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丰满水电站泄水洞水下岩塞爆破工程

2010-03-16 14:54:35 12

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完成时间:19795

工程地点:吉林省丰满水电站

完成单位:水电部东北勘测设计院、水电部第一工程局等

项目主持人及参加人员:赵荫炳等

撰稿人:赵荫炳

 

1  前言

丰满水电站装机容量为55.4kW,混凝土重力坝,最大坝高90.5m,最大库容为107.8亿m3,是一个正在运行以发电为主的综合利用水库枢纽。

为了在必要时降低水库水位,水电部决定在丰满电站枢纽中增建泄水隧洞。

泄水洞位于丰满大坝的左岸洞口距8号坝段280m,洞长为682.9m,闸前段衬砌内径为10m,闸后段衬砌内径为9.2m,在正常高水位261.0m时,隧洞的泄量为1129m3s

泄水洞工程布置见图1

1  泄水洞工程布置图

a一平面布置图:12一硐室试验点;312岩塞试验位置;4一正式爆破岩塞位置

6一泄水洞断面图:1一岩塞;2一集渣坑;3一平板闸门室4一弧门室;5一挑流鼻坎

 

泄水洞进水口施工是该工程的关键。经几个方案比较,推荐用水下岩塞爆破方法施工,其理由主要有:施工期间不受库水位限制;工程量小;可节省大量材料、劳动力和大型机械设备;施工速度快:工程费用省。

为确保爆破成功,进行了大量的地勘、设计和室内外试验研究工作,经过设计、施工、运行和科研等有关单位的共同努力,丰满水下岩塞爆破于1979528日爆破成功。

 

2  地质条件

  泄水洞进口地形坡度为15°20°,岩塞部位覆盖层厚3.5m,基岩全风化厚0.5m,半风化岩体厚度4.0m左右,以下为微风化岩。岩石为二迭系变质砾岩,岩层呈块状,岩石致密、坚硬、抗风化能力强。切割岩塞体的断层有三组,经分析,岩塞、药室在施工期间是稳定的。  

 

3  爆破设计

3.1  设计原则和要求

    (1)对主要技术问题,要通过试验、充分论证,做到技术措施落实。

    (2)岩塞厚度要满足施工期稳定要求,采取措施确保药室导硐开挖过程中的安全。

    (3)岩塞要一次爆通成型,力争较好的水力条件,使爆后洞脸边坡保持整体稳定。

 (4)在保证爆通成型的条件下,应尽量降低爆破用药量,以减轻爆破振动对建筑的影响。

3.2  进口水工布置

    在满足泄量和低水位时进口不产生掺气条件的前提下,进口明渠底坎高程确定为218.0米,岩塞地表坡度为15°20°,岩塞中心线与水平面夹角选定为60°。控制进水口的流速不大于隧洞内不衬砌段流速12.7ms,按最大泄量1186m3s考虑,设计岩塞直径为11m岩塞断面比较大,考虑岩塞施工期间的稳定性,选定岩石厚度与直径的比为1.36,岩塞的岩石厚度为15m。岩塞爆破方量为3794m3,岩塞和主洞连接设有集渣坑。   

3.3  岩塞爆破设计

    岩塞药包布置分三层,上下两个主要药包的作用是把岩塞爆通,中层6个药室呈“王”字形布置是为了把上下药包爆破后剩余的岩体炸掉,使之达到设计过水断面。沿岩塞的下部布置一圈预裂孔,以控制岩塞的成型。

预型孔、12号药室和38号药室的起爆时间分别取为02575ms。药包布置见图2;药包计算主要数据见表18个药包的药量为3874.2kg(含起爆药量),预裂炮孔用药量为201.4kg,总装药量为4075.6kg

表1  药包计算主要数据

 

药室编

最小抵抗线W/N

单位耗药量K/kg• m-3

爆破指

n

炸药量Q/kg

下破裂半径R/m

破坏系

β

上破裂半径R΄/m

压缩系

μ

压缩圈半径Rc/m

药包间距/m

计算

实际

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

预裂孔

201.4kg

合计

4075.6kg

2药包布置

 

