聚能切割爆破技術在水電站應急搶險中的應用

王 強，張業(yè)輝，高 峰，趙忠曉

（1.國家能源集團四川發(fā)電有限公司，四川成都，610041；2.陜西北方友邦爆破科技有限公司，陜西西安，710000）

0 引言

隨著我國基礎設施建設速度的加快，各類工程建筑設施和構筑物數(shù)量也在不斷增加，因達到建筑物生命周期或應急搶險等原因需要拆除的建筑設施和構筑物數(shù)量也相應增加。在建筑設施拆除工程技術方面，一般采用鉆孔爆破拆除、機械破碎拆除和人工切割拆除等技術工藝，但對于作業(yè)條件受限（如作業(yè)區(qū)域環(huán)境復雜、大型設備無法到達作業(yè)面、人工拆除安全風險大等）且拆除對象為大型鋼結構的應急搶險工程，常規(guī)拆除方法不易實現(xiàn)。因此，深入研究安全可靠、技術先進的爆破拆除技術，應用到特殊作業(yè)環(huán)境條件下的大型鋼結構拆除工程顯得十分必要。

聚能切割爆破技術在軍事領域應用較多，在民用應用到巖土工程、大型構筑物拆除方面，尤其是應用到特殊作業(yè)環(huán)境條件下的應急搶險工程（如水工鋼結構拆除、深水爆破作業(yè)、沉船打撈、水下切割等）方面還是一個新課題，工程實例不多，需加強應用研究。

1 聚能切割爆破原理

1.1 聚能爆破基本原理

聚能爆破是利用一定的裝藥結構設計出特定的聚能藥包（或聚能切割索），利用聚能藥包爆炸后的聚能效應（通常稱為“門羅效應”），通過爆炸產(chǎn)生的高溫、高壓、高速射流對爆破對象進行作用的一種爆破方法，達到對巖土、金屬等爆破對象進行穿孔、切割、破壞的目的。該方法具有能量集中、作用迅速、方向性強、穿透力大等特點，在實際工程應用中，還具有聚能藥包體積小、安全易施工、對作業(yè)環(huán)境要求低等特點，因此，聚能切割爆破技術逐漸受到國內(nèi)外爆破界的重視。

1.2 聚能藥包主要結構及作用

聚能藥包由炸藥、藥形罩、隔板、殼體、引信和支架等部分組成。聚能藥包的爆炸性能及爆炸侵徹效果與炸藥種類、裝藥量、藥型罩材料、裝藥結構、起爆方式及其幾何尺寸顯著相關。

1.2.1 炸藥

炸藥是聚能切割爆破的能量源。炸藥的爆壓越大，聚能威力越大。為得到高爆壓，需高爆速、高密度的炸藥。常用炸藥有TNT、黑索金（聚黑系列）炸藥等，裝藥方法有熔鑄、塑裝和壓裝等。

1.2.2 藥型罩

藥型罩的作用是把炸藥的爆炸能轉(zhuǎn)化成射流動能，從而提高其穿透和切割能力。藥型罩的材料必須滿足四點要求，即可壓縮性小、密度高、塑性及延展性好、在形成射流中不汽化。大量試驗證明，用紫銅制作藥型罩效果最好，其次為鑄鐵、鋼和陶瓷。藥型罩的形狀多種多樣，主要有軸對稱型、面對稱型和中心對稱型，其中：軸對稱型主要有圓錐形、半球形、拋物線形和喇叭形等；面對稱型主要有直線形（多用于切割鋼板）和環(huán)形；中心對稱型主要有球形聚能藥包。在工程中常用的是軸對稱型和面對稱型兩類藥型罩。

1.2.3 隔板

隔板的作用是改變爆轟波的形狀，提高射流頭部的速度。設計合理的隔板可使射流頭部速度提高25%，穿孔深度提高15%～30%。隔板材料一般用塑料和木料等惰性材料，也有用低爆速炸藥當作隔板的，直徑不小于藥包最大直徑的一半，其位置、厚薄、大小均可按爆轟波理論進行計算，選出最優(yōu)值。

1.2.4 殼體

殼體會影響爆轟波的陣面形態(tài)，可以減弱稀疏波的作用，有利于能量有效利用，但控制不好會造成“反向射流”現(xiàn)象，反而減弱了射流強度，所以聚能藥包也有不用外殼的。

