关于大型水利枢纽工程复杂条件下大面积水下开挖技术的研究

关于大型水利枢纽工程复杂条件下大面
积水下开挖技术的研究
【摘要】某大型水电站右岸下游引航道扩挖工程水下开挖，具有施工面积大，水下环境复杂的特点。

根据项目部研究确定的下游引航道水下开挖方案，施工期间，将下游引航道水下部分分块试验，分别使用填筑围堰形成旱地基坑、搭设脚手架钻爆平台或者多种施工方式组合等方式进行水下开挖，确定采用多种方式综合使用的开挖方法，更具备工程效益。

【关键字】工程项目内容分析；施工流程和施工工艺；施工方案及相关措施；围堰及占压段拆除。

一、工程概况
项目属水利枢纽工程，地理坐标为东经110°01′，北纬23°28′，下游引航道扩挖工程阶地高程一般42~45m，地形较平坦，稍有起伏。

阶坡地面高程一26m~42m，坡度一般25°~35°，表面植被发育。

漫滩地形较平缓。

场区内有5条冲沟发育，均为近东西向。

一级阶地覆盖层厚度大于20m，上部为粘土夹淤泥质粘土，中间为卵石混合土，底部为溶余残积层。

二、施工内容
下游引航道扩挖工程主要内容有船闸下游引航道口门区右岸（桩号航下
2+159.90—航下3+738.03）土方明挖工程、石方明挖工程。

下游引航道总长1578.13m，宽度最宽135m，扩挖底高程22.00m，开挖边坡坡比为1:2、1：2.5两种，在高程31.70m处设置一道3.0m宽的马道。

三、施工方法
3.1施工程序
下游引航道在上下游方向跨度约为1578m，因此将该部位分为三个区进行开挖，分别为上游段、中间段以及下游段，分别对应图中Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区，每个区在上下游方向的长度约为520m，三个开挖面可同时开挖，基本互不影响。

拟定，开挖主要施工程序为：
（1）将引航道水上部分（EL26.0m以上）全部开挖至26.0m高程；
（2）在现水位边线布置挡水围堰之后，进行围堰内侧范围开挖，主要利用挡水围堰堰顶作为主要施工道路进行出渣运输，围堰内侧范围开挖道路根据实际情况合理布置；
（3）待围堰内侧全部开挖至22.0m高程后，在围堰外侧填筑施工道路，道路填筑至水下22.0m高程线为止，进行挡水围堰外侧22.0m高程以上部分开挖。

该部位采用搭设钢管排架方式进行钻爆施工，局部无法搭设排架部位考虑使用爆破船施工；
（4）围堰外侧开挖至设计高程后，进行挡水围堰拆除，围堰占压段设计高程以上存在石方的部分，利用围堰本身作为钻爆平台进行爆破，爆破完成后回填出渣道路利用挖机进行出渣。

3.2水下开挖、施工工艺
根据施工总进度规划，水下开挖安排在枯水期10月~次年1月施工，根据实测水文资料统计，施工时段水位高程线约为26m，初步确定常水位线以上为干地开挖，常水位以下为水下石方开挖。

根据现场实际情况，考虑到全部搭设钻爆平台施工时段较长，拟定沿水位边线EL26.0m填筑一道粘土围堰作为挡水围堰，堰顶高程EL27.0m，顶宽9.0m，两侧边坡坡比1：1.5，便于进行水位边线以内部分的开挖及钻爆施工。

由于设计要求开挖高程为EL22.0m，故在挡水围堰外侧存在部分EL22.0m高程以上的水下开挖，主要施工方法如下：
在围堰外侧填筑临时施工道路，顶宽9.0m，两侧坡比为1：1.5，顶部高程以超过施工时段实际水位高程1.0m控制。

临时施工道路填筑间距50~60m进行控制，两条临时施工道路之间需水下爆破区域采取沿挡水围堰临水侧坡面及临时填筑施工道路坡面搭设钢管排架方式进行钻爆，排架覆盖不到区域采用爆破船进行爆破施工，临时施工道路底部占压部位则利用道路作为钻爆平台进行钻爆施工，爆破完成后，填筑挖除平台对爆破部位进行水下挖渣，挖除不到的部位采用挖泥船挖除，驳船配合出渣。

