大崗山水電站500m級高邊坡開挖支護技術(shù)研究

文獻標識碼: A

文章編號: 0559-9342(2015)07-0056-03

收稿日期: 2015-05-17

作者簡介:李桂林(1981—)，男，貴州平壩人，工程師，碩士，主要從事水電工程建設(shè)管理工作．

Study on Excavation and Supporting Technology of 500 m-high Slope in Dagangshan Hydropower Station

LI Guilin，WU Nan

(Guodian Dadu River Dagangshan Hydropower Development Co．，Ltd．，Shimian 625409，Sichuan，China)

Abstract: The dam of Dagangshan Hydropower Station locates on an area with high seismic intensity，complex topographical and geological conditions and serious rock weathering and unloading．The slope excavation height above dam abutment is more than 500 m，the security and stability of slope excavation are more prominent．By treating slope comprehensively，using rapid construction techniques and monitoring，the security and stability，rapid construction and environmental protection of high slope excavation and construction are effectively solved，and a remarkable economic and social benefits are also achieved．

Key Words: high slope; excavation; supporting; monitoring; Dagangshan Hydropower Station

0　引言

大崗山水電站壩址區(qū)地震烈度高，地震基本烈度為Ⅷ度。壩肩邊坡地質(zhì)條件復(fù)雜，壩址區(qū)兩岸山體雄厚，谷坡陡峻，壩肩巖體風化卸荷強烈，發(fā)育多條巖脈、斷層、卸荷裂隙。壩肩邊坡開挖高度高，邊坡開挖最大高度達530 m。壩肩邊坡開挖施工安全穩(wěn)定問題較為突出。

1　主要工程問題

1. 1　地震安全性

工程區(qū)位于川滇南北向構(gòu)造帶北段，為南北向安寧河斷裂、北西向鮮水河斷裂和北東向龍門山斷裂交匯部位，處在由磨西斷裂、大渡河斷裂和金坪斷裂所圍限的黃草山斷塊的西側(cè)邊緣。壩址距磨西斷裂和大渡河斷裂分別為4. 5、4 km，地震地質(zhì)背景復(fù)雜，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定條件差。根據(jù)中國地震局批復(fù)的地震安全性評價成果，壩址50年超越概率10%和100年超越概率2%的基巖水平峰值加速度分別為0. 251 7 g、0. 057 5 g，相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅷ度。混凝土雙曲拱壩地震設(shè)防標準采用100年超越概率2%，相應(yīng)的地震基巖水平加速度峰值為0. 557 5 g。地震安全性是大崗山水電站關(guān)鍵技術(shù)問題。

1. 2　地質(zhì)條件

工程區(qū)基巖以澄江期花崗巖為主，巖性為灰白色、微紅色中粒黑云二長花崗巖，各類巖脈發(fā)育于花崗巖中，尤以輝綠巖脈分布較多。其中，右岸邊坡基巖發(fā)育78條輝綠巖巖脈、8條花崗細晶巖巖脈，巖脈破碎帶呈塊裂～碎裂結(jié)構(gòu);發(fā)育84條斷層，以陡傾角、傾向坡里為主，屬巖塊巖屑、巖屑夾泥型或泥夾巖屑型。此外，右岸邊坡巖體向河谷臨空方向卸荷較為強烈，隱微裂隙發(fā)育，巖石完整性較差。地勘資料顯示，右岸邊坡上部揭露出XL 316-1、XL 09-15等2條中等傾角卸荷裂隙集中發(fā)育帶，與下部的f 231斷層相接形成控制右岸邊坡穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面。結(jié)構(gòu)面上部存在高260 m、順河床長約200～240 m、水平厚度70～100 m、體積約400萬m 3的不穩(wěn)定組合塊體，直接影響施工期及大壩建成后工程的安全。

