爆破技術(shù)在界江石質(zhì)淺灘整治中的設(shè)計應(yīng)用

趙世青

(黑龍江省航務(wù)勘察設(shè)計院，哈爾濱 150001)

1 概 述

鴨綠江為中朝界河，發(fā)源于長白山脈南麓，流經(jīng)吉林、遼寧兩省，于丹東市東溝注入黃海，干流全長859 km。吉林省境內(nèi)鴨綠江全長587 km，屬山區(qū)河流。其中，鴨綠江源頭至八道溝280.4 km，水流小且坡陡流急，無法通航；八道溝至渾江河口段306.6 km為通航河段。因建有云峰、渭源、水豐、太平灣4座水電站，均無過船設(shè)施，航道處于不連續(xù)渠化狀態(tài)，因此只能采取分段通航。

鴨綠江吉林段航道未經(jīng)過規(guī)模性整治，僅對局部河段進行養(yǎng)護性炸礁和疏浚。位于鴨綠江中游臨江公路橋與云峰大壩之間的小栗子淺灘江段，石質(zhì)河床，存在亂石灘及孤石，局部航道水深較淺，枯水期最小水深0.41～1.19 m之間，淺灘礙航嚴重。為推進沿邊開放、發(fā)展界江旅游、建設(shè)綜合交通運輸網(wǎng)、加強國防建設(shè)，亟待實施小栗子淺灘航道養(yǎng)護工程。

2 航道養(yǎng)護范圍、標準

2.1 養(yǎng)護范圍

擬對鴨綠江擋石至小栗子航道小栗子淺灘約3 km河段進行航道養(yǎng)護疏浚工程。

2.2 養(yǎng)護標準

工程河段航道等級定為Ⅵ級，航道設(shè)計水深按下式計算：

H=T+ΔH

式中：H為航道設(shè)計水深，m；T為船舶吃水，m，結(jié)合本河段及上下游現(xiàn)有船型及規(guī)劃船型，取船型最大吃水0.9 m；ΔH為富裕水深，m，Ⅵ級航道取0.2 m，卵石和巖石河床另加0.1 m。

經(jīng)計算，航道設(shè)計水深1.2 m。確定擬爆破疏浚江段航道養(yǎng)護尺度：航道寬度30 m，水深1.2 m，彎曲半徑不小于180 m，通航保證率90%。

3 疏浚爆破工程技術(shù)方案

3.1 設(shè)計水位

云峰電站位于本工程下游77 km，電站正常蓄水位318.75 m，死水位290.00 m。本工程位于云峰電站變動回水區(qū)內(nèi)，當暢流期庫區(qū)內(nèi)水位消落較大時，工程河段不受回水影響，因此按天然河道計算設(shè)計最低通航水位。

3.1.1 基本站設(shè)計最低通航水位

根據(jù)1965-2016年臨江站水文系列資料，考慮到水文站遷移，采用流量綜合歷時曲線計算對應(yīng)保證率90%的流量為86.5 m3/s；繪制臨江站水位-流量關(guān)系曲線，對應(yīng)流量86.5 m3/s的水位為326.31 m，即臨江站設(shè)計水位為326.31 m。見圖1、圖2。

圖1 臨江站流量綜合歷時曲線

圖2 臨江站水位流量關(guān)系曲線

3.1.2 各爆破挖槽處設(shè)計最低通航水位

根據(jù)2019年4月實測比降觀測資料，采用線性相關(guān)法推求各挖槽設(shè)計最低通航水位。

3.2 挖槽平面布置

3.2.1 航道線路布置原則

根據(jù)河道演變規(guī)律、深泓走勢，航道線路的選擇遵循以下原則：與天然河流的主流線走向一致，在滿足航道尺度要求和船舶安全航行的前提下，盡量避免大開挖巖石、暗礁和底質(zhì)不穩(wěn)定的淺灘;在開闊的河段，航道線路沿中、枯水主流線或主深泓線布置；在彎曲河段，航道盡量靠近凹岸，避開凸岸邊灘；在過渡河段，航道線路與上下深潭順直連接，盡量保證航道的穩(wěn)定與暢通。

