导流洞进口围堰爆破拆除水流冲渣技术研究.pdf

第2 7 卷第3 期 爆破 V 0 1 ．2 7 N o ．3 2 0 1 0 年9 月B L A S T I N G S e p ．2 0 1 0 ●■■■●■■●■■●●●_ _ ■_ ●_ ■■■■■■●■●●■■■■●■●●■■■■■■■●■■■●●■■■■●●●■●■■■■■■●■■■■●■■■●●■■●●■■■■■●■●■■■■■■●■■■■●■●■●■●■■■■■●■■●■■■●●■■■一l i r a i n i ● D O I 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 0 ．0 3 ．0 2 1 导流洞进口围堰爆破拆除水流冲渣技术研究冰 陈明，钟权，卢文波，舒大强 武汉大学水利水电学院，武汉4 3 0 0 7 2 摘要水流冲渣是水电站导流洞围堰拆除时的关键技术之一。针对水流冲渣的几个相关问题。分析了导 流洞进口围堰拆除时的水流流速变化、爆破后爆渣的块度特征以及爆渣启动流速与块度之间的关系．并结合 云南金沙江中流阿海水电站l ‘导流洞进口围堰的爆破拆除实例。研究了国堰爆破拆除水流冲渣技术。结果 表明，可根据围堰拆除时的水流流速分析及爆渣的启动速度，通过控制围堰爆破拆除设计参数，使得爆渣特 征块度的启动流速小于导流洞内的水流流速，从而利用水力作用实现水流冲渣。研究结果可促进水电工程经 济、快速施工。 关键词爆破拆除；水流冲渣；爆破块度；导流洞；围堰 中图分类号T V 5 4 2文献标识码A 文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 0 0 3 0 0 7 3 0 4 S t u d yo nW a t e rF l o wI m p a c tR e s i d u eT e c h n o l o g yo fE x p l o s i v e D e m o l i t i o no fD i v e r s i o nT u n n e lI n t a k eC o f f e r d a m C H E NM i n g ，Z H O N GQ M n ，L UW e n b o ，S H UD a q i a n g C o l l e g eo fW a t e rR e s o u r c e sa n dH y d r o e l e e r t i eE n g i n e e r i n g ，W u h a nU n i v e r s i t y ，W u h a n4 3 0 0 7 2 ，C h i n a A b s t r a c t W a t e rf l o wi m p a c tr e s i d u ei so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so fd e m o l i s h i n gd i v e r s i o nt u n n e li n t a k ec o J f e r - d a mi nh y d r o p o w e rs t a t i o n ．A i ma ts e v e r a lp r o b l e m sr e l a t e dt ow a t e rf l o wi m p a c tr e s i d u e ，t h ec h a n g e so ff l o wv e l o c i t y a f t e rt h ed e m o l i t i o no fd i v e r s i o nt u n n e li n t a k ec o f f e r d a m ，t h ef r a g m e n t a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fb l a s t i n gr e s i d u ea n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es t a l - tv e l o c i t ya n df r a g m e n t a t i o no fb l a s t i n gr e s i d u eh a db e e na n a l y z e d ．