烏東德水電站泄洪洞工程出口水墊塘開(kāi)挖施工技術(shù)

鄭 強(qiáng),曹中升,李偉希,李銘松

(中國(guó)葛洲壩集團(tuán)三峽建設(shè)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(nèi)平行布置3條泄洪洞[1]。泄洪洞主要由進(jìn)口段、有壓洞段、閘室段、無(wú)壓洞段及出口段組成，出口段下方設(shè)置有水墊塘，水墊塘上下游方向長(zhǎng)度為127.89 m，左右岸方向?qū)挒?1.09 m，底板高程795.00 m,泄洪洞出口水墊塘平面布置見(jiàn)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(cè)與左側(cè)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(cè)邊坡坡度為51°，坡高約63 m，邊坡結(jié)構(gòu)為順向坡；下游側(cè)邊坡坡度為55°，坡高約31 m，邊坡結(jié)構(gòu)為順向坡；內(nèi)側(cè)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(zhì)白云巖構(gòu)成的逆向坡；邊坡下部為落雪組薄層白云巖構(gòu)成的斜橫向坡。受斷層(F6)及其他發(fā)育斷層的影響，巖體破碎，完整性差，存在邊坡穩(wěn)定問(wèn)題。

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

開(kāi)挖底板總長(zhǎng)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(shè)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(shè)一級(jí)馬道或分層通道，每級(jí)邊坡設(shè)兩排預(yù)應(yīng)力錨索及系統(tǒng)錨筋樁、錨桿、排水孔及掛網(wǎng)噴混凝土。水墊塘土石方開(kāi)挖總量約134.6萬(wàn)m3，其中：土方明挖3 000 m3，石方明挖130.03萬(wàn)m3，石方槽挖12 273m3，建基面巖石保護(hù)層開(kāi)挖3.0萬(wàn)m3；主要支護(hù)項(xiàng)目有預(yù)應(yīng)力錨索623束、錨筋樁5 639束、砂漿錨桿12 670根。

2 施工重難點(diǎn)分析

圖2 主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

水墊塘開(kāi)挖支護(hù)施工具有邊坡高陡、地質(zhì)條件復(fù)雜、工程量大、工期緊、安全風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn)。具體如下：

(1) 部位處于高陡山體下部，施工安全風(fēng)險(xiǎn)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(qū)，高度約400 m，存在表面不穩(wěn)定塊體崩落和上、下交叉作業(yè)問(wèn)題，施工安全風(fēng)險(xiǎn)大。

(2) 開(kāi)挖過(guò)程變形控制難點(diǎn)大

泄洪洞出口水墊塘邊坡上部為土質(zhì)邊坡，穩(wěn)定性差。上下游側(cè)基巖邊坡均為順向坡，內(nèi)外側(cè)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(wěn)定性除上游側(cè)邊坡穩(wěn)定性較好外，其他坡段穩(wěn)定性均較差～差，存在邊坡變形風(fēng)險(xiǎn)。

(3) 結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，施工組織要求高

泄洪洞出口水墊塘開(kāi)挖邊坡上下游方向長(zhǎng)約240 m，開(kāi)挖高度103 m，邊坡自上至下分別設(shè)有排導(dǎo)槽、交通連通等功能設(shè)施，底板周邊設(shè)有5.5 m深齒槽。高程850.00 m以下施工受場(chǎng)地通道限制及汛期影響，現(xiàn)場(chǎng)施工道路布置困難，施工組織難度大。

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 上部安全防護(hù)技術(shù)

泄洪洞出口水墊塘開(kāi)挖施工中，為快速有效地解除上部安全風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)工程邊坡開(kāi)口線以上至高程1 040.00 m部位采用SNS主、被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)結(jié)合進(jìn)行防護(hù)[3]。每隔50～100 m高差布置一道被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，并對(duì)表面破碎巖體采用主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)[4]進(jìn)行包裹防護(hù)。

SNS主、被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)是柔性防護(hù)系統(tǒng)，具有高韌性、高防護(hù)強(qiáng)度，易鋪展、安裝程序標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化等優(yōu)點(diǎn)，能夠快速地起到防護(hù)效果。

3.2 側(cè)面邊坡變形控制技術(shù)

2016年11月，泄洪洞出口水墊塘邊坡開(kāi)挖支護(hù)施工至高程830.00 m時(shí)，受邊坡不良地質(zhì)條件和開(kāi)挖卸荷影響，坡面部分表觀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)突然增大，側(cè)面邊坡設(shè)置的表面變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大累計(jì)位移達(dá)185.23 mm。經(jīng)參建各方現(xiàn)場(chǎng)情況充分調(diào)研和分析，制定了專(zhuān)項(xiàng)的控制邊坡變形的監(jiān)測(cè)和加強(qiáng)錨固措施[5]，并完善細(xì)化現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)方案。具體如下：

3.2.1實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)邊坡變形安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

(1) 沿泄洪洞出口水墊塘側(cè)面邊坡上下游方向系統(tǒng)布置4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面自上至下間隔30 m布置測(cè)點(diǎn)。

