豐滿水電站泄水洞水下巖塞爆破工程
完成時間:1979年5月
工程地點:吉林省豐滿水電站
完成單位:水電部東北勘測設計院、水電部第一工程局等
項目主持人及參加人員:趙蔭炳等
撰稿人:趙蔭炳
1 前言
豐滿水電站裝機容量為55.4萬kW,混凝土重力壩,最大壩高90.5m,最大庫容為107.8億m3,是一個正在運行以發電為主的綜合利用水庫樞紐。
為了在必要時降低水庫水位,水電部決定在豐滿電站樞紐中增建泄水隧洞。
泄水洞位于豐滿大壩的左岸洞口距8號壩段280m,洞長為682.9m,閘前段襯砌內徑為10m,閘后段襯砌內徑為9.2m,在正常高水位261.0m時,隧洞的泄量為1129m3/s。
泄水洞工程布置見圖1。
圖1 泄水洞工程布置圖
a一平面布置圖:1、2一硐室試驗點;3—1:2巖塞試驗位置;4一正式爆破巖塞位置
6一泄水洞斷面圖:1一巖塞;2一集渣坑;3一平板閘門室4一弧門室;5一挑流鼻坎
泄水洞進水口施工是該工程的關鍵。經幾個方案比較,推薦用水下巖塞爆破方法施工,其理由主要有:施工期間不受庫水位限制;工程量;可節省大量材料、勞動力和大型機械設備;施工速度快:工程費用省。
為確保爆破成功,進行了大量的地勘、設計和室內外試驗研究工作,經過設計、施工、運行和科研等有關單位的共同努力,豐滿水下巖塞爆破于1979年5月28日爆破成功。
2 地質條件 泄水洞進口地形坡度為15°~20°,巖塞部位覆蓋層厚3.5m,基巖全風化厚0.5m,半風化巖體厚度4.0m左右,以下為微風化巖。巖石為二迭系變質礫巖,巖層呈塊狀,巖石致密、堅硬、抗風化能力強。切割巖塞體的斷層有三組,經分析,巖塞、藥室在施工期間是穩定的。 3 爆破設計 3.1 設計原則和要求 (1)對主要技術問題,要通過試驗、充分論證,做到技術措施落實。 (2)巖塞厚度要滿足施工期穩定要求,采取措施確保藥室導硐開挖過程中的安全。 (3)巖塞要一次爆通成型,力爭較好的水力條件,使爆后洞臉邊坡保持整體穩定。 (4)在保證爆通成型的條件下,應盡量降低爆破用藥量,以減輕爆破振動對建筑的影響。 3.2 進口水工布置 在滿足泄量和低水位時進口不產生摻氣條件的前提下,進口明渠底坎高程確定為218.0米,巖塞地表坡度為15°~20°,巖塞中心線與水平面夾角選定為60°?刂七M水口的流速不大于隧洞內不襯砌段流速12.7m/s,按最大泄量1186m3/s考慮,設計巖塞直徑為11m巖塞斷面比較大,考慮巖塞施工期間的穩定性,選定巖石厚度與直徑的比為1.36,巖塞的巖石厚度為15m。巖塞爆破方量為3794m3,巖塞和主洞連接設有集渣坑。 3.3 巖塞爆破設計 巖塞藥包布置分三層,上下兩個主要藥包的作用是把巖塞爆通,中層6個藥室呈“王”字形布置是為了把上下藥包爆破后剩余的巖體炸掉,使之達到設計過水斷面。沿巖塞的下部布置一圈預裂孔,以控制巖塞的成型。 預型孔、1~2號藥室和3~8號藥室的起爆時間分別取為0、25和75ms。藥包布置見圖2;藥包計算主要數據見表1。8個藥包的藥量為3874.2kg(含起爆藥量),預裂炮孔用藥量為201.4kg,總裝藥量為4075.6kg。 表1 藥包計算主要數據
藥室編 號 | 最小抵抗線W/N | 單位耗藥量K/kg• m-3 | 爆破指 數 n | 炸藥量Q/kg | 下破裂半徑R/m | 破壞系 數 β | 上破裂半徑R΄/m | 壓縮系 數 μ | 壓縮圈半徑Rc/m | 藥包間距/m | |
計算 | 實際 | ||||||||||
1 | 8.1 | 1.6 | 1.4 | 1740 | 13.9 | 2 | 18.0 | 10 | 1.61 | 6.96 | 6.4 |
2 | 5.1 | 1.8 | 1.0 | 239 | 7.22 | 2 | 7.22 | 10 | 0.83 | ||
3 | 4.9 | 1.6 | 1.2 | 268 | 7.59 | 2 | 9.65 | 10 | 0.86 | ||
4 | 5.3 | 1.6 | 1.2 | 338 | 8.21 | 2 | 10.43 | 10 | 0.94 | 5.61 | 4.5 |
