基于梯級開發(fā)下的山區(qū)航道巖石機械破碎方案對比及效果分析

陳家源

摘 要：內(nèi)河航道整治工程受水污染防治、生態(tài)環(huán)境保護等多重因素影響，需采用機械破碎施工破礁。山區(qū)航道水下機械破礁常受施工水位高、底質(zhì)巖石抗壓強度大、工后自檢精度不夠等因素制約，施工效率較低，工期長，成本高。在梯級水電開發(fā)的工程條件下，閩江沙溪口至三明臺江段航道整治工程改水下機械破碎巖石為陸上干地破碎巖石取得了一定的工程效果。本文立足工程實例，對水下機械破碎巖石、陸上干地破碎巖石的方案進行比選分析，可為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：內(nèi)河航道;巖石機械破碎;梯級開發(fā);方案對比

中圖分類號：U615 ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2021）07-0112-03

沙溪為山區(qū)性河流，山川地勢西北高東南低。閩江沙溪口至三明臺江段共建有水電站5座，從上游向下游分別為斑竹水電站、沙縣城關(guān)水電站、高砂水電站、官蟹水電站、沙溪口水電站，河道已基本形成渠化航道。根據(jù)《閩江航運建設(shè)總體規(guī)劃（2015-2025）》要求，閩江沙溪口至三明臺江段需達到內(nèi)河V級航道，通航閩江干流-I型300噸級船舶、兼顧閩江干流-II型500噸級船舶。

本文結(jié)合閩江沙溪口至三明臺江航道整治工程（第一標(biāo)段）工程實例對山區(qū)性河流梯級開發(fā)下的航道整治工程中航道巖石機械破碎的施工方案進行探討。

1工程項目概況

1.1 工程內(nèi)容及工程量

閩江沙溪口至三明臺江航道整治工程（第一標(biāo)段）巖石機械破碎工程量主要集中在官蟹水電站至閩江沙溪口航段，設(shè)計斷面工程量54955m3，超寬超深工程量32577m3，共有111個機械破碎作業(yè)區(qū)。根據(jù)環(huán)保及公路、鐵路、水電站的有關(guān)規(guī)定，航道巖石清礁不能使用傳統(tǒng)爆破方式，擬采用機械破碎礁石至設(shè)計底高程。地質(zhì)鉆探報告顯示水下巖石底質(zhì)為中風(fēng)化礫砂巖、中風(fēng)化粉砂巖、中風(fēng)化凝灰熔巖，抗壓強度為35.76～36.20Mpa，機械破碎巖層厚、硬度大、施工難度大。在項目施工質(zhì)量要求高、進度工期緊的情況下，項目建設(shè)的施工技術(shù)管理尤為重要。

1.2 工程建設(shè)條件

1.2.1 水文

沙溪為雨源型山區(qū)河流，汛期水位變幅大，暴漲暴落。沙溪洪水一般發(fā)生在 4～6 月，尤以 6 月出現(xiàn)機會較多。

1.2.2 底質(zhì)類別

擬建場地位于沙溪河鐵路橋至三明臺江航道河面上，根據(jù)地質(zhì)鉆探報告結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研，以官蟹水電站壩下13#礁石為例，施工區(qū)域底質(zhì)為中風(fēng)化砂礫石，抗壓強度為35.80Mpa。

1.2.3 施工水位條件

工程段下游沙溪干流、閩江干流梯級開發(fā)縱剖面圖見下圖1。官蟹水電站至沙溪口水電站航段施工區(qū)域位于下一級沙溪口水電站的庫區(qū)范圍，沙溪口水電站正常蓄水位為88.0m（85高程，下同）。航道整治中縱斷面設(shè)計沙溪口水電站壩上設(shè)計底高程為82.9m，官蟹水電站壩下設(shè)計底高程為83.9m，縱斷面設(shè)計高程見下表1?？梢?，航道破礁施工受沙溪口水電站蓄水位水位影響大。

2施工方案比選

2.1水下機械破碎巖石施工方案（方案一）

水下機械破碎巖石施工方案一般參照國內(nèi)其他內(nèi)河航道及閩江干流馬尾星羅塔—水口、閩江水口—沙溪口航道整治工程清礁經(jīng)驗，可采用高頻風(fēng)壓破碎水下巖石、礁石錘擊破碎水下巖石等方式。

