烏東德水電站大壩邊坡及建基面精細開挖技術

晁燕安 蔣 龍 李玉峰

(中國三峽建設管理有限公司烏東德工程建設部，云南 昆明 650041)

西南地區是我國最主要的水電能源基地，其水電資源量占全國總量的比重高達66.7%。隨著筑壩技術的不斷發展，西南高山峽谷地區成為了大型水電工程建設的主戰場，其特殊的地形地質條件使得高邊坡開挖爆破技術、爆破對邊坡穩定性和巖體質量的影響以及施工安全管理成為水電建設中的主要技術難題。同時，大部分高拱壩均位于深山峽谷地區和高地震烈度區，具有壩高、庫大、壩身泄洪量大的特點[1]，其開挖規模大、體型復雜，開挖引起的巖體卸荷問題比較突出，建基面開挖質量直接影響大壩建設及長期運行的安全。

烏東德水電站壩址河谷高、陡、窄的特征十分顯著，依托烏東德水電站邊坡及建基面開挖，從爆破開挖技術、質量控制、安全管控等方面對高拱壩建基面開挖技術及經驗進行研究和總結，形成適用于陡傾巖層復雜地質條件下高拱壩建基面開挖的全過程、規范化精細開挖技術，可為今后我國西南高山峽谷地區及海外大型水電站拱壩建設提供技術指導和施工借鑒。

1 工程概況

烏東德水電站位于中國西南高山峽谷區域川滇兩省交界的金沙江下游河道上，壩址區河道基本順直，岸坡陡立，為“V”型河谷，兩岸谷坡基本對稱。左岸谷肩高程1836m，右岸谷肩高程1630m，河床地面高程800～805m，基巖面高程一般730～735m(最低721.3m)。以河床地面計，左右岸自然邊坡分別高達1036m和830m。高程1150～1200m以上兩岸谷坡較為開闊，岸坡陡緩相間，總體坡度約43°～45°；以下河谷狹窄，岸坡陡立，坡度為60°～75°，局部近直立。

工程邊坡兩岸開口高程為1145～1165m，高程1060m和988m分別布置纜機平臺和壩頂平臺，高程988m以上最大開挖高度175m，高程988m以下為大壩建基面邊坡，最大開挖高度270m，開挖坡度上陡下緩，綜合開挖坡度約為67°。建壩巖體主要為厚層及中厚層灰巖、大理巖和白云巖，中厚層石英巖，局部夾少量薄層及互層狀灰巖，邊坡左岸為橫向坡，右岸為斜向坡及反向坡。

2 工程難題

烏東德大壩邊坡和建基面開挖面臨以下難題：

2.1 開挖體型控制

大壩嵌于拱肩槽內，建基面寬度總體上窄下寬，既是斜坡面，又是扭面，呈緩～陡～緩地形，開挖體型復雜，對造孔精度和爆破控制要求高、施工難度大。大壩邊坡所在區層狀灰巖、大理巖、白云巖發育，地層陡傾近于直立，層狀巖體構造對爆炸應力波和爆生氣體的氣楔擴展產生不利的導向作用，影響預裂面成型效果。此外，陡傾層狀巖體對鉆孔也有較大影響，容易形成飄鉆，從而影響鉆孔質量。

2.2 薄層削坡開挖

大壩邊坡高陡，上覆超高自然邊坡，開挖厚度小，作業面狹窄，尤其是相鄰的水墊塘部位，最窄部位不足6m，屬于極窄薄層開挖，開挖道路、施工設備布置特別困難，安全問題突出。施工過程中需嚴格控制爆破對建基面的影響深度、減小爆破振動對周邊保護物的影響，保證開挖邊坡穩定安全。

2.3 施工安全管控

大壩邊坡既有橫向坡，又有順向坡、斜向坡，邊坡支護跟進要求高；與左、右岸引水洞進口邊坡和水墊塘邊坡同步下挖，相鄰部位開挖與支護干擾大，邊坡上下交叉作業安全風險大；建基面不設系統支護，基巖裸露時間長，受不利結構面和局部巖體質量相對較差影響，存在塊體穩定性差和掉塊問題。

2.4 爆破揚塵控制

順河谷向大風較多，開挖與爆破粉塵擴散控制難度大，施工中需采取有效措施，嚴格控制爆破粉塵的影響。

2.5 開挖進度控制

烏東德工程大壩邊坡和建基面開挖高度270m，大壩邊坡開挖按15m分層，共18層，建基面邊坡開挖按10m分層，底部5～7m分層，邊坡開挖工期緊張，高峰期需達到2個月開挖3層的進度目標，開挖爆破與支護等其他工序交叉作業，相互之間存在嚴重的干擾。

