峽谷地區(qū)高拱壩生態(tài)開挖關(guān)鍵技術(shù)研究

徐 林，羅洪波，陳毅峰，邱煥峰

(中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

水電水利工程大壩邊坡開挖會造成生態(tài)破壞和水土流失，即使后期進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，效果也不甚理想。窯洞式拱肩槽技術(shù)可以從源頭避免產(chǎn)生高陡的永久人工邊坡，使建筑物與自然和諧相處，是一項適用于峽谷地區(qū)拱壩的生態(tài)開挖技術(shù)。與傳統(tǒng)的開槽明挖相比，窯洞式拱肩槽的優(yōu)點主要有：開挖創(chuàng)面小，最大程度減小對環(huán)境的影響，拱壩建筑物與環(huán)境渾然一體，自然美觀；減少了拱壩壩肩邊坡的開挖高度和范圍，降低工程邊坡的安全風(fēng)險和施工難度，減少開挖支護(hù)量，從而縮短工期，節(jié)省投資；最大程度地保留壩肩下游的山體，利于拱壩壩肩穩(wěn)定。目前，國內(nèi)窯洞式拱肩槽在招徠河、天花板、云口、蓋下壩等水電工程均有采用[1-3]。其中，跨度最大的為蓋下壩拱壩，為16.61 m，高度最大的為天花板拱壩，為67 m。

本文介紹了該技術(shù)成果在善泥坡水電站的成功應(yīng)用經(jīng)驗，實現(xiàn)了大規(guī)模的窯洞式拱肩槽開挖。拱壩左岸窯洞壩頂洞深33.30 m，設(shè)計底高程為828 m，設(shè)計最大高度66.6 m，最大跨度18 m；右岸窯洞壩頂洞深46.01 m，窯洞底高程為783 m，最大高度達(dá)111.60 m，最大跨度23 m。

1 窯洞式拱肩槽適用條件

1.1 地形地質(zhì)條件適應(yīng)性

窯洞式拱肩槽對地形地質(zhì)條件要求較高，主要需具備以下特點，才可考慮采用窯洞式拱肩槽：

(1)兩岸山體高陡。善泥坡水電站壩址河谷為“U”形谷，左右岸均為高聳陡壁，坡度接近鉛直，左右岸陡壁頂高程在1 200 m和960 m左右，均遠(yuǎn)超過壩頂高程，如果采取傳統(tǒng)的開槽明挖方式，將形成極高的開挖邊坡，有必要采取窯洞式拱肩槽。

(2)平緩、厚層、堅硬的巖石，無大的地質(zhì)構(gòu)造缺陷。善泥坡水電站大壩兩岸地層為單斜構(gòu)造，地層單一，均為厚層灰?guī)r，濕抗壓強(qiáng)度為67 MPa，屬堅硬巖，巖層傾角平緩10°～15°，進(jìn)行壩址壩線選擇時，避開了斷層、褶皺等大規(guī)模的地質(zhì)缺陷，具備采用窯洞式拱肩槽的基本條件。

1.2 拱壩體形適應(yīng)性

與傳統(tǒng)的開槽明挖不同，窯洞式拱肩槽適宜小嵌深、小正倒懸度、小厚高比、小中心角的拱壩體型，以減小窯洞開挖的規(guī)模和開挖倒懸度。通過對比多種曲線線形，拋物線靠近兩岸愈發(fā)趨于扁平，特別適合窯洞式拱肩槽。對窯洞式拱肩槽范圍內(nèi)的拱壩體型，應(yīng)盡量減小體型正懸度，以減小開挖倒懸度。

善泥坡水電站雙曲拱壩基本體形為：壩頂高程888 m，壩底高程778 m，最大壩高110 m，壩頂寬6.0 m，壩底厚23.5 m，厚高比0.214，壩頂中心弧長204.29 m，最大中心角86.573°，最小中心角62.505°，拱壩最大倒懸度0.14，兩岸窯洞范圍內(nèi)拱壩最大倒懸度0.11，最大正懸度0.20。

