大河水庫工程右壩肩拱肩槽窯洞式開挖

李 成,梅亞斌,周達康,侯 迪,丁訪濤

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴陽 550002)

0 前 言

隨著水利事業的蓬勃發展，合理化設計、精細化施工、科學化管理理念的不斷深入，施工技術的不斷提高，在高陡地形條件下，拱壩壩肩窯洞式開挖方式可以成為拱壩基礎處理和壩肩邊坡穩定的要求與拱壩壩體體形和地形地質條件的巧妙結合產物，有利于拱壩整體建設的完美和順利[1]。

拱壩窯洞式開挖，是指在拱壩壩肩、壩頂高程位置的高陡邊坡上預先設置施工洞，再利用施工洞按壩肩體型輪廓從施工洞內向下分層開挖形成拱壩壩基面的開挖型式[2-3]。該種開挖型式主要開挖壩體輪廓范圍內的巖體，相比明挖方式，可以減少壩體上部巖體的開挖與拱肩槽上下游面側邊坡大范圍的開挖，從而也就減少了支護工作量，縮短了工期和節省了成本。

已竣工的100 m級以上高拱壩壩肩采用窯洞式開挖方式的水電工程有招徠河水電站和天花板水電站[2]，大河水庫工程作為貴州省重點水利工程，是省內目前在建的百米級拱壩中為數不多的采用窯洞式開挖的水利工程，大壩為碾壓混凝土拱壩，壩頂高程898.10 m，壩底高程793.00 m，最大壩高105.0 m(含2 m墊座)，拱冠梁處頂厚6.0 m，底厚30.0 m，壩體厚高比為0.29。

1 右壩肩地形地質條件

大河水庫河床寬38 m，河床高程為811.20 m，谷口寬200 m，河谷寬高比為2.5～2.9，呈不完全對稱的寬“V”形河谷，右岸地形坡度62°～84°，右岸岸坡基巖裸露，巖層走向與河流向近直交、傾向上游略偏左岸、傾角26°～30°，巖性為中至厚層、巨厚層石英砂巖、砂巖夾泥質粉砂巖、泥巖，拱壩建基面巖層為砂巖及泥巖互層，兩壩肩分布泥巖部位數處，由泥巖形成右壩肩軟弱夾層，右岸軟巖厚度比例約占巖體的0.1%，遇及率為0.04條/m，右岸軟巖和軟弱夾層的占有量和遇及率均較低，整體以硬質巖為主，巖體整體強度較高。壩址發育3條斷層：① f1斷層(產狀N60°W/SW∠78°)從左岸陡壁下通過，穿過壩軸線后向上游延伸，與拱軸線相交，f1在葫蘆口上游與河床相交。② f2斷層(產狀N26°E/SE∠85°)從右壩肩通過，經河床過左壩肩向左岸延伸接f1斷層，與拱軸線相交。③ f3斷層(產狀N30°E/SE∠80°)右岸出露于上游50 m經河床至左岸向上游延伸，與拱軸線不相交。

2 右壩肩拱肩槽窯洞式開挖特點分析

2.1 窯洞式開挖可行性分析

2.1.1 拱壩體型

從拱壩體型分析，拱壩設計的壩體厚高比為0.29，處于0.2～0.35之間，為中厚拱壩，壩體斷面較小，上、下游側開挖面較平順，曲率較小，適合自上而下進行窯洞式開挖[2]。