(2) 對(duì)花山溝斷層(F6)附近區(qū)域邊坡增加永久和施工期變形安全監(jiān)測(cè)設(shè)施。

(3) 邊坡變形安全監(jiān)測(cè)設(shè)施包括表面位移觀測(cè)點(diǎn)、多點(diǎn)位移計(jì)、錨桿測(cè)力計(jì)、預(yù)應(yīng)力錨索測(cè)力計(jì)。

(4) 前期邊坡變形活躍期，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)每周收集2次；邊坡收斂變形趨于穩(wěn)定后，每周收集1次。并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)匯總分析通報(bào)參建各方，以及時(shí)制定相應(yīng)處理措施。

3.2.2邊坡實(shí)施加強(qiáng)錨固措施

(1) 對(duì)上部已成型邊坡，在已實(shí)施的原設(shè)計(jì)深層錨固措施(1 000 kN、L=30 m預(yù)應(yīng)力錨索)基礎(chǔ)上，每級(jí)邊坡新增1排1 500 kN、L=40/35 m預(yù)應(yīng)力錨索；原坡面系統(tǒng)錨桿基礎(chǔ)上交錯(cuò)新增布置錨筋樁或錨桿進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)錨固[6]。

(2) 高程830.00 m以下未開(kāi)挖邊坡直接采取加強(qiáng)錨固措施，每級(jí)邊坡設(shè)2排1 500 kN、L=50/40 m預(yù)應(yīng)力錨索，頂部設(shè)2排鎖口錨筋樁，下部設(shè)系統(tǒng)錨桿。

(3) 每級(jí)邊坡底部增設(shè)1排深排水孔，邊坡整體設(shè)有掛鋼筋網(wǎng)噴混凝土支護(hù)措施。

3.2.3邊坡開(kāi)挖支護(hù)施工技術(shù)

(1) 邊坡爆破開(kāi)挖控制措施

為保證邊坡開(kāi)挖爆破不對(duì)邊坡造成變形影響，每級(jí)邊采取“1次預(yù)裂、分層爆破”措施進(jìn)行施工[7]。邊坡預(yù)裂采用QZJ-100B型支架式潛孔鉆，爆破孔主要采用CM351露天高風(fēng)壓潛孔鉆機(jī)造孔，局部采用支架式潛孔鉆或手風(fēng)鉆造孔，人工裝藥，微差松動(dòng)爆破，裝藥聯(lián)網(wǎng)嚴(yán)格控制爆破單響藥量不大于65 kg。

開(kāi)挖過(guò)程中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)邊坡揭露的巖體情況，現(xiàn)場(chǎng)細(xì)化施工單元，由常規(guī)的60～70 m長(zhǎng)度調(diào)整為30 m長(zhǎng)作為1個(gè)施工單元，上下游方向間隔進(jìn)行開(kāi)挖出渣，避免穩(wěn)定性差不良地質(zhì)邊坡大面積集中揭露，并為邊坡支護(hù)施工及時(shí)提供作業(yè)面。

(2) 邊坡支護(hù)施工技術(shù)

邊坡設(shè)置有大量預(yù)應(yīng)力錨索，初期采用搭設(shè)鋼管排架方式形成作業(yè)平臺(tái)，使用YXZ-70錨索鉆機(jī)和QZJ-100B潛孔鉆機(jī)進(jìn)行錨索造孔施工。后選用高風(fēng)壓鉆機(jī)作業(yè)，高風(fēng)壓鉆機(jī)可自行行走，移動(dòng)方便。高風(fēng)壓鉆機(jī)的成孔速度： 2 h/孔，每天可成孔6個(gè)，成孔效率較錨索鉆大為提高。

每個(gè)施工單元邊坡開(kāi)挖完成測(cè)量復(fù)核后，及時(shí)進(jìn)行支護(hù)施工，邊坡開(kāi)挖過(guò)程中遇不穩(wěn)定塊體的采用CM351履帶自行式鉆機(jī)進(jìn)行臨時(shí)快速加固。待本級(jí)邊坡預(yù)應(yīng)力錨索下索灌漿后，方可進(jìn)行下層邊坡預(yù)裂爆破施工，以確保邊坡穩(wěn)定受控。

3.3 底板周邊齒槽開(kāi)挖技術(shù)

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

(1) 鉆 孔

周邊預(yù)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(yù)裂孔和主爆孔均采用CM358潛孔鉆機(jī)進(jìn)行。鉆孔前先清除預(yù)裂孔和主爆孔造孔作業(yè)場(chǎng)地上的浮碴雜物。測(cè)量放樣孔口線、高程和方向角。

(2) 裝 藥

預(yù)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(qiáng)段長(zhǎng)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(zhǎng)度為1.22 m，線裝藥密度減小為正常段的一半。藥卷用導(dǎo)爆索串連后膠布綁扎在竹片上，送入孔內(nèi)。主爆孔使用?70 mm的乳化炸藥連續(xù)裝藥。