施工現(xiàn)場前期采用了高頻風(fēng)壓破碎水下巖石的施工方案。高頻風(fēng)壓破碎水下巖石是利用巖石之間的裂紋進行高頻打擊，使其無法形成合力而被分離原來的結(jié)合體進而脫落。采用浮式作業(yè)平臺+挖掘機（配高頻破碎錘）的作業(yè)方式，對礁石進行高頻破碎后更換挖掘頭進行清礁，高頻風(fēng)壓破碎水下礁石施工工藝流程圖如下圖2。

礁石錘擊破碎水下巖石施工工藝與高頻風(fēng)壓破碎水下巖石類似，是將抓斗船上的高頻破碎錘替換為斧型重錘，吊起至一定高度，松開剎車，通過斧型重錘的自重及加速度將礁石破碎，整體破碎一層后，再將破碎錘放至抓斗船甲板上更換成抓斗船抓斗清除碎渣[1]。

2.2陸上干地破碎巖石施工方案（方案二）

結(jié)合沙溪河梯級開發(fā)施工環(huán)境，項目可采用溝通下游沙溪口水電站下降蓄水水位，創(chuàng)造低水位施工條件，改水下機械破碎巖石為陸上干地破碎巖石對航道區(qū)礁石進行作業(yè)的施工方案。水位降低后，原先的暗礁露出水面。通過挖掘機（配高頻破碎錘）直接進行破碎、清礁。對于局部高程未露出水面的暗礁，采用修建施工便道進行機械破碎。部分抗壓強度較大的底質(zhì)巖石，采用潛孔鉆配合高頻破碎錘施工。陸上作業(yè)巖石機械破碎工藝流程圖見圖3。

3施工方案對比及效果分析

3.1 施工工作效率分析

3.1.1水下機械破碎巖石

水下機械破碎巖石功效低。以13#礁石為例（見圖4），項目工程區(qū)域?qū)儆谙乱患壣诚谒娬編靺^(qū)范圍，位于官蟹電站壩下部分，官蟹壩下部分最低通航水位（取官蟹電站尾水位保證率為99.5%）為86.0m，設(shè)計底高程為83.9m。據(jù)現(xiàn)場臨時水尺實測，施工水位常維持在87.0m左右。

以設(shè)計底高程83.9m計算（不考慮超深要求），高頻破碎錘或斧型重錘需要克服3.0m的水頭浮力向水下礁石做功，機械破碎巖石的能量損失嚴(yán)重。

由于施工過程中水深較大，若使用抓斗船等小型設(shè)備配合高頻破碎錘，在施工作業(yè)時會造成船體晃動，進一步影響水上施工效率。

（3）由于閩江干流目前未完成全面通航，且河段水深較淺、河道寬度較小，工程區(qū)域周邊具備相應(yīng)船舶檢驗證書的大型施工船機設(shè)備數(shù)量少，施工期間難以投入大量作業(yè)設(shè)備。

項目現(xiàn)場曾采用浮式作業(yè)平臺+挖掘機（配高頻破碎錘）的作業(yè)方式對13#礁石進行水下機械破碎，施工3.5個臺班，僅完成50m3，每臺班完成工程量14.3m3/臺班。

3.1.2 陸上機械破碎巖石

陸上作業(yè)巖石機械破碎功效較水下機械破碎巖石施工效率大大提高。

陸上干地鑿巖便于大規(guī)模投入施工作業(yè)機械。不受水位變動限制后，現(xiàn)場班組可以全天候施工。且不受水流浮力影響機械做功，作業(yè)能力損失小。

（2）相比于水上施工平臺需要利用錨定樁固定、移動，陸上機械移動機動性強，施工作業(yè)安全性能得到更好保證。

3.2施工成本經(jīng)濟分析

水下機械破碎巖石成本較高。以13#礁石施工為例，由于工程區(qū)底質(zhì)巖石抗壓強度大，需要配備強度較高的高頻破碎錘，且在施工工程中設(shè)備損耗嚴(yán)重。清礁結(jié)束后，還需清礁裝駁。據(jù)測算，預(yù)估單價為1430元/m3，施工單價高（表2）。

陸上干地鑿巖施工成本低。

對于底質(zhì)抗壓強度較大的巖石，配合潛孔鉆施工，高頻破碎錘等施工設(shè)備損耗大大降低。

（2）陸上作業(yè)運輸棄渣由鏟運機吊運至臨時棄渣堆放點，再由陸上裝車拋渣。相較水上棄渣由開底駁滿載后，運至臨時碼頭棄渣坑進行棄渣處理的處理方式效率高、成本低。

