巴塘水電站左岸高邊坡快速施工技術

丁 善 鋒， 羅 文 廣， 張 顯 為

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

巴塘水電站位于四川省和西藏自治區的界河——金沙江上游河段上，右岸為西藏昌都地區芒康縣，左岸為四川甘孜藏族自治州巴塘縣,是金沙江上游河段十三級開發中的第九級電站。巴塘水電站以發電為主，總裝機容量為750 MW，為Ⅱ等大(2)型工程，正常蓄水位高程為2 545 m。

大壩左岸高邊坡自上游至下游分別為A區、B區和C區，其中C區邊坡相應布置了導流洞和泄洪放空洞出口。該標段自左岸第4級邊坡高程2 669 m起，兩洞出口消力池邊坡為第16級，最低高程為2 469 m，最大高度為200 m，共設置13級邊坡支護。4～6級邊坡開挖的支護坡比為1∶0.6，7～14級邊坡開挖的支護坡比為1∶0.4，15～16級左右側邊坡開挖的支護坡比為1∶0.5(兩洞出口洞臉為垂直邊坡)。左岸高邊坡土石方開挖約890萬m3，布置了545 束無黏結預應力錨索(1 000 kN·m-45 m)，867束無黏結預應力錨索(1 000 kN·m-35 m)，1 620 束錨筋樁(3Ф28-12 m)。左岸邊坡第一層布置錨索1 000 kN·m-45 m，第二層布置錨索1 000 kN·m-35 m，第三、四層布置錨筋樁3Ф28-12 m，錨索和錨筋樁呈4 m×4 m矩形布置。

該工程的棄渣和大壩有用料場布置在金沙江右岸，電站主要建筑物布置在金沙江左岸，左右岸通道僅有1座長度為165 m的索橋，限重60 t，限速10 km/h，理論通行能力遠小于投標高峰的開挖強度。受2018年“白格”堰塞湖和2020年初突發“新冠”疫情影響，導致導流洞工程工期緊、任務重。第四至六級錨索采用傳統導軌錨固鉆機+坡面腳手架施工工藝，每級邊坡的造孔與注漿平均歷時超過60 d，遠超投標時的45 d。受巴塘、雄松～蘇洼龍斷裂帶影響，邊坡巖體卸荷劇烈，山體較破碎，導軌錨固鉆機扭矩小且跟管易斷裂，成孔率低，傳統工藝不能滿足工期要求，不適宜巴塘水電站壩址區的地質條件施工。設計要求邊坡開挖與錨索深層支護的高差不大于30 m，不具備多級邊坡同時施工錨索的條件，故錨索造孔已成為制約高邊坡開挖與支護的關鍵工序。為實現2020年度電站導流的目標，必須優化區域規劃，調整錨索施工工藝，快速進行邊坡開挖與支護。筆者對優化工作進行了闡述。

2 施工規劃

2.1 開挖與支護的分區規劃

左岸邊坡自上游至下游分為A區、B區和C區三個區域，其中A區布置有引水發電引水口、溢洪道和壓力管道等建筑物，B區布置有溢洪道、壓力管道和發電廠房等建筑物，C區布置有發電廠房、尾水渠、導流洞和泄洪放空洞出口等建筑物，其中導流洞和泄洪放空洞出口為導流項目的重要組成部分。考慮到左岸邊坡A、B、C區坡面總長度為370 m，具備左岸邊坡C區與左岸邊坡A、B區分區開挖的條件。根據邊坡高度、道路縱比降要求，項目部重新規劃了左岸邊坡開挖[1]。并經參建各方討論，同意自第七級邊坡起調整開挖和支護設備資源，重點施工左岸C區，在左岸C區，自第八級邊坡起其開挖與支護進度領先于左岸邊坡A、B區。