1. 3　邊坡開挖

大崗山水電站壩址河谷狹窄，兩岸山體雄厚，谷坡陡峻，基巖裸露，自然坡度一般40°～65°，左、右岸邊坡相對高差在800 m以上。根據(jù)拱壩建基面設(shè)計和纜機布置需要，邊坡開挖分為纜機平臺以上邊坡、壩頂至纜機平臺邊坡和壩頂以下邊坡。左岸邊坡自上而下開挖高度最大達530 m，土石方開挖總量約880萬m 3。由于左、右岸壩肩邊坡開挖高，施工道路等臨建布置和出渣難道較大，施工干擾多，開挖過程中石渣容易下河，開挖施工安全問題和環(huán)保問題較為突出。此外，左、右岸壩肩邊坡開挖項目處于工程發(fā)電關(guān)鍵線路上，工期緊，任務(wù)重。

2　主要研究內(nèi)容

2. 1邊坡穩(wěn)定分析及加固

對拱壩兩岸纜機平臺以上邊坡、壩頂至纜機平臺邊坡和壩頂以下邊坡的各種設(shè)計方案下的整體和局部穩(wěn)定性進行分析，并采取必要的支護措施，確保樞紐區(qū)邊坡安全。通過反饋分析及量化加固設(shè)計技術(shù)研究，進一步深化和細化工程邊坡綜合整治設(shè)計，科學(xué)有效控制樞紐區(qū)邊坡開挖及運行期安全。

2. 1. 1　右岸邊坡卸荷裂隙加固

右岸邊坡按樞紐區(qū)1級邊坡進行加固設(shè)計，在確保工程安全性和經(jīng)濟性基礎(chǔ)上，以三維剛體極限平衡計算成果作為邊坡穩(wěn)定性判斷依據(jù)，邊坡穩(wěn)定安全標準按不低于規(guī)范的下限值控制，即正常、降雨工況和偶然工況(設(shè)計地震和偶然地震)下安全系數(shù)不低于1. 25、1. 15和1. 05。按照“深淺結(jié)合、表里聯(lián)合、綜合治理”的處理思路，采取了“6層抗剪洞(錨固洞)+斜井+錨索支護+貼坡混凝土+排水”的加固處理方案。對以XL 09-15為底滑面的塊體采取錨索進行加固處理;對以XL 316-1及f 231斷層為底滑面的大塊體采取“錨索+抗剪洞(錨固洞)+斜井”措施進行加固處理，沿XL 316-1及f 231斷層共布置6層抗剪洞和3條斜井，f 231斷層出露前沿邊坡采用貼坡混凝土和錨索加固，利用深層縱、橫向排水洞、坡面排水淺孔、深孔、截排水系統(tǒng)及噴混凝土封閉坡面防滲等形成系統(tǒng)的綜合排水系統(tǒng)。

根據(jù)現(xiàn)場開挖揭示的地質(zhì)條件，通過動態(tài)穩(wěn)定分析，對邊坡治理方案進行了優(yōu)化。1 240 m高程靠近壩頭區(qū)，未出現(xiàn)明顯的張開裂隙，優(yōu)化取消該部位抗剪洞; 1 210 m高程抗剪洞水平投影與1 180 m高程抗剪洞近似重合，不具備開挖斜井條件，取消了該高程之間的2個斜井; 1 180 m高程抗剪洞部分樁號段范圍揭露的f 231斷層傾角變緩，主要在上半洞出現(xiàn)，取消了該部位下半洞開挖。

邊坡加固處理后，各種計算方法不同工況下的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足設(shè)計標準。監(jiān)測成果顯示，右岸邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，處理效果滿足設(shè)計要求。

2. 1. 2　建基面和基礎(chǔ)巖脈置換

邊坡開挖過程中，對拱壩的受力及基礎(chǔ)變形影響較大的淺表和深部地質(zhì)缺陷，進行置換開挖和固結(jié)灌漿處理，以改善基礎(chǔ)的受力條件。

(1)對拱壩受力及變形影響較大的淺表地質(zhì)缺陷。左岸主要有1 015～1 037 m高程β 21、β 28輝綠巖巖脈及壩趾Ⅲ 2類花崗巖體，960～979 m高程的Ⅳ類花崗巖體及上部緊鄰的β 41輝綠巖巖脈;右岸主要有1 090～1 135 m高程的Ⅳ花崗巖體及β 4輝綠巖巖脈，945～980 m高程的β 43、β 8和β 40輝綠巖巖脈;河床主要有β 88、β 73和β 142輝綠巖巖脈。對以上淺表地質(zhì)缺陷采取了部分挖除或全部挖除+混凝土置換處理措施，對未挖除的地質(zhì)缺陷采取水泥固結(jié)灌漿加固處理。