1.3 拱壩嵌深的確定

拱壩對兩拱肩槽和河床基礎(chǔ)巖體要求均較高，需要一定的嵌深才能滿足要求。而窯洞式拱肩槽則要求盡量減小兩岸嵌深和河床開挖深度，降低窯洞的規(guī)模。為把握這個矛盾體之間的平衡，需要一個可量化的控制指標(biāo)確定拱壩嵌深。巖石的聲波CT可直接反應(yīng)巖石的完整程度，并與巖石的彈性模量具有一一對應(yīng)的關(guān)系，可作為嵌深量化的控制指標(biāo)參與拱壩應(yīng)力計算。

通過對善泥坡水電站壩基巖石進(jìn)行的聲波CT和變形模量選點測試，建立起兩者的理論關(guān)系，經(jīng)過回歸計算得出兩者的相關(guān)方程為

E0=aVpb

式中，E0為巖體變形模量；Vp為巖體聲波速度；a、b為相關(guān)系數(shù)，a=8.35×10-10，b=2.75。

計算表明，基巖變形模量E0為11 GPa時，壩體拉壓應(yīng)力均可滿足設(shè)計要求，嵌深最小，其相應(yīng)的聲波波速Vp為4 650 m/s，故以基巖聲波波速Vp≥4 650 m/s為拱壩基巖質(zhì)量基本控制指標(biāo)。最終，確定善泥坡水電站拱壩左岸嵌深21～28 m，右岸嵌深39～44 m，河床壩基高程778 m，建基面均坐落在微風(fēng)化巖石上部。

2 窯洞式拱肩槽設(shè)計方法

2.1 拱肩窯洞穩(wěn)定分析

窯洞式拱肩槽窯洞主要有掉塊和滑動2種可能的破壞模式，兩者的滑動塊體均為楔體，楔體是由2條或2條以上的結(jié)構(gòu)面對巖體切割而形成的，分為定位楔體和隨機(jī)楔體。定位楔體系指由大規(guī)模斷層或可確定位置的結(jié)構(gòu)面組合形成的楔體，滑體具有確定的出露位置；由隨機(jī)結(jié)構(gòu)面組合形成的楔體稱之為隨機(jī)楔體，位置具有不確定性[4]。

由于窯洞從地表掛口，地質(zhì)結(jié)構(gòu)面具有密度高、連通性好、隨機(jī)性強(qiáng)等特點，決定了隨機(jī)楔體的計算方法更加適用，一般可考慮2～3組構(gòu)造組合。

善泥坡水電站壩址兩岸地層為二疊系下統(tǒng)棲霞組第二段(P1q2)厚層灰?guī)r，巖層產(chǎn)狀為N10°W，SW∠10°～15°，緩傾上游偏左岸。兩岸水平卸荷深度18～25 m，其中強(qiáng)卸荷帶水平深度6 m左右。裂隙物理力學(xué)參數(shù)f′=0.35，c′=0.03 Mpa。各組裂隙特征見表1。

表1 壩址區(qū)裂隙統(tǒng)計

通過隨機(jī)組合搜索，得到最小穩(wěn)定安全系數(shù)(見表2)。從表2可知，各種破壞模式下穩(wěn)定安全系數(shù)都可以滿足要求。

表2 隨機(jī)楔體穩(wěn)定安全系數(shù)成果

2.2 窯洞開挖與支護(hù)設(shè)計

2.2.1 窯洞的開挖設(shè)計

(1)洞身。兩岸上壩交通洞施工到拱端后，以上壩交通洞為平臺，緊貼拱壩外形輪廓，向下逐步分層開挖形成拱壩澆筑空間，成為上窄下寬、上下游洞壁具備一定倒懸的窯洞，上下游洞壁開挖邊界超出大壩體形結(jié)構(gòu)線的外緣一定距離，以滿足支護(hù)需要和壩體變形要求。善泥坡水電站考慮支護(hù)厚度10 cm、混凝土澆注壓縮彈性墊層2 cm、拱壩向下游變形2.13 cm、開挖后巖體回彈變形約2～3 cm，最終確定上游開挖面預(yù)留15 cm、下游開挖面預(yù)留20 cm的距離。善泥坡水電站大壩開挖平面見圖1。

圖1 善泥坡水電站大壩開挖平面(高程：m)

