地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)水電站廠房施工方法

張慧昌

（五華縣水利水電工程質(zhì)量監(jiān)督站，廣東 五華 514400）

1 工程概況

該發(fā)電廠房位于梅州市琴江流域大嶺崗地區(qū)，該地區(qū)降雨量大，土壤含水量較高且覆蓋層相對較后，地質(zhì)條件復(fù)雜，開挖難度相對較大，故此項目在施工組織設(shè)計階段需要對工程復(fù)雜程度進行詳細分析并給出具有針對性的施工方案，以保障項目進度、質(zhì)量及安全等。文章案例為抽水蓄能電站廠房，電站廠房軸線與TL沖溝相鄰，廠房布置在沖溝右側(cè)，即廠房左側(cè)靠近坡底。主廠房主要開挖量在沖溝右側(cè)，廠區(qū)最低處開挖深度約為30.00 m。施工中存在的主要問題為深基坑開挖施工期間的支護、排水與防洪問題，同時土石方的棄渣場處于相對較高且路程較遠的部位，開挖渣料拉運強度保障困難較大，安全問題突出。水電站廠房整體布局如圖1所示。

圖1 水電站廠房布局示意圖

由于該廠房位于河流沿岸同時有沖溝相鄰，該地區(qū)土體含水量較高，地下水位約在1.00～2.50 m范圍，同時，豐水期、枯水期水位變化會對地下埋設(shè)結(jié)構(gòu)造成沖刷，沖溝潛水所含硫酸鹽離子具有一定腐蝕性，對鋼筋、混凝土等支護、襯砌結(jié)構(gòu)影響較大。但豐水期暴雨季節(jié)來臨時，該地區(qū)廠房左側(cè)原有沖溝將有大量有洪水通過，須根據(jù)不同河段的過流能力、邊坡情況、防洪需求等采取適當?shù)姆篮榇胧?。該廠房尾水渠渠道挖深6.50～13.00 m，渠身主要處于沖洪積含土碎石層內(nèi)，結(jié)構(gòu)密實，抗沖能力弱，須采取護坡措施，并考慮潛水頂托力的影響。

2 施工方法

2.1 分區(qū)分層開挖

根據(jù)上述分析，該工程開挖難度相對較大，故文章提出采取分區(qū)分層的方式進行土石方開挖。考慮電站廠房、尾水渠和泄洪渠部位開挖區(qū)相對集中，且右側(cè)邊坡開挖量較大，上下游方向長度和左右方向?qū)挾容^大，不利于大面同時開挖，但為了保證較高的施工強度。將此部位開挖設(shè)為4個施工區(qū)，分區(qū)分段分層開挖。Ⅰ區(qū)為廠區(qū)右側(cè)邊坡及泄洪渠；Ⅱ區(qū)為壓力管道開挖段；Ⅲ區(qū)為廠房基坑區(qū)；Ⅳ區(qū)為尾水反坡及停車場部位。開挖分區(qū)情況示意圖如圖2所示。

圖2 施工分區(qū)示意圖

該項目開挖區(qū)域內(nèi)開挖深度在77.00 ～30.00 m之間，按照自上而下分層開挖的原則，結(jié)合馬道合理布置高程和開挖設(shè)備的能力，該工程初步分6～7 層開挖至建基面。開挖層高控制在10.00 m左右。

2.2 導(dǎo)流與排水

此工程河谷狹窄，且地質(zhì)條件較差，束窄河床段的允許流速較低，不宜采用分段圍堰法導(dǎo)流，故設(shè)計采用全段圍堰法導(dǎo)流。由于此工程需要具備放空上游水庫的放空洞，故可將施工導(dǎo)流時的導(dǎo)流隧洞與放空洞相結(jié)合，故可排除明渠導(dǎo)流方案，因此，此工程采用導(dǎo)流隧洞方案。在工程建設(shè)完成后，可按需將導(dǎo)流隧洞升級改造為上游水庫的放空洞，斷面形式為圓形以減少應(yīng)力集中。根據(jù)該項目地質(zhì)情況，運用Ansys 18.0軟件對導(dǎo)流洞圍堰主應(yīng)力差與微型盾構(gòu)機單軸抗壓強度比進行了數(shù)值模擬，結(jié)果如圖3所示。