2.1.2 壩肩持力體

右壩肩下游側巖體作為壩肩持力體，為了有利于右壩肩穩定，應盡可能地減少右壩肩開挖，而窯洞式開挖方案是對壩肩持力體影響最小的方式[2]。

2.1.3 壩肩巖體穩定

在拱壩壩肩巖體穩定計算中，考慮了下列荷載：壩體傳來的作用力、巖體的自重和滲流水壓力，并將滲流水壓力作為控制拱壩壩肩巖體穩定的重要因素之一。

(1) 計算采用邊坡穩定極限分析能量法。

(2) 針對各邊坡分區分別選取典型斷面進行穩定分析。依據地勘提供的資料，針對巖質邊坡進行二維邊坡穩定分析所采用的計算參數組合如表1所示。

表1 巖質邊坡穩定分析計算參數組合表

其中，巖體采用抗剪斷強度并依據軟巖所占比例加權平均進行等效，結構面選取抗剪強度。

(3) 巖質邊坡穩定性評價

針對壩址區巖質邊坡進行邊坡穩定性分析與計算結果表明，該區域內地層分布較均勻，邊坡穩定性主要受層面與邊坡的產狀關系控制，同向結構的邊坡(包括順向坡與斜向同向坡)的穩定性較差，巖土體飽水后的安全系數較低；反向結構的邊坡(反向坡與斜向反向坡)穩定性較好。適當考慮預應力錨索、削坡減載與加強排水等加固措施，可以滿足穩定性要求。

2.2 窯洞式開挖優勢分析

2.2.1 開挖方案對比

大河水庫壩址兩岸巖體較陡峭，拱壩拱端嵌深又比較深，壩頂以上有40～80 m的高邊坡。

(1) 若采用明槽開挖，開挖區上游側開口線達980.00 m高程，壩頂以上形成80 m的高邊坡，且壩頂以上80 m的高邊坡開挖屬順向坡，因此需要在壩頂以上邊坡上游側每20 m高差設一馬道，進行自上而下開挖直到形成拱壩壩基面。主要施工部位為壩頂上部順向坡開挖、壩頂高程以下大范圍壩肩邊坡開挖。

(2) 若采用窯洞式開挖，主要施工部位為施工洞和拱肩槽輪廓范圍內的巖體。

對比分析：針對壩頂以上有40～80 m的高差，窯洞式開挖可以減少右壩肩壩頂高程以上巖體開挖(見圖1)，同時減少拱肩槽上游邊坡開挖，不僅有利于壩頂以上保留部分的上游順向坡穩定，而且減小壩肩的開挖高度和范圍，對壩肩巖體開挖擾動影響也相應減小了。

圖1 右壩肩拱肩槽窯洞式開挖圖

2.2.2 工期對比

(1) 若采用明槽開挖，右壩肩開挖主要分為壩頂以上40～80 m高差開挖和壩頂以下拱肩槽開挖；壩頂以上共計有4層馬道，依照現場施工能力，每完成20 m的邊坡開挖出碴需15 d，腳手架搭設需5 d，錨索施工鉆孔注漿需15 d，砂漿待凝需15 d，張拉需5 d，拆除腳手架需3 d，1個循環下來至少需58 d，總共有4級馬道4個循環，最少需232 d。

(2) 若采用窯洞式開挖，右壩肩開挖主要分為施工洞(城門洞形，洞長93.41 m、寬8 m、高6.3 m)開挖和壩頂以下拱肩槽開挖；施工洞貫通及一次支護用時75 d，襯砌可與開挖交叉施工。

對比分析：壩頂898.00 m以下拱肩槽開挖，2種開挖方式按相同用時考慮，故窯洞式開挖相比明槽開挖至少節省157 d的工期。

2.2.3 開挖工程量及成本對比

開挖工程量主要分為一般石方開挖和基礎石方開挖：

(1) 若采用明槽開挖，右壩肩一般石方開挖工程量約為131 356 m3，基礎石方開挖工程量約為197 034 m3，明槽開挖總價為21 427 447.5元；

(2) 若采用窯洞式開挖，右壩肩一般石方開挖工程量約為45 974.6 m3，基礎石方開挖工程量約為88 665.3 m3，窯洞式開挖總價為8 953 914.6元。

