堰塞湖的處置方法

堰塞湖及其爆破處置方法研究“堰塞湖”在“5.12”汶川大地震后引起公眾的普遍關(guān)注。本文論述了采用爆破方式炸開缺口泄流一類堰塞湖應急排險的有效手段較詳細地分析了堰塞湖滑坡壩治理中常用的工程爆破技術(shù)。包括具體方法的使用特點和工程處治典型實例。新世紀新階段，我國經(jīng)濟高速發(fā)展，針對未來可能發(fā)生的突發(fā)情況，隨著我軍的職能使命任務(wù)正在發(fā)生新的變化，由承擔單純的水電施工逐漸向應急救援領(lǐng)域轉(zhuǎn)變。特別是近年來，由于自然環(huán)境惡化，災害頻發(fā)，導致重大的人員財產(chǎn)經(jīng)濟損失。作為水電兵，我們在搶險救災方面擁有得天獨厚的專業(yè)優(yōu)勢，在搶險救災中可擔任尖刀兵，為搶救人員生命和財產(chǎn)做出重要貢獻。從98特大洪災到汶川特大地震災害，我軍在搶險救災方面積累了豐富的經(jīng)驗。然而，在汶川地震中我軍面臨了一類新的災害考馬-一地震堰塞湖。堰塞湖是由于河流被外來物質(zhì)堵塞而形成的湖泊。常由山崩、地震、滑坡、石流、火山噴發(fā)的熔巖流和流動沙丘等造成。長發(fā)生在地震活躍，泥石流多發(fā)地帶。地震堰塞湖的堤壩大多由滑落的松散石塊組成，一旦決堤將會對下游民眾造成毀滅性的破壞。在治理汶川地震形成的堰塞湖過程中，針對唐家山堰塞湖極難險情，我軍聯(lián)合各領(lǐng)域的專家解決了問題，但同時也反映出在處理這一類災害上的技能欠缺，經(jīng)驗欠缺，排險措施單一等問題。本文主要是通過對各國處理地震堰塞湖的經(jīng)驗技術(shù)進行分析總結(jié)，為我軍治理堰塞湖提供一定的技術(shù)支撐。在汶川地震后，國內(nèi)學者專家通過對唐家山等地震堰塞湖的應急處理積累了經(jīng)驗。在治理過程中通過多平臺，多時相的衛(wèi)星遙感影像，利用3S技術(shù)掌握了災區(qū)堰塞湖的位置及范圍，并利用先進的數(shù)學建模技術(shù)模擬災區(qū)堰塞湖模型，為治理方案的產(chǎn)生提供了寶貴的參考依據(jù)。這些經(jīng)驗對我們應急搶險都有寶貴的借鑒價值，在處理未來的突發(fā)災難時，我們可以借助先進的衛(wèi)星通信，遙感成像，計算機模擬等技術(shù)為我軍搶險救援提供技術(shù)支撐。本文以處理堰塞湖方法技術(shù)為切入點，通過對爆破處置技術(shù)的原理、原則、具體技術(shù)措施等進行深入和詳細的研究，從而為從事抗震救援等非戰(zhàn)爭軍事行動提供技術(shù)支撐，并為治理地震堰塞湖這一課題的研究提供理論上的參考。堰塞湖應急處置的基本原則是：“安全、科學、快速”。采用的基本方法是：“疏導、引流、降水”。處置堰塞湖的工程措施主要有以下兩種：方法一：人工處置方法。對交通極為不便的堰塞體，應充分利用天然低凹地形，開挖溢流泄水槽，按照“分次爆破、分層開挖、挖爆結(jié)合、淘沖引流”的方法，有效降低堰體高度和堰前水位。方法二：機械作業(yè)方法。把握時機進行高效的機械化施工作業(yè)。采取“機械淘渣、水力沖渣、機械運渣、淘沖運結(jié)合”的方式，開挖溢流泄水槽，實現(xiàn)可控泄流，降低堰塞體潰決風險。工程應急排險主要采取分層爆破與開挖，降低堰塞壩頂溢流高程，盡可能降低堰塞湖水位和庫容。采用機械開挖、爆破、人工開挖相結(jié)合；機械淘渣、水力沖渣、裝載機運渣的“淘、沖、運”相結(jié)合的施工模式，在堰塞壩頂?shù)桶庨_挖出滿足設(shè)計過流要求的泄流槽，達到降低堰塞湖水位，提前引流、泄流，降低堰塞壩整體潰決風險，在泄流槽過流時讓水流自然擴寬泄流槽，控制下泄流量，實現(xiàn)堰塞壩體逐步潰決，最終達到排除險情的目的。