2.2 道路規劃

左岸邊坡A、B、C區域交通通道有7號施工道路和C便道。7號施工道路的起點為2號渣場，終點為左岸邊坡A區高程2 645 m處；C便道起點為泄洪放空洞進口下游1號施工道路，經多級“S路”接7號施工道路。7號施工道路的終點高程高于左岸第五級邊坡馬道的高程2 639 m，主要用于左岸邊坡第五級邊坡及以上部位的開挖與支護。隨著開挖高程的下降，開挖面積增加，在左岸B、C區交界處的C便道規劃修筑了多條施工支路用于左岸C區的開挖與出渣。在左岸B、C區交界處其C便道高于左岸C區第十級馬道，C便道已不能滿足出渣要求。采用了自廠房尾水渠至左岸C區第十級邊坡修筑1-1號施工便道用于左岸C區開挖與支護的措施，C便道用于左岸A、B區的開挖與支護(圖1)。

由于C便道彎多坡陡，局部為單車道通行，故在彎道處增加了鋼筋石籠防護，沿路增加了擋土坎和警示柱。由于左岸邊坡C區較A、B區的開挖與支護進度快，導致出現左岸A、B區邊坡高于C區的現象。在C便道至左岸邊坡C區各級邊坡的施工支路上臨時堆筑了攔渣坎或鋼筋石籠擋渣墻，避免左岸B區開挖的渣料滾落至C區威脅C區的作業人員和設備。

圖1 高邊坡施工道路規劃和局部開挖圖

2.3 開挖規劃

2.3.1 邊坡的局部開挖

鑒于左岸邊坡的設計坡面距原始地面的水平距離平均為200 m，每級邊坡的平均開挖量約為95萬m3，遠超索橋的通行能力和投標月進度的強度要求。因此在進行左岸邊坡C區開挖與支護時，需保障左岸邊坡A區和B區、導流洞和泄洪放空洞及進口的開挖進度，需在第四級至第八級每級邊坡開挖量相對較少的階段充分發揮索橋的通行能力，提前完成左岸邊坡的局部開挖[1]。局部開挖完成后，其作業平臺的寬度應滿足履帶錨固鉆車錨索造孔的要求、滿足二次局部開挖雙車道通行的要求,即預留作業平臺寬度20～22 m為最佳(圖1)。依據爆破質點振動速度計算公式，局部開挖減少了支護時段每級邊坡的開挖量和爆破振動對支護的影響，亦避免了第八級邊坡以下每級邊坡明挖強度不滿足支護強度要求而影響到支護進度并造成不必要的人員和設備窩工。

式中V為安全允許爆破振動速度，cm/s；Q為單段或單響較大藥量，kg；R為爆區中心與被保護對象的水平距離，m；H為爆區中心至被保護對象的高差(對爆破質點的振動速度影響較大)，m；K為與爆區中心至計算保護對象間場地有關的系數；α為與爆區中心至計算保護對象間地質條件有關的指數；β為與爆區中心至計算保護對象間地形條件有關的衰減指數。

2.3.2 分層開挖

該工程壩址區巖體斷層和裂隙較發育，卸荷劇烈，巖體較破碎，在錨索造孔過程中出現了破碎巖體和完整巖體交替而造成錨索跟管極易斷裂。履帶錨固鉆車的重量約為5～6 t，適用于在開挖面進行錨索造孔，最佳高度為60～70 cm,作業平臺寬度不少于6 m，最優寬度為8 m，鉆機后方平臺作為人員通道。該作業平臺的設置應易于作業人員更換鉆桿、安裝套管和穿索，同時也是從事體力勞動的最佳用力高度。

根據左岸邊坡開挖坡比和錨索、錨筋樁和系統錨桿布置參數，坡比為1∶0.6時，分層高度分別為[3]：第一層262 cm，第二層343 cm，第三層343 cm，第四層343 cm，第五層209 cm。坡比為1∶0.4時，分層高度分別為：第一層310 cm，第二層360 cm，第三層360 cm，第四層360 cm，第五層110 cm。每級邊坡的分層開挖與支護情況見圖2。

