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測(cè)繪技術(shù)在水下巖塞爆破工程中的應(yīng)用

文檔作者：司鵬飛文檔來源：中國水利水電第六工程局有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年03月04日
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第53卷第4期
2017年4月
甘肅水利水電技術(shù)
GANSU WATER砌噶OURCES ANDⅡYD的FOWER 11Ⅸ翔嗍OLOGY
V01．53．No．4
Apr．，2017
·設(shè)計(jì)與研究·
測(cè)繪技術(shù)在水下巖塞爆破工程中的應(yīng)用
司鵬飛
(中國水利水電第六工程局有限公司，遼寧沈陽110000)
摘要：劉家峽巖塞爆破工程位于水深80 m、上覆淤泥層36 m的洮河口與劉家峽水庫交界處，底部直徑10 m，為國內(nèi)首
例大直徑、高水頭、厚淤泥水下大型土石方爆破，工程采用周邊預(yù)裂、中間藥室裝藥爆破的雙保險(xiǎn)方法，已于2015年9
月6日成功爆破。測(cè)繪技術(shù)在預(yù)裂孔鉆孔過程中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。由于工程施工難度大、施工條件惡劣、危險(xiǎn)系
數(shù)高，為提高預(yù)裂孔測(cè)量速度、點(diǎn)位精度，工程中采用了三維制圖、空間測(cè)斜等技術(shù)以及空間球體、空間椎體數(shù)學(xué)模型，
結(jié)合測(cè)繪編程型計(jì)算器，把預(yù)裂孔施工精度提高到毫米級(jí)，為預(yù)裂孔施工的平穩(wěn)有序推進(jìn)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障。
關(guān)鍵詞：巖塞；預(yù)裂孔；測(cè)繪技術(shù)；劉家峽水庫
中圖分類號(hào)：TV221．1；TV542 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095—0144(2017)04--0049—05
1 水下巖塞爆破工程簡(jiǎn)述
1。1 工程概況
劉家峽洮河口排沙洞擴(kuò)機(jī)工程位于劉家峽水電
站左岸，增建本工程的主要目的是為解決洮河泥沙
淤積對(duì)劉家峽大壩安全運(yùn)行帶來的嚴(yán)重危害和對(duì)大
壩安全渡汛構(gòu)成嚴(yán)重的威脅及大電站機(jī)組磨損等問
題。水下巖塞爆破工程位于排沙洞進(jìn)口段，排沙洞
洞軸線方位角為NE3。41’25”。進(jìn)水口閘門井底
板高程為1 665 m，閘門井前洞身為圓形斷面，洞徑
10 111。塞體體型內(nèi)口為圓形(內(nèi)徑10 m)，外口近似
橢圓(尺寸為21．60 mx20．98 m)，巖塞最小厚度
12．30m，塞體方量2606m3，巖塞進(jìn)口軸線與水平面
夾角450，巖塞口外口軸線高程1673．18 1TI，內(nèi)口軸
線高程1 664．48 m。
1．2工程難點(diǎn)
水下巖塞爆破工程位于洮河與劉家峽水庫交匯
處，水深80 m，淤泥層厚36 m，危險(xiǎn)系數(shù)之高、施工
難度之大、設(shè)計(jì)之巧妙在工程界實(shí)屬罕見。水下巖
塞爆破工程包括導(dǎo)洞和連通洞開挖、藥室開挖、預(yù)裂
孔鉆孔、淤泥孔鉆孔、裝藥等步驟。由于預(yù)裂孑L直接
伸向水下淤泥層稍有不慎就會(huì)貫穿，造成滲水事故，
而且預(yù)裂孔的孔向直接關(guān)系到巖塞爆破后的成型效
果，影響排沙洞的過水流量，從而影響發(fā)電量。所以
