關于復雜地質條件下的大壩開挖技術研究與運用探討

摘要：作者參建了某境外水電站建設：水電站大壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程EL.153.0m，壩底設計高程EL.41.0m，最大壩高112.00m，最大開挖高度達180m，混凝土工程量從300萬m3優化到現在的170萬m3。因地質條件復雜：巖性為石英砂巖、細砂巖、粉砂質泥巖和泥巖且存在互層，壩址區巖層近水平，呈緩平的單斜構造，巖石裂隙發育。因此，如何尋求一套實際可行的開挖技術來有效控制開挖質量，滿足復雜的地質條件下建設碾壓混凝土壩的壩基設計要求，是大壩開挖施工的難點也是要解決的關鍵問題。

關鍵詞：開挖技術;復雜地質條件分析;爆破試驗;預裂成型難點分析;大壩建基面開挖施工;壩基設計要求;難點關鍵問題分析。

一、工程概況

某境外水電站工程流域總面積822km2，河長77km，河流平均比降約2%。壩址以上流域面積709km2，河長68.6km。水電站總裝機容量為193.2MW，年平均發電量為4.98億KWh。水電站大壩樞紐工程主要建筑物由112m高碾壓混凝土重力壩、壩身5 孔泄水閘、PH3 引水建筑物、PH3 發電廠房和開關站等組成。水庫校核洪水位151.88m，設計洪水位150.00m，正常蓄水位150.00m，死水位130.00m，水庫總庫容7.173 億m3，死庫容3.542 億m3，正常蓄水位以下庫容6.813 億m3，有效庫容3.271億m3，庫容系數為19.9%，為完全年調節水庫。壩頂寬度6.0m，壩基最大寬度106m，最大開挖高度達180m，設計開挖量為98.6萬方。大壩基建面平均坡度為1：1.447，最緩坡度為1：2.48，整個建基面除幾個水平設計平臺外，其余部位均呈喇叭型逐漸發散敞開，平臺之間無施工馬道，各開挖平臺之間平均高差為26.25m，最大高差為46m。

二、壩址地層巖性概況

壩址區廣泛分布第四系覆蓋層，基巖僅在河床及臨河床低高程岸坡零星出露，壩軸線下游約300m后至河流拐彎段的河床中基巖裸露。基巖主要為侏羅系中統（J2）～白堊系下統（K1）地層，巖性有石英砂巖、細砂巖及粉砂質泥巖和泥巖。

根據勘探成果將地層和巖性分述如下：大壩兩岸地勢較為平緩，右岸平均坡度20°～25°，左岸EL.160m高程以下略陡于右岸，坡度約30°～38°。岸坡廣泛分布第四系覆蓋層，左岸殘坡積塊碎土厚度4m～9m，右岸殘坡積塊碎石土厚度9m～16m。基巖為侏羅系中統（J2）～白堊系下統（k1）地層，主要以石英砂巖、細砂巖為主，約占70%～80%，并伴有少量粉砂質泥巖、泥巖等，局部有薄層狀石英砂巖與泥巖、泥巖與含礫細砂巖互層現象，巖層近于水平，總體走向NW290°～300°，傾向NE（左岸略偏上游），傾角3°～9°（平均5°）。巖體中主要發育層間緩傾角軟弱層帶，石英砂巖、細砂巖中發育陡傾角裂隙。

左右壩肩砂巖和粉砂質泥巖互層則更為顯著，風化帶內砂巖裂隙發育完整并填充粘土，砂巖與粉砂質泥巖、泥巖的接觸界面一般有一定厚度的泥化或軟化現象;粉砂質泥巖、泥質夾層厚度不均，一般厚度0.1m～0.5m，最小為0.01m～0.08m，較厚的也有0.5～0.8m的起伏差，最大可達12.7m，在壩址區鉆孔揭示的泥巖夾層數有13層之多。壩址區兩岸邊坡風化帶巖體厚度大，微風化巖體埋深大。左岸壩基EL.125m高程以上為巖體質量較差的Ⅳ類巖體，EL.125m高程以下及右岸壩基巖體質量為中等的Ⅲ類巖體。采用《水利水電工程地質勘察規范》（GB50287-99）壩基巖體工程地質分類規定，對壩基巖體進行分段工程地質分類：

河床壩基基巖面分布高程為41.25～42.38m，巖性以細砂巖為主，巖體為中厚層狀結構，基本無強風化，弱風化帶分布深度10～15m;巖體中發育北東東向和近南北向高傾角裂隙及近水平層面裂隙，結構面中等發育。高程41.21～35.0m段巖體RQD值為78～85%，聲波縱波速一般為2721～4598m/s，平均值為3715m/s，巖體較完整，強度較高，為Ⅲ1類巖體。