3 工藝技術及精細管理

針對烏東德水電站大壩建基面開挖的特點及難點，開展了系統的技術和管理研究，全面貫徹精細爆破理念，采用分段分層分區、快速施工、超欠平衡、立體安全防護和降塵環保等技術，實現了大壩邊坡及建基面優質、高效、安全、環保開挖，形成了水利水電工程開挖精細爆破成套技術體系。

3.1 分層分區技術

3.1.1 順流向分段

烏東德水電站壩肩邊坡開挖類似于剝皮爆破，開挖厚度多小于30m，但是順流向長度達400m，受地形條件限制，需要結合開挖工作面布置施工道路。當一次開挖長度過長時，在厚度較小的部位，爆區被整體推下，導致道路中斷，影響后續的爆破，故需要對開挖順序和單次開挖規模做合理規劃。通過試驗比較，開挖順流向長度按30～50m分塊控制，單次爆破規模控制在1.5～2t。

3.1.2 豎直向分層

大壩上下游邊坡開挖梯段高度為15m，大壩建基面邊坡一坡到底，中間不設馬道，參考溪洛渡等工程經驗，根據爆破試驗效果，建基面開挖梯段高度整體按10m控制，中下部坡比逐漸變緩，根據坡比情況采用5～7m梯段，河床壩段部位高程723.5～718m采用預留保護層光面爆破開挖方式。

3.1.3 橫河向分前后區

為控制爆破規模，開挖過程中橫河向分前后區開挖，從原始地形線到距離設計結構面10m左右的開挖區域稱為“前區”。距離設計結構面10m范圍內的開挖區域，稱為“后區”，即大壩建基面開挖區域。

大壩建基面“后區”預留開挖厚度一般為8～10m，布孔方案為“1排預裂孔+1排緩沖孔+1～2排主爆孔”。 預裂孔采用QZJ100B鉆機進行造孔，孔徑90mm；緩沖孔、主爆孔采用QZJ100B潛孔鉆、CM351、CM-358液壓履帶鉆機造孔，孔徑為90mm或105mm。

開挖次序為：先開挖前區及上下游兩側相鄰壩肩邊坡區域，使上下游邊坡低于大壩建基面開挖，待建基面后區形成較好臨空面條件后，再進行后區開挖。后區爆破前，前區必須低于后區1個梯段以上，保證后區爆破的臨空面條件良好，見圖1。

圖1 大壩建基面開挖分層分區示意

3.1.4 周邊的處理

前排采取加密炮孔，盡量做到底盤抵抗線均勻；左右岸如果與相鄰爆區相接，則采取加密孔光面爆破，有時也采用施工預裂；后排還考慮了緩沖孔爆破、分區爆破的后邊界光面或預裂爆破，強調預裂爆破鉆孔精度控制措施，合理選擇線裝藥密度，合理調整緩沖孔到預裂孔的距離和起爆時間。

3.2 快速施工技術

烏東德大壩邊坡和建基面開挖前，通過優選設備、調整和改進施工工藝等，開展了快速開挖支護工藝研究。全面采用與邊坡開挖臺階分層相匹配的CM358鉆機、D7鉆機和濕噴臺車等高效設備進行開挖支護施工；調整錨噴支護形式，用鍍鋅機編網取代鋼筋網。通過上述調整，使得邊坡淺層支護隨開挖出渣同步完成，保證了支護及時性，同時避免了支部排架搭設對直線工期的影響，形成了以“一次預裂、兩次爆破、分層出渣、隨層支護、系統跟進”為核心的邊坡快速開挖支護工藝[2]，實現高峰期2個月下挖3層的進度目標。

3.3 超欠平衡技術

因大壩建基面邊坡為不設馬道、一坡到底設計，為解決架鉆施工需要，每個梯段預裂開孔處需設置水平向40～65cm的超欠平臺，左右岸各有5個梯段因邊坡存在由陡變緩情況，向坡內技術超挖0.7～2.33m。開挖過程中超前兩個梯段對每層預裂孔進行三維規劃設計，明確每個孔口、孔底坐標、方位角和傾角，見圖2。

圖2 超欠平衡技術

3.4 爆破參數優化

大、中型水電站開挖普遍采用深孔臺階爆破法，并將其與預裂爆破、光面爆破和緩沖爆破等組合起來形成一套確保邊坡質量的優質高效開挖方法[3]。實踐證明，巖層的走向，傾角、裂隙發育程度，力學強度，地應力的大小等都影響裂縫的形成和開度；鉆孔直徑、間距和裝藥量也直接影響裂縫的形成和開度[4]。開挖中必須充分考慮到水電站高陡邊坡的特點，同時還要兼顧爆破安全和開挖強度，以及錨噴支護的限制，確定適宜的爆破參數。烏東德大壩邊坡及建基面開挖過程中，通過爆破試驗反復調整與分析，確定了爆破參數，裝藥聯網過程還需要結合鉆孔返灰和鉆進速度記錄情況做個性化調整，具體參數見表1～表3。