由于堰塞湖的危害可能非常大，因此對于大多數(shù)堰塞湖來說，需要對其進行處理，少部分堰塞湖如果對其進行相關(guān)論證之后，認為其不需要處理，則可以不施加相應處理措施。堰塞湖的處理措施主要有以下幾個方面：爆破泄洪：爆破泄洪一般是采用人工上堤壩裝埋炸藥完成的，是及時解決堰塞湖危機的方案。爆破泄洪的決策是在最緊急情況下，即下游地區(qū)將面臨滅頂之災，并且在人員情況已經(jīng)被成功轉(zhuǎn)移的前提下才可以實施。爆破泄洪比較適合于庫區(qū)水容量不是很大的情況下，并且實施爆破泄洪的最佳時機在堰塞湖形成的初期。人工開挖泄流措施:此類方法治理的原理是按照疏導水流，控制堰塞湖水位。泄流措施包括人工開挖明渠、泄流槽或泄洪洞。該類處理措施是在保證堰塞壩穩(wěn)定的條件下進行的，通過水流下泄，保持上游水位不變或逐漸降低上游水位來保證堰塞壩上下游的安全。但是這種方法不容易對上游淤積物進行很好的處理，將使得堰塞壩上游河床不斷抬升，因此，在處理的過程中需要考慮如何下泄上游淤積物。這種方法是解決分散、水位較低、流量較小的中小型堰塞湖和災害晚期、重建工程開始的情況下所采用的決策。堰塞壩加固：在詳細的工程地質(zhì)勘測和未掌握下游人員疏散情況的決策背景下，通常會采用加固堰塞壩的方法。這種方法對下游將存在安全隱患，通常不建議采用。對于工程實際來說，應結(jié)合現(xiàn)場工程地質(zhì)條件、上下游生命財產(chǎn)安全等實際情況，然后采用合理的處理措施。當然，一些小型堰塞湖在形成不久之后將會自動潰決或者水位漫頂，并不需要采用一定的工程處理措施5］。下面我們主要講一下堰塞湖爆破處理的具體措施。堰體主要有二種基本結(jié)構(gòu)：一是塊石結(jié)構(gòu)，主要由大塊石堆積而成，個別石頭巨大，體積有幾十至幾百立方米，堰體結(jié)構(gòu)松散；二是土質(zhì)結(jié)構(gòu)，主要為土夾個別小石或全風化巖堆積而成，這種堰體結(jié)構(gòu)稍緊密，透水性差，堰塞體按過流情況還可分為已過流堰塞體和未過流堰塞體。堰塞湖所處的位置一般都在山溝峽谷內(nèi)，經(jīng)過強烈地震，道路已被完全破壞，鉆孔機械、挖運機械等設(shè)備根本無法到達堰塞體，因此只能采用非機械的方式形成泄流槽。由于堰塞湖水位在不斷上漲，潰決的可能性在不斷增加，時間每拖延一個小時，危險就增加一分，搶險時間非常緊迫，完全用人工的方法顯然不能滿足要求，只能采用爆破的方式形成泄流槽。要形成“槽”，僅把石頭解小炸碎還不行，必須要盡可能多地把土石拋走，才能形成可以泄流的“槽”。因此在方案的選擇上應以拋擲爆破為主，同時要盡可能地將泄流溝柴尤其是塊石堰體溝渠)底部的巖石充分破碎，以便過流后容易被水能沖刷帶走。根據(jù)爆破理論，炸藥在土巖表面至內(nèi)部一定距離內(nèi)任意一點爆炸后，都將使得土巖被破碎或拋擲。將藥包設(shè)置在土巖表面而進行的爆破稱為表面接觸爆破，對藥包不加覆蓋就稱為裸露接觸爆破。裸露接觸爆破的藥包爆炸后能將距藥包一定距離內(nèi)的土巖破碎并拋走一部分。將藥包設(shè)置在土巖內(nèi)部而進行的爆破稱為內(nèi)部爆破，藥包爆炸后將形成一個漏斗坑，其大小與裝藥量多少和土巖性質(zhì)、結(jié)構(gòu)有關(guān)。度中r為漏斗半徑，h為最小抵抗線，P為可見深度。r與h的比值為爆破作用指數(shù)n，即n=r/h。當n=1時為標準拋擲爆破，當n>1時為加強拋擲爆破。n值是一個很重要的參數(shù)，當h不變、n值加大時r也隨著增加，但n值加大到某一數(shù)值時，r隨n值的變化不明顯，通常n值的取值范圍為1?3?？梢娚疃萈是一個隨n值而變化的參數(shù)，當n=1時，P=0.5h；當n=1.5時，P=h；當n=2時P=1.4h。圖9中當相鄰兩個藥包之間的距離aV時，兩個漏斗坑就聯(lián)接起來，形成一條溝，而且中間沒有埂子。