方面的限制:首先,三峡三期RCC围堰堰顶高程140m至拆除高程110m之间垂直高差达30m,钻孔深度大;堰顶宽度只有8m,110高程处堰体宽度达23m,无论是采用垂直孔还是斜孔,都有大量钻孔需要在坡面上施钻,坡面钻孔尤其是钻斜孔的精度难以保证,而且增加了装药难度;即便施工水平能够满足要求,由于三峡三期RCC围堰爆破拆除规模大,相应钻孔工程量,装药量巨大,网络连接极其复杂,炸碎方案的适用性受到限制.其次,以往炸碎方案拆除的围堰普遍不高,且水深较小,在深水条件下的工程实践相对较少,深水条件下钻孔爆破设计也是一个需要解决的新问题.
倾倒方案用于三峡三期RCC围堰爆破拆除必须满足两个条件:一是爆炸形成缺口,堰体中心偏离,使堰体失稳;二是将拆除部分与保留部分切割开来,切断碾压混凝土拉伸应力的作用,使堰体靠自重倾倒进入水中.这两个条件是倾倒方案难度所在,若满足这两个条件,则与炸碎方案和滑移方案相比,倾倒方案具有钻孔工作量少,炸药用量少,起爆网络相对简单,可避免堰体上爆渣的大量堆积及可充分利用廊道等优点.
根据三种方案适用性与三峡三期RCC围堰自身特点,经过详细研究论证后确认:三峡三期上游围堰已建部分采用炸碎方案拆除,待建部分采用倾倒方案拆除.
针对倾倒方案,比较了"廊道预扩挖"倾倒爆破方案,"预埋炮孔"倾倒爆破方案,"预埋炮孔+廊道预扩挖"倾倒爆破方案,"预埋炮孔+集中药包"倾倒爆破方案,"预埋集中药室"倾倒爆破方案."预埋集中药室"倾倒爆破方案由于具有后期无需钻孔,施工期工作量小,联网方便,倾倒缺口有保证,倾倒块体较小等优点而被最终采纳,并于2003年进行待建部分围堰浇筑时预留了相应结构措施:在高程108.7m,离上游面2.2m处预埋1#药室,在高程101.5m,离上游面6.0m处预埋2#药室,在高程106.4m,离排水廊道下游面3.5m处预埋3#药室,在排水廊道下游侧堰体内高程109.7m预埋一排断裂孔.
3.关键技术研究
3.1 围堰定向爆破倾倒的可靠性
根据药室布置位置,假设各药室均顺利形成爆破漏斗,水平断裂孔能形成断裂面,经过力学计算后发现,堰体可以顺利实现倾倒.在爆破设计中,针对影响堰体倾倒可靠性的不利因素进行了分析,提出了相应解决措施.
(1)爆破漏斗的形成
根据三峡三期RCC围堰结构和深水爆破拆除的特点,存在诸多影响爆破漏斗形成的不利因素:碾压混凝土中的水平弱面,强度分区及内部空腔导致堰体力学特性的不均匀性;深水爆破理论和设计方法的不完善;深水条件下火工材料的可靠性等.针对这些不利因素,采取了如下措施:
1)增加装药量,提高爆破能量
在安全允许范围内,通过增加各药室的装药量,提供尽量多的爆破能量,以达到增大爆破作用范围,从而破碎和抛掷更多混凝土的目的,是确保堰体顺利倾倒的重要手段.在设计中,通过理论分析,试验研究,类似工程经验类比,对水下爆破装药量计算进行了研究,见本文3.2节.
与此同时,利用装药廊道上,下游排水孔进行辅助装药爆破,确保爆破漏斗的形成.上游排水孔装药爆破辅助形成2#药室爆破漏斗,下游排水孔装药爆破辅助形成3#药室爆破漏斗.
2)选择耐水性好的火工材料
经理论计算和大量室内外对比试验,确定了用于三峡三期RCC围堰拆除爆破的高爆速,高威力,高抗水性能混装车制乳化炸药配方.该炸药在50m水深条件下浸泡7d以上其爆速不低于4500m/s,爆力不低于320ml,猛度达到16mm～18mm.
(2)水平断裂孔的爆破效果
设RCC抗拉强度为2MPa,计算出下游断裂面成缝面积至少要达到84.9%以上,才能保证倾倒力矩大于约束力矩.故下游水平断裂面的形成是堰体倾倒的关键,必须尽可能提高下游水平断裂面形成的可靠性.为此,需加强断裂孔装药量,确保倾倒部分与保留堰体彻底分离.