M o r e o v e r ，c o m b i n e d w i t ht h ee x a m p l eo fe x p l o s i v ed e m o l i t i o no ft h e1 ‘d i v e r s i o nt u n n e li n t a k ec o f f e r d a mi nA h a iH y d r o p o w e rS t a t i o ni n J i n s h aR i v e ro fY u n n a np r o v i n c e ，t h ew a t e rf l o wi m p a c tr e s i d u et e c h n o l o g yo fd i v e r s i o nt u n n e li n t a k ec o f f e r d a mb ye x - p l o s i v ed e m o l i t i o nh a sb e e ns t u d i e d ．T h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tb a s e do nt h ea n a l y s i so ff l o wv e l o c i t ya f t e rt h ed e m o l i t i o no ft h ec o f f e r d a ma n dt h ea n a l y s i so ft h es t a r tv e l o c i t yo ft h eb l a s t i n gr e s i d u e ，e o n t r o U i n gt h eb l a s t i n gr e s i d u ef r a g - m e n t a t i o nt h r o u g ht h ed e s i g np a r a m e t e r so fe x p l o s i v ed e m o l i t i o no fc o f f e r d a m ．8 0 船t ot h es t a r tv e l o c i t yo fb l a s t i n g r e s i d u el e s st h a nt h ef l o wv e l o c i t yi n s i d ed i v e r s i o nt u n n e l ，c o n s e q u e n t l y ，t h ew a t e rf l o wi m p a c tr e s i d u eb yw a t e rp o w - e rc 鲫b ea c h i e v e d ．T h er e s e a r c hr e s u l tC a np r o m o t et h eh y d r o p o w e rp r o j e c t sm u c hm o r ee c o n o m i c a la n df a s t e r ． K e yw o r d s e x p l o s i v ed e m o l i t i o n ；w a t e rf l o wi m p a c tr e s i d u e ；b l a s t i n gf r a g m e n t a t i o n ；d i v e r s i o nt u n n e l ； c o f f e r d a m 收稿日期2 0 1 0 0 3 0 8 作者简介陈明 1 9 7 0 一 ，男．湖北省耒阳市人．副教授，博士。主 要从事工程爆破与岩石动力学方面的研究，E m a i l w h u c h m y a h o o ．c o i n ．c n 。 基金项目“十一五”国家科技支撑计划资助项目 2 0 0 8 B A B 2 9 8 0 1 ； 国家自然科学基金资助项目 5 0 7 2 5 9 3 1 0引言 修建在深山峡谷的水电站，受地形限制，施工导 流多采用隧洞导流方案。导流隧洞在进出口围堰保 护下施工，截流前爆破拆除围堰，实现分流。