圖9兩列藥包爆破示意根據(jù)上述理論，我們就可以設(shè)置多排多個藥包爆破出符合長寬高要求的泄流溝渠了⑹采用裸露接觸爆破法開設(shè)塊石堰體泄流溝渠時，可根據(jù)設(shè)計要求的溝渠寬度、深度、長度來確定藥包排數(shù)或個數(shù)以及其它爆破參數(shù)。排數(shù)的確定。TOC\o"1-5"\h\z排數(shù)按下式計算：m=D/(1.5H)-11式中,山為裝藥的排數(shù)；D為泄流溝渠的設(shè)計寬度；H為擬破碎深度。裝藥個數(shù)的確定。裝藥個數(shù)按下式計算：N=[L/(1.5H)-1]m2式中N為總的裝藥個數(shù)；L為設(shè)計的溝渠長度；其它符號意義同前。間距、排距均為1.5H，設(shè)置2排藥包時要對稱布置，設(shè)置3排以上藥包時要交錯布置。單個藥包裝藥量的確定。單個藥包裝藥量可按下式計算：Q=9kH33式中，Q為單個藥包裝藥量；H為擬破碎深度；kQ為巖石抗力系數(shù)，根據(jù)巖石性質(zhì)確定，取值范圍通常為1.5?5.0，巖石越堅硬取值越大，反之取值就越小。總藥量。TOC\o"1-5"\h\z總藥量計算公式為：ZQ=NQ3(2)采用內(nèi)部爆破法開挖泄流溝渠時，可根據(jù)設(shè)計要求的口寬或底寬、深度、長度來確定藥包排數(shù)或個數(shù)以及其它爆破參數(shù)。排數(shù)的確定。當滿足口寬要求時可按下式計算：m=kD/P-14式中m為裝藥的排數(shù)；k為隨n值變化的系數(shù)，一般為0.4?1.0,n值越大取值越小，為節(jié)省勞力和時間，通常取1=2,k=0.7；D為溝渠的設(shè)計口寬；P為溝渠的設(shè)計深度，當n=2時，P=1.4h。當滿足底寬要求時可按下式計算：m=kD7P+0.45式中D'為溝渠設(shè)計底寬，其它符號意義同前。裝藥個數(shù)的確定。裝藥個數(shù)按下式計算：N=(L/r-1)m6式中N為總的裝藥個數(shù)；L為設(shè)計的溝渠長度；其它符號意義同前。間距、排距均為r，設(shè)置2排藥包時要對稱布置，設(shè)置3排藥包時要交錯布置。單個藥包裝藥量的確定。單個藥包裝藥量可按下式計算Q=壇*「7式中Q為單個藥包裝藥量；h為最小抵抗線；％'為裝藥系數(shù)，根據(jù)土巖性質(zhì)、裝藥作用指數(shù)n及現(xiàn)場地形條件確定，取值范圍通常為3?17,土巖越堅硬取值越大，n值越大取值越大，反之取值就越小，在平坦地形取值稍小，溝內(nèi)加深取值要稍大。需要說明的是，這是一個經(jīng)驗性較強的參數(shù)，要靠經(jīng)驗的積累才能準確選取。堰塞體搶險施工中在7?12范圍內(nèi)選取的較多。總藥量?？偹幜坑嬎愎綖椋篫Q=NQ以上各式中長度單位均以米計算，藥量單位均以千克計算。炸藥選擇：根據(jù)堰體所處的環(huán)境及當?shù)貧夂蚯闆r，同時也為設(shè)置藥包方便，一般選用具有防水性能的乳化炸藥。起爆網(wǎng)路：為了保證爆破效果和起爆網(wǎng)路本身的安全，堰塞體的爆破，不管是大石解小破碎爆破還是裸露接觸爆破或挖孔拋擲爆破，都應同時起爆，同一網(wǎng)路不需分段?？刹捎脤П髌鸨W(wǎng)路，即所有藥包全部用導爆索引出后用導爆索連通起爆也可采用非電起爆網(wǎng)路，即在所有藥包內(nèi)裝相同段位的高段位非電毫秒雷管如8?11段)，然后用非電毫秒雷管1段將所有藥包連通后用電雷管起爆。未過流塊石堰體表面亂石林立、高低不平，而且個別石頭巨大，因此首先應將表面的大石炸碎至基本平整后，再在表面設(shè)置藥包逐層爆破。未過流塊石堰體表面大石爆破方案如下：藥包設(shè)置。