5 | 5.3 | 1.6 | 1.2 | 338 | 8.21 | 2 | 10.43 | 10 | 0.94 | 5.83 | 4.5 |
6 | 5.3 | 1.6 | 1.2 | 338 | 8.21 | 2 | 10.43 | 10 | 0.94 | 5.83 | 4.5 |
7 | 5.3 | 1.6 | 1.2 | 338 | 8.21 | 2 | 10.43 | 10 | 0.94 | 5.83 | 4.5 |
8 | 4.9 | 1.6 | 1.2 | 268 | 7.59 | 2 | 9.65 | 10 | 0.86 | 5.61 | 4.5 |
預裂孔 | 201.4kg | ||||||||||
合計 | 4075.6kg |
圖2藥包布置
4 巖渣處理
巖塞爆破松方達5600m3,必須采取妥善的處理措施。對填塞集渣爆破、泄渣爆破和開門集渣爆破三種處理方式,分別做了各種運行條件下的水工模型試驗后,決定采用開門集渣爆破方式。其好處在于有90%以上的巖渣可進入集渣坑;坑內堆渣較穩定;對洞內混凝土和金屬埋件沒有磨損;弧形門和檢修門安全下閘的把握性大;對電站的尾水影響甚小。根據試驗,渣坑尺寸為:底寬llm,長34m,高18m,容積9550m3,渣坑的有效利用系數為0.586。
5大壩安全
豐滿大壩是在日偽時期修建的,施工質量差,混凝土強度低。解放后,雖然經過多次加固,但是,巖塞爆破時大壩的安全仍然是工程上十分關心的問題。這一問題是通過以下途徑才逐步得以解決的:
(1)做模擬試驗。在距壩端130m、158m和370m的距離處,分別進行了藥量為81kg、292kg和310kg的水下硐室爆破和巖塞爆破試驗,以取得壩體靜態觀測資料;了解壩體承受爆破地震強度的能力。
(2)按爆破試驗獲得的經驗公式,推算正式爆破時壩體的振動參量(位移、速度和加速度),為判斷壩體的安全狀況提供相應的數據。
(3)根據8號壩段反應譜曲線和振型曲線計算壩體地震慣性力,用材料力學方法分析壩體應力和穩定安全系數,以此來判斷壩體安全狀況。在爆破水位246.0m時,按單響藥量2200kg和全響藥量4300kg兩種情況計算,在2/3~3/4壩高處的下游壩面拉應力分別為0.29MPa和0.479MPa;穩定安全系數分別為1.39和1.01。此結果與按有限元動力程序分析結果在數量級上是一致的。
據上述分析,壩體已經受過相同、相似參量的模擬爆破振動的考驗;推算的正式爆破時壩體的位移、速度和加速度值均在安全范圍之內,唯有加速度值稍大,但壩體危險斷面的應力和穩定安全系數均滿足要求。因此,爆破時大壩是安全的。
6 爆破效果
豐滿巖塞爆破于1979年5月28日12時起爆,爆破的庫區水位243.9m,高速攝影拍照了水面鼓包運動過程,鼓包最大高度達31.3m,其上升速度為21.6~10m/s,起爆后35min弧形門開始下閘,44min隧洞斷流。用浮標法和出口水面曲線計算隧洞泄量為933~970m3/s。經檢查洞內所有埋件良好,平板閘門槽、底板和兩側保護鋼板未見損傷,閘門關閉緊密基本不漏水。洞內混凝土磨損極微。下游壩面裂縫處預貼的石膏沒有發生再開裂現象。距爆心12.8m處的混凝土拱,爆破時測得的最大拉應變為156με。1980年7月用水下激光電視觀察混凝土頂拱完好無缺,所見部位沒有發現裂縫。實測巖塞爆破方量4419m3比設計值增加了625m3。
7 結論
(1)采用較小的爆破參數,采用毫秒延時與預裂控制爆破技術,一次爆通成型,實測爆破效果與設計一致,泄量達到設計要求。
(2)用反應譜和有限元方法對附近大壩進行了爆破振動力分析,論證了爆破不致危及大壩的安全,爆破結果證明了上述結論是正確的。
(3)在大流量、高流速的泄水洞中,起爆后弧形工作門僅用9min時問即順利關閉,洞內磨損極微,證明首次采用開門集渣爆破方式是成功的。
(4)爆破時對壩體、隧洞和閘門等進行了動應變、振動加速度與速度、孔內電視和水面鼓包運動高速攝影等動靜態觀測;爆破后用水下測量和水下激光電視,全面檢查了混凝土裂縫情況,這些測試方式和實測資料,對今后的水下巖塞爆破工程具有參考價值。