1.2.5 支架

支架的作用是保證最佳炸高。炸高的定義是聚能藥包底面（即藥形罩底線）到穿孔目標的最短距離。最佳炸高根據(jù)聚能藥包設計決定，一般是藥型罩底部直徑的1～3倍。

2 聚能切割爆破技術在某水電應急搶險工程中的應用

2.1 工程概況及事件背景

某水電站是一座具有日調(diào)節(jié)功能的閘壩有壓隧洞引水式電站，電站總裝機容量24 MW，1996年6月建成投產(chǎn)。工程由重力壩、泄洪閘、底廊沖砂壩段、防滲墻、防滲帷幕、右岸進水口、閘后護坦及護岸等建筑組成。大壩為混凝土重力壩，壩頂高程1 637.30 m，最大壩高20.35 m。泄洪閘設三孔弧形門，閘門尺寸為8.0 m×6.5 m（寬×高），單扇門體自重40 t，采用2×25 t固定式卷揚機啟閉。泄洪閘啟閉機室底板高程1 638.5 m，泄洪閘底坎高程1 622.0 m。

2019年8月20 日，四川省阿壩州汶川縣境內(nèi)發(fā)生特大山洪泥石流災害，造成汶川縣境內(nèi)多座水電站不同程度受災，其中臥龍某水電站泄洪流道被泥石流淤堵，大壩工作電源被摧毀，發(fā)生了壩頂過流險情。據(jù)現(xiàn)場測量，漫壩洪水位超過壩頂約4.2 m，達到高程1 641.5 m；壩前淤泥超過泄洪閘底坎約13 m，達到高程1 635.0 m。由于漫壩水位、壩前淤泥、雜木卡阻等荷載疊加組合，遠遠超出了泄洪閘門設計荷載標準，導致泄洪閘門無法正常提升，搶險過程中曾先后采用大功率電機、無電液控應急啟閉設備、液壓千斤頂?shù)榷喾N方案提升閘門，效果甚微。經(jīng)搶險專家組研究，決定采用聚能切割爆破技術拆除泄洪閘門。

2.2 工程應用

2.2.1 待爆體結構

泄洪閘門為鋼構件，由槽鋼和鋼板焊接而成。材質(zhì)為鋼（Q235C），閘門鋼板結構尺寸見圖1，槽鋼結構尺寸見圖2，腹板鋼板尺寸見圖3，閘門現(xiàn)場照片見圖4。

圖1 閘門鋼板結構尺寸Fig.1 Dimension of the gate plates

圖2 槽鋼結構尺寸Fig.2 Dimension of the channel steel

圖3 腹板鋼板結構尺寸Fig.3 Dimension of the web plates

圖4 閘門現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.4 Photo of the floodgate

2.2.2 爆破方案設計

現(xiàn)場實際情況為：洪水漫壩、應急搶險施工條件差，人工切割泄洪閘門方案安全風險非常高，無法實施；常規(guī)爆破方案施工條件不允許，且因泄洪閘壩段壩體內(nèi)鋼筋縱橫交錯，常規(guī)爆破效果得不到保證。根據(jù)閘門鋼板厚度δ=16 mm，借鑒同類工程，可采用聚能切割索進行爆炸切割，使閘門鋼板充分解體后形成泄洪通道。

為確保切割爆破效果，保證聚能切割索能徹底切穿閘門鋼板，首先采用乙炔-氧氣熱熔切割方案切穿閘門后部的腹板、翼板槽鋼及水平方向的部分腹板，再將切割索安放在閘門鋼板表面并進行固定。

2.2.2 .1 爆炸切口設計

為使切口充分，在豎直方向連續(xù)布置切割索8條（編號1～8），在水平方向連續(xù)布置切割索2條（編號A、B），在腹板和翼板布置切割索（編號C1～8、D1～8和E1～6），具體爆炸切口布置見圖5。

圖5 爆炸切口Fig.5 Explosion cut

2.2.2 .2 藥型罩設計

此次切割對象為泄洪閘門鋼板，切割藥型罩采用直線型方案，炸藥采用聚黑-16型，見圖6。

圖6 聚能切割索示意圖Fig.6 A shaped charge cutting cable

2.2.2 .3 起爆網(wǎng)路

為減少閘門鋼板的振動，確保切割爆破效果，采用高精度導爆管雷管，延期時間選用瞬發(fā)段（0 ms），爆破網(wǎng)路采用簇連方式（一把抓），具體連接方式見圖7。

