渡口壩水電站雙曲拱壩壩肩煤層及采空區處理設計與施工

丁 洪 ，李 紅，付 迪

(1.重慶渝水建筑工程咨詢有限公司，重慶 401147；2.重慶江河工程建設監理有限公司，重慶 401147)

1 工程概況

渡口壩水電站位于重慶市奉節縣境內梅溪河中上游，屬新建項目，由大壩樞紐、引水建筑物和廠區建筑物三部分組成；電站正常蓄水位575.00m，校核洪水位577.25m，相應庫容分別為9 254萬m3和9 854萬m3；引水隧洞長20.3km；電站裝機2臺，總容量129.0MW。

渡口壩水電站混凝土拱壩為3級建筑物；體型采用拋物線型變厚雙曲拱壩。建基面高程為470.00m，壩頂高程為578.50m，最大壩高為108.5m。大壩及兩壩肩基礎置于須家河組中厚層夾薄層狀巖屑長石石英砂巖上。兩壩肩基巖多裸露，河床覆蓋層厚3.0-6.0m。須家河組砂巖屬含煤地層，壩區煤層主要為呈透鏡狀、雞窩狀分布的薄煤層與煤線；因小煤窯開采左右岸主要分布有開挖煤洞及Md2采空區。

Md2煤層及采空區位于拱壩左右壩肩，實際為同一煤層經河床分為左右兩岸，在拱壩左右壩肩▽529.0處與拱壩壩肩相交，為拱壩受力區，平均煤層厚度為0-1.0m，局部有放大或碎夾層。部分煤層已被采空，留下廢棄的煤洞和采空層，不但對壩址的安全性、穩定性存在極大的隱患，而且拱壩防滲問題更為突出。

2 設計處理措施

設計要求：結構受力區全回填或換填，結構受力區以外采取在帷幕線上設混凝土條帶堵頭(寬度10-30m)，再進行帷幕灌漿封閉。

未采煤層和軟弱層需全部清除置換C20微膨脹混凝土；已采空的區域需清除松動巖石和殘渣，再用C20微膨脹混凝土回填密實；探洞和煤洞必須沿Md2煤層層面走向跟蹤開挖，洞底坡度為1%，以使滲水能排出壩肩外；位于壩趾上游的探洞和煤洞需全部回填，位于壩趾下游的探洞和煤洞(除Td2-1、Td2-5)混凝土襯砌后不進行回填，作為排水洞使用；壩肩帷幕線上的深部未回填采空區采用灌注微膨脹混凝土填筑密實；然后沿順層進行回填灌漿和固結灌漿，防滲區域再進行帷幕灌漿。設計參數見表1，探洞、煤洞襯砌斷面圖見圖1。

表1 壩肩Md2煤層及采空區處理所需洞室參數表

圖1 探洞、煤洞襯砌斷面圖(單位：mm)

3 施工處理方案

3.1 總體處理措施

采取由下至上的開挖、回填，順層面進行灌漿洞開挖。采空區的處理是先清除石渣，再回填C20混凝土。

煤層處理施工，先開挖最低層的煤層探洞，再開挖上一層的煤層探洞；然后由上一層煤層探洞用鉆機順著煤層鉆至下層煤層探洞，再用泵送混凝土輸入孔內回填，直至填滿為止；然后在上層煤層探洞采用鉆機鉆孔，進行回填固結灌漿，灌漿壓力1.5MPa；直至將所有的煤層、采空區、煤層探洞回填固結灌漿完畢。

3.2 煤洞探洞開挖

將煤洞、探洞洞口8m范圍內進行擴挖，以能放下1臺混凝土泵車和出渣小斗車為準。各煤洞探洞同時開挖，注意優先開挖影響大壩澆筑和灌漿的煤洞、探洞。

(1)開挖方式及流程

平洞進洞開挖首先挖出煤層里的散煤，再將松動的塊石撬除清理出去，對于巖石則采用簡易鉆孔臺車配手風鉆鉆爆，人工配合0.1-0.2m3的手推車出碴。以煤層為導向，先挖出煤層，再全斷面開挖。