导流洞 围堰爆破拆除时，对于最终的挡水围堰 岩坎 部 万方数据 7 4爆破2 0 1 0 年9 月 分，基本要求是必须一次爆除，不能留下根底，并要 求保证其他建筑物的安全。 导流洞进口围堰爆破拆除时，在大多数情况下， 爆破后不具备挖渣条件，需要依靠水流冲渣。刘美 山等探讨了大型水电站导流洞围堰拆除爆破中的相 关问题，指出爆破振动、冲渣过流等是围堰爆破拆除 中的关键问题⋯；赵根研究了深水条件下围堰拆除 爆破技术，根据模型试验及溢流坝的水流特性，分析 了爆渣块度与启动流速间的关系以及过流瞬间的水 力参数B 3 ；张正宇等不少研究者针对导流洞围堰拆 除技术进行了研究口刮。现有的围堰拆除技术研究 成果，主要集中在围堰拆除中的爆破技术，对爆破拆 除瞬间的水流流速变化、围堰拆除后的流速变化，以 及爆后冲渣与水流速之间的关系，尚缺少系统而深 入的研究。 基于围堰爆破拆除时水流流速的分析、爆渣块 度的预测、流速与爆渣块度起动速度之间的关系研 究，结合阿海水电站1 。导流隧洞爆破拆除工作，系 统研究导流洞进口围堰爆破拆除水流冲渣技术，为 实际工程中导流洞围堰爆破拆除水流冲渣提供理论 依据。分析中假定导流洞进口围堰在出口围堰之前 拆除。 1 导流洞围堰拆除中的水流流速 围堰拆除爆破时间极短，一般为1 - 2s ，爆破过 程中部分堰体爆渣被抛掷河岸，并在堰外激起涌浪， 大部分爆渣仍集聚在围堰位置，此过程近似为挡水 建筑物瞬时全部溃决，如图1 所示。 r 7 堰体 ．＼ I ＼ 寸堰址 ＼ 迂 ＼ ＼卜 登兰查 警 司 图1围堰拆除瞬间水流示意图 围堰爆破后，由于导流洞底板高程与河床底存 在一定的高差，以及围堰内外的水位差，在导流洞进 口处将发生水跌和水跃现象，如图2 所示。 根据图l 、图2 中的水流流态，分别确定围堰拆 除瞬间、围堰拆除后跌坎处、水跃前及水跃后的水流 流速。 1 ．1 围堰拆除瞬间最大流速 里特 R i t t e r 提出【7 】，矩形河床瞬间全溃坝址峰 顶流量的计算公式 Q 。 争戚 1 式中Q 。为峰顶流量，m 3 ／s ；B 为围堰宽度，m ；％为 溃决前水深，m ；g 为重力加速度，9 ．8m ／s 2 。 图2 导流洞即时过流后的水流示意图 溃决瞬间，围堰处水深h 。及流速口。均与堰前水 深凰相关‘8 1 A h 。 吾％ 2 ，’ 一 一 虬 寺以凰 3 实际工程中，围堰内外的底部高程一般存在一 定高差，此时围堰溃决后的水面线与图1 所示有一 定差别。 1 ．2 跌坎处流速 在围堰拆除后，导流洞地板高程与河床底一般 存在一定的高差，即坎高P ，可能存在跌水现象，由 于重力势能向动能转化，可使水流流速进一步增大， 如图2 所示。 由水力学知识可知‘9 】 h ‘2 4 k - 0 7 o ．7 √警 5 铲彘 6 将式 4 、式 5 代人式 6 ，整理得 铲由您 7 ％2 而√益 ⋯ 式中Q 为流量，m 3 ／s ；B 为围堰宽，m ；h 。为临界水 深，m ；k 为跌坎处水深，m ；q Q ／B ，为单宽流量， 1 1 1 2 ／s ；a 为修正系数，一般为1 ．0 1 ．0 5 ；v o 为跌坎 处流速，m ／s 。 1 ．3 水跃前、水跃后断面流速 根据朗德等人试验研究m 3 ，跌坎下的水跃各参 数都与无量纲跌水数D ，有关，D ，的表达式为 D ， 与 8 g P 目．跃前水深 万方数据 第2 7 卷第3 期陈明，钟权，卢文波，等导流洞进口围堰爆破拆除水流冲渣技术研究 7 5 h 1 0 ．5 4 p 矿‘4 2 5 9 跃后水深 h 2 1 ．6 6 p D o 2 7 1 0 跃前断面流速 “ 。 罴 1 1 将式 8 、式 9 代入式 11 ，并整理得 旷紫 1 2 水跃后断面流速t ，按式 1 3 计算 铲最 1 3 将式 8 、式 1 0 代人式 1 3 ，并整理得 如 蒜 1 4 由式 1 4 可知，当坎高P 增大时，水跃后断面 流速如将减小，这主要是由于跌坎导致了水头损 失。这与式 1 5 中水垫塘消能的经验公式所得结 论一致‘1 1 1 。 △E 。．。8 96 等 m 7 6 6 E 。，等≥。．。6c 5 ， 式中A E 为水头损失；磊为水跌前的总水头。 可见，当流量一定，跃后水头减小，流速相应地 减小。 