表1 大壩建基面預裂孔推薦爆破參數

表2 大壩建基面緩沖孔推薦爆破參數

表3 大壩建基面主爆孔推薦爆破參數

3.5 起爆網路設計

烏東德兩岸高邊坡開挖強度較高，裝藥量達到數噸以上的規模爆破較多，因此，爆破不利效應也較大。因此起爆網路應滿足如下要求：安全可靠，便于操作，成本低廉，有較好的經濟效益；具有多分段，滿足控制單段藥量的要求；減少重、串段，以更好地控制爆破振動及損傷。

塑料導爆管毫秒起爆網路可實現孔間排間毫秒順序爆破。但是由于其高段位雷管延時誤差較大，對于大規模開挖，易發生重、串段。因此對于大規模開挖和關鍵部位開挖采用延時精度更高的高精度雷管。高精度雷管具有精度高、易操作、便于網絡優化、易控制等優點，可以避免普通雷管因延時誤差導致的重、串段，從而保證建基面開挖質量。

對于一般部位(前區、規模較小的爆破)采用塑料導爆管毫秒起爆網路。采用孔內延時、孔外分段的非電毫秒順序起爆網路。孔內雷管的段位選擇MS10、MS11、MS12；排間雷管采用MS5，孔間雷管采用MS3段，單段藥量控制在100kg以內，單次爆破規模控制在1.5～2噸以內，預裂孔單段爆破孔數按3～4孔控制。

對于大規模開挖和關鍵部位開挖(緊鄰建基面的爆破)采用高精度雷管起爆網路。孔內選擇1000ms高精度雷管延期，孔間采用17ms高精度雷管接力，排間采用42ms高精度雷管，見圖3。

圖3 典型起爆網路

3.6 精細化管理

大壩建基面開挖過程中的地質條件、開挖坡度以及鉆孔技術水平等都在動態變化，在落實上述工藝技術的基礎上，還需要從管理組織機構、管理流程、驗收環節以及施工機具等方面采取精細化的管控措施，方能實現建基面開挖的質量控制目標。

a.超前地質預報。及時對開挖揭露的地質條件及問題進行分析，并對下一層開挖地質情況提出預判和建議，指導開挖施工。

b.一炮一設計。針對邊坡和建基面不同體型，提前制定開挖規劃，對每次爆破進行專項爆破設計，由監理和爆破咨詢單位聯合審查。

c.個性化裝藥。鉆孔過程中如實記錄鉆孔返灰和異常情況，根據鉆孔記錄反映的不同巖石質量和地質情況，微調裝藥結構。

d.一炮一總結。每次爆破完成后均由監理工程師組織各方對該梯段施工過程進行總結，對存在的問題進行分析研究并提出具體的改進措施，在下一梯段的施工過程中進行改進。

e.“三定五校”控制鉆孔精度。 “三定”即：定人，定機，定孔。通過“三定”確保每一個鉆孔都有可追溯性，在爆破完成后，根據孔位、孔向情況對作業人員進行現場總結并嚴格考核。“五校”即：開孔前、20cm、50cm、1m、3m五次對鉆機角度進行校核。

f.鉆機改造。對100B鉆機焊接鋼管與樣架立桿牢固連接，消除鉆進中鉆機擺動幅度大的頑癥；在100B鉆機底部加焊限位板，有效防止開孔時鉆頭偏移；在鉆桿上每3m增設一個扶正器以避免鉆機因鉆桿剛度較低、與鉆孔直徑不匹配等問題導致產生飄鉆。

g.提高量角器精度。開挖施工中常用的水平量角器及地質羅盤的精度僅為0.5°，僅由此導致的孔底偏差約為10cm，占設計允許超挖的50%。通過引進和推廣精度為0.05°的電子自動讀數量角器，大大減小了因儀器精度導致的孔底偏差。

h.第三方爆破監測和咨詢。為加強開挖爆破精細化管理，提高開挖爆破質量，在工程建設參建各方的基礎上引入了專業的第三方爆破科研單位，負責爆破器材性能試驗、開挖爆破試驗、爆破振動效應監測和技術咨詢等。

