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测绘技术在水下岩塞爆破工程中的应用

文档作者：司鹏飞文档来源：中国水利水电第六工程局有限公司		点击数：	更新时间： 2025年03月04日
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第53卷第4期
2017年4月
甘肃水利水电技术
GANSU WATER砌噶OURCES ANDⅡYD的FOWER 11Ⅸ翔嗍OLOGY
V01．53．No．4
Apr．，2017
·设计与研究·
测绘技术在水下岩塞爆破工程中的应用
司鹏飞
(中国水利水电第六工程局有限公司，辽宁沈阳110000)
摘要：刘家峡岩塞爆破工程位于水深80 m、上覆淤泥层36 m的洮河口与刘家峡水库交界处，底部直径10 m，为国内首
例大直径、高水头、厚淤泥水下大型土石方爆破，工程采用周边预裂、中间药室装药爆破的双保险方法，已于2015年9
月6日成功爆破。测绘技术在预裂孔钻孔过程中发挥了至关重要的作用。由于工程施工难度大、施工条件恶劣、危险系
数高，为提高预裂孔测量速度、点位精度，工程中采用了三维制图、空间测斜等技术以及空间球体、空间椎体数学模型，
结合测绘编程型计算器，把预裂孔施工精度提高到毫米级，为预裂孔施工的平稳有序推进提供了强有力的技术保障。
关键词：岩塞；预裂孔；测绘技术；刘家峡水库
中图分类号：TV221．1；TV542 文献标志码：B 文章编号：2095—0144(2017)04--0049—05
1 水下岩塞爆破工程简述
1。1 工程概况
刘家峡洮河口排沙洞扩机工程位于刘家峡水电
站左岸，增建本工程的主要目的是为解决洮河泥沙
淤积对刘家峡大坝安全运行带来的严重危害和对大
坝安全渡汛构成严重的威胁及大电站机组磨损等问
题。水下岩塞爆破工程位于排沙洞进口段，排沙洞
洞轴线方位角为NE3。41’25”。进水口闸门井底
板高程为1 665 m，闸门井前洞身为圆形断面，洞径
10 111。塞体体型内口为圆形(内径10 m)，外口近似
椭圆(尺寸为21．60 mx20．98 m)，岩塞最小厚度
12．30m，塞体方量2606m3，岩塞进口轴线与水平面
夹角450，岩塞口外口轴线高程1673．18 1TI，内口轴
线高程1 664．48 m。
1．2工程难点
水下岩塞爆破工程位于洮河与刘家峡水库交汇
处，水深80 m，淤泥层厚36 m，危险系数之高、施工
难度之大、设计之巧妙在工程界实属罕见。水下岩
塞爆破工程包括导洞和连通洞开挖、药室开挖、预裂
孔钻孔、淤泥孔钻孔、装药等步骤。由于预裂孑L直接
伸向水下淤泥层稍有不慎就会贯穿，造成渗水事故，
而且预裂孔的孔向直接关系到岩塞爆破后的成型效
果，影响排沙洞的过水流量，从而影响发电量。所以
预裂孔的钻孑L工作是水下岩塞爆破工程的难点。
1。3预裂孔的布置形式
预裂孑L的内口中心面轴线高程为1 664．48 ITI，与
水准面呈450夹角，内口半径为5．00111，共设98个预
裂孔，等间距布置，所有预裂孔的反向延长线交于归
点，圆锥的顶点(归点)距离B点为18．66 m，预裂孔轴
线与岩塞轴线夹角为15。。预裂孔布置如图1所示。
图2中为岩塞体空间布置图，设计共布置了2
条主导洞、6条连通洞。其中布置在岩塞下方的为18
主导洞，长8．19 m；布置在岩塞上方的为∥主导洞，
长6．28 m。1。连通洞连接1’药室和24药室，长3．19
m；28连通洞连接1”主导洞和4#下药室，长4．48 m；
3一连通洞连接4#上药室和1。连通洞，长4．35 m；矿
连通洞连接34药室和2#连通洞，长5．10m；5。连通
洞连接5。药室和28连通洞，长5．53 m；6#连通洞连
接酽药室和7’药室，长3．08 m；∥连通洞的断面尺
寸为80 cm×120 12m(宽×高)，其余主导洞及连通
洞的开挖尺寸均为80 cm×150 cm(宽×高)。
2岩塞区域坐标系统的建立
2．1 岩塞区域坐标系统的数学模型
本区域拟采用施工坐标系统。以归点为基准
点岩塞内口的圆心B点为方向点建立施工坐标系统，对岩塞区域的已知控制点，通过以下公式黼