围堰两侧部位均开挖完成后，考虑利用挡水围堰作为钻爆平台，进行围堰底部占压部位爆破施工，爆破后填筑临时挖渣道路进行水下挖渣。

3.3爆破船开挖施工工艺
使用爆破船进行水上开挖主要为爆破船进行水上钻孔较为便捷，以下为爆破船进行水上钻孔施工工艺介绍：
（1）抛锚移船
爆破船一般抛设4个锚，在风流水流较大时可增设1~2个船锚，有利于加强船舶稳定。

由于爆破范围水位较浅，定位完成后，把锚缆收紧，将船舶定位稳定后，可下钻钻孔。

（2）钻孔定位
根据大藤峡右岸前期准备工程的坐标系统，经复合工程基线网点后，在岸上相关网点架设全站仪，按照爆破设计参数，布设各个钻孔位置的网点，并且指挥船舶移至钻孔范围中抛锚定位，在按照爆破设计中的各个孔坐标，用全站仪对准孔位，开始施钻，钻杆深度为水位+设计要求底标高+超深。

钻孔作业
水下钻孔爆破应按由深水到浅水的顺序进行，且一次钻爆到设计深度，避免分层爆破。

钻孔孔位采用测站测量仪器直接测定，利用钻机所在水上排架或船体
移动船位和调整孔位。

在孔位上量测水深，由施工水位高程和设计河底高程计算岩层的厚度，确定钻孔深度。

钻孔形式采用垂直钻孔，布孔方式采用梅花形。

钻孔机具选用CM351钻机。

孔径φ90mm～100mm，钢套管（套管壁厚4mm），中空套孔钻透覆盖层，并钻入基岩一定深度，然后在套管中深入基岩中钻孔。

为了确保开挖达到设计的深度，钻孔应有一定的超钻深度，取0.8～1.2m。

3.4联网爆破
（1）孔装药量计算
施工前首先计算每个炮孔的装药量，按计算出的每孔装药量装填炸药。

炮孔单孔装药量计算：
首排炮孔的单孔装药量：
Q=0.9×q0×a×b×H
与首排炮孔同时起爆的后排炮孔单孔装药量：
Q=q0×a×b×H
式中：Q——单孔装药量（kg）
q0——水下爆破单位炸药消耗量（kg/m3），暂取经验值q0=1.4
a、b——钻孔的孔距、排距
H——设计开挖的岩层厚度（m），即为爆破岩层厚度
考虑水下石方爆破时需克服的水体阻力，因此装药量考虑破碎岩石所必须的能量和克服阻力所做的功，水下爆破的炸药单耗较陆地爆破要大，根据该工程水下岩石性质较陆地破碎的判断分析，结合水下爆破产生的水中冲击波的危险半径考虑，水下石方爆破只需达到松动效果即可。

以上水下钻孔爆破参数，结合施工水深、开挖深度、清渣设备及岩石的性质
等综合分析确定。

对于坚硬岩石，孔、排距取最小值，反之取最大值。

对于岩石
节理、裂隙、风化发育者，孔、排距取大值，反之取小值。

对于施工水深大、开
挖深度大、需要爆破的坡度小的情况，单位耗药量取大值，且在施工过程中，根
据清渣的效果和清出石渣块体大小分析，及时调整爆破参数，以获得较高的爆破
效果，提高钻爆和清渣效果。

（2）爆破网路设计
爆破网络采取并串联方式，采用低段传爆、高段起爆的方法实现微差控制爆破，减少一次起爆的孔数（排数），减少齐爆药量，以减少爆破地震波、冲击波
等爆破产生的危害对围及周围建筑物和设备、人员的影响，同时也增加爆破的自
由面，提高爆破效果。

爆破装药型式示意图
（3）装药联网
单次设计的爆破区域全部钻孔完毕后，炮工即可在脚手架上或船上集中装药，炸药雷管均由套管进入孔内，然后拔管。

装药、拔管时应注意对雷管绞线的保护。

为了确保安全，应用特制的堵塞材料将炮孔堵满，防止冲泡，避免水流冲刷炮孔。

在水中放置浮苔，使其固定的漂浮在水面上，将同排的导爆管共同绑定在一
只轮胎上，按照从后到前的顺序将轮胎上的导爆管用同段电雷管连接，为了不使
传爆雷管将其它导爆管炸断造成拒爆现象，连接时应将雷管置于浮胎上，并用泡
沫盒包住扎紧，不能浮在水面上随波漂移。