3.7 立體安全防護技術

大壩建基面邊坡不設置系統錨噴支護，混凝土覆蓋前裸露時間長，為避免風化剝落，在邊坡布置主、被動防護網和懸挑鋼絲網形成立體安全防護體系，有效的抑制崩塌和風化剝落以及卸荷坍塌，控制了局部或少量落石的發生。

大壩建基面高程988～750m設置主、被動防護網，隨邊坡開挖跟進施工，每隔30m設置一道被動防護網，底部綁扎一排竹夾板攔渣，見圖4。

圖4 RXI-100型被動防護網布置示意

大壩上下游邊坡設有系統錨噴支護，為減少邊坡排架支護作業與下方開挖施工的交叉干擾，降低安全風險，在排架底部馬道外側增設懸挑鋼絲網防護。懸挑鋼絲網寬6m，與水平面呈30°，通過排架橫桿與底部插筋固定，施工過程中定期清理。

3.8 降塵環保技術

3.8.1 施工降塵

施工降塵主要針對鉆孔、石渣挖裝和運輸以及施工區域大風產生的揚塵。采用帶有除塵裝置的鉆孔設備；在鉆孔作業時采用噴霧裝置壓塵或者將水管直接對準鉆孔沖水降塵。

3.8.2 爆破降塵

爆破粉塵產生的主要原因是炸藥爆炸使巖石產生粉碎性破碎后受到爆破沖擊而飛揚，以及石渣沿坡面滾落過程中石渣與坡面撞擊引起的坡面塵土飛揚所致。

高壓噴槍降塵將具有足夠壓力的水噴灑到作業面上空，形成水幕，吸附空氣中的灰塵顆粒，從而控制爆破粉塵。噴槍順風射程70～99m，逆風射程50～60m。根據邊坡開挖覆蓋范圍，左右岸分別沿江流向布置4～6套降塵設備。爆破前后5min對開挖面和臨江邊坡進行持續灑水，以控制爆破粉塵，防止粉塵擴散。另外，在出渣作業過程中亦可通過灑水減少施工揚塵。

因爆破后為粉塵擴散最嚴重時段，故針對該時段，采用PC-3A便攜式激光可吸入粉塵連續測試儀對灑水降塵效果進行檢測，降塵試驗檢測結果見表4，根據檢測結果對比，高壓噴槍灑水一般可使粉塵濃降低20%～35%。

表4 降塵試驗檢測結果統計

實踐表明，高壓噴槍流量大、射程遠，工作壓力高，使用壽命長，操作方便，抗風性強，可在邊坡鉆孔、爆破前、爆破后、出渣等整個開挖過程中使用，降塵效果顯著。

降塵試驗結果表明，采用該降塵方案造孔、爆破及翻渣的揚塵基本能夠得到控制，左右岸壩肩的施工環境得到了切實改善，工作面基本達到了空氣清爽、無揚塵。在壩肩槽開挖爆破中，持續應用降塵試驗成果，確保了壩肩槽的環保開挖。

4 開挖成果

a.烏東德大壩建基面開挖高程范圍988～718m，共分15個壩段，于2015年5月啟動開挖，2016年12月18日開挖完成，歷時19個月，合計完成土石方開挖約303萬m3，平均開挖強度 15.95萬m3/月，實現了高峰期2個月開挖3層的進度目標。

b.大壩建基面開挖平均超挖值7.1cm，最大超挖41.5cm(河床建基面)，無欠挖；不平整度最大值為28.9cm，平均值為5.51cm，測點合格率為97.7%，平均殘孔率為93.0%，開挖質量優良。

c.大壩建基面開挖共監測爆破質點振動速度57次，左右岸平均值分別為8.85cm/s、8.82cm/s；檢測梯段爆破影響深度55次，除1次影響深度為1.98m超標外，其余各梯段爆破影響深度均小于1m，平均值左岸0.63m，右岸0.59m，爆破振動效應控制良好。

5 結 語

結合烏東德水電站大壩邊坡和建基面開挖工程，建立了結合爆破振動、巖體聲波、開挖不平整度、超欠挖及殘孔率的巖體開挖質量綜合評價體系和基于專家組指導、參建各方協作、第三方爆破監測和咨詢的一體化精細管理體系，在工程中成功應用，有效控制了爆破對邊坡穩定性和巖體質量的影響。采用主動防護與被動懸挑防護相結合的立體安全防護體系以及高壓水噴霧降塵等措施，有效降低了局部或少量落石的安全風險以及鉆孔、爆破及出渣運輸對環境和施工作業人員的有害影響，保障了開挖的安全高效。凝練的工藝技術及管理經驗對帶動水電行業整體工程建設與管理水平提升、促進自主水電建設技術走出去具有較好的借鑒意義。