預(yù)裂孔的鉆孑L工作是水下巖塞爆破工程的難點(diǎn)。
1。3預(yù)裂孔的布置形式
預(yù)裂孑L的內(nèi)口中心面軸線高程為1 664．48 ITI，與
水準(zhǔn)面呈450夾角，內(nèi)口半徑為5．00111，共設(shè)98個(gè)預(yù)
裂孔，等間距布置，所有預(yù)裂孔的反向延長(zhǎng)線交于歸
點(diǎn)，圓錐的頂點(diǎn)(歸點(diǎn))距離B點(diǎn)為18．66 m，預(yù)裂孔軸
線與巖塞軸線夾角為15。。預(yù)裂孔布置如圖1所示。
圖2中為巖塞體空間布置圖，設(shè)計(jì)共布置了2
條主導(dǎo)洞、6條連通洞。其中布置在巖塞下方的為18
主導(dǎo)洞，長(zhǎng)8．19 m；布置在巖塞上方的為∥主導(dǎo)洞，
長(zhǎng)6．28 m。1。連通洞連接1’藥室和24藥室，長(zhǎng)3．19
m；28連通洞連接1”主導(dǎo)洞和4#下藥室，長(zhǎng)4．48 m；
3一連通洞連接4#上藥室和1。連通洞，長(zhǎng)4．35 m；礦
連通洞連接34藥室和2#連通洞，長(zhǎng)5．10m；5。連通
洞連接5。藥室和28連通洞，長(zhǎng)5．53 m；6#連通洞連
接釅藥室和7’藥室，長(zhǎng)3．08 m；∥連通洞的斷面尺
寸為80 cm×120 12m(寬×高)，其余主導(dǎo)洞及連通
洞的開挖尺寸均為80 cm×150 cm(寬×高)。
2巖塞區(qū)域坐標(biāo)系統(tǒng)的建立
2．1 巖塞區(qū)域坐標(biāo)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
本區(qū)域擬采用施工坐標(biāo)系統(tǒng)。以歸點(diǎn)為基準(zhǔn)
點(diǎn)巖塞內(nèi)口的圓心B點(diǎn)為方向點(diǎn)建立施工坐標(biāo)系統(tǒng)，對(duì)巖塞區(qū)域的已知控制點(diǎn)，通過以下公式黼
換。
如圖3所示，XOY為大地坐標(biāo)系統(tǒng)，X’0’Y’為施
收稿日期：2017—03—13
作者簡(jiǎn)介：司鵬飛(1989一)，男，河南夏邑人，助理工程師，學(xué)士，主要從事水利水電工程測(cè)量，E—marl：1208937749@qq．corn。
·49·
萬方數(shù)據(jù)
2017年第4期甘肅水利水電技術(shù)第53卷
(1)預(yù)裂孔及巖塞體剖面圖(2)預(yù)裂孔平面圖
圖1預(yù)裂孔布置圖
圖2巖塞體空間布置圖
工坐標(biāo)系統(tǒng)，點(diǎn)A在大地坐標(biāo)系統(tǒng)中的坐標(biāo)為(x，
y)，在施工坐標(biāo)系統(tǒng)中的坐標(biāo)為倆7，l，7)，施工坐
標(biāo)系原點(diǎn)07在大地坐標(biāo)系統(tǒng)中的坐標(biāo)為Ⅸ。，yo)，
角a為大地坐標(biāo)系統(tǒng)的縱軸X與施工坐標(biāo)系統(tǒng)的
縱軸x’的夾角即施工坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角，那么根據(jù)
圖形間的幾何關(guān)系可以推算出它們之間的換算關(guān)
系。
點(diǎn)A由大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為施工坐標(biāo)公式：
X’=Ⅸ以0)×COS“+(y—y0)×sin 0c
y7=一伍—X0)×sin a+(Y-Yo)×COS a
0’ 趣y，
0
圖3施工坐標(biāo)系統(tǒng)與大地坐標(biāo)系統(tǒng)之間的位置關(guān)系
其中夾角僅可以通過設(shè)計(jì)圖紙推算出來。