左岸壩基41～125m高程，建基面巖石以石英砂巖、細砂巖為主，占87.2%，局部間夾有粉砂質泥巖、泥巖夾層。僅在95.7～100.7m及41～48m高程分別有一層厚層粉砂質泥巖，其余泥巖類夾層厚度一般為10～25cm。砂巖與粉砂質泥巖、泥巖的接觸界面上，軟化、泥化程度較低，圍壓狀態下擠壓緊密。巖體中發育北東東向和近南北向高傾角裂隙及近水平層面裂隙，中等發育。RQD值一般為70～82%，聲波縱波速3000～4500m/s，平均值3600m/s，巖體較完整，強度較高，中厚層狀結構為主，局部夾薄層狀，壩基總體屬Ⅲ2類巖體。高程41～48m及95.7～100.7m兩層泥巖類巖層作專門工程處理。左岸壩基125～154m高程，建基面巖石為細砂巖與粉砂質泥巖或泥巖互層，細砂巖占54.2%，泥巖類占45.8%，泥巖類厚度1.00～6.00m，局部細砂巖中夾薄層泥巖5～20cm。兩組高傾角裂隙發育，RQD值一般大于60%，聲波縱波速一般為2800～3900m/s，平均值為3200m/s左右，巖體完整性相對較差，多呈互層、薄層～鑲嵌碎裂結構，壩基為整體質量較差的Ⅳ1類巖體。

右岸壩基巖石以石英砂巖為主，細砂巖僅在靠近河床及壩頂附近有分布，泥巖類巖（夾）層較左岸少，僅占15.4%，在54～62m及101～105m高程分別為兩層粉砂質泥巖，其余泥巖類夾層厚度為20～30cm。砂巖與粉砂質泥巖或泥巖接觸界面上軟（泥）化程度較低，圍壓環境下擠壓較緊密;巖體中發育兩組高傾角裂隙和近水平層面裂隙，中等發育。RQD值一般為71～80%，聲波縱波速2500～4500m/s，平均為4000m/s左右，巖體較完整，中厚層狀結構為主，局部夾薄層狀，壩基總體屬Ⅲ2類巖體。高程54～62m以及101～105m兩層泥巖類巖層作專門工程處理。

三、大壩壩肩開挖

目前國內的大壩開挖經驗相當豐富，而且預裂爆破和光面爆破的理論也極為成熟，但面對這個水電站特有的地質條件，能否采用爆破作業來進行有效的大壩開挖施工？為了確保開挖工程優質、安全、高效進行，同時給鉆爆作業提供切實可行的爆破參數，在壩肩部位選擇適合場地先后進行了五次爆破試驗。

1、爆破試驗

根據工程施工進度及大壩左右壩肩所揭露的巖層情況，我們在2008年1～3月份在左右壩肩不同高程進行了前后5次開挖爆破作業生產性試驗：

2、爆破工藝

3、預裂爆破相關參數的確定

3.1鉆孔設備選擇

由于受國外實際施工條件的制約，預裂孔只能選用CM-351高風壓鉆機造孔;保護層及薄層開挖選用YT-28手風鉆造孔。

3.2藥卷直徑的選擇

根據不偶合系數即鉆孔直徑與藥卷直徑之比一般取值范圍為2～5的經驗數據，藥卷直徑選擇為φ32mm，其不耦合系數為3.28。

3.3孔距的確定

預裂孔鉆孔間距和鉆孔直徑D有關，通常取=（8～12）D;n值過大，不能保證預裂縫的形成，影響預裂效果;邊坡預裂選擇a=800～1000mm，巖石較破碎時取小值。

3.4線裝藥密度的確定

工程地質情況主要為砂巖，平均飽和、濕抗壓強度較大，線裝藥密度的計算：根據公式⊿線=0.042[σ壓]0.50.6 ;式中 ?⊿線—線裝藥密度（g/m）;[σ壓]—巖石抗壓強度（MPa）;——炮孔間距（m）;依據上式計算的結果，最終確定線裝藥密度為250～350g/m。巖石較軟弱部位取小值，巖石相對堅硬部位取大值。

3.5裝藥結構設計

制作藥卷時，應合理確定炮孔內各不同深度處的裝藥量。由于孔底夾制作用大，為保證裂縫到底，要在孔底增加裝藥量：孔深大于10m 時，底部增加的藥量為線裝藥密度的3～5倍，把它們平均分攤在孔底1～2m的長度上;5～10m孔深增加2～3倍;3～5m孔深增加1～2倍。堅硬巖石取大值，軟弱巖石取小值。接近頂部堵塞段1m范圍的裝藥量約為計算的線裝藥量的1/2～1/3。炮孔中部的裝藥量采用計算的線裝藥量。