2.3.3 第二次局部開挖

圖2 高邊坡分層開挖支護示意圖

左岸邊坡平均坡面長度為370 延米，邊坡局部開挖后，為滿足履帶錨固鉆車和預留作業平臺土石方明挖，將每級邊坡分為若干個作業區域，每個區域長約為60延米，可布置2～3臺履帶錨固鉆車，2 臺1.8 m3液壓反鏟。單個區域每層土石方開挖量約為4 100 m3，按2 臺1.8 m3液壓反鏟產能理論計算需2 d時間，而在實際開挖過程中，受作業面限制需3 d。單個區域每層布置15束錨索和45 根系統錨桿，2 臺履帶錨固鉆車約需3 d時間完成造孔，兩工序施工時間方能匹配。錨索作業面開挖完成后進行了二次局部開挖，預留了7 m長的履帶錨固鉆車作業平臺，以避免錨索造孔時出現窩工情況。

2.4 流水作業

左岸邊坡A、B、C區的開挖與支護各自分塊進行，每個區塊按60 m長分為若干個區域。如左岸邊坡C區分為2個區塊，區塊1進行開挖，區塊2進行錨索孔造孔。在進行下一層錨索或錨筋樁造孔時，進行上層錨索錨墩混凝土的施工。第五層開挖完成后，采用液壓潛孔鉆進行下一級邊坡預裂孔的造孔，在錨索或錨筋樁造孔完成后，邊坡預裂孔未完成，可協調履帶錨固鉆車進行預裂孔造孔以加快預裂孔造孔的進度。開挖與支護流水作業情況[4]見圖3。

圖3 開挖與支護流水作業示意圖

3 錨索施工工藝的優化

3.1 錨索造孔工藝

該標開工后，根據前期施工單位邊坡錨索造孔的情況，針對巴塘水電站左岸高邊坡錨索造孔的實際情況進行了“全孔跟管造孔”“全孔固壁造孔”和“跟管+固壁造孔”三種施工工藝試驗。進行孔內攝像時，錨索孔裂隙由漿液結石充填，試驗成果表明其均能實現錨索孔成孔，但三種施工工藝各有利弊。

“全孔跟管造孔”下穿索后拔管，若拔管長度小于7 m則跟管被拔斷，剩余跟管無法拔出而造成錨固段長度不足；采用先拔管至自由段、再進行錨固段預注漿、掃孔和穿索，與“跟管+固壁造孔”有相似之處，但增加了跟管成本?！叭坠瘫谠炜住背煽讜r間較長，部分孔段需反復固壁，不能滿足支護進度要求?！案?固壁造孔”結合了“全孔跟管造孔”和“全孔固壁造孔”兩種錨索造孔工藝的優點，適用于錨索自由段較破碎巖體的成孔，張拉段采用固壁灌漿成孔工效高。在造孔過程中，若巖體成孔性變好，可改直釬鉆頭進行后續孔段的造孔，能夠節約造孔成本。固壁漿液可能滲透進入套管與巖壁之間而增加后期拔管難度，故宜在固壁和預注漿后及時采用液壓拔管機松動套管以提高拔管的成功率。

綜上所述，三種錨索造孔施工工藝中的“跟管+固壁造孔”更適應巴塘水電站壩址區的地質情況，成孔率較前期階段大幅提高。

3.2 錨索造孔設備

高邊坡預應力錨索的傳統施工工藝為：邊坡開挖完成后，搭設坡面承重腳手架。錨索造孔、穿索、注漿、錨墩混凝土、張位和封錨全部在坡面承重腳手架作業，采用導軌式錨固鉆機造孔。由于該工程斷層和裂隙較發育，卸荷劇烈，巖體較破碎，而導軌式錨固鉆機扭矩小，造孔效率低。尤其是在跟管斷管后續固壁造孔時待凝時間需8～10 h，在腳手架上人工移動導軌式錨固鉆機定位的時間需2～3 h，有效利用時間較短，安全隱患大，且承重腳手架搭設約需15 d，直接影響到邊坡開挖與支護的直線工期。