2．2巖塞區(qū)域控制點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果
根據(jù)圖紙?zhí)峁┑目刂泣c(diǎn)坐標(biāo)歸點(diǎn)(滅=
3 978 181．680，Y=121 221．220，H=I 651．280)，B點(diǎn)
(X=3 978 168．510，Y=121 220．370，H=I 664．480)，可
以推算出旋轉(zhuǎn)角a=183。41’34．02”，以JD點(diǎn)為
基點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換詳見表1。
3預(yù)裂孔放樣數(shù)據(jù)處理
3．1 預(yù)裂孔放樣的數(shù)學(xué)模型及數(shù)據(jù)處理流程
預(yù)裂孑L的開口坐標(biāo)位于巖塞內(nèi)口R=5．00 m的
表1 大地坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換結(jié)果
·50·
萬方數(shù)據(jù)
第4期司鵬飛：測(cè)繪技術(shù)在水下巖塞爆破工程中的應(yīng)用第53卷
工作面上，但是由于實(shí)際開挖面存才超欠挖現(xiàn)象，就
造成內(nèi)口的半徑不是5．00 in，為此考慮實(shí)際放樣點(diǎn)
的設(shè)計(jì)半徑是漸變的即把歸點(diǎn)看作圓錐體的頂
點(diǎn)，設(shè)計(jì)半徑隨著歸點(diǎn)到圓面的垂距從0一直漸
變到實(shí)際工作面半徑，知道預(yù)裂孔軸線與巖塞軸線
夾角為150，首先假定一下實(shí)測(cè)點(diǎn)Ⅳ坐標(biāo)為Ⅸ，y，
脅，Ⅳ點(diǎn)的投影垂線與椎體的軸線相交于點(diǎn)M，據(jù)此
可以推算出所要的數(shù)據(jù)。
總體思路：首先計(jì)算出實(shí)測(cè)點(diǎn)所在圓截面的徑
向方向?qū)崪y(cè)半徑與設(shè)計(jì)半徑的差值，通過移動(dòng)棱鏡
讓實(shí)測(cè)點(diǎn)的差值在誤差允許范圍內(nèi)。然后再計(jì)算實(shí)
測(cè)點(diǎn)在圓截面上的圓心夾角與設(shè)計(jì)圓心夾角的差
值，通過移動(dòng)棱鏡保證差值也在誤差范圍內(nèi)。當(dāng)兩者
的差值都在允許誤差范圍內(nèi)，那么這個(gè)預(yù)裂孔點(diǎn)位
在特定的編號(hào)下就是正確的。
步驟一：求實(shí)測(cè)點(diǎn)所在圓截面的設(shè)計(jì)半徑R
(1)求出JD點(diǎn)到交點(diǎn)M的軸線長(zhǎng)￡
由于采用的是施工坐標(biāo)系統(tǒng)，所以歸點(diǎn)到交
點(diǎn)M的軸線長(zhǎng)L=X／cos 450
(2)求出M點(diǎn)到實(shí)測(cè)點(diǎn)圓截面的軸線長(zhǎng)三’
點(diǎn)N(X，Y，／10到點(diǎn)M的高差為(日一(1651．28+X))
所以M點(diǎn)到交點(diǎn)實(shí)測(cè)點(diǎn)圓截面的軸線長(zhǎng)L 7=
(H一(1651．28+X))×COS 45。
(3)求出歸點(diǎn)到實(shí)測(cè)點(diǎn)圓截面的軸線長(zhǎng)∥
∥=L也’=X／cos 450卜假一(165128+砌XCOS 45。)
(4)求出實(shí)測(cè)點(diǎn)所在圓截面的設(shè)計(jì)半徑R
R=也”x tan 15。=((X／cos 45。)+((J，-(1651．28+X))×
COS450))×tan 15。
步驟二：求實(shí)測(cè)點(diǎn)所在圓截面的實(shí)際半徑R7