(2)洞臉。洞臉部位受地表強(qiáng)卸荷裂隙的影響，邊坡穩(wěn)定性極差，是制約窯洞開挖安全的關(guān)鍵因素。隨著窯洞的倒懸開挖下切，會對上部高程的巖體形成切腳，且一旦開挖至低高程，上部高程即失去了支護(hù)施工通道。因此，洞臉開挖支護(hù)設(shè)計應(yīng)具備超前意識，及時清除強(qiáng)卸荷巖體或支護(hù)，并盡早形成洞臉，為向下開挖創(chuàng)造條件。善泥坡水電站拱壩右岸開挖至860 m高程時為窯洞開挖的關(guān)鍵時期，此時開挖面貌見圖2。A、C區(qū)為已經(jīng)開挖形成的洞臉邊坡，需對不穩(wěn)定塊體進(jìn)行清除，并對洞臉進(jìn)行系統(tǒng)的支護(hù)施工。B、D區(qū)為下一步的開挖洞臉邊坡，裂隙極為發(fā)育，此時如果仍按拱壩輪廓下挖，由于上下游倒懸勢必會形成難以處理的危巖體，所以應(yīng)在高程860 m開始逐步形成上下游的洞臉開挖邊坡，清除B、D區(qū)的危巖體。

圖2 窯洞開挖至860 m高程時情況

2.2.2 窯洞的支護(hù)設(shè)計

除了傳統(tǒng)的噴錨掛網(wǎng)支護(hù)外，應(yīng)考慮采取的特殊的支護(hù)措施有：①洞壁錨索支護(hù)。在上下游洞壁布置一定的錨索。②洞頂支護(hù)設(shè)計。主要支護(hù)措施有鋼支撐臨時支護(hù)、鋼筋混凝土永久襯砌、洞壁錨索和洞臉鎖口錨索等。③巖石主次錨索。垂直洞臉邊坡布置主錨索，會產(chǎn)生垂直于錨索方向的法向變形，可在開挖洞壁和下游巖面之間布置對穿次錨索予以抵消。

3 窯洞式拱肩槽細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計

(1)上下游壩面彈性墊層兼模板。窯洞開挖完成后，開挖面緊靠上下游壩面，如果直接填筑壩體混凝土，壩體和上下游山體澆筑成整體，大壩受荷變形后部分荷載將傳遞到山體淺表，造成山體邊坡失穩(wěn)。根據(jù)拱壩受力特點，應(yīng)將拱壩推力盡量傳遞至山體深處，所以壩面應(yīng)和上下游開挖面脫開，但壩肩槽開挖緊靠壩面，無法采用常規(guī)立模澆筑方法。利用上下游窯洞壁，以聚乙烯泡沫板代替常規(guī)模板，使用后不予拆除，使拱壩有一定的變形空間。根據(jù)善泥坡水電站拱壩的變形計算結(jié)果，壩體上下游面鋪設(shè)聚乙烯泡沫板厚度為5 cm和10 cm。

(2)壩肩邊坡內(nèi)嵌錨墩式錨索。傳統(tǒng)的錨索保護(hù)墩一般采用的外凸式，但對窯洞式開挖，開挖面和結(jié)構(gòu)面緊緊相靠，如采用外凸式錨墩，勢必會侵占拱壩壩體，影響拱壩受力。為保證壩體結(jié)構(gòu)的完整，窯洞洞壁上的錨索采內(nèi)嵌式錨墩(見圖3)。

圖3 內(nèi)嵌式錨墩

(3)壩肩明洞被動防護(hù)。窯洞拱肩槽兩岸壩頂以上為原始邊坡，在長期風(fēng)化作用下會形成危石，若進(jìn)行系統(tǒng)的支護(hù)施工，需架設(shè)大量的腳手排架和施工道路，如此便失去了窯洞開挖的意義。為確保大壩壩頂特別是洞口處的安全，采取明洞防護(hù)方式進(jìn)行被動防護(hù)。

(4)施工交通布置。窯洞拱肩槽一般適用于兩岸山體高陡之處，施工道路及永久交通布置困難。對窯洞開挖，兩岸的上壩交通一般為交通洞，可兼顧作為拱壩開挖施工交通，在下游設(shè)置施工臨時索橋連接左右岸，通過壩頂永久交通連接左右岸。