對比分析，窯洞式開挖相比明槽開挖，直接減少開挖量約60%，節省直接投資約1 250萬元(見表2)。

表2 右壩肩拱肩槽采用明挖與窯洞式開挖投資對比分析表

3 右壩肩拱肩槽開挖施工方案

3.1 右壩肩拱肩槽開挖施工方案

大河水庫拱壩右壩肩898.00 m高程以下為窯洞式開挖，利用施工洞把鉆孔設備及挖掘機運送到壩肩位置開挖壩頂以下施工面，然后采用手風鉆配合液壓鉆或潛孔鉆鑿孔，邊坡預裂梯段爆破，當開挖完成一個平臺后，立即對邊坡進行支護再進行下一個梯段開挖。采用人工清理巖面上的破碎、松動巖塊以及泥土和銹斑。開挖面嚴格控制超挖，不欠挖，爆破后的碴料先清理至河床，然后采用CAT336反鏟挖掘機裝25 t自卸汽車出碴。

3.2 右壩肩窯洞式開挖爆破重難點控制

3.2.1 窯洞式開挖爆破重難點注意事項

右壩肩拱肩槽部位采用垂直鉆孔預裂爆破的開挖方式，采用排間微差、孔內毫秒延遲的爆破設計[4-5]。因巖體開挖方量較大，故分2次進行開挖，因爆破區域位置特殊以及受周邊地質條件影響，存在以下重難點注意事項：

(1) 本次爆破區域位于拱壩拱肩槽部位，考慮到拱壩對于兩岸拱肩巖石地質條件要求較高，需盡可能控制爆破震動對右岸山體的影響；

(2) 本次爆破區域較近范圍內有1條已建交通洞、1條已建灌漿平洞，需控制爆破對周邊已建水工建筑物的影響；

(3) 本次爆破區域不遠處有2條斷層f2、f3，右岸壩肩及上游側邊坡巖體傾向上游，傾角26°～30°，巖體完整情況一般，巖體強度一般，且中間夾雜泥巖、泥質粉砂巖薄弱層，因此需進一步控制爆破震動對右岸山體的擾動影響。

3.2.2 最大單響藥量控制

為解決爆破震動對附近建筑物、巖體穩定帶來不利的影響，需要對最大音響藥量進行控制。爆破工程多以建筑物所在地表的最大質點震動速度作為判別爆破震動對建筑物的破壞標準。計算最大單響藥量采用以下經驗公式：

(1)

式中：Qmax為爆破時的最大單響藥量，kg；R為藥包至地震點的距離，m；v為爆破對建筑物及地基產生的震動速度，cm/s。根據爆破區與建筑物之間的距離及最大允許質點震動速度計算出相應最大單響藥量，取最小值為本工程爆破最大單響藥量控制值。

本次爆破區域因巖體開挖方量較大，分2次進行開挖。爆破方案中，對高程855.00 m處拱肩槽進行開挖，遠離拱肩槽一側前期已開挖完成，本次爆破開挖范圍為該高程靠近拱肩槽一側，爆破區域的爆破深度為3 m。距本工程爆破區域15 m處有一灌漿平洞(839.80 m)，距本工程爆破區域43 m處有一施工洞(898.00 m)，所允許震速分別為7～15 cm/s和10～20 cm/s；計算得到所允許最大單響藥量不超過57 kg，設計時按50 kg進行控制[6-9]。

右岸拱肩槽開挖爆破參數具體見表3，炮孔平面布置見圖2，起爆網絡設計平面布置見圖3。

表3 右岸拱肩槽開挖爆破參數表

圖2 855.00 m高程炮孔平面布置示意圖 單位：m

圖3 起爆網絡設計平面示意圖

3.2.3 爆破效果控制分析

上述爆破方案的爆破參數是經過多次現場實驗后確定的，現從爆破開挖后炮眼痕跡保留率、開挖輪廓面的平整度、爆出石塊塊度與分布是否合適等方面對本次爆破方案的爆破效果進行分析。

(1) 開挖半孔率及平整度是檢驗開挖外觀質量的主要指標之一。根據現場爆破情況來看，炮眼痕跡保存率較好，巖面半孔率大于20%，符合規范要求[10]，對于軟巖或者較破碎、破碎巖石應滿足η≥20%(其中，η=∑l0/∑L0，∑l0為檢驗區域殘留炮孔長度總和；∑L0為驗收區域炮孔長度總和)的要求。預裂爆破壁面平整度小于±15 cm，符合規范要求[10]。

