烏東德水電站泄洪洞工程出口水墊塘開挖施工技術

鄭 強,曹中升,李偉希,李銘松

(中國葛洲壩集團三峽建設工程有限公司，湖北 宜昌 443002)

1 工程概況

烏東德水電站在左岸山體內平行布置3條泄洪洞[1]。泄洪洞主要由進口段、有壓洞段、閘室段、無壓洞段及出口段組成，出口段下方設置有水墊塘，水墊塘上下游方向長度為127.89 m，左右岸方向寬為81.09 m，底板高程795.00 m,泄洪洞出口水墊塘平面布置見圖1。

圖1 泄洪洞出口水墊塘平面布置圖 單位：m

泄洪洞出口水墊塘上游側與左側均為山體自然邊坡[2]，邊坡高程1 040.00 m以下表層為第四系堆積體。上游側邊坡坡度為51°，坡高約63 m，邊坡結構為順向坡；下游側邊坡坡度為55°，坡高約31 m，邊坡結構為順向坡；內側工程邊坡最大坡高150 m。邊坡上部為沉積蓋層燈影組(Z2d)厚層白云巖及觀音崖組(Z2g)薄層泥質白云巖構成的逆向坡；邊坡下部為落雪組薄層白云巖構成的斜橫向坡。受斷層(F6)及其他發育斷層的影響，巖體破碎，完整性差，存在邊坡穩定問題。

泄洪洞出口水墊塘邊坡開挖支護施工共分為兩期，一期為高程895.00～850.00 m邊坡開挖，總開挖高度為45.0 m；二期為高程850.00～792.00 m，總開挖高度為58.0 m，開挖體型為楔形。

開挖底板總長為127.89 m，總寬度為81.09 m，底板高程792.00 m，在底板周邊與邊坡坡腳連接處設置有5.5 m深的齒槽。泄洪洞出口水墊塘邊坡每15 m高差設一級馬道或分層通道，每級邊坡設兩排預應力錨索及系統錨筋樁、錨桿、排水孔及掛網噴混凝土。水墊塘土石方開挖總量約134.6萬m3，其中：土方明挖3 000 m3，石方明挖130.03萬m3，石方槽挖12 273m3，建基面巖石保護層開挖3.0萬m3；主要支護項目有預應力錨索623束、錨筋樁5 639束、砂漿錨桿12 670根。

2 施工重難點分析

圖2 主動防護網結構示意圖

水墊塘開挖支護施工具有邊坡高陡、地質條件復雜、工程量大、工期緊、安全風險高等特點。具體如下：

(1) 部位處于高陡山體下部，施工安全風險高

泄洪洞出口水墊塘工程邊坡上部為左岸高位自然邊坡處理區，高度約400 m，存在表面不穩定塊體崩落和上、下交叉作業問題，施工安全風險大。

(2) 開挖過程變形控制難點大

泄洪洞出口水墊塘邊坡上部為土質邊坡，穩定性差。上下游側基巖邊坡均為順向坡，內外側基巖邊坡均為斜橫向坡；其他坡段受斷層(F6)影響巖體完整性均較差。工程邊坡穩定性除上游側邊坡穩定性較好外，其他坡段穩定性均較差～差，存在邊坡變形風險。

(3) 結構體系復雜，施工組織要求高

泄洪洞出口水墊塘開挖邊坡上下游方向長約240 m，開挖高度103 m，邊坡自上至下分別設有排導槽、交通連通等功能設施，底板周邊設有5.5 m深齒槽。高程850.00 m以下施工受場地通道限制及汛期影響，現場施工道路布置困難，施工組織難度大。

3 施工關鍵技術

3.1 上部安全防護技術

泄洪洞出口水墊塘開挖施工中，為快速有效地解除上部安全風險，對工程邊坡開口線以上至高程1 040.00 m部位采用SNS主、被動防護網結合進行防護[3]。每隔50～100 m高差布置一道被動防護網，并對表面破碎巖體采用主動防護網[4]進行包裹防護。

SNS主、被動防護網是柔性防護系統，具有高韌性、高防護強度，易鋪展、安裝程序標準化、系統化等優點，能夠快速地起到防護效果。

3.2 側面邊坡變形控制技術

2016年11月，泄洪洞出口水墊塘邊坡開挖支護施工至高程830.00 m時，受邊坡不良地質條件和開挖卸荷影響，坡面部分表觀監測數據突然增大，側面邊坡設置的表面變形監測點最大累計位移達185.23 mm。經參建各方現場情況充分調研和分析，制定了專項的控制邊坡變形的監測和加強錨固措施[5]，并完善細化現場施工技術方案。具體如下：