(3)堰块两端夹制作用
RCC围堰每隔约40m设有永久横缝,将RCC围堰分为诸多堰块,在堰块中部迎水面侧又设有长4m的诱导缝.根据结构设计及施工实际情况,诱导缝及堰块之间的永久横缝实际上并非理想的连续贯通缝,故如果以堰块为倾倒单元,则完全靠堰块间的永久横缝来自然切断堰块间的联系与制约是不可靠的.这种联系与制约对堰体倾倒效果的直接影响一是由于横缝未切断部分的胶结作用和切缝线不直的咬合作用使堰体不能倾倒,导致方案失败;二是可能改变堰体倾倒形态,使堰块自由端先倾倒,下滑,先爆堰体倾斜入水,阻碍后爆堰块的倾倒.
为提高堰体倾倒的可靠性,必须采取技术措施可靠地切断倾倒单元与相邻单元之间的联系约束.按以堰块为倾倒单元的方案,可采取的处理措施主要为在堰块永久横缝附近布置辅助钻孔装药爆破.
在6#～14#堰块间每个横缝面布置1列切割孔.采用切割孔爆破的方法切断堰块间的联系,不仅可以解除堰块两端的夹制作用,还可以将堰体分割成单个堰块依次倾倒,减小整体倾倒带来的触地震动.
3.2 深水爆破药量的确定
要确保三峡三期RCC围堰中段按要求实现定向倾倒,需首先解决如何合理的进行装药量设计问题,确保围堰上游侧拆除范围底部区域能够通过爆破形成满足倾倒失稳条件的缺口.
目前国内外水下爆破装药量计算方法均是以陆上爆破装药量计算的理论,经验公式为基础,根据工程实际条件,经由一定的修正后形成的.由于三峡三期RCC围堰爆破区位于水下30余米处,其爆破条件与陆上岩土(混凝土)爆破有着本质的区别.
3.2.1深水爆破药量理论分析与试验研究
(1)理论分析
根据爆炸应力波在固体介质,水介质中的传播,反射及透射规律,考虑界面连续条件和牛顿第三定律,分界面两边的质点运动速度和应力相等条件,假设传播的入射波为正入射纵波,可推导出固体介质在水上,水下爆破时的装药量关系:
(1)
(2)
式中:,——分别为陆上,水下固体介质对应点达到相同爆破破碎效果的设计装药量;
——固体介质某处的水深,m.
——为固体介质的动抗拉强度,Mpa;
——固体介质中的压力衰减指数,α≈1～3;在塑性变形区内取为3,应力波的衰减指数低于冲击波的衰减指数;
——反射系数;
,——分别表示固体介质和水介质的密度,kg/m3;
,——分别表示固体介质和水介质的纵波传播速度,m/s;
通过上式可以得出如下规律:
1)欲取得相同的爆破破碎效果,水下固体介质爆破的设计装药量将大于陆上(无水)同类固体介质的爆破设计装药量;且随着水深增大,水下爆破的设计装药量增大越明显.
2)深水条件下,反射系数对固体介质爆破的设计装药量影响非常显著.反射系数的绝对值愈小,其设计装药量的增加也越大.因此,水下爆破固体介质时,可以采用提高反射系数绝对值的相应措施来改善爆破破碎效果.例如,在混凝土介质与水体的交界面处设置气泡帷幕,当水中掺气量达到1%左右时,设计装药量可减少20%～50%.
针对三峡三期RCC围堰预埋药室的爆破条件,取=34m,=2MPa,=1000kg/m3×1500m/s,=2500kg/m3×3000m/s,代入式(1)可得:
(3)
当在1.2～2.0区间取值时,由式(3)计算可得约为4.08～2.33;也就是说,在满足同等爆破破碎的条件下,三峡三期RCC围堰预埋药室的水下爆破设计装药量应是无水状态的2.33～4.08倍.
(2)试验研究
为验证前述水下爆破设计装药量计算方法的合理性,共浇筑了1m见方混凝土试件10块进行爆破试验,其中4块在无水状态下施爆,另6块在水下约25m处施爆.试验结果显示:
1)当平均单耗同为0.05kg/m3时,水下25m左右处的混凝土试验爆破后,仅产生"+"字型裂纹;而陆上的混凝土试件爆破后,试件上出现了十分明显的裂缝和破坏.这说明水体对试件的爆破破坏效果有明显的抑制作用.
