勝利水電站新建取水口高邊坡窯洞開挖施工技術

仵 凌 豐, 李 亮

(中國水利水電第十工程局有限公司,四川 成都 610072)

1 概 述

勝利水電站位于四川省天全縣境內，新建電站為原勝利水電站擴機改造工程，增加了2×20 MW機組。新建電站取水口位于已建勝利電站壩左岸老進水閘上游附近，采用“正向泄洪沖沙，側向取水”的布置型式。新建取水口分為攔污柵段、反坡段、進水閘段和漸變段，其中進水閘孔口凈寬7 m，順水流長度為7 m，設置一道事故門及相應的排架等上部結構，底板高程為710.2 m，閘墩頂高程為735.8 m，排架頂高程為739.5 m。

受“4·20”蘆山地震影響，老勝利電站排架受損嚴重，加之電站后邊坡自然坡度較陡且其表面有較厚的崩積堆積體，邊坡自穩性差，隨時都有落石發生，為保證新建電站運行期的安全，將新建取水口進水閘由開敞式優化為窯洞式，且進水閘啟閉機房及其他重要結構均布置在窯洞內(圖1)。

調整后的窯洞頂部高程為741.3 m，閘墩頂高程為735.8 m，底板高程為710.2 m；窯洞穹頂開挖尺寸為13 m×5.5 m，順水流方向長11 m；窯洞洞身開挖尺寸為11 m×5.5 m，順水流方向長9 m。

2 施工方案研究

2.1 施工特點與難點

(1)新建取水口位于壩址左岸，壩址兩岸山體雄厚，谷坡陡峻，河谷型態呈左陡右緩不對稱“V”型谷。左岸臨河地形為基巖陡崖，地形坡度一般為55°～80°，洞臉邊坡有5～6 m厚的坡崩積堆積塊碎石土，邊坡穩定性差；

(2)應業主要求，為不影響原電站正常發電，新建取水口正常蓄水位以下的開挖和混凝土結構施工以及閘門安裝等僅在一個枯期(5個月)內完成，施工工期緊，任務重；

圖1 新建取水口縱剖面布置示意圖

(3)新建取水口進水閘由開敞式調整為窯洞式，洞室開挖斷面尺寸較大，巖石較為破碎，安全威脅較大；

(4)隨著取水口洞身逐層下挖形成較大的深基坑，其最大開挖深度高達31.1 m，安全威脅越來越大，特別是窯洞洞身上下游墻所承受的山體壓力不平衡，易發生位移及變形。

2.2 施工方案

根據該工程施工特點，新建取水口位于老電站上游側，為不影響老電站正常發電，取水口的施工主要在兩個枯期內進行，其中“一枯”在不影響原電站正常發電的條件下完成正常蓄水位高程724.2 m以上的開挖施工；“二枯”主要完成正常蓄水位高程724.2 m 以下的開挖及混凝土結構施工，正常蓄水位高程724.2 m 以上的混凝土結構施工在老電站恢復發電且采取安全措施后進行。

新建取水口的施工通道主要由1#施工道路進入，沿老電站庫區左岸至邊坡位置。由于取水口自然坡度較陡且場地狹窄，先修筑臨時挖機道路，采用自上而下的甩渣型式修筑道路至725 m高程，形成集渣及裝渣施工平臺。當邊坡開挖至窯洞洞口高程時，先進行鎖口錨筋束的施工，再進行窯洞穹頂的施工。由于取水口整體地質條件較差，圍巖強度低，加之窯洞為大斷面開挖，自穩能力較差，施工采取了先窯洞外側開挖、再窯洞內的開挖方式，自上而下分層錯臺法進行。

3 所采用的主要施工方法

3.1 高程741.3 m以上邊坡的施工

受施工條件限制，施工道路不能修至開口線附近，需在725 m高程設置集渣平臺，開挖主要利用1.6 m3挖掘機采用自上而下甩渣的方式將石渣甩至725 m高程集渣平臺，再由1.6 m3挖掘機裝15 t自卸汽車運至渣場。坡面的修整由1 m3小型挖掘機配合人工進行。