3.2.1實施現場邊坡變形安全監測系統

(1) 沿泄洪洞出口水墊塘側面邊坡上下游方向系統布置4個監測斷面，每個監測斷面自上至下間隔30 m布置測點。

(2) 對花山溝斷層(F6)附近區域邊坡增加永久和施工期變形安全監測設施。

(3) 邊坡變形安全監測設施包括表面位移觀測點、多點位移計、錨桿測力計、預應力錨索測力計。

(4) 前期邊坡變形活躍期，現場監測數據每周收集2次；邊坡收斂變形趨于穩定后，每周收集1次。并對現場監測數據統計匯總分析通報參建各方，以及時制定相應處理措施。

3.2.2邊坡實施加強錨固措施

(1) 對上部已成型邊坡，在已實施的原設計深層錨固措施(1 000 kN、L=30 m預應力錨索)基礎上，每級邊坡新增1排1 500 kN、L=40/35 m預應力錨索；原坡面系統錨桿基礎上交錯新增布置錨筋樁或錨桿進行補強錨固[6]。

(2) 高程830.00 m以下未開挖邊坡直接采取加強錨固措施，每級邊坡設2排1 500 kN、L=50/40 m預應力錨索，頂部設2排鎖口錨筋樁，下部設系統錨桿。

(3) 每級邊坡底部增設1排深排水孔，邊坡整體設有掛鋼筋網噴混凝土支護措施。

3.2.3邊坡開挖支護施工技術

(1) 邊坡爆破開挖控制措施

為保證邊坡開挖爆破不對邊坡造成變形影響，每級邊采取“1次預裂、分層爆破”措施進行施工[7]。邊坡預裂采用QZJ-100B型支架式潛孔鉆，爆破孔主要采用CM351露天高風壓潛孔鉆機造孔，局部采用支架式潛孔鉆或手風鉆造孔，人工裝藥，微差松動爆破，裝藥聯網嚴格控制爆破單響藥量不大于65 kg。

開挖過程中根據現場邊坡揭露的巖體情況，現場細化施工單元，由常規的60～70 m長度調整為30 m長作為1個施工單元，上下游方向間隔進行開挖出渣，避免穩定性差不良地質邊坡大面積集中揭露，并為邊坡支護施工及時提供作業面。

(2) 邊坡支護施工技術

邊坡設置有大量預應力錨索，初期采用搭設鋼管排架方式形成作業平臺，使用YXZ-70錨索鉆機和QZJ-100B潛孔鉆機進行錨索造孔施工。后選用高風壓鉆機作業，高風壓鉆機可自行行走，移動方便。高風壓鉆機的成孔速度： 2 h/孔，每天可成孔6個，成孔效率較錨索鉆大為提高。

每個施工單元邊坡開挖完成測量復核后，及時進行支護施工，邊坡開挖過程中遇不穩定塊體的采用CM351履帶自行式鉆機進行臨時快速加固。待本級邊坡預應力錨索下索灌漿后，方可進行下層邊坡預裂爆破施工，以確保邊坡穩定受控。

3.3 底板周邊齒槽開挖技術

泄洪洞出口水墊塘底板周邊設有深5.5 m齒槽，齒槽底部寬5 m，兩側邊坡開挖坡比1∶0.3。底板周邊齒槽采用預裂抽槽爆破工藝開挖成型[8]。

(1) 鉆 孔

周邊預裂孔深約5.74 m，間距80 cm，中間斜向掏槽爆破孔深5.5 m，間排距為2 m×2.25 m。預裂孔和主爆孔均采用CM358潛孔鉆機進行。鉆孔前先清除預裂孔和主爆孔造孔作業場地上的浮碴雜物。測量放樣孔口線、高程和方向角。

(2) 裝 藥

預裂孔使用?32 mm的乳化炸藥間隔不耦合裝藥，正常段線裝藥密度320 g/m；底部加強段長度為0.88 m，線裝藥密度加大為正常段的8倍；上部減弱段長度為1.22 m，線裝藥密度減小為正常段的一半。藥卷用導爆索串連后膠布綁扎在竹片上，送入孔內。主爆孔使用?70 mm的乳化炸藥連續裝藥。

(3) 聯網爆破

爆破網絡采用孔內導爆索傳爆、孔外非電毫秒雷管分段接力起爆網絡，分段間隔時間為50 ms，炮孔先于相鄰梯段炮孔起爆的時間不小于75～100 ms。

(4) 出 渣

爆破后灑水降塵，采用反鏟迅速將爆渣清理干凈，為相鄰區域的預裂造孔提供臨空面。頂部3.0 m高爆渣清理利用反鏟+20 t自卸汽車在水墊塘底板直接裝渣，底部2.5 m高爆渣清理利用反鏟在齒槽內倒退扒渣至相應范圍后，利用反鏟+20 t自卸汽車裝渣。