首先對左岸的Md2-3和Td2-2煤洞進行施工，Md2-3因為是廢棄的煤洞，只進行擴挖。Td2-2洞在▽508.0高程處，洞口懸空于巖坡上，搭設棧橋才能進入施工場地，由拱壩下游▽501.0平臺搭設至▽508.0Td2-2洞口處，然后進行煤洞開挖。

(2)開挖過程安全支護

煤洞探洞開挖后，其附著洞身的煤層脫落或存在著懸空部分及時清理。煤層間用直徑不小于Φ130mm的松木樁支撐，間距為50cm，梅花型布置；同時進行煤洞探洞的臨時支護，用14#工字鋼做成煤洞形狀的拱架，間距50cm；邊墻及洞頂掛網鋼筋Φ6.5@200mm，再噴射C20混凝土10cm。個別破碎嚴重的地方，視情況打設Φ25 L=300cm的錨桿，灌M30水泥漿予以加固。臨時支護圖見圖2。

圖2 煤洞探洞臨時支護圖

3.3 煤洞、探洞混凝土襯砌施工

按照設計圖紙，根據地質情況及時進行混凝土襯砌施工，先施工邊墻和頂拱，再施工底板?；炷敛捎昧锊圯斔偷交炷帘密?。

(1)材料：襯砌混凝土的水泥用P.O 32.5，細骨料的細度模數在2.4-3.2范圍內。

(2)配合比：本部位混凝土為標號C20二級配微膨脹混凝土，根據施工圖紙的要求及經驗設計配合比，經現場室內試驗后將最終配合比設計成果呈報監理工程師，審批后的配合比作為施工配合比。

(3)混凝土襯砌分段長度由監理和現場設計確定，每段先澆筑邊墻及頂拱，再澆筑底板；底板及邊墻采用組合鋼模，頂拱采用定型木模，模板用鋼管排架支撐。

立模襯砌的模板，預留支洞洞口，以便施工人員由支洞開挖煤層。

(4)混凝土澆筑前，對基巖面或施工縫，按監理人批準的方法進行處理，圍巖面松動巖石采用人工撬挖的方法清理。清洗后的建基面在混凝土澆筑前保持潔凈濕潤。澆筑完畢之后，及時進行養護，在一定的時間內保持適當的溫度和濕度。

3.4 支洞開挖及混凝土置換或回填

煤洞、探洞混凝土襯砌施工完成后，進行支洞的開挖。由于煤層基本呈45°坡狀，開挖支洞時，一般由上層的煤洞向下層煤洞掏挖，由卷揚機出渣。支洞邊開挖邊支護，并將支洞兩側的煤層清除干凈，煤層由下向上開挖。當一個支洞開挖完成并清理干凈后，即進行混凝土灌注；由混凝土泵車將混凝土輸送到上層煤洞內，由上向下澆筑支洞；灌注混凝土時，支撐不拆除，Φ70軟管振動棒振搗混凝土，振搗密實，直至將支洞全部灌滿。

在開挖過程中經常檢查巖石的穩定情況，撬除可能塌落的松動巖塊，危險松動的部分臨時支護參照“煤洞探洞臨時支護”。

支洞的臨時支護主要是對支洞附近的煤層進行支護，由工字鋼拱架支撐，配合不小于Φ130mm松木樁支撐，在煤層挖除后的巖石面上進行支撐，間排距平均50cm×50cm，梅花型布置，保證不塌陷。開挖支護圖見圖3。

圖3 支洞開挖支護圖(單位：cm)