圖7 爆破網(wǎng)絡示意圖Fig.7 The blast network

2.2.2 .4 主要爆破材料

主要爆破材料見表1。

表1 主要爆破材料Table 1 Main blasting agents

2.2.2 .5 試爆試驗

為確保閘門爆破切割成功，爆破器材進場后進行現(xiàn)場試爆試驗，切割試驗分兩種。

（1）閘門鋼板（槽鋼）切割試驗：試驗閘門鋼板厚度δ=16 mm，尺寸為0.5 m×0.5 m，試驗裝置見圖8。切割索布置好后，人員撤離，引爆，爆后觀看切割效果，并做好試驗記錄。

圖8 δ=16 mm試驗示意圖Fig.8 Test as δ=16 mm

（2）腹板（工字鋼）切割試驗：工字鋼厚度δ=24 mm，面寬B=0.8 m，進行兩邊對切，以提高爆破切割效果，試驗裝置見圖9。根據(jù)要求將切割索布置好后，人員撤離，引爆，爆后觀看切割效果，并做好試驗記錄。

圖9 δ=24 mm試驗示意圖Fig.9 Test as δ=24 mm

2.2.3 警戒設計

GB 6722-2014《爆破安全規(guī)程》規(guī)定，復雜環(huán)境爆破安全允許距離不少于300 m。為保證本次爆破施工的安全，本工程安全允許距離確定為500 m，警戒示意見圖10。

圖10 警戒示意圖Fig.10 Alert zone

2.2.4 安全核驗

2.2.4.1 振動核驗

根據(jù)薩道夫斯基控制爆破振動速度公式：

式中：V為地面質(zhì)點峰值振動速度，cm/s；K和a為與爆破點至計算點間的地形、地質(zhì)條件有關的系數(shù)和衰減系數(shù)，此處K取150，α取1.5；Q為一次起爆的最大藥量，單位為kg，微差爆破時取最大一段裝藥量，30 kg；R為保護對象到閘板的距離，此處取500 m。

將上述參數(shù)代入公式計算得V=0.07 cm/s，遠小于計算值，爆破振動滿足設計要求。

2.2.4 .2 個別飛散物

根據(jù)GB 6722-2014《爆破安全規(guī)程》，在裝甲爆破坑中，個別飛散物的最小安全允許距離不少于150 m，本次爆破警戒距離500 m滿足要求。

2.2.4 .3 爆破空氣沖擊波安全驗算

本方案按R=500 m、Q=70 kg驗算沖擊波超壓值，驗算公式采用GB 6722-2014《爆破安全規(guī)程》的推薦公式，即：

式中，ΔP為空氣沖擊波超壓值，×105Pa；Q為一次齊發(fā)爆破總藥量；R為至被保護距離，500 m。

Q=70 kg，代入公式計算得ΔP=0.006 526 106×105Pa。

以上計算值小于0.02×105Pa，符合GB 6722-2014《爆破安全規(guī)程》的相關要求，故爆破空氣沖擊波對周圍環(huán)境不造成安全威脅。

2.2.5 爆破組織實施及效果

本次聚能切割爆破由電站業(yè)主組織指揮，委托具有爆破專業(yè)資質(zhì)的單位負責實施現(xiàn)場爆破作業(yè)，爆破前做好了安全警戒和保障措施，于2019年9月3日20時49分安全順利地實施了2號泄洪閘聚能切割爆破。閘門成功解體，壩前水位迅速降至壩頂以下,電站險情徹底解除，聚能切割爆破拆除和應急搶險獲得圓滿成功。

3 結語

某電站應用聚能切割爆破技術，克服了復雜的作業(yè)環(huán)境條件，成功爆破拆除了2號泄洪閘門，徹底解除了險情，應急搶險成功。特殊作業(yè)環(huán)境條件下、水電應急搶險工程中，該技術是拆除大型水工鋼結構的一項創(chuàng)新突破，方案安全可靠，便于現(xiàn)場實施，可為類似的水電工程應急搶險、抗震救災、特殊環(huán)境條件下大型構筑物安全快速拆除提供經(jīng)驗參考。