2)逐步增大试件的水下爆破平均单耗(装药量)时,其爆破破坏作用得以提高.其中,平均单耗为0.1kg/m3的水下爆破混凝土试件的破坏特征与平均单耗为0.05kg/m3陆上爆破基本相近;水下爆破时,平均单耗为0.2kg/m3和0.3kg/m3试件破坏效果比陆上平均单耗为0.05kg/m3的试件爆破破碎效果有较明显的增强.也就是说,混凝土试件要达到基本相同的破碎效果,水下25m左右的爆破平均单耗应为陆上爆破的2～4倍.
3.2.2 水下洞室爆破装药量计算
洞室爆破装药量主要与炸药种类,标准单耗,最小抵抗线,爆破作用指数等有关,与爆破漏斗体积成正比.对于水下洞室爆破,目前国内外关于装药量有多种计算方法,基本上是以陆地洞室爆破药量计算方法为基础,采用不同方法考虑水作用的经验公式,主要可归纳为三类:①按水深对抵抗线影响计算,将水层厚度看成抵抗线组成部分,按不同于爆破介质的单耗折算成抵抗线进行计算;②考虑水深和爆破要求,增加一定药量;③按水深对爆破漏斗体积影响增加一定药量.
在三峡三期RCC围堰爆破拆除设计中,以陆地标准抛掷爆破药量计算公式为基础,吸收借鉴国内外陆地洞室爆破及浅水洞室爆破药量计算方法的合理之处,针对本工程的实际情况与固有特点,提出了适用于本工程的爆破药量计算公式.
(1)药量计算公式
根据大量爆破专著及手册,地面标准抛掷单耗和装药量的经验公式为:
(4)
(5)
其中:.
式中:——为爆破介质容重,kg/m3;
——最小抵抗线,m;
——爆破作用指数,标准抛掷爆破时取1;
——炸药换算系数.
针对三峡三期RCC围堰倾倒爆破的具体特点,引入双向药包作用系数和水深单耗增量,以公式(5)为基础得到下式来计算装药量.
(6)
式中:——双向作用系数;
——水深,m;
——水深影响系数;
——炸药换算系数.
其他符号意义同前.
(2)三峡三期RCC围堰倾倒爆破药量计算
三峡三期RCC围堰倾倒段共布置1#药室,2#药室,3#药室共三类药室.各药室的设计间距分别为2.2m,5.0m,4.0m;双向作用系数分别取1.2,1.2,1.0;水深分别为26.3m,33.5m,28.6m;水深影响系数均取0.01;最小抵抗线分别为2.2m,6.0m,3.5;爆破作用指数分别为1.5,1.25,1.46.
本工程碾压混凝土容重取=2400kg/m3,根据式(4)计算出为1.36kg/m3.
利用陆地标准抛掷爆破装药量计算公式(5)计算出1#,2#,3#药室的装药量分别为19kg,324kg,65kg,而由公式(6)计算的相应装药量分别为50kg,690kg,160kg,这与3.2.1节的结论是吻合的.
4.结语
采用"预埋集中药室"倾倒爆破方案成功拆除三峡三期RCC围堰体现了系统设计理念.在围堰设计的同时考虑其拆除方案,为围堰拆除预留有利条件,"建,拆"有机结合丰富了围堰设计理念.三峡三期RCC围堰爆破拆除的规模大,难度高,设计中遇到的围堰定向倾倒可靠性问题,深水爆破药量计算问题的技术难度在国内外同类工程中均属罕见,这些问题的研究方法与解决措施对其它同类工程具有借鉴意义与推广应用价值.
参考文献
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[2]杨光煦.水下工程爆破[M].海洋出版社.1992.10
[3]吴新霞.张文煊.刘美山.三峡三期RCC围堰拆除深水爆破药量计算研究[J].工程爆破.2006(4):1~3
作者简介 陈敦科,1964年6月出生,2002年毕业于天津大学,获工学硕士学位.现为长江水利委员会长江勘测规划设计研究院教授级高级工程师.联系地址:武汉市解放大道1863号长江勘测规划设计研究院施工处 430010.联系电话:027-82829304.
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