3.6堵塞長度的確定

堵塞長度按經驗公式L1=（0.7～1.0）W考慮，其中W為最小抵抗線。孔口堵塞長度對預裂面的效果有一定影響，堵塞長度過短則爆破時氣體逸出，不易形成預裂縫或預裂縫寬度不夠;堵塞長度過長，炮孔內的氣體雖不沖出，盡管增強了氣體作用時間，但堵塞段有可能就產生不了裂縫或產生裂縫面的質量很差，且爆后堵塞部分易形成較大塊石，影響出渣效率。綜合考慮決定建基面預裂孔堵塞長度取70～120cm。

3.7爆破參數確定

根據5次鉆爆經驗和爆破試驗驗證，壩肩開挖施工預裂、淺孔爆破和手風鉆光面爆破的相關參數如下：

4、爆破試驗總結

通過5次爆破試驗效果和兩岸邊坡批露的地質狀況，并結合后來實際施工過程中的多次驗證，經過分析比較：

1、左右壩肩主要由砂巖膠結粘土而成，巖體層理發育，預裂基本無法成型，壩肩土石方的超欠挖很難控制;

2、對于左岸的地質條件，炸藥單耗在實際施工中可調整為0.3～0.33kg/ m3;而右岸可調整至0.25～0.28kg/ m3。

3、預裂孔線裝藥密度控制在0.28～0.32kg/ m較為適宜。

4、設計明確要求在壩基區域內盡量不要進行爆破開挖以免擾動基巖，盡量采取非爆破開挖方式進行施工。由于巖層裂隙非常發育，傳統的預裂爆破不足以滿足開挖施工的設計需求，需采取其它開挖施工工藝。

5、預裂成型難點分析

左右壩肩砂巖和粉砂質泥巖互層顯著，風化帶內砂巖裂隙發育完整并填充粘土，裸露巖體層理發育完整，每層厚度大約0.5m～1.0m，主要由砂巖膠結粘土成型。由于這些裂隙、節理、層面和斷層的存在，巖體被分割成許多大大小小的塊體，塊體與塊體間膠結粘土形成薄弱面。對于這種破碎的巖體，預裂面的平整度不由爆破參數決定，而由破碎面控制，甚至預裂面也不按設計坡面形成，而沿裂隙面或破碎面產生。

a、斷層和張裂隙的影響

斷層與張裂隙的存在削減了沖擊波的傳播作用，影響了爆炸產物的膨脹作用;爆炸氣體在巖體內的作用時間縮短或過早逸出，降低爆炸效果，使得沖擊波和高壓氣體不能在孔壁兩側迭加或產生應力集中，其爆破能量不足以拉斷巖體形成預裂面。

b、節理裂隙的影響

左右壩肩多為與預裂面垂直或斜交的裂隙，預裂爆破后，與預裂面垂直發育的裂隙往往構成齒狀縫面，形成超欠挖;與預裂面斜交的裂隙，卻又易使預裂縫偏離中心線，順裂隙延伸一段距離后與另一孔連接起來，形成更為嚴重的超挖或欠挖，故在爆破施工中，常意外出現過大巖塊以及完全沿節理裂隙面形成的結構面，而很少看到爆炸作用形成的新鮮斷裂面。

盡管對于復雜地質條件下壩基的預裂爆破，可以采用減小孔距、減少裝藥量，尤其是減少頂部裝藥量、改變堵塞條件等措施加以改善預裂效果，可是在實施生產中，這樣操作很不經濟，甚至會嚴重影響工期，制約工程進展，因而需采取其它開挖施工工藝。

四、大壩建基面開挖施工

前面所述，水電站這種特殊的復雜地質條件下，傳統的預裂爆破不足以滿足壩基建基面開挖施工的設計需求，預裂效果收效甚微，必須要尋求一種新的施工方法才能有效的控制開挖質量。

1、破碎錘的應用

破碎錘目前作為一種非爆破開挖手段，在國內外工程的使用上多作為一種的輔助性生產方式，目前我國在破碎錘的利用方面，大多在在市政的道路拆除、房建拆除上使用較多，在水電工程中應用較少，國外研究資料表明，破碎錘在礦山、隧道工程中有廣泛的應用前景。就本工程設計對壩基建基面保護層的開挖施工要求，通過對這種開挖技術進行分析研究，采用破碎錘進行保護層的開挖施工的應用，將有利于工程的快速、有效地進行。