换。
如图3所示，XOY为大地坐标系统，X’0’Y’为施
收稿日期：2017—03—13
作者简介：司鹏飞(1989一)，男，河南夏邑人，助理工程师，学士，主要从事水利水电工程测量，E—marl：1208937749@qq．corn。
·49·
万方数据
2017年第4期甘肃水利水电技术第53卷
(1)预裂孔及岩塞体剖面图(2)预裂孔平面图
图1预裂孔布置图
图2岩塞体空间布置图
工坐标系统，点A在大地坐标系统中的坐标为(x，
y)，在施工坐标系统中的坐标为俩7，l，7)，施工坐
标系原点07在大地坐标系统中的坐标为Ⅸ。，yo)，
角a为大地坐标系统的纵轴X与施工坐标系统的
纵轴x’的夹角即施工坐标系的旋转角，那么根据
图形间的几何关系可以推算出它们之间的换算关
系。
点A由大地坐标转换为施工坐标公式：
X’=Ⅸ以0)×COS“+(y—y0)×sin 0c
y7=一伍—X0)×sin a+(Y-Yo)×COS a
0’ 趣y，
0
图3施工坐标系统与大地坐标系统之间的位置关系
其中夹角仅可以通过设计图纸推算出来。
2．2岩塞区域控制点数据转换结果
根据图纸提供的控制点坐标归点(灭=
3 978 181．680，Y=121 221．220，H=I 651．280)，B点
(X=3 978 168．510，Y=121 220．370，H=I 664．480)，可
以推算出旋转角a=183。41’34．02”，以JD点为
基点进行数据转换详见表1。
3预裂孔放样数据处理
3．1 预裂孔放样的数学模型及数据处理流程
预裂孑L的开口坐标位于岩塞内口R=5．00 m的
表1 大地坐标的转换结果
·50·
万方数据
第4期司鹏飞：测绘技术在水下岩塞爆破工程中的应用第53卷
工作面上，但是由于实际开挖面存才超欠挖现象，就
造成内口的半径不是5．00 in，为此考虑实际放样点
的设计半径是渐变的即把归点看作圆锥体的顶
点，设计半径随着归点到圆面的垂距从0一直渐
变到实际工作面半径，知道预裂孔轴线与岩塞轴线
夹角为150，首先假定一下实测点Ⅳ坐标为Ⅸ，y，
胁，Ⅳ点的投影垂线与椎体的轴线相交于点M，据此
可以推算出所要的数据。
总体思路：首先计算出实测点所在圆截面的径
向方向实测半径与设计半径的差值，通过移动棱镜
让实测点的差值在误差允许范围内。然后再计算实
测点在圆截面上的圆心夹角与设计圆心夹角的差
值，通过移动棱镜保证差值也在误差范围内。当两者
的差值都在允许误差范围内，那么这个预裂孔点位
在特定的编号下就是正确的。
步骤一：求实测点所在圆截面的设计半径R
(1)求出JD点到交点M的轴线长￡
由于采用的是施工坐标系统，所以归点到交
点M的轴线长L=X／cos 450
(2)求出M点到实测点圆截面的轴线长三’
点N(X，Y，／10到点M的高差为(日一(1651．28+X))
所以M点到交点实测点圆截面的轴线长L 7=
(H一(1651．28+X))×COS 45。
(3)求出归点到实测点圆截面的轴线长∥
∥=L也’=X／cos 450卜假一(165128+砌XCOS 45。)
(4)求出实测点所在圆截面的设计半径R
R=也”x tan 15。=((X／cos 45。)+((J，-(1651．28+X))×
COS450))×tan 15。
步骤二：求实测点所在圆截面的实际半径R7
假定圆心坐标为似，B，c)
(1)求实测点所在圆截面的圆心坐标X=A
由步骤一求出归点到实测点圆截面的轴线长
￡”，所以根据图形的数学关系可以计算出轴线的
水平面投影长度：
A=兄”×COS 45。=((X／cos 45 o)+((H一(1651．28+X))×
COS45o))×COS45。
(2)求实测点所在圆截面的圆心坐标Y=B
采用的是施工坐标系统圆心坐标l，和椎体轴
线是在一条直线上的，所以圆心坐标B=0。
(3)求实测点所在圆截面的圆心高程H=C
由步骤一求出归点到实测点圆截面的轴线长
∥，所以根据图形的数学关系可以计算出实测点
所在圆截面的圆心高程日。
C=1651．280+∞”×sin 450)=1651．280+(X／cos