(2)對拱壩受力及變形影響較大的深部地質(zhì)缺陷。左岸有β 21輝綠巖巖脈，右岸有β 8、β 43輝綠巖巖脈。由于上述巖脈規(guī)模較大、性狀較差，采用深部混凝土網(wǎng)格置換及加密固結(jié)灌漿進行處理。左岸共設(shè)置3個巖脈置換平洞、4個巖脈置換斜井，右岸共設(shè)置4個巖脈置換平洞、6個巖脈置換斜井，并在混凝土網(wǎng)格置換平洞和斜井構(gòu)成的空間內(nèi)，對輝綠巖巖脈進行加密固結(jié)灌漿。

在追蹤巖脈開挖過程中，通過新奧法動態(tài)設(shè)計方法，在保證置換目的的同時，進行了部分設(shè)計優(yōu)化。建基面和深部基礎(chǔ)巖脈置換后，提高了拱壩建基面的完整性和抗變形能力。

2. 2　高邊坡快速開挖

通過圍堰分期實施、河道提前分流、壩肩開挖基坑集中出渣的導(dǎo)流、截流、圍堰填筑及高邊坡開挖的綜合控制與施工技術(shù)應(yīng)用，實現(xiàn)分區(qū)、分塊、分層立體多層次施工，以解決高邊坡開挖安全、環(huán)保和進度問題。采取的措施主要有:

(1)實現(xiàn)河道提前分流。優(yōu)化建設(shè)時序，加快導(dǎo)流洞工程建設(shè)。在壩肩大規(guī)模開挖前，導(dǎo)流洞工程具備提前分流條件。

(2)分期實施圍堰?；谔崆胺至鞅阌诨映鲈闹笇?dǎo)思想，基坑度汛設(shè)防等級可降低，對初期導(dǎo)流方案進行調(diào)整。全年圍堰分期實施，分流后第1個汛期采用過水圍堰、基坑過流、隧洞導(dǎo)流的方式度汛，第2個汛期圍堰加高至全年圍堰，以導(dǎo)流洞導(dǎo)流方式度汛。

(3)設(shè)置臨時擋水子堰。分析水文資料及近年壩址流量情況，結(jié)合工程防汛條件，在過水圍堰上部設(shè)置臨時擋水子堰，提高擋水標準，使其能夠抵擋常年洪水。

(4)高邊坡快速安全綠色施工技術(shù)。河道分流后形成臨時基坑，壩肩開挖渣料提前下基坑，由零散出渣變?yōu)榇笠?guī)模集中出渣，開挖強度和出渣強度大幅提升。簡化了高邊坡施工道路布置與建設(shè)難度，減少了施工干擾，降低了安全隱患。加強了水土保持工作力度，解決了邊坡開挖水土流失、河道污染等環(huán)保問題。

2. 3　高邊坡安全監(jiān)測

考慮地震、地質(zhì)條件、不穩(wěn)定塊體和邊坡支護處理措施等因素，邊坡安全監(jiān)測項目、監(jiān)測斷面和測點布置按照宏觀與微觀相結(jié)合、內(nèi)部與表面相結(jié)合、全面與重點相結(jié)合的原則進行設(shè)計。建立了完善的右岸邊坡立體監(jiān)測體系，監(jiān)測內(nèi)容主要包括表面變形、巖體內(nèi)部變形、支護應(yīng)力、混凝土應(yīng)力應(yīng)變、微震監(jiān)測和開挖爆破影響等。