3.3 施工質(zhì)量控制分析

依據(jù)《水運工程質(zhì)量檢驗規(guī)范》要求，航道工程設(shè)計底邊線以內(nèi)水域嚴(yán)禁存在淺點，水深、斷面圖需要滿足設(shè)計要求[2]。

水下機械破碎巖石施工質(zhì)量難以控制。由于項目采用水下分塊作業(yè)機械破碎，分塊區(qū)域易出現(xiàn)作業(yè)遺漏點，造成淺點出現(xiàn)。中間過程RTK無驗潮水深測量受測船姿態(tài)變化、定位時延引起的位置偏移、施工班組測量精度等因素影響[3]，存在一定誤差。

陸上干地鑿巖工程質(zhì)量能夠獲得更好保證。在水位降低后使用傳統(tǒng)的RTK（Real - time kinematic，實時動態(tài)）載波相位差分技術(shù)較水上測量精度更高，能夠盡可能避免航道整治工程中淺點的遺漏，降低返工風(fēng)險。

3.4 施工操作可行分析

水下機械破碎巖石施工工藝成熟，操作可行，工程可借鑒經(jīng)驗較多。陸上作業(yè)巖石機械破碎需協(xié)調(diào)上下游水電站運行控制，調(diào)節(jié)電站下泄流量、蓄水水位，項目管理協(xié)調(diào)難度較大。方案比選表詳見表3。

綜上，由于官蟹電站至沙溪口水電站航道作業(yè)條件特點，水下機械破碎巖石受到諸多條件限制，且工程進度計劃需要跨越沙溪河汛期，施工進度、質(zhì)量均難以保證。項目現(xiàn)場在前期采用浮式作業(yè)平臺+挖掘機（配高頻破碎錘）的條件下，改水下機械破碎巖石為陸上干地破碎巖石。

4陸上干地破碎巖石施工效果

在有關(guān)部門協(xié)調(diào)下，上游高砂電站、官蟹電站在保證最小生態(tài)流量的前提下[4]，減少下泄量。因上游下泄量減小，工程區(qū)水流速度降低，水流條件更穩(wěn)定，為項目提供了更好的施工條件。工程下游沙溪口水電站在枯水期降低蓄水水位，根據(jù)項目現(xiàn)場實測，施工期水位在最低時能夠下降到83.5m左右。

項目現(xiàn)場在低水位窗口期投入40-50臺施工機械，閩江沙溪口至三明臺江航道整治（第一標(biāo)段）在官蟹電站至沙溪口水電站段加強與上下游水電站協(xié)調(diào)，充分利用低水位窗口期施工條件。強化設(shè)備配置和資源組織，在3個月時間完成機械破碎礁石5.3萬立方米，項目進展較為順利。

5結(jié)論

（1）推動內(nèi)河航運高質(zhì)量發(fā)展日益受到國家主管部門重視。航道整治工程受到水資源保護、周邊建設(shè)項目的限制，越來越多采用巖石機械破碎的施工技術(shù)。合理的施工項目管理對航道整治工程中的清礁工程尤為重要。

（2）山區(qū)內(nèi)河梯級開發(fā)下，航道整治工程條件受上下游水電站蓄水水位影響很大，在施工期間應(yīng)建立溝通聯(lián)動機制，處理好與利益相關(guān)者之間的關(guān)系，創(chuàng)造有利的施工條件。在項目場地設(shè)置臨時水尺，實時對水位進行監(jiān)控，合理安排施工。

（3）水下機械破碎巖石相較陸上干地破碎巖石在施工工藝功效、質(zhì)量及成本均存在劣勢。結(jié)合內(nèi)河梯級開發(fā)具體情況，如能改變水下作業(yè)為陸上作業(yè)，能夠極大提高施工作業(yè)效率，降低施工成本，保證工程質(zhì)量。閩江沙溪口至三明臺江（第一標(biāo)段）航道整治工程在官蟹電站至沙溪口水電站航段的工程經(jīng)驗對類似工況下的清礁工程具有一定的借鑒意義。

參考文獻：

[1]陳歡.錘擊破礁施工技術(shù)在閩江干流航道整治工程中的應(yīng)用論證分析[J].中國水運，2020，（5）：46-51.

[2] JTS257-2008，水運工程質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3]崔坤生，曹正偉，宋曉蛟，左利欽.[J].測繪地理信息，RTK無驗潮水深測量誤差分析及控制方法，2019，44（3）：38-41.

[4]徐文賢.閩江支流梯級電站開發(fā)對生態(tài)環(huán)境的影響及防治措施[J].四川環(huán)境，2016，26（6）：63-68.