45 o)+(啷-(1651．28+X))×COS 450)))×sin 450
(4)求实测点所在圆截面的实际半径R’
已知实测点坐标N(X，Y，册，实测点所在圆截面
的圆心坐标(A，日，c)已经求出。
所以R’=X／(X-A)2+(y-B)2+(H-C)2一，此公式为
空间球体的半径计算公式。
步骤三：比较实测半径与设计半径的差值
当R’>R时，实测点在设计椎体的外侧，则需
要向椎体内倾唰#陌纺向移动，距离为：A R=(R’一R o
当R’H村时和
HHM时，实测点在所在圆截面的上半部，
实测半径R’已经求出，根据图纸关系锥体轴线与
水平面呈450角、实测点Ⅳ似，曰，c)，所以实测点到
圆心的偏距为曰。则实测夹角O=arccos((-B)／R’o
当H巩，实测点在所在圆截面的上半部，
B一4．759。则实测夹角：
0=arccos((-(-4．759))14．919)=14‘39j 131
步骤五：计算实测点所在圆截面的设计圆心夹
角
fl=(N-1)×(360。／98)=(5-1)×(360。／98)=14。41’38”
‘步骤六：比较实测圆心夹角与设计圆心夹角的
差值
夹角差值A=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
万方数据
第4期司鹏飞：测绘技术在水下岩塞爆破工程中的应用第53卷
由以上步骤知：AR--0．007 m，△=000。02’25”，
ZlS=0．003 m，误差全在毫米之内，满足设计要求，可
以使用。
3．3放样点的数据处理结果
从四个象限中各摘取1组预裂孔的点位坐标进
行验算，以保证数学模型的准确性，供参考、验证。
表2中可以看到，设计半径与实测半径最大
差值为+0．007 m，设计夹角与实测夹角最大差值
为一0。4’52”，而设计要求为±2 em和±1。，所以放
样点精度满足设计要求，数学模型可以采纳。
表2预裂孔点位数据处理结果
4预裂孔钻孔控制方法
4．1仪器的架设
利用以上H1、H2控制点的施工坐标，设置全站
仪，目前通用快捷的架站方式有后方交会、坐标定
向两种(架站原理这里不做详细论述)，仪器架设完
成，满足一定的精度就可以进行测量工作。由于是
利用施工坐标进行测量，那么全站仪目前所置的就
是施工坐标系统，与岩塞布置形式吻合，那么进行
测量时就比较直观，全站仪测出来的数字就是图纸
上的数字。
4．2校正定位
测量组借助测绘仪器采集钻杆的数据(钻杆头
部一组、钻杆尾部一组)进行计算，得出钻机的偏差
值，然后通过调整图5中的A、B、C装置，直至钻杆
的方向值与钻孔的设计方向值一致，钻机校正完成
以后测量组记录钻杆数据两组，上下各一组以确定
钻杆方向(此时测量钻杆数据时应该考虑钻杆的半
径值)。计算方法按照上述数学模型进行。
图5钻孑L总装置集成图
4．3校核钻机
钻机校正完成后进行预钻孔，预钻孑L深度约
10 em，再校核钻机的方向值。如果偏差值超出设
计范围，则需要调整钻机至设计方向值；如果偏差
值未超出设计范围，则不需要调整钻机，可以继续
钻孔。
4．4钻孔过程中的控制
在钻孔过程中刚开始的前几米非常重要。前3
m应该每进尺1 m，测量组采集数据，校正钻机。随
着钻孔深度的增加，方向值也会被固定。
4．5钻机移位
当一个孔完成后，根据设计提供的参数和图纸
推算出相邻孔位的间距，借助外力使A、B装置沿滑
道移动所需的距离，该位置就是相邻孔的位置，然后
固定钻机，钻孔。如果滑道足够长的话，可以重复进
行该步骤。
5结语
2015年9月6 13，刘家峡水电站洮河口排沙洞
及扩机工程进水口水下岩塞爆破一爆成功，这是国
内外首例大直径、高水头、厚淤泥沙层排沙兼发电的
岩塞爆破，成功填补了该项施工领域的空白。
参考文献：
[1]张正禄．工程测量学[M】．武汉：武汉大学出版社，2005．
[2j l，伟．卡西欧fx一5800P计算器道路施工放样程序从入
I：《精通[M】．广州：华南理工大学出版社，2014．
[3]李青岳，陈永奇．工程测量学[M】．第3版．北京：测绘出版
社，2008．

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