(2) 爆出塊石，不用作骨料處理，僅考慮裝碴運輸要求。巖塊塊度大多在20～60 cm，少量在5～10 cm，根據現場爆出石塊塊度來看，滿足現場破碎及后續裝碴運輸要求，說明主爆孔裝藥量較好。

(3) 本方案采用排間微差、孔內毫秒延遲的爆破設計，對最大單響藥量進行嚴格控制，減少了爆破震動帶來的不利影響。同時，控制前后兩排的爆破時間差約為50 ms，使得爆破前后兩排的爆石能利用爆破能量進行充分碰撞，對爆石進行再一次的破碎，控制爆出塊石的大小，以便于后續裝碴和運輸[6-9]。

4 右壩肩窯洞式開挖支護措施

4.1 窯洞式開挖帶來的穩定問題分析

采用窯洞式開挖后，減少了壩頂上部80 m的順向高邊坡開挖，但存在壩頂上部巖體不穩所導致的向壩內滑坡或崩塌的問題，因此壩頂正上部邊坡要采取必要措施進行支護，施工洞頂拱采用強支撐方式保證對上部巖體的支承作用。同時，還存在拱肩槽開挖后，因上游面側會出現倒懸，且上游面側巖層傾角較大而出現的滑動，因此，其支護措施尤為重要，必須保證巖體的穩定。

4.2 窯洞式開挖支護措施

4.2.1 壩頂以上邊坡支護措施

對壩頂以上898.00～938.00 m范圍邊坡支護措施主要采取噴混凝土支護，噴混凝土厚度為10 cm；對938.00～958.00 m范圍邊坡采用系統錨桿+鋼筋網+噴混凝土+排水孔進行支護，錨桿為Φ6.5鋼筋，間距20 cm×20 cm，噴混凝土厚度為10 cm，排水孔間距為2.5 m×2.5m。

4.2.2 施工洞支護措施

施工洞采用大洞室的開挖及支護方式，洞內進口段底板采用6根支撐梁支撐，Ⅳ類圍巖洞段頂拱掛網噴混凝土10 cm，Ⅴ類圍巖及不良地質段，在一次支護中增加工字鋼(20a)加強支護。最后再進行全斷面二次襯砌支護。

4.2.3 拱肩槽上游面側支護措施

898.00 m高程以下拱肩槽開挖每完成一輪進尺后，拱肩槽上游面側支護先采用系統錨桿(?28 mm，L=6 m)加噴混凝土(厚100 mm)進行臨時支護，然后按設計要求對錨索區采用預應力錨索(2 000 kN級)進行邊坡基礎錨固，錨索施工前先對巖石進行錨索鎖口，和巖石層面大角度(60°～90°)相交，防止上游巖體由于開挖擾動而產生深層滑動，當上一梯段錨索施工完成并張拉檢驗合格后，才進行下一梯段爆破工作。并利用錨索對巖體進行錨固，確保開挖安全。

5 結 語

(1) 結合工程實際，大河水庫工程右壩肩拱肩槽開挖采用窯洞式開挖方式切實可行；窯洞式開挖有利于壩頂高程以上巖體的上游順向坡的穩定，減小了右壩肩邊坡的開挖高度和范圍。經分析計算，窯洞式開挖相比原明挖方案，減少開挖工程量約60%，節省投資約1 250萬元，縮短工期約157 d，促進了經濟效益。

(2) 右壩肩窯洞式開挖施工過程中采用預裂爆破技術，對爆破設計中最大單響藥量進行控制，并從爆破開挖后炮眼痕跡保留率、開挖輪廓面的平整度、爆出石塊塊度等方面積極控制，確保了良好的爆破效果，提高了開挖質量。

(3) 采用窯洞式開挖，對可能存在的壩頂上部巖體不穩及拱肩槽上游面側出現的倒懸，采用必要的支護措施，保證了壩肩巖體的穩定。