勝利水電站新建取水口高邊坡窯洞開挖施工技術(shù)

仵 凌 豐, 李 亮

(中國水利水電第十工程局有限公司,四川 成都 610072)

1 概 述

勝利水電站位于四川省天全縣境內(nèi)，新建電站為原勝利水電站擴(kuò)機(jī)改造工程，增加了2×20 MW機(jī)組。新建電站取水口位于已建勝利電站壩左岸老進(jìn)水閘上游附近，采用“正向泄洪沖沙，側(cè)向取水”的布置型式。新建取水口分為攔污柵段、反坡段、進(jìn)水閘段和漸變段，其中進(jìn)水閘孔口凈寬7 m，順?biāo)鏖L度為7 m，設(shè)置一道事故門及相應(yīng)的排架等上部結(jié)構(gòu)，底板高程為710.2 m，閘墩頂高程為735.8 m，排架頂高程為739.5 m。

受“4·20”蘆山地震影響，老勝利電站排架受損嚴(yán)重，加之電站后邊坡自然坡度較陡且其表面有較厚的崩積堆積體，邊坡自穩(wěn)性差，隨時(shí)都有落石發(fā)生，為保證新建電站運(yùn)行期的安全，將新建取水口進(jìn)水閘由開敞式優(yōu)化為窯洞式，且進(jìn)水閘啟閉機(jī)房及其他重要結(jié)構(gòu)均布置在窯洞內(nèi)(圖1)。

調(diào)整后的窯洞頂部高程為741.3 m，閘墩頂高程為735.8 m，底板高程為710.2 m；窯洞穹頂開挖尺寸為13 m×5.5 m，順?biāo)鞣较蜷L11 m；窯洞洞身開挖尺寸為11 m×5.5 m，順?biāo)鞣较蜷L9 m。

2 施工方案研究

2.1 施工特點(diǎn)與難點(diǎn)

(1)新建取水口位于壩址左岸，壩址兩岸山體雄厚，谷坡陡峻，河谷型態(tài)呈左陡右緩不對稱“V”型谷。左岸臨河地形為基巖陡崖，地形坡度一般為55°～80°，洞臉邊坡有5～6 m厚的坡崩積堆積塊碎石土，邊坡穩(wěn)定性差；

(2)應(yīng)業(yè)主要求，為不影響原電站正常發(fā)電，新建取水口正常蓄水位以下的開挖和混凝土結(jié)構(gòu)施工以及閘門安裝等僅在一個(gè)枯期(5個(gè)月)內(nèi)完成，施工工期緊，任務(wù)重；

圖1 新建取水口縱剖面布置示意圖

(3)新建取水口進(jìn)水閘由開敞式調(diào)整為窯洞式，洞室開挖斷面尺寸較大，巖石較為破碎，安全威脅較大；

(4)隨著取水口洞身逐層下挖形成較大的深基坑，其最大開挖深度高達(dá)31.1 m，安全威脅越來越大，特別是窯洞洞身上下游墻所承受的山體壓力不平衡，易發(fā)生位移及變形。

2.2 施工方案

根據(jù)該工程施工特點(diǎn)，新建取水口位于老電站上游側(cè)，為不影響老電站正常發(fā)電，取水口的施工主要在兩個(gè)枯期內(nèi)進(jìn)行，其中“一枯”在不影響原電站正常發(fā)電的條件下完成正常蓄水位高程724.2 m以上的開挖施工；“二枯”主要完成正常蓄水位高程724.2 m 以下的開挖及混凝土結(jié)構(gòu)施工，正常蓄水位高程724.2 m 以上的混凝土結(jié)構(gòu)施工在老電站恢復(fù)發(fā)電且采取安全措施后進(jìn)行。