圖3 導(dǎo)流洞有限元分析圖

根據(jù)有限元分析可知，雖然該地區(qū)地質(zhì)條件相對復(fù)雜，但隧洞圍巖大部分屬于Ⅲ類巖體，少部分為Ⅳ或Ⅴ類巖體，且沒有明顯斷裂帶，在施工開挖過程中除盾構(gòu)機前端圍堰主應(yīng)力差與盾構(gòu)機單軸抗壓強度比較大，其余位置應(yīng)力分布相對均勻。故在導(dǎo)流洞施工過程中，采用混凝土襯砌洞壁以防止洞內(nèi)碎石脫落。但是，在開挖面前前沿需要臨時支撐，以保證微型盾構(gòu)機在全斷面盾構(gòu)過程中不對其附近洞體巖壁造成過大擾動。

由于該工程為抽水蓄能電站廠房，其施工導(dǎo)流構(gòu)筑物與電站排水放空隧洞相結(jié)合，隧洞軸線應(yīng)依據(jù)抽水蓄能電站運行需要結(jié)合地形地質(zhì)條件選定，盡可能布置成直線，長度盡可能短，同時需要考慮進出口與上下游圍堰之間保持20.00～50.00 m的距離，防止水流沖刷圍堰。進、出口段設(shè)置為U型明渠，隧洞進口段預(yù)留閘墩，以便后期改成放空洞。

施工排水方面，由于該地區(qū)降雨量大、植被茂密、水源豐富，廠房所在區(qū)域土體含水率相對較高，為保證工程施工安全、工程進度可持續(xù)，在土石方開挖的同時需要做好施工排水，在坡頂做好截水，避免雨水沖刷影響；在邊坡做好排水，防止坡腳傾覆；在基坑處做好排水，為坑底施工營造良好條件。

2.3 土石方開挖

由于此工程開挖范圍較大，邊坡高度較高，為保證施工進度可控，文章提出根據(jù)分區(qū)情況采用順層方案、立體方案相結(jié)合的開挖方式進行施工。在文中所述四個施工區(qū)中，Ⅲ區(qū)廠房基坑區(qū)開挖深度最大、難度系數(shù)最高，但開挖量相對較小，該區(qū)域采用順層開挖方式進行開挖；Ⅳ區(qū)尾水反坡及停車場開挖段地勢平緩，但開挖深度受河床高程影響，且該區(qū)域土體含水率較高，故根據(jù)區(qū)域?qū)嶋H情況對開挖強度進行優(yōu)化控制，故采用人工立體開挖方案進行開挖（立體開挖方案一）；Ⅰ區(qū)廠區(qū)右側(cè)邊坡及泄洪渠開挖段和Ⅱ區(qū)壓力管道開挖段高程跨度大，開挖量較大，為保證施工進度，根據(jù)開挖區(qū)段高程分布情況采用人工與機械相結(jié)合的立體開挖方案進行開挖（立體開挖方案二）。按土石方開挖方案進行施工，可使各開挖方案同步進行，并在22個月內(nèi)完成全部開挖任務(wù)具體開挖進度及開挖強度情況如圖4所示。