一個支洞開挖澆筑完成后，由混凝土置換煤層，對煤層上的巖石支撐，再進行下一個支洞開挖，以此類推，直至將全部的煤層開挖完畢。

為保證置換的混凝土支撐上層巖體以增加巖體的穩定性，支洞分Ⅰ序和Ⅱ序洞，依次排列，1#，2#、3#、4#、5#……支洞，其中奇數為Ⅰ序洞，偶數為Ⅱ序洞，先進行Ⅰ序洞的施工，回填置換混凝土后，再進行Ⅱ序洞的施工。如圖4所示。

圖4 煤洞、支洞的開挖支護順序圖

3.5 灌漿施工

煤層煤洞處理后按設計按要求進行回填固結灌漿，并與帷幕灌漿有效連接。固結灌漿孔單排布置，分二序施工，孔距2.50m，孔深以鉆至下一煤層為準，孔徑Φ91，灌漿壓力1.5MPa。灌漿區域包括：左岸煤層508.00-470.00m高程、左岸煤層529.00-508.00m高程、左岸煤層550.00-529.00m高程、右岸煤層498.95-470.00m高程、右岸煤層516.00-498.95m高程、右岸煤層536.00-516.00m高程、右岸煤層556.00-536.00m高程。

鉆機布置在上層煤洞處，按自上而下、分序加密原則依次進行。灌漿施工工藝為：放線布孔→鉆孔→阻塞→鉆孔沖洗及裂隙沖洗→壓水試驗→灌漿→封孔→質量檢查。灌漿方式采用孔內循環自上而下孔口封閉灌漿，灌漿長度大于5m時，進行分段灌注。灌漿壓力和漿液變換、灌漿結束和封孔、特殊情況的處理均按照灌漿規范執行。

固結灌漿完成12 000m。經壓水試驗透水率最大值為4.8Lu，煤層固結灌漿單點法壓水質量檢查合格(設計透水率不大于5.0Lu)。經聲波波速檢測，最小值為3 247m/s，平均最小值為3 816m/s，平均最大值為4 679m/s，均達到設計要求(設計最小值不小于3 200m/s，平均值不小于3 500m/s)。

3.6 安全管理

煤洞開挖施工中加強瓦斯監測，做好安全支護，強化安全監控；協調好與壩體混凝土澆筑交叉施工，及時處理垮塌等施工難題，確保了施工安全。

(1)實行進出洞登記制度。落實專門人員負責登記進洞人員姓名、班組、進出洞時間。進洞作業人員必須穿好工作服，佩戴好安全防護用品。

(2)實行安全作業票制度。作業區前必須辦理相應的作業許可，作業負責人、作業監護人、專職安全員必須在場在崗。

(3)編制施工應急預案、隱患排查治理等安全專項方案，加強瓦斯監測力度，做好通訊聯絡。防止瓦斯爆炸等安全事故發生。

(4)編制煤洞開挖安全操作規程并嚴格執行，施工員、安全員經常性進行安全隱患排查。特別注意洞頂的穩定，每天開工前、收工前對洞頂、洞身進行檢查，如發現有裂縫和塌方的跡象或有危石，立即處理并上報，凡不能處理且對施工安全有所威脅時，暫時停止施工，并報告上級處理。

(5)施工現場設立安全標志。危險地區必須懸掛“危險”或者“禁止通行”、“嚴禁煙火”等標志。

4 處理效果檢測

施工完成后，選擇在兩岸壩肩位置的建基面范圍及壩后坡區域，左右岸各布置9個檢查孔，鉆孔深度要求穿過Md2煤層及采空區，采用鉆孔電視錄像、單孔聲波測試、彈性波CT成像等物探檢測技術進行施工質量檢測。單孔波速平均值范圍為4 374-4 622m/s，平均值為4 473m/s。

檢測成果顯示：在鉆孔檢測范圍內未發現空洞，表明巖體較完整或完整，煤洞采空區已經回填密實，處理范圍及結果滿足設計要求。

5 結 語

渡口壩水電站已投入使用多年，運行穩定，經濟效益良好。雙曲拱壩壩肩煤層及采空區處理設計與施工是成功的，質量較好，可供類似工程參考借鑒。