考慮到該工程左岸邊坡設計結構邊坡面距原始地面線平均水平距離為200 m，一次開挖瘦身后預留20 m平臺，具備履帶錨固鉆車在開挖面上進行造孔作業。履帶錨固鉆車要求造孔作業與開挖作業分區進行，根據該工程錨索和錨筋樁參數，最優分區長度為50～60 m，造孔區布置了2～3 臺履帶錨固鉆車進行造孔作業，開挖區布置了2～3臺1.8 m3液壓反鏟，實現了邊坡分區開挖與錨索造孔施工呈流水作業，減少了坡面承重搭設腳手架占支護直線工期的影響，降低了作業人員的勞動強度和安全風險，在固壁待凝時進行相鄰錨索孔的造孔，從而提高了履帶錨固鉆車的利用率和鉆孔效率。

3.3 錨索體止漿工藝

該工程高邊坡主要采用無黏結預應力1 000 kN錨索，在孔口設置止漿環，全孔一次性注漿。在進行無黏結預應力1 000 kN錨索全孔一次注漿時，由于本工程高邊坡巖體斷層和裂隙發育，導致注入水泥凈漿量較大。為保障錨索錨固段的注漿質量，控制注漿量的措施主要有：限流、限壓和速凝劑等。采用待凝措施，必須用高壓風將注漿管吹通。全孔一次性注漿灌注量較大、時間長，在灌注過程中，采取限流措施易造成水泥沉積在注漿管內而影響到錨固段的注漿質量。

參照有黏結預應力錨索工藝，在錨固段和張拉段的交界處設置了充漿式止漿包，止漿包滿足承受0.5 MPa 的注漿壓力且不漏漿。止漿包兩端用鉛絲綁牢，鋼絞線與止漿袋之間、鋼絞線與鋼絞線之間用土工布條密封好。經過多束錨索注漿和張拉試驗，在錨固段注漿管上的止漿包內開2個直徑不小于1 cm的注漿孔，可節約1 根止漿包注漿管并能達到止漿效果，提高錨固段的注漿質量和施工進度。止漿包改進措施見圖4。

圖4 無黏結預應力錨索止漿措施對比圖

3.4 漿液配合比

錨索施工規范中的灌漿技術要求水泥凈漿水灰比為0.38～0.45[5]，水泥砂漿水灰比為0.4～0.5。因該工程巖體中斷層和裂隙較發育，水泥凈漿注入率較大，為控制投資和提高錨索錨固段注漿質量，經試驗室和現場生產性試驗，錨固段采用濃度較大的水泥凈漿，水灰比采用0.37，摻入1%的減水劑。錨索注漿配合比見表1。

表1 錨索注漿配合比表

4 施工效果

左岸第四級至第六級邊坡采用每級邊坡一次成型的方式，搭設坡面腳手架，利用導軌式錨固鉆機進行錨索和錨筋樁的造孔作業，完成每級邊坡開挖支護的持續時間均大于45 d。為實現2020年底電站的導流目標，項目部采取了導流洞和泄洪放空洞出口邊坡(C區)優先施工、兼顧左岸A、B區域開挖和支護的策略。

將左岸第七級至第十四級邊坡優化為分區分層開挖，開挖與支護立體多層次、平面多作業面，開挖與支護形呈流水作業。將錨索和錨筋樁造孔作業優化為履帶錨固鉆機造孔，在錨索錨固段和張拉段交界處設置充漿式止漿包，實現了每級邊坡開挖支護時間較投標階段或施工工藝調整前平均壓縮15 d，左岸C區邊坡開挖支護較A、B區超前三級邊坡，為兩洞出口消力池開挖、支護和混凝土施工爭取了時間。

5 結 語

合理利用大壩左岸高邊坡分區，科學規劃施工道路，重點針對導流建筑物段邊坡的開挖與支護，調整錨索造孔設備，采取分層開挖分層支護的工藝，開挖與支護呈流水作業。所實施的履帶錨固鉆機+跟管+固壁錨索造孔工藝提高了錨索成孔率和造孔效率，節約了腳手架搭設成本，錨索穿索難度低，降低了作業人員的勞動強度和安全風險，實現了高邊坡開挖與支護快速施工，進而為2020年底導流目標的順利實現創造了條件。