4 窯洞式拱肩槽施工關(guān)鍵技術(shù)

(1)水平光面爆破技術(shù)。大壩開挖一般采取垂直梯段預(yù)裂爆破技術(shù)開挖，經(jīng)過在善泥坡水電站實踐，整體開挖半孔率約為60%，平整度最大達(dá)到40 cm，爆破質(zhì)點最大震動速度達(dá)到18.4 cm/s，均無法滿足設(shè)計要求。經(jīng)多次研究調(diào)整，將原來的垂直梯段爆破改變?yōu)樗蕉赐诜绞剑瑢⒚繉娱_挖分為3個區(qū)，壩肩岸坡5 m內(nèi)為Ⅰ區(qū)；靠近拱端3 m內(nèi)為Ⅲ區(qū)；其他部分為Ⅱ區(qū)。首先，對Ⅰ區(qū)采用豎向鉆孔周邊預(yù)裂的爆破方式開挖，為Ⅱ區(qū)的開挖形成施工平臺；Ⅱ區(qū)采用光面爆破，采取單循環(huán)隧洞開挖方式，進(jìn)尺按4～5 m控制；Ⅱ區(qū)開挖完成后，進(jìn)行Ⅲ區(qū)拱肩段的施工，拱肩段是拱壩受力的關(guān)鍵部位，采用垂直向預(yù)裂爆破方式進(jìn)行。善泥坡水電站最終開挖的平整度小于10 cm，噴混凝土后平整度小于5 cm，爆破質(zhì)點最大震動速度為4.30 cm/s，爆破效果良好[5]。

(2)避炮安全措施。窯洞式拱肩槽無法布置坡面上的施工道路，開挖工作面狹窄，放炮期間施工設(shè)備避炮困難。可采取起吊的避炮方式，在壩肩拱端交通洞內(nèi)布置1臺卷揚(yáng)機(jī)，窯洞頂拱布置吊點和滑輪組，每次開挖爆破前將開挖設(shè)備吊離爆破施工面，實現(xiàn)安全避炮。

5 變形監(jiān)測

善泥坡水電站2011年6月開始壩肩窯洞開挖，2012年12月開挖完成，開始大壩混凝土澆筑，2014年11月29日順利實現(xiàn)下閘蓄水，至今工程已安全運(yùn)行3年多。為監(jiān)測窯洞施工及運(yùn)行期的變形情況，在左右岸窯洞洞壁上布置了10套2點式多點位移計，除了1套測值較大外，其他變形值均小于2 mm，且運(yùn)行期測值已趨于穩(wěn)定，測值較大的位于右岸洞頂處，其過程曲線見圖4。從圖4可知，變形過程可以分為3個階段：第1階段是開挖過程中變形快速增長期；第2階段是開挖完成后的變形收斂期；第3階段是所有變形完成后的平穩(wěn)運(yùn)行期。變形符合規(guī)律，邊坡安全穩(wěn)定。

圖4 多點位移計變化量過程

6 結(jié) 語

本文從設(shè)計原理方法、細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工措施等方面，系統(tǒng)介紹了窯洞式拱肩槽開挖設(shè)計方案，通過在善泥坡水電站的工程實踐，得到了以下結(jié)論：

(1)窯洞式拱肩槽對地質(zhì)條件要求較高，盡量選取巖層較厚、傾角平緩、構(gòu)造不發(fā)育之處。應(yīng)盡量采用小嵌深、小正倒懸度、小厚高比、小中心角的拱壩體型，合理確定拱壩嵌深，既滿足拱壩建基面要求，又盡量減小窯洞規(guī)模。

(2)窯洞穩(wěn)定性分析方法可采用隨機(jī)楔體分析方法，應(yīng)充分重視窯洞洞頂、洞臉的開挖支護(hù)設(shè)計，是窯洞穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。

(3)提出了彈性墊層兼顧模板、內(nèi)嵌式錨墩、明洞防護(hù)技術(shù)等細(xì)部結(jié)構(gòu)解決方案。水平光面爆破和起吊法避炮施工措施解決了窯洞開挖施工的關(guān)鍵技術(shù)。