4  岩渣处理

岩塞爆破松方达5600m3,必须采取妥善的处理措施。对填塞集渣爆破、泄渣爆破和开门集渣爆破三种处理方式,分别做了各种运行条件下的水工模型试验后,决定采用开门集渣爆破方式。其好处在于有90%以上的岩渣可进入集渣坑;坑内堆渣较稳定;对洞内混凝土和金属埋件没有磨损;弧形门和检修门安全下闸的把握性大;对电站的尾水影响甚小。根据试验,渣坑尺寸为:底宽llm,长34m,高18m,容积9550m3,渣坑的有效利用系数为0.586

 

5大坝安全

丰满大坝是在日伪时期修建的,施工质量差,混凝土强度低。解放后,虽然经过多次加固,但是,岩塞爆破时大坝的安全仍然是工程上十分关心的问题。这一问题是通过以下途径才逐步得以解决的:

(1)做模拟试验。在距坝端130m158m370m的距离处,分别进行了药量为81kg292kg310kg的水下硐室爆破和岩塞爆破试验,以取得坝体静态观测资料;了解坝体承受爆破地震强度的能力。

(2)按爆破试验获得的经验公式,推算正式爆破时坝体的振动参量(位移、速度和加速度),为判断坝体的安全状况提供相应的数据。

(3)根据8号坝段反应谱曲线和振型曲线计算坝体地震惯性力,用材料力学方法分析坝体应力和稳定安全系数,以此来判断坝体安全状况。在爆破水位246.0m时,按单响药量2200kg和全响药量4300kg两种情况计算,在2334坝高处的下游坝面拉应力分别为0.29MPa0.479MPa;稳定安全系数分别为1.391.01。此结果与按有限元动力程序分析结果在数量级上是一致的。

据上述分析,坝体已经受过相同、相似参量的模拟爆破振动的考验;推算的正式爆破时坝体的位移、速度和加速度值均在安全范围之内,唯有加速度值稍大,但坝体危险断面的应力和稳定安全系数均满足要求。因此,爆破时大坝是安全的。

 

6  爆破效果

丰满岩塞爆破于197952812时起爆,爆破的库区水位243.9m,高速摄影拍照了水面鼓包运动过程,鼓包最大高度达31.3m,其上升速度为21.610ms,起爆后35min弧形门开始下闸,44min隧洞断流。用浮标法和出口水面曲线计算隧洞泄量为933970m3s。经检查洞内所有埋件良好,平板闸门槽、底板和两侧保护钢板未见损伤,闸门关闭紧密基本不漏水。洞内混凝土磨损极微。下游坝面裂缝处预贴的石膏没有发生再开裂现象。距爆心12.8m处的混凝土拱,爆破时测得的最大拉应变为156με19807月用水下激光电视观察混凝土顶拱完好无缺,所见部位没有发现裂缝。实测岩塞爆破方量4419m3比设计值增加了625m3

 

7  结论

(1)采用较小的爆破参数,采用毫秒延时与预裂控制爆破技术,一次爆通成型,实测爆破效果与设计一致,泄量达到设计要求。

(2)用反应谱和有限元方法对附近大坝进行了爆破振动力分析,论证了爆破不致危及大坝的安全,爆破结果证明了上述结论是正确的。

(3)在大流量、高流速的泄水洞中,起爆后弧形工作门仅用9min时问即顺利关闭,洞内磨损极微,证明首次采用开门集渣爆破方式是成功的。

(4)爆破时对坝体、隧洞和闸门等进行了动应变、振动加速度与速度、孔内电视和水面鼓包运动高速摄影等动静态观测;爆破后用水下测量和水下激光电视,全面检查了混凝土裂缝情况,这些测试方式和实测资料,对今后的水下岩塞爆破工程具有参考价值。