圖4 土石方開挖強度——時間分布圖

為保障上述方案的順利推進，在土石方開挖前應(yīng)進行場地清理、確認開挖邊線，清理開挖邊線內(nèi)覆蓋層，并做好截水、排水設(shè)置。土石方開挖過程中，開挖邊坡還需要用錨桿配合鋼筋掛網(wǎng)噴混凝土的方式進行支護，同時需要注意留設(shè)排水孔。針對Ⅲ區(qū)廠房基坑區(qū)開挖應(yīng)自兩岸岸坡從上而下進行，并可與其他區(qū)域開挖同步開始，在導(dǎo)流工程完成能投入使用時，兩岸的岸坡部分開挖均應(yīng)已全部完成，以免在基坑抽干后因岸坡上尚需開挖而影響基坑內(nèi)的施工。對巖石開挖可適當使用炸藥配合，但應(yīng)防止因爆破而影響開挖面以下的巖石穩(wěn)定。對廠房下方的地基開挖宜采用預(yù)裂爆破，這樣既可以減少超挖，又保護基巖減少其磨損程度。廠房下方的地基應(yīng)連續(xù)平順，避免任何突變，更不允許開挖成臺階狀。

2.4 高邊坡保護

為保證石方開挖邊坡的質(zhì)量，確保施工過程中施工人員及機械設(shè)備的安全，開挖過程中須采取相應(yīng)的邊坡保護及加固措施。對于邊坡較高、土級配不良等情況，應(yīng)做好表面噴漿及邊坡錨固處理。選取高程跨度較大處任意高邊坡斷面進行分析說明，該高邊坡斷面應(yīng)力分布情況如圖5所示。

圖5 高邊坡斷面應(yīng)力場分布圖

根據(jù)圖5 可知，在邊坡地表附近應(yīng)力相對較小，邊坡頂部土體固結(jié)力相對較低，若土體表面或邊坡內(nèi)部發(fā)生擾動可能在成頂部土體沿邊坡滑落、坍落等風(fēng)險，固需要對高邊坡表面襯砌或使用防護網(wǎng)進行加固。文章所研究案例為抽水蓄能電站廠房區(qū)域高邊坡防護問題，邊坡相對陡峭，且引水發(fā)電及水庫防控等工作運行會對周邊巖體造成擾動，固選用表面襯砌的方式進行表坡頂部加固，為不影響該區(qū)域原有生態(tài)風(fēng)貌，襯砌材料選用生態(tài)混凝土。高邊坡斷面應(yīng)力場分布圖中，隨著高程的降低土體壓應(yīng)力逐漸增大，同時錨桿周邊會發(fā)生應(yīng)力重分布，從而使錨桿上下部土體應(yīng)力增大，形成應(yīng)力集中，起到較好的錨固作用，從而降低邊坡土地垮塌、跌落等現(xiàn)象的發(fā)生。因此，對于高邊坡保護采用表面襯砌與錨桿加固這類縱橫結(jié)合的保護措施相對可靠，可以有效地將高邊坡防護單元變成多個穩(wěn)定的連續(xù)整體，從而保證邊坡穩(wěn)定。

3 結(jié)論與展望

通過上述施工方法即可有效解決地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)水電站廠房開挖難度大、風(fēng)險高的問題。首先，分區(qū)分層開挖可以避免地質(zhì)條件惡劣區(qū)域?qū)χ苓厖^(qū)域的影響，降低部分施工分區(qū)、分層之間的擾動，同時有利于施工進度控制；其次頂坡、邊坡、基坑分別排水一方面能有效降低施工期間降雨、徑流等對工程的影響，另一方面能夠根據(jù)邊坡、基坑的不同排水特點有針對性地采取排水措施，提高排水效率，降低滲流、管涌、水力頂托等對工程安全的影響；再次，在開挖支護階段，根據(jù)工程特點合理選擇開挖方式、擇優(yōu)選定爆破方案、靈活配置支護組合措施，以保證土石方開挖期間及施工后的現(xiàn)場整體穩(wěn)定和安全；最后，高邊坡保護是開挖施工階段的工程重點，尤其是地址情況復(fù)雜地區(qū)不可控因素相對較多，工程措施與非工程措施并用，監(jiān)督與監(jiān)測并重的施工思路可以有效提高工程質(zhì)量、保障施工安全，為地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)水電站廠房開挖工作奠定堅實基礎(chǔ)。