2 爆渣起动流速的确定 前苏联著名水力学专家伊兹巴斯从起动流速出 发，分析了抛石体顶部和斜坡上石块的起动，并分别按 抗滑和抗倾条件推导了形式相同的伊兹巴斯公式㈣ 1 6 式中口为起动流速，m ／s ；g 为重力加速度，m ／s 2 ；y ． 为石块密度，k g ／m 3 ；7 。为水的密度，k g ／m 3 ；D 为石 块的特征粒径，m ；七为稳定系数，抗滑时取0 ．9 ，抗倾 时取1 ．2 。 长江科学院河流所根据实测资料，推算得到卵 石推移质起动流速计算公式为【2 】 t ，’ 0 ．9 5 [ P ，一p 。 驴’和。] 1 以 h ／D ’ 1 届 1 7 式中．1 0 ’为起动流速，即垂线平均流速，m ／s ；p I 为卵 石的密度，k g ／m 3 ；p 。为水体的密度，k g ／m 3 ；h 为水 流深度，m ；D ’为卵石推移质的粒径。m 。 但式 1 7 中主要参数均有适用范围限制，如秒’的 适用范围为1 ．2 3 ．9 4m ／s ，h 的适用范围为2 ．9 2 3 7 ．0m ，D ’的适用范围为1 2 ～2 5 5i n l n ，与围堰拆除时 的参数有一定差别，这些限制了式 1 7 的推广应用。 武汉大学等单位也对块石的起动流速进行了研 究‘12 | ，但是，现在比较常用的，仍是伊兹巴斯公式，本 文以式 1 6 分析爆渣块度与起动流速之间的关系。 3 爆破爆渣块度分析 最终挡水围堰爆破后，部分爆渣将被抛掷到河 岸边，大部分将集聚在堰趾处被水流冲刷到导流洞 引水渠及导流洞内部。因爆后基本不具备清渣条 件，为保证导流洞的设计过流能力，应使爆渣处于一 定的块度，利用水流冲渣的性能，将集聚在引水渠及 导流洞中的爆渣冲走，实现水流冲渣。 采用K U Z R A M 模型估算爆破后的块度尺寸范 围[ 13 l 。K U Z R A M 模型是库兹涅佐夫 K u s n e t s o v 和 罗森拉姆 R o s i n - R a m m l e r 分布函数的组合。 K u z n e t s o v 方程反映了爆破平均块度与爆破能 量和岩石特性的关系 x A q t - 0 ．8 Q 订届 1 1 5 ／E 1 螂 1 8 R o s i n ．R a m m l e r 方程反映了块度分布曲线的特 性，其中爆破块度的均匀性指标／1 , 表达块度分布线 形的陡缓及其弯曲程度 R 1 一e 一 x l x o 。 1 9 n 2 ．2 1 4 w ／d 1 一e ／w [ 1 m 一1 ／2 ] L ／H 2 0 式 1 8 、式 1 9 中A 为岩石系数，它的取值大小与 岩石的节理裂隙发育程度有关；q7 为炸药单耗， k g ／m 3 ；Q ’为单孔装药量，k g ；H 为梯段台阶高度，m ； E 为所用炸药威力；K 为特征块度，c m ，即筛下累积 率为6 3 ．2 1 ％时的块度尺寸；m 为炮孔密集系数，是 孔底间距a 和最小抵抗线形之比值；L 为实际装药 长度，m ；e 为钻孔误差，m ；R 为小于筛网直径的块度 质量分数 5 0 ％ ；W 为最小抵抗线，m 。公式中通 常n 为O ．8 2 ．2 。 特征块度按下式进行计算 V 蜀2 万南严 2 1 设大块的特征尺寸定义为为x ，则大块率可按 式 2 2 计算 L e 一 x ／x o “ 2 2 然后可依据式 1 8 一式 2 2 ，根据最终挡水围 堰的爆破参数进行爆渣块度、特征尺寸及大块率的 分析。 4 工程实列分析 4 ．1 工程概况及参数 阿海水电站位于云南省境内金沙江中游河段， 万方数据 7 6爆破2 0 1 0 年9 月 装机容量20 0 0M W 。工程在河流左岸山体中平行 布置2 条导流遂洞，隧洞断面为城门洞型，衬砌后断 面为1 6m 1 9m 宽X 高 。其中l 。导流洞长度 l0 4 6 ．8m ，进口底板高程14 0 8m ，出口底板高程 14 0 5 ．0m ，已于2 0 0 8 年1 1 月2 1 日爆破拆除。围 堰起爆后，除抛掷到岸边的爆渣以外，其他爆渣全部 被水流冲走，实现了水流冲渣。 围堰拆除过程中采用揭顶一削薄．最终挡水围堰 一次拆除的技术，最终挡水围堰由混凝土拱围堰和 预留岩坎部分组成，围堰距离进水塔净距离约1 3m 如图3 所示，距导流洞的近变段起始位置约3 5m ， 引水渠底宽3 1m ，河床底部高程较导流洞引水渠底 板高程高3 ～4m ，拆除时水位为l4 1 9 ．