(1)表面變形監(jiān)測。利用邊坡馬道，設(shè)置外部觀測墩，形成多條監(jiān)測斷面，監(jiān)測邊坡表面水平位移和垂直位移。

(2)淺表監(jiān)測。布設(shè)多點位移計、錨索測力計、錨桿應(yīng)力計和測斜管，監(jiān)測邊坡淺表應(yīng)力應(yīng)變及位移。

(3)深部變形監(jiān)測。利用地質(zhì)勘探平硐，布設(shè)石墨桿收斂計、裂縫計和砂漿條帶，監(jiān)測邊坡深部變形情況。

(4)右岸邊坡加固處理措施監(jiān)測。按照突出重點思路，有針對性地開展右岸卸荷密集帶處理措施監(jiān)測。布設(shè)錨索測力計、錨桿應(yīng)力計、鋼筋計、測縫計、錯位計等監(jiān)測圍巖變形及受力情況;布設(shè)壓應(yīng)力計、無應(yīng)力計和應(yīng)變計組監(jiān)測抗剪洞混凝土內(nèi)部應(yīng)力;布設(shè)滲壓計監(jiān)測滲透壓力變化情況。

(5)微震監(jiān)測。監(jiān)測系統(tǒng)由22個傳感器陣列組成，實現(xiàn)對右岸壩肩600 m×400 m×600 m空間范圍的全天候?qū)崟r監(jiān)測。通過分析巖石內(nèi)微破裂及其演化情況，進行巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)預(yù)報。

(6)開挖爆破監(jiān)測。通過開展開挖爆破振動監(jiān)測和爆前、爆后聲波監(jiān)測，提高開挖施工質(zhì)量，控制爆破質(zhì)量，減小對邊坡巖石損傷。

各項監(jiān)測資料表明，采取加固措施后，右岸邊坡變形已收斂，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3　主要技術(shù)創(chuàng)新點

3. 1　綜合治理

按照“綜合治理、實時監(jiān)測、動態(tài)設(shè)計”的思路，確定了右岸邊坡卸荷裂隙工程處理難度最小、經(jīng)濟最合理的加固方案，處理效果滿足要求，處理規(guī)模和施工難度國內(nèi)罕見，可為今后類似工程提供借鑒。

3. 2　微震監(jiān)測

建立了高邊坡微震監(jiān)測系統(tǒng)，初步實現(xiàn)了右岸邊坡穩(wěn)定性及潛在風險區(qū)域的實時監(jiān)測、分析和預(yù)警。初步形成了一套以微震監(jiān)測為主、應(yīng)力場分析為輔的巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)演化機理分析理論。該項研究成果獲得了中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎一等獎。

3. 3“先分后挖”施工技術(shù)

通過圍堰分期實施、河道提前分流、壩肩開挖基坑集渣出渣施工技術(shù)，極大地簡化了岸坡施工道路的布置與建設(shè)，減少了施工干擾，提高了開挖強度和出渣強度，實現(xiàn)了壩肩快速開挖，并成功解決了拱壩高陡邊坡開挖渣料下河引起的水土流失、河道污染等環(huán)保問題。該項研究成果獲得了中國水力發(fā)電工程學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎二等獎。

4　實施效果

4. 1　經(jīng)濟效益

(1)加快壩肩開挖進度。高峰期開挖強度達44 萬m 3/月，出渣強度達54萬m 3/月，開挖進度及出渣強度均達到國內(nèi)先進水平。通過先分后挖技術(shù)，較設(shè)計工期縮短了4個月。

(2)降低壩頂以上邊坡開挖出渣難度和成本。壩肩開挖渣料下基坑，降低了出渣難度，縮短了運輸距離，降低了運輸成本，節(jié)約投資約1 200萬元。4. 2　社會效益

(1)實現(xiàn)了多項技術(shù)進步，工程示范效應(yīng)明顯。

(2)邊坡開挖施工期間未出現(xiàn)安全事故，同時保證了省道S211通行安全。

(3)開創(chuàng)水電工程建設(shè)與環(huán)境保護之間和諧發(fā)展的新思路，解決了邊坡開挖水土流失、河道污染等環(huán)保問題。

5　結(jié)論

大崗山水電站500 m級高邊坡

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