假定圓心坐標(biāo)為似，B，c)
(1)求實(shí)測(cè)點(diǎn)所在圓截面的圓心坐標(biāo)X=A
由步驟一求出歸點(diǎn)到實(shí)測(cè)點(diǎn)圓截面的軸線長(zhǎng)
￡”，所以根據(jù)圖形的數(shù)學(xué)關(guān)系可以計(jì)算出軸線的
水平面投影長(zhǎng)度：
A=兄”×COS 45。=((X／cos 45 o)+((H一(1651．28+X))×
COS45o))×COS45。
(2)求實(shí)測(cè)點(diǎn)所在圓截面的圓心坐標(biāo)Y=B
采用的是施工坐標(biāo)系統(tǒng)圓心坐標(biāo)l，和椎體軸
線是在一條直線上的，所以圓心坐標(biāo)B=0。
(3)求實(shí)測(cè)點(diǎn)所在圓截面的圓心高程H=C
由步驟一求出歸點(diǎn)到實(shí)測(cè)點(diǎn)圓截面的軸線長(zhǎng)
∥，所以根據(jù)圖形的數(shù)學(xué)關(guān)系可以計(jì)算出實(shí)測(cè)點(diǎn)
所在圓截面的圓心高程日。
C=1651．280+∞”×sin 450)=1651．280+(X／cos
45 o)+(啷-(1651．28+X))×COS 450)))×sin 450
(4)求實(shí)測(cè)點(diǎn)所在圓截面的實(shí)際半徑R’
已知實(shí)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)N(X，Y，冊(cè)，實(shí)測(cè)點(diǎn)所在圓截面
的圓心坐標(biāo)(A，日，c)已經(jīng)求出。
所以R’=X／(X-A)2+(y-B)2+(H-C)2一，此公式為
空間球體的半徑計(jì)算公式。
步驟三：比較實(shí)測(cè)半徑與設(shè)計(jì)半徑的差值
當(dāng)R’>R時(shí)，實(shí)測(cè)點(diǎn)在設(shè)計(jì)椎體的外側(cè)，則需
要向椎體內(nèi)傾唰#陌紡向移動(dòng)，距離為：A R=(R’一R o
當(dāng)R’H村時(shí)和
HHM時(shí)，實(shí)測(cè)點(diǎn)在所在圓截面的上半部，
實(shí)測(cè)半徑R’已經(jīng)求出，根據(jù)圖紙關(guān)系錐體軸線與
水平面呈450角、實(shí)測(cè)點(diǎn)Ⅳ似，曰，c)，所以實(shí)測(cè)點(diǎn)到
圓心的偏距為曰。則實(shí)測(cè)夾角O=arccos((-B)／R’o
當(dāng)H鞏，實(shí)測(cè)點(diǎn)在所在圓截面的上半部，
B一4．759。則實(shí)測(cè)夾角：
0=arccos((-(-4．759))14．919)=14‘39j 131
步驟五：計(jì)算實(shí)測(cè)點(diǎn)所在圓截面的設(shè)計(jì)圓心夾
角
fl=(N-1)×(360。／98)=(5-1)×(360。／98)=14。41’38”
‘步驟六：比較實(shí)測(cè)圓心夾角與設(shè)計(jì)圓心夾角的
差值
夾角差值A(chǔ)=0-／3=14。39 7 12．86”一14。41’38”
=000。02725’’
△S=(sin(000002’25．14，，／2)×4．9 19)×2=0．003 m
萬方數(shù)據(jù)
第4期司鵬飛：測(cè)繪技術(shù)在水下巖塞爆破工程中的應(yīng)用第53卷
由以上步驟知：AR--0．007 m，△=000。02’25”，
ZlS=0．003 m，誤差全在毫米之內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求，可
以使用。
3．3放樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理結(jié)果