（4）爆破设计
根据工程局共他工程的实践经验，结合本工程的地质条件，进行设计计算，
类比选用，确定爆破参数，再在施工时进行爆破试验加以验证，不断调整、优化
爆破参数。

3.5预裂爆破
（1）孔距：a=（8~12）D
其中a——炮孔孔距（mm） D——孔径（mm）
100B潜孔钻，造孔直径为90mm，故a=（720~1080）mm，强风化岩石取小值700mm，微、新岩石取大值1000mm。

CM351潜孔钻，造孔直径为105mm，故a=（840~1260）mm，强风化岩石取小值800mm，微、新岩石取大值1200mm。

YT28手风钻，造孔直径为42mm，故a＝（336~504）mm，强风化岩石取小值350mm，微、新岩石取大值500mm。

（2）线装药密度
通过工程类比，并根据经验公式计算，本工程潜孔钻造孔预裂爆破线装药密度为300~350g/m，孔底1.5m范围内装药为上述值的2~3倍，距离孔口位置线装药密度适当减小，需根据试验情况作调整。

手风钻造孔预裂爆破线装药密度为150~200g/m。

3.6梯段爆破
下游引航道开挖分层高度主要为3~5m，采取一次爆破至设计高程方式进行爆破，各梯段高度初拟爆破参数见下表：
梯段爆破参数表（干地开挖）
梯段爆破参数表（水下开挖）
浅孔梯段爆破采用孔间毫秒延期爆破网路，采用数码电子雷管起爆，能有效
地将多孔齐爆变为多孔分段或单孔接力起爆，且前爆孔为后爆孔提供新的临空面，能充分利用爆破能量，爆破时增加岩石相互之间碰撞次数，爆破岩块的块度小，
单段起爆药量少，极大减小了爆破振动对保留岩体的影响。

四、围堰及占压段拆除
挡水围堰在两侧均开挖至设计高程后可进行拆除。

根据我部拟布置围堰体型，围堰顶宽9.0m，底部占压部位石方开挖可使用围堰堰顶作为钻爆平台，进行钻孔
爆破。

爆破完成后根据爆破现场情况，填筑出渣平台使用长臂挖机配合自卸车进
行出渣。

根据施工技术要求，长臂挖机能够挖除平台高程以下4.0m左右的渣土，围
堰布置高程为EL28.0m，距离设计高程EL22.0m存在6.0m高差，底部剩余2.0m
渣土层可采用挖泥船进行开挖，驳船配合出渣。

驳船出渣时，在未拆除围堰部分
或施工现场指定区域布置临时出渣码头，在码头布置1台挖机配合自卸车进行驳
船出渣。

出渣码头可使用粘土填筑，顶部铺设50cm石渣保证挖机出渣过程安全稳定，自卸汽车运输畅通即可。

五、结语及实际应用
根据现场施工进度情况分析，该大型水利枢纽工程复杂条件下大面积水下开挖在枯水期内，在临水侧填筑围堰，将水下开挖调整为水上开挖，施工效率提升明显，施工质量良好，施工情况整体受控，可以确定将水下开挖调整为干地施工的技术措施是可行的，对提高施工效率和经济效益有较为重大的意义。

参考文献
[1] 刘杰．土的渗透稳定与渗流控制．北京：水力电力出版社，1992：1～20．
[2]曾凡杜.坝面帷幕灌浆技术在竹银水库主坝坝基处理中的应用.水利水电科技进展［J］.2011年第6期.
［3］SL62-94水工建筑物水泥灌浆施工技术规范［S］.
［4］DL/T 5148-2001水工建筑物水泥灌浆施工技术规范［S］.
［5］DL/T 5129-2001碾压式土石坝施工规范［S］.
［6］郭庆国，蔡长治.土石坝建设实用技术研究及应用［M］.郑州：黄河水利出版社，2004.
作者简介：
黄运财男 1987年8月汉瑶族广西省桂林市本科（学士）工程师
研究方向：水利工程。