3.4 底板開挖技術

水墊塘底板主要為落雪組薄層白云巖、灰巖及少部分中厚層灰巖、千枚巖地層構成，總體屬硬質巖；斷層(F6)橫穿水墊塘底板，斷層寬約8～10 m。考慮到底板巖石特性，水平光爆造孔不具備成孔條件，現場預留3m高底板保護層采用柔性墊層爆破開挖工藝施工[9]。

(1) 鉆 孔

爆破孔均采用CM358潛孔鉆機。鉆孔孔徑為?90 mm，孔深為3.2 m，間排距為2.0 m×1.5 m。

(2) 裝 藥

爆破孔使用?70 mm的乳化炸藥連續裝藥，裝藥段長度為1.1 m。底部柔性墊層深度為0.6 m，采用鋸末、塑料泡沫或細砂等可壓縮介質作為墊層材料減震。堵孔深度為1.5 m，先用紙袋填塞至孔內，再用泥土封填密實。

(3) 聯網爆破

爆破網絡采用孔內導爆索傳爆、孔外非電毫秒雷管分段接力起爆網絡，分段間隔時間為50 ms，炮孔先于相鄰梯段炮孔起爆的時間不小于75～100 ms。

(4) 下部施工開挖通道布置

為滿足施工需要，布置5條施工便道用于出渣運輸，其中4條為汽車便道，1條為機械便道。汽車便道寬6.0 m，采用泥結石路面，最大縱坡10%～12%，局部不大于15%；機械便道寬3.0 m，最大縱坡控制在30%以內。

4 實施效果

4.1 邊坡形體控制成果

(1) 邊坡開挖完成后，泄洪洞出口水墊塘高程895.00 m以下共檢測斷面256個，25 705個點，最大超挖46 cm,平均超挖18.6 cm，無欠挖，不平整度8.0 cm，排炮錯臺12.5 cm，半孔率80.0%以上，均符合規范及設計要求。

圖3 典型測點多點位移計變形過程線圖

(2) 邊坡開挖支護施工完成后，水墊塘側面邊坡變形得到有效控制。主要有以下幾點：① 泄洪洞水墊塘邊坡表面位移監測點總變化量：X方向在-1.64～3.77 mm之間，Y方向在-2.13～2.13 mm之間，H方向在-6.26～3.83 mm之間。②多點位移計孔口總變化量在-0.20～1.13 mm之間。③錨桿應力計總變化量在-5.9～4.5 MPa之間。④ 1 500 kN級監測錨索測力計總變化量為-0.6～29.7 kN之間。

從圖3可以看出，后期施工過程中該點位移測值基本不變，邊坡變形已基本穩定。

4.2 爆破振動監測成果

根據邊坡爆破振動施工技術要求和變形控制需要[10]，泄洪洞出口水墊塘邊坡開挖爆破質點振動速度允許最大控制標準為10 cm/s。

泄洪洞出口水墊塘爆破振動監測部位包括水墊塘正面坡、左側坡、導墻混凝土、下游尾坎灌區等，共進行爆破質點振動速度監測12次，累計42測點，其中最大質點振動速度水平X向0.335～9.489 cm/s、水平Y向0.461～8.056 cm/s、垂直Z向0.468～7.835 cm/s，符合控制要求有42測點，合格率為100%。

4.3 支護工程質量

(1) 錨桿工程

泄洪洞出口水墊塘共施工12 670根錨桿和5 639根錨筋樁，共抽檢錨桿635根，檢測頻率滿足要求，合格率100%。

表1 泄洪洞出口錨桿無損檢測成果表

(2) 預應力錨索工程

泄洪洞出口水墊塘邊坡共施工預應力錨索623束，工程造孔孔位誤差、孔深誤差、傾角誤差及方位角誤差均在工藝允許范圍值內，造孔合格率100%；灌漿質量滿足質量要求，錨索張拉伸長率均在設計范圍內，現場48束安裝錨索測力計監測數據結果顯示預應力錨索張拉鎖定損失率滿足設計技術要求。

5 結 論

本技術在烏東德水電站泄洪洞工程水墊塘邊坡開挖支護施工中得到了較好的應用，消除了施工安全風險，有效控制了邊坡變形，確保工程施工質量和安全的同時，加快了工程施工進度，施工進度完全滿足工程蓄水驗收要求，得到了業主、監理以及質監總站質量專家組的一致好評，對其他類似工程具有一定的參考價值和借鑒意義。