窯洞741.3 m高程以上的邊坡較陡且植被較為茂盛。為不破壞原自然邊坡結構、盡量不擾動自然邊坡結構的安全穩定，僅對以上邊坡植被進行清理，噴5～8 cm厚的素混凝土封閉巖面，局部布置Φ22，L=3 m的隨機錨桿。

3.2 洞臉邊坡(高程741.3～735.8 m)的施工

當取水口邊坡施工至窯洞洞臉高程時，洞臉上下游邊坡在741.3 m高程按1∶0.75坡度自上向下削坡，在洞頂上部一定距離位置開始垂直向下開挖至窯洞穹頂底部735.8 m高程，洞臉鎖口錨桿根據邊坡施工進度及時實施。窯洞開挖分層高度為2～2.5 m，實施淺孔光面爆破，基底預留保護層人工配合機械設備修整。

窯洞洞口邊坡開挖成型后，立即素噴5～8 cm厚混凝土封閉巖面，再進行錨桿、掛網及噴混凝土等系統支護。根據設計圖紙要求，洞臉采用1排3Φ28，L=12 m的錨筋束鎖口。鑒于窯洞跨度較大且以上巖石較為破碎，經現場協商新增加了1排3Φ28，L=12 m的錨筋束，兩排錨筋束交叉布置。

3.3 窯洞(高程741.3～710.2 m)的施工

窯洞開挖采用自上而下分層錯臺法進行，分三大層開挖施工，其中第一層(高程741.3～734.3 m)為窯洞穹頂開挖，將穹頂開挖的高度控制在拱腳巖臺以下1.5 m。開挖施工主要分三部分進行：先中部導洞領進，后兩邊跟進擴挖，最后巖臺開挖成型。開挖鉆孔利用人工持YT-28手風鉆造孔，周邊施行光面爆破。

第二大層(高程734.3～711.7 m)主要為窯洞洞身的開挖，洞身開挖采用自上而下依次進行(先洞外土石方明挖，再進行窯洞洞身開挖，洞內外形成臺階)，將洞身的每層高度控制在2～2.5 m。洞身開挖采用手風鉆鉆孔，分兩部分進行，先中部拉槽，再兩側跟進擴挖，周邊光面爆破。

第三層(高程711.7～710.2 m)主要為底板保護層的開挖。洞身開挖至底板后，先預留1～1.5 m厚的保護層，開挖主要利用手風鉆水平造孔，周邊光面爆破，局部采用人工持風鎬清除，避免過多超挖。

出渣采用甩渣轉運和直接裝運兩種方式，其中725 m高程以上的出渣采用1.6 m3挖掘機甩渣至集渣平臺，再由1.6 m3挖掘機裝15 t自卸汽車；725 m高程以下的出渣直接采用1.6 m3挖掘機裝15 t自卸汽車運至渣場，每層開挖完成后臨時支護及時跟進。

窯洞支護緊跟開挖及時進行，開挖前采用Φ25，L=4.5 m的超前錨桿支護洞頂圍巖；開挖爆破安全處理后再進行臨時支護：噴5 cm厚混凝土封閉巖面；布置I20、間距為0.6 m的鋼支撐，榀間設Φ22@0.6 m連接筋，拱架四周交叉布置Φ25，L=4.5 m和L=6 m的鎖腳錨桿；掛設Φ6.5@15 cm×15 cm鋼筋網；噴10～15 cm厚混凝土。