3.2.2 工程布置方案

按規(guī)劃航線，對水深和航寬不足的水域布設(shè)疏浚挖槽。共布設(shè)挖槽6處，挖槽總長1 929.5 m。

3.3 挖槽設(shè)計

3.3.1 挖槽縱坡

挖槽底部縱坡坡度宜與原河段河床比降相一致，設(shè)計中挖槽縱斷面底坡與河段河床比降保持一致。

3.3.2 挖槽橫斷面

1) 設(shè)計挖槽邊坡坡比。挖槽斷面為梯形斷面。根據(jù)淺灘河床底質(zhì)確定挖槽邊坡坡比。本工程疏浚段河床底質(zhì)為巖石，按規(guī)范確定挖槽邊坡為1∶1。

2) 設(shè)計挖槽底寬與設(shè)計水深。設(shè)計挖槽底寬為8～30 m；挖槽設(shè)計水深為1.2 m。

3.3.3 設(shè)計挖槽的超寬和超深

由于本河段河床底質(zhì)為巖石，爆破施工首先采取100 mm型潛孔鉆機水下爆破炸礁預(yù)處理，然后采用2.0 m3液壓挖掘機對爆破后產(chǎn)生的巖石碎渣倒運到岸邊，順岸堆放，再由20 t自卸汽車運至棄渣場的作業(yè)方式。因此，根據(jù)爆破施工設(shè)備類型和淺灘底質(zhì)情況，水下鉆孔爆破預(yù)處理的設(shè)計挖槽超寬值為1.0 m，超深值為0.4 m。

3.4 水力計算

3.4.1 挖槽穩(wěn)定計算

假定挖槽前后糙率n不變，挖槽后槽內(nèi)、外比降J相同，挖槽前后通過流量相等。在設(shè)計水位時，通過水流運動方程：

挖槽斷面平均流速和挖槽后槽內(nèi)、外平均流速為：

由水流連續(xù)方程Q=VBh計算得：

式中：v0、h0、B0分別為挖槽前淺灘斷面平均流速、平均水深、水面寬度；vn、hn、Bn分別為挖槽后槽內(nèi)斷面平均流速、平均水深、水面寬度。

挖槽穩(wěn)定驗算公式如下：

式中：a=hn/h0；b=Bn/B0

經(jīng)計算，各挖槽穩(wěn)定系數(shù)Km均大于1，表明挖槽后挖槽范圍內(nèi)的流速均大于開挖前的流速，滿足挖槽穩(wěn)定要求。

3.4.2 挖槽水面降落值計算

淺灘河段進行疏浚施工后，因挖槽擴大了過水斷面，引起水面降低，使實際增加的水深小于要求的水深，同時因挖槽河段的水位下降而影響上游水深減少。因此，在進行挖槽設(shè)計時，要預(yù)先估計水面降落值。見圖3。

圖3 挖槽水面降落值計算圖

水面線采取水流連續(xù)方程和水流運動方程等恒定流方程進行計算：

(1+ΔH0/H0-ΔZ1/2H0)10/3(1-ΔZ1/ΔZ0)=1

ΔH0=(bn/B0)Δhn

式中：ΔH0為施工后計算段平均水深的增加值，m；H0為施工前計算段的平均水深，m；ΔZ1為施工后淺灘上斷面水位降低值，m；ΔZ0為施工前計算段水位落差，m；bn為挖槽寬度，m；B0為原河床寬度；Δhn為挖槽內(nèi)平均挖深，m。

經(jīng)計算，施工后各挖槽水面降落值為0.000 1～0.11 m之間?？紤]到本次工程位于山區(qū)河流且挖槽長度較長，下游挖槽疏浚后產(chǎn)生的水位降落勢必會對上游河段的水位產(chǎn)生一定的影響。

為此，需采用如下公式，對單個挖槽的水位降落計算結(jié)果予以修正：

式中：ΔZ1為上游末端水位降落值；ΔZ2為首端水位降落值。

圖4 上游河段水位降落值計算圖

經(jīng)計算，得出上游河段因下游挖槽水位降落影響的水位降落值。經(jīng)修正，最終得出施工后各挖槽水面的最終降落值在0.05～0.11 m之間。為避免水面降落對挖槽水深產(chǎn)生影響，需適當降低挖槽設(shè)計底高程，以保證水位降落后挖槽內(nèi)水深仍能滿足設(shè)計水深的標準。