2、沖擊錘生產性試驗

根據大壩開挖巖石地質條件，結合生產進度和施工安排，生產性試驗分兩期進行，一期試驗部位確定在6#、7#壩段EL41～EL50.5進行：本部位開挖區域寬闊，可以分塊進行多組試驗，且道路通車條件較好，人員、設備及材料等可以直接進入場內，主要有針對性地對大壩建基面保護層的施工進行參數選擇;二期試驗放在河床壩段4#、5#壩塊進行。其試驗目的主要有：a.破碎錘針對不同強度的巖石開挖能力的研究;b.破碎錘開挖對建基面的破壞性評估;c.破碎錘施工的經濟分析與評估。

對試驗區進行分區分塊，在6#、7#壩塊EL46至EL41進行試驗，設計建基面高程為EL41，試驗組取3～4組;

試驗塊劃分：取同一高程區域內面積20m╳60m（40m）開挖施工塊，分層進行開挖試驗，各試驗塊高程根據現場巖體實測高程進行選擇確定;

破碎錘開挖每組分A、B兩個條帶，每個條帶寬10米，分3列，對不同序列進行不同的孔排距密度的破碎，孔排距分別按0.75m╳0.75m，孔排距為1m╳1m，梅花型布置;排距為1.25m╳1.25m，梅花型布置。

3、試驗設備

4、試驗數據觀測

1）現場裂縫觀測量

對破碎錘開挖巖體前后裂縫情況進行觀測，并進行記錄與對比。

2）鉆孔進行聲波測試

（1）鉆設聲波測試孔三個，孔徑105mm，孔深15m。孔位布置如下：

ZK20（壩下0+030，壩右0+077.9），孔深20米，雙管取芯;

M1（壩下0+10，壩右0+73），孔深10米，不取芯;

M2（壩下0+50，壩右0+83），孔深10米，不取芯;聲波測試孔布置見圖：

（2）施工前先進行鉆孔聲波檢測，獲得巖體原始聲波資料。

（3）開挖完成后對原孔進行掃孔，再次對區域施工聲波測試孔，進行聲波檢測，獲得開挖后聲波資料。

（4）對比聲波測試資料，判斷巖體聲波衰減情況。

5、沖擊錘生產性試驗效果

在6#、7#壩段進行，通過多次生產性試驗效果可以看出：開挖平面能很好的控制在整層巖面上，無新增裂隙，保留巖體聲波衰減小于規范要求。這充分證明：

（1）巖石破碎采用沖擊錘有利于保護層開挖的施工控制，由于本工程的巖層為水平巖層，因而可以作到以巖層面為控制;

（2）由于為非爆破手段進行開挖，對壩基的巖體的破壞非常小。

（3）測試結果及其分析

通過破碎前、后2次測試，經測試結果分析巖體結構在破碎振動后的影響：a 、在破碎前分別對M2、ZK20進行了聲波測試，M2孔深8米，波速平均值為3558m/s，最大值3932m/s，最小值為3015m/s;ZK20孔深18米，波速平均值為3664m/s，最大值4157m/s，最小值為3139m/s。兩孔巖石均有相對破碎和強度較低的泥質結構區，部分測區可能有夾泥存在。b、經過破碎開挖后，再次分別對M2和ZK20進行聲波測試。M2孔深5.8米，所測波速平均值3433m/s，最大值3824m/s，最小值3068m/s;ZK20孔深14.4米，所測波速平均值3608m/s，最大值4129m/s，最小值2952m/s。從孔深—波速曲線圖顯示，部分測區波速略有降低，巖石結構略有破碎崩塌現象，但波速變化均在正常波動范圍內，破碎開挖振動對測區影響不大。

6、經濟效益

通過采用破碎錘進行6#、7#壩段保護層進行開挖取得良好效果，在現場施工中采取分層破碎開挖，逐次清面完成后及時與現場設計院代表、管理工程師、業主代表的溝通，及時對建基面進行驗收和覆蓋。雖然在6#壩段、7壩段的保護層開挖過程中出現工作面反復4-5次的清挖、清基工作，現場反復施工，但經過項目部全體員工精心細致的努力及四方現場代表的共同努力下，取得了節約6725方的開挖量與混凝土量，僅此一項為甘再項目節約總投資達500萬以上。

五、結束語

當前水電站大壩開挖施工已經結束，從已開挖成型的壩基建基面來看，滿足了設計的質量要求。該電站建基面特別是河床的建基面采用沖擊錘開挖保護層，是對常規建基面開挖方法的完善，不僅對本工程意義重大，而且對其它有相似地質條件的工程施工也具有一定的借鑒和指導作用。更重要的是，沖擊錘開挖保護層大大減弱了對基礎面的破壞及擾動，從開挖施工成果來看，效果非常好。

作者簡介：孫國成、出生年月：1983.8.29、性別：男、民族：漢、籍貫（山東省萊州）、學歷（本科）、職稱：工程師、研究方向：水利水電工程。