3.4 窯洞不良地質條件段的施工

3.4.1 穹頂破碎圍巖段的處理措施

(1)窯洞洞頂部分洞段的巖石較為破碎，裂隙較為發育。在窯洞穹頂開挖過程中，采取“短進尺、弱爆破，強支護”的方式進行，優化了部分施工方案，加強了部分支護方式。特別是在穹頂施工中，按先導洞、再擴挖的方式施工其中的導洞后，先素噴3～5 cm厚混凝土，再布置Φ22，L=3 m的隨機錨桿并掛Φ6.5@15 cm×15 cm鋼筋網進行初期支護。

(2)穹頂兩側的擴挖在中導洞初期支護完成后按先后錯距法進行，兩側擴挖支護緊跟開挖及時進行，當窯洞穹頂開挖及初期支護完成后再進行永久支護的施工。

(3)鑒于窯洞穹頂開挖成型后頂拱及后端墻滲水量較大，項目部經與設計人員現場溝通，加強了穹頂永久支護方式，采用I20工字鋼鋼拱架+I14工字鋼水平連接梁+局部增加掛Φ16鋼筋網+增加的Φ25，L=9 m的深孔錨桿等措施進行穹頂的永久支護加強。

(4)施工過程中，為了確保窯洞下部的施工安全以及穹頂的整體穩定，經與設計人員現場協商，在窯洞穹頂開挖支護完成后，先進行邊頂拱結構混凝土的施工，待混凝土達到齡期后再進行窯洞洞身的開挖支護施工。

3.4.2 窯洞巖臺施工采取的加固措施。

受裂隙發育和斷層影響，窯洞上游側巖臺成型效果較差。在窯洞巖臺施工過程中，經多次方案優化、調整方案，采取加密周邊光爆孔、減少裝藥量以及增大光面爆破凌空面的方式后，巖臺成型仍然沒有達到預期效果。于是，在巖臺開挖完成后，為確保兩側邊墻的穩定以及下部洞身開挖的安全，對巖臺邊墻采取了Φ25，L=9 m的深孔錨桿和C25鋼筋混凝土等方式進行了加強支護，最終保證了下部洞身的開挖安全。

3.4.3 窯洞洞身采取的加固措施

在窯洞洞身施工過程中，隨著窯洞洞身逐層下挖，窯洞形成了較大的深基坑，最大的開挖深度高達31.1 m，安全威脅越來越大。隨著洞身逐層下降，上下游墻所承受的山體壓力不平衡，不能形成有效的對稱受力點，上下游端墻易發生位移及變形現象，為確保窯洞整體穩定以及下部施工安全，經過多次方案優化，在洞身下挖時隔段增加了水平支撐梁，其中在窯洞735.8 m高程巖臺位置采用2Φ150鋼管焊接成整體平放于上下游端墻巖臺臺面上并用插筋固定牢固形成水平支撐梁；在上下游端墻735.8 m高程以下，每隔2～3 m采用雙榀I18、L=4.5 m工字鋼交叉布置形成橫向腰梁，并采用4Φ25,L=6 m和2Φ28,L=9 m的錨桿交叉鎖定；對于窯洞洞身上下游及左端墻728 m高程以下，將系統錨桿由原設計的Φ25,L=4.5 m調整為Φ25,L=6 m，鋼筋網采用Φ16螺紋鋼，間距15 cm，噴混凝土采用15 cm厚C20混凝土(圖2)。

圖2 新建取水口窯洞不良地質段支護示意圖

4 結 語

項目部通過對新建取水口高邊坡窯洞開挖及支護方案進行創新與優化，取得了較好的效果，從實際開挖及支護情況看，調整后的窯洞開挖效果較為理想，在確保安全的前提下，既保證了窯洞結構的整體性，又節約了取水口施工工期。調整后的窯洞施工技術方案對業主而言，節約了投資，降低了后期運行風險；對施工而言，雖然增大了施工難度，但在多次方案調整優化后，不僅保證了施工安全，縮短了施工工期，而且也為后續“二枯”正常蓄水位以下的施工創造了更為有利的條件，值得類似環境條件部位的施工借鑒。