從四個(gè)象限中各摘取1組預(yù)裂孔的點(diǎn)位坐標(biāo)進(jìn)
行驗(yàn)算，以保證數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，供參考、驗(yàn)證。
表2中可以看到，設(shè)計(jì)半徑與實(shí)測(cè)半徑最大
差值為+0．007 m，設(shè)計(jì)夾角與實(shí)測(cè)夾角最大差值
為一0。4’52”，而設(shè)計(jì)要求為±2 em和±1。，所以放
樣點(diǎn)精度滿足設(shè)計(jì)要求，數(shù)學(xué)模型可以采納。
表2預(yù)裂孔點(diǎn)位數(shù)據(jù)處理結(jié)果
4預(yù)裂孔鉆孔控制方法
4．1儀器的架設(shè)
利用以上H1、H2控制點(diǎn)的施工坐標(biāo)，設(shè)置全站
儀，目前通用快捷的架站方式有后方交會(huì)、坐標(biāo)定
向兩種(架站原理這里不做詳細(xì)論述)，儀器架設(shè)完
成，滿足一定的精度就可以進(jìn)行測(cè)量工作。由于是
利用施工坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，那么全站儀目前所置的就
是施工坐標(biāo)系統(tǒng)，與巖塞布置形式吻合，那么進(jìn)行
測(cè)量時(shí)就比較直觀，全站儀測(cè)出來的數(shù)字就是圖紙
上的數(shù)字。
4．2校正定位
測(cè)量組借助測(cè)繪儀器采集鉆桿的數(shù)據(jù)(鉆桿頭
部一組、鉆桿尾部一組)進(jìn)行計(jì)算，得出鉆機(jī)的偏差
值，然后通過調(diào)整圖5中的A、B、C裝置，直至鉆桿
的方向值與鉆孔的設(shè)計(jì)方向值一致，鉆機(jī)校正完成
以后測(cè)量組記錄鉆桿數(shù)據(jù)兩組，上下各一組以確定
鉆桿方向(此時(shí)測(cè)量鉆桿數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)該考慮鉆桿的半
徑值)。計(jì)算方法按照上述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行。
圖5鉆孑L總裝置集成圖
4．3校核鉆機(jī)
鉆機(jī)校正完成后進(jìn)行預(yù)鉆孔，預(yù)鉆孑L深度約
10 em，再校核鉆機(jī)的方向值。如果偏差值超出設(shè)
計(jì)范圍，則需要調(diào)整鉆機(jī)至設(shè)計(jì)方向值；如果偏差
值未超出設(shè)計(jì)范圍，則不需要調(diào)整鉆機(jī)，可以繼續(xù)
鉆孔。
4．4鉆孔過程中的控制
在鉆孔過程中剛開始的前幾米非常重要。前3
m應(yīng)該每進(jìn)尺1 m，測(cè)量組采集數(shù)據(jù)，校正鉆機(jī)。隨
著鉆孔深度的增加，方向值也會(huì)被固定。
4．5鉆機(jī)移位
當(dāng)一個(gè)孔完成后，根據(jù)設(shè)計(jì)提供的參數(shù)和圖紙
推算出相鄰孔位的間距，借助外力使A、B裝置沿滑
道移動(dòng)所需的距離，該位置就是相鄰孔的位置，然后
固定鉆機(jī)，鉆孔。如果滑道足夠長(zhǎng)的話，可以重復(fù)進(jìn)
行該步驟。
5結(jié)語
2015年9月6 13，劉家峽水電站洮河口排沙洞
及擴(kuò)機(jī)工程進(jìn)水口水下巖塞爆破一爆成功，這是國
內(nèi)外首例大直徑、高水頭、厚淤泥沙層排沙兼發(fā)電的
巖塞爆破，成功填補(bǔ)了該項(xiàng)施工領(lǐng)域的空白。
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