3.5 挖槽底高程

疏浚挖槽底高程應(yīng)為設(shè)計最低通航水位下1.2 m并考慮水位降落值，以此確定各疏浚挖槽設(shè)計底高程。

4 施工組織設(shè)計要點

4.1 施工方法

本工程底質(zhì)為巖石，施工需水下爆破，工程爆破等級為B級，水下爆破施工通常采用水下裸露藥包爆破方法或水下鉆孔爆破方法。綜合考慮工程規(guī)模、地質(zhì)構(gòu)成、施工環(huán)境和安全要求等，該水下炸礁工程宜采用水下鉆孔爆破方法。見表1。

表1 施工方法對比表

4.2 施工順序

本工程施工順序為水下炸礁工程，具體施工順序如下：開工準備→測量、設(shè)立施工標志→測量定位→爆破船鉆孔→裝藥→連接起爆網(wǎng)絡(luò)→移船→警戒→發(fā)信號→起爆→清渣→驗收。

4.3 施工要點

4.3.1 施工時機和施工水位

小栗子淺灘處于云峰電站水位變動區(qū)上段，現(xiàn)場踏勘、調(diào)研表明，擬養(yǎng)護工程河段受云峰電站影響時間較少。工程所處江段每年11月份至次年4月份為枯水期，水位最低。朝方邊民有流放木排習(xí)慣，每年漂放木排時間約為4月中旬至10月中旬。因此，應(yīng)搶抓冬季枯水期實施爆破施工。

工程所處江段冬季冰蓋厚度在0.5 m以上的時間大約90 d，期間可進行鉆孔、埋藥、爆破作業(yè)。

采用冰下鉆孔爆破方法對挖槽區(qū)域進行炸礁預(yù)處理，再利用2.0 m3液壓挖掘機，將爆破后挖槽內(nèi)覆蓋卵礫層、爆破石渣及冰覆蓋層收集成堆后，倒運至岸邊，順岸堆放，填筑形成臨時便道，填筑高度不超過1.0 m，再利用挖掘機配合20 t自卸汽車將棄渣運至棄渣場。

挖掘機選擇在施工水位(設(shè)計水位上0.5 m)以下作業(yè)，水位大于施工水位時，工程停止施工。

4.3.2 爆破參數(shù)

為保證爆破施工安全和效果，爆破作業(yè)時，必須嚴格按照爆破設(shè)計參數(shù)。見表2。

表2 設(shè)備及爆破設(shè)計參數(shù)表

4.3.3 炮孔布置

施工展開擬采用分斷面、分帶爆破的方式，梅花型布孔(圖5)。爆破施工采用非電導(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)，電力引爆方式，防水型8#金屬雷管作擊發(fā)元件，非電導(dǎo)爆管雷管作傳爆體，引爆主炸藥。

圖5 炮孔布置圖

4.3.4 疏浚土處理

鑒于鴨綠江為中朝界河，難以就近設(shè)置棄土區(qū)，擬在大栗子鎮(zhèn)與望江樓之間江邊的三角地帶設(shè)置棄土場，拋泥面積20 190 m2，拋泥量56 520 m3，平均拋高約2.80 m。為便于外運，利用疏浚土修筑長約10 km臨時便道。

5 結(jié) 語

1) 鴨綠江小栗子淺灘江段按Ⅵ級航道標準進行養(yǎng)護，養(yǎng)護尺度：航寬30 m，水深1.2 m，彎曲半徑不小于180 m，通航保證率90%。

2) 按天然河道推求基本站設(shè)計水位，臨江站設(shè)計水位326.31 m。

3) 鴨綠江小栗子淺灘江段布設(shè)挖槽6處，挖槽總長1 929.5 m。

4) 各挖槽穩(wěn)定系數(shù)Km>1，滿足挖槽穩(wěn)定要求。

5) 各挖槽水面降落值在0.05～0.11 m之間，據(jù)此優(yōu)化、調(diào)整槽底高程，保證水位降落后挖槽內(nèi)水深仍能達到設(shè)計水深。

6) 爆破挖槽采用水下鉆孔爆破方法，按設(shè)計爆破參數(shù)和炮孔布置、利用冬季枯水期實施爆破施工。利用液壓挖掘機堆砌、自卸汽車倒運將爆破石渣、冰渣運至設(shè)計棄渣場。