(3) 聯(lián)網(wǎng)爆破

爆破網(wǎng)絡(luò)采用孔內(nèi)導(dǎo)爆索傳爆、孔外非電毫秒雷管分段接力起爆網(wǎng)絡(luò)，分段間隔時(shí)間為50 ms，炮孔先于相鄰梯段炮孔起爆的時(shí)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(qū)域的預(yù)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(chē)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(nèi)倒退扒渣至相應(yīng)范圍后，利用反鏟+20 t自卸汽車(chē)裝渣。

3.4 底板開(kāi)挖技術(shù)

水墊塘底板主要為落雪組薄層白云巖、灰?guī)r及少部分中厚層灰?guī)r、千枚巖地層構(gòu)成，總體屬硬質(zhì)巖；斷層(F6)橫穿水墊塘底板，斷層寬約8～10 m?？紤]到底板巖石特性，水平光爆造孔不具備成孔條件，現(xiàn)場(chǎng)預(yù)留3m高底板保護(hù)層采用柔性墊層爆破開(kāi)挖工藝施工[9]。

(1) 鉆 孔

爆破孔均采用CM358潛孔鉆機(jī)。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(xù)裝藥，裝藥段長(zhǎng)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(xì)砂等可壓縮介質(zhì)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(nèi)，再用泥土封填密實(shí)。

(3) 聯(lián)網(wǎng)爆破

爆破網(wǎng)絡(luò)采用孔內(nèi)導(dǎo)爆索傳爆、孔外非電毫秒雷管分段接力起爆網(wǎng)絡(luò)，分段間隔時(shí)間為50 ms，炮孔先于相鄰梯段炮孔起爆的時(shí)間不小于75～100 ms。

(4) 下部施工開(kāi)挖通道布置

為滿(mǎn)足施工需要，布置5條施工便道用于出渣運(yùn)輸，其中4條為汽車(chē)便道，1條為機(jī)械便道。汽車(chē)便道寬6.0 m，采用泥結(jié)石路面，最大縱坡10%～12%，局部不大于15%；機(jī)械便道寬3.0 m，最大縱坡控制在30%以?xún)?nèi)。

4 實(shí)施效果

4.1 邊坡形體控制成果

(1) 邊坡開(kāi)挖完成后，泄洪洞出口水墊塘高程895.00 m以下共檢測(cè)斷面256個(gè)，25 705個(gè)點(diǎn)，最大超挖46 cm,平均超挖18.6 cm，無(wú)欠挖，不平整度8.0 cm，排炮錯(cuò)臺(tái)12.5 cm，半孔率80.0%以上，均符合規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

圖3 典型測(cè)點(diǎn)多點(diǎn)位移計(jì)變形過(guò)程線圖

(2) 邊坡開(kāi)挖支護(hù)施工完成后，水墊塘側(cè)面邊坡變形得到有效控制。主要有以下幾點(diǎn)：① 泄洪洞水墊塘邊坡表面位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(diǎn)位移計(jì)孔口總變化量在-0.20～1.13 mm之間。③錨桿應(yīng)力計(jì)總變化量在-5.9～4.5 MPa之間。④ 1 500 kN級(jí)監(jiān)測(cè)錨索測(cè)力計(jì)總變化量為-0.6～29.7 kN之間。

從圖3可以看出，后期施工過(guò)程中該點(diǎn)位移測(cè)值基本不變，邊坡變形已基本穩(wěn)定。

4.2 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)成果

根據(jù)邊坡爆破振動(dòng)施工技術(shù)要求和變形控制需要[10]，泄洪洞出口水墊塘邊坡開(kāi)挖爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度允許最大控制標(biāo)準(zhǔn)為10 cm/s。

泄洪洞出口水墊塘爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)部位包括水墊塘正面坡、左側(cè)坡、導(dǎo)墻混凝土、下游尾坎灌區(qū)等，共進(jìn)行爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)12次，累計(jì)42測(cè)點(diǎn)，其中最大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度水平X向0.335～9.489 cm/s、水平Y(jié)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(cè)點(diǎn)，合格率為100%。

4.3 支護(hù)工程質(zhì)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(cè)頻率滿(mǎn)足要求，合格率100%。

表1 泄洪洞出口錨桿無(wú)損檢測(cè)成果表

(2) 預(yù)應(yīng)力錨索工程

泄洪洞出口水墊塘邊坡共施工預(yù)應(yīng)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(nèi)，造孔合格率100%；灌漿質(zhì)量滿(mǎn)足質(zhì)量要求，錨索張拉伸長(zhǎng)率均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)48束安裝錨索測(cè)力計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示預(yù)應(yīng)力錨索張拉鎖定損失率滿(mǎn)足設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

5 結(jié) 論

本技術(shù)在烏東德水電站泄洪洞工程水墊塘邊坡開(kāi)挖支護(hù)施工中得到了較好的應(yīng)用，消除了施工安全風(fēng)險(xiǎn)，有效控制了邊坡變形，確保工程施工質(zhì)量和安全的同時(shí)，加快了工程施工進(jìn)度，施工進(jìn)度完全滿(mǎn)足工程蓄水驗(yàn)收要求，得到了業(yè)主、監(jiān)理以及質(zhì)監(jiān)總站質(zhì)量專(zhuān)家組的一致好評(píng)，對(duì)其他類(lèi)似工程具有一定的參考價(jià)值和借鑒意義。