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

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。