應將藥包設(shè)置在石頭底部或側(cè)面與堰體表面相交的位置，這樣既能將大石炸碎并盡可能地拋出去，又能將大石底部一定深度內(nèi)的石頭炸碎，以便第二次爆破設(shè)置藥包。如果石頭較大，藥量較多，可將炸藥分成數(shù)個藥包對稱布置在石頭周圍。藥量計算。單個塊石的藥量按下式計算：C=qV式中，C為爆破單個塊石所需要的藥量；V為單個塊石的體積；q為炸藥系數(shù)，在堰塞體搶險施工中根據(jù)巖石性質(zhì)通常按1.5?4.5選取。炸藥裝填。炸藥要裝填密實并與巖石表面緊密接觸，藥量裝完后要用土或碎石覆蓋填塞。塊石堰體在表面大塊石破碎后，即可在表面設(shè)置藥包逐層爆破。主要參數(shù)按式(1)式(5)計算。由于裸露接觸爆破藥量較大，為防止引發(fā)新的滑坡，應從堰體的下游向上游分段分別起爆(同一網(wǎng)路內(nèi)不分段)。有些堰體盡管已經(jīng)過流，但泄流能力遠遠不夠隨著水位的不斷涌高加之汛期即將來臨，危險性依然很大,因此過流斷面必須要盡快加寬加深。塊石已過流斷面的加寬，可在已過流溝渠的一側(cè)(可以到達的一側(cè))，按未過流塊石堰體實施裝藥爆破。不同的是，在進行表面大塊石破碎后，作業(yè)面并不平整，而是一個向著已過流溝渠傾斜的斜坡，在這個斜坡上布置兩排以上的藥包時，擬破碎深度應背著溝渠逐排加深,裝藥量也應逐排加大，使得爆破后過流溝渠底部平順，便于過流。如果需要加深，通常有兩種方法可以采用：一是如果水不深、流速又不大的話可直接在水中按裸露接觸爆破設(shè)置藥包，但需采用石頭壓、繩子捆、桿子撐等方式將藥包牢牢固定；二是在一側(cè)加寬時，應加大破碎深度，使得爆破后的溝渠底部比原過流的溝渠底部深把水流引過來待水位下降、原過流溝渠中的石頭露出后，再設(shè)法過河按相同方法實施爆破，這樣交替進行，便可達到加寬加深過流斷面的目的。對于土質(zhì)未過流堰體，人員進場后即可直接進行挖坑拋擲爆破。主要參數(shù)按式(5)式⑼計算由于土質(zhì)坑容易垮塌，因此炮坑不能過深，一般不宜超過1.5?2.0m,如果泄流溝渠設(shè)計深度較深，應分數(shù)層爆破。在挖坑過程中可能還會遇到大石頭這時可將坑向四周適當移位，但移動的距離不能超過0.5m,實在無法移動，可在坑內(nèi)放小炮，將大石局部炸碎。土質(zhì)堰體一旦過流，過流斷面便可隨著水流的增加不斷沖刷加深，因此對于已過流土質(zhì)堰體往往只需要對過流斷面進行加寬?？稍谝堰^流溝渠的一側(cè)(可以到達的一側(cè))，按未過流土質(zhì)堰體實施挖坑裝藥爆破。爆破技術(shù)作為一種快速、有效、經(jīng)濟的巖土工程施工技術(shù)。在國民經(jīng)濟建設(shè)中得到了廣泛應崩。也是堰塞湖處理中的應急手段之一。根據(jù)壩體特點、處理目的不同，可以選擇適當?shù)谋品椒ǎ?、機械開挖加爆破處理。采用施工機械加工程爆破方法在滑坡堆積體上開挖出一定體積的泄水槽，通過開渠引流放水來降低上游水位，以減少潰壩風險。該方法應用較多，如四川唐家山、重慶巫溪、西藏易貢等大型滑坡壩處理均采用此方法。2、巖塞爆破處理。堰塞湖也是天然水庫，如滑坡壩體穩(wěn)定，潰壩風險較小。對堰塞湖、堆積壩體加固改造后可以發(fā)揮水庫功能，具有社會經(jīng)濟效益。1996年9月18日貴州印江縣發(fā)生大型山體滑坡。滑坡體堵塞印江河形成堰塞湖。工程應急處理措施是在左右岸開挖導流兼泄洪洞和實施堆體整治工程。泄洪洞開挖采用水下巖塞爆破施工方案，印江巖口巖塞屬大型深水巖塞，為泄渣、排孔、敞開式巖塞爆破類型。工程采用巖塞爆破開挖3條導流洞，并對滑坡壩體進行改造，形成庫容達6.4億立方米的水庫，解除了洪水威脅，對經(jīng)濟豐十會穩(wěn)定起到了積極作用。3、水中爆破處理。堰塞湖壩高與水位高差不大，壩坡較陡，滑坡