0m 高程，水 深约7 8m ，爆破后即时分流量，根据水文观测资 料，分流量约5 0 0 5 5 0m 3 ／s 。 图3 导流洞进1 2 1 段纵剖面示意图 阿海水电站围堰爆破拆除时，相关的参数如表 1 所示。 表1围堰爆破拆除设计参数表 4 ．2 计算结果 分析过程中，取河床底部高程与引水渠底板高 程平均高差为3 ．5m ，即坎高P 为3 ．5m ，平均水深 矾取7 ．5m ，分流量取5 0 0m 3 ／s 。 根据式 3 ，可得围堰爆破拆除瞬间流速％为 5 ．7m ／s ，实际上，由于坎高的存在，实际流速将大于 5 ．7m ／s 。 由式 1 2 和式 1 4 可分别得到水跃前t ，。及水 跃后断面流速％分别为1 1 ．4m ／s 和4 ．1m ／s 。而 导流洞在平稳过流后的水流流速，根据分流量、导流 洞断面尺寸及水深，可推算得到其流速不小于 3 ．1m ／s 。 而根据式 1 6 ，以及岩石、混凝土的相关参数， 可得到不同特征粒径的岩石及混凝土爆渣在抗滑动 及抗倾倒时的水流流速如图4 所示，很明显，由于混 凝土的密度较岩石小，此时混凝土爆渣在同等特征 粒径时滑动或者倾倒所需的水流流速较小。 由式 1 8 一式 2 2 ，得到岩石的平均块度 X 1 4 ．1c m ，均匀性指标／1 ． 1 ．5 8 ，特征块度 X o 1 7 ．7c m ，特征粒径大于4 0e m 的大块率值 匕 2 ．7 ％。而混凝土的平均块度，由于其硬度系数 较岩石小，爆破参数中炮孔密集系数增大，其平均块 度将比岩石更小，特征块度及大块率也小。 根据围堰拆除爆渣块度、拆除时的水流流速，以 及特征粒径与水流流速的关系，对照图4 中特征粒 径与水流流速的关系可知，围堰拆除瞬间，5 ．7m ／s 的水流速度可以将块度6 0e m 以下的所有爆渣冲 走。而在导流洞引水渠处，4 ．1m ／s 的流速，也可使 块度在6 0e m 以下的爆渣滑动，并直接冲走3 5e m 以下的爆渣。在导流洞中，爆渣块度为4 0c m 以下 时，水流能使爆渣滑动，能使2 5c m 左右块度的爆渣 倾倒，可见，将爆渣特征块度控制在1 4 1 8c m ，则 围堰拆除后的水流能够将绝大部分爆渣冲出导流 洞实现水流冲渣。阿海电站l 。导流洞拆除后的实 际情况也表明，完全实现了水流冲渣。 由于导流洞中水流流速的降低，可能存在4 0c m 以上的爆渣，但是其总量不超过爆渣总量的2 ．7 ％， 该部分爆渣在电站截流或洪水期，将被水流冲出导 流洞。 下转第8 0 页 万方数据 8 0爆破2 0 1 0 年9 月 上接第7 6 页 p I ∞ ● E 赵 瑙 避 * 图4 爆渣特征粒径与启动水流流速关系曲线 5 结论与结语 综合以上分析，可得以下结论 1 围堰拆除时的水流流速分析，可通过明渠 流、堰流等水力学知识以及溃坝理论，计算导流洞围 堰拆除瞬间、围堰拆除后导流洞进口及洞中的水流 流速及变化。 2 可根据爆渣启动流速与特征粒径之间的关 系，确定实现水流冲渣所对应的爆渣特征块度，然后 控制围堰拆除爆破参数，使爆渣处于实现水流冲渣 所需的爆破块度。 3 理论分析及工程实践结果表明，爆渣特征块 度控制在2 0c m 以下时，在爆破参数、水力学参数得 到良好控制后，可实现水流冲渣，促进工程的经济、 快速施工。 需要说明的是，导流洞围堰拆除瞬间，由于导流 洞进口处形状及地势的复杂多变性，水流状态实 际是一个非常复杂的问题，本文的研究过程中做 了一定简化，更加精确的分析方法有待于进一步 研究。 参考文献 [ 1 ] 刘美山，李丹，彭翠玲，等．大型水电站导流洞围堰 拆除爆破关键问题分析[ J ] ．爆破，2 0 0 6 ，2 3 2 8 0 8 4 ． [ 2 ] 赵根．深水条件下围堰拆除爆破技术研究[ D ] ．合 肥中国科学技术大学．2 0 0 8 ． [ 3 ] 张正宇，张文煊，吴新霞，等．现代水利水电工程爆破 [ M ] ．北京中国水利水电出版社，2 0 0 3 ． [ 4 ] 张文煊，张正宇，凡昌宇，等．大朝山水电站导流洞围 堰及岩坎爆破拆除[ J ] ．爆破，2 0 0 0 ，1 7 s 1 2 0 7 - 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