新建取水口的施工通道主要由1#施工道路進(jìn)入，沿老電站庫區(qū)左岸至邊坡位置。由于取水口自然坡度較陡且場地狹窄，先修筑臨時(shí)挖機(jī)道路，采用自上而下的甩渣型式修筑道路至725 m高程，形成集渣及裝渣施工平臺(tái)。當(dāng)邊坡開挖至窯洞洞口高程時(shí)，先進(jìn)行鎖口錨筋束的施工，再進(jìn)行窯洞穹頂?shù)氖┕ぁＳ捎谌∷谡w地質(zhì)條件較差，圍巖強(qiáng)度低，加之窯洞為大斷面開挖，自穩(wěn)能力較差，施工采取了先窯洞外側(cè)開挖、再窯洞內(nèi)的開挖方式，自上而下分層錯(cuò)臺(tái)法進(jìn)行。

3 所采用的主要施工方法

3.1 高程741.3 m以上邊坡的施工

受施工條件限制，施工道路不能修至開口線附近，需在725 m高程設(shè)置集渣平臺(tái)，開挖主要利用1.6 m3挖掘機(jī)采用自上而下甩渣的方式將石渣甩至725 m高程集渣平臺(tái)，再由1.6 m3挖掘機(jī)裝15 t自卸汽車運(yùn)至渣場。坡面的修整由1 m3小型挖掘機(jī)配合人工進(jìn)行。

窯洞741.3 m高程以上的邊坡較陡且植被較為茂盛。為不破壞原自然邊坡結(jié)構(gòu)、盡量不擾動(dòng)自然邊坡結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定，僅對以上邊坡植被進(jìn)行清理，噴5～8 cm厚的素混凝土封閉巖面，局部布置Φ22，L=3 m的隨機(jī)錨桿。

3.2 洞臉邊坡(高程741.3～735.8 m)的施工

當(dāng)取水口邊坡施工至窯洞洞臉高程時(shí)，洞臉上下游邊坡在741.3 m高程按1∶0.75坡度自上向下削坡，在洞頂上部一定距離位置開始垂直向下開挖至窯洞穹頂?shù)撞?35.8 m高程，洞臉鎖口錨桿根據(jù)邊坡施工進(jìn)度及時(shí)實(shí)施。窯洞開挖分層高度為2～2.5 m，實(shí)施淺孔光面爆破，基底預(yù)留保護(hù)層人工配合機(jī)械設(shè)備修整。

窯洞洞口邊坡開挖成型后，立即素噴5～8 cm厚混凝土封閉巖面，再進(jìn)行錨桿、掛網(wǎng)及噴混凝土等系統(tǒng)支護(hù)。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求，洞臉采用1排3Φ28，L=12 m的錨筋束鎖口。鑒于窯洞跨度較大且以上巖石較為破碎，經(jīng)現(xiàn)場協(xié)商新增加了1排3Φ28，L=12 m的錨筋束，兩排錨筋束交叉布置。

3.3 窯洞(高程741.3～710.2 m)的施工

窯洞開挖采用自上而下分層錯(cuò)臺(tái)法進(jìn)行，分三大層開挖施工，其中第一層(高程741.3～734.3 m)為窯洞穹頂開挖，將穹頂開挖的高度控制在拱腳巖臺(tái)以下1.5 m。開挖施工主要分三部分進(jìn)行：先中部導(dǎo)洞領(lǐng)進(jìn)，后兩邊跟進(jìn)擴(kuò)挖，最后巖臺(tái)開挖成型。開挖鉆孔利用人工持YT-28手風(fēng)鉆造孔，周邊施行光面爆破。

第二大層(高程734.3～711.7 m)主要為窯洞洞身的開挖，洞身開挖采用自上而下依次進(jìn)行(先洞外土石方明挖，再進(jìn)行窯洞洞身開挖，洞內(nèi)外形成臺(tái)階)，將洞身的每層高度控制在2～2.5 m。洞身開挖采用手風(fēng)鉆鉆孔，分兩部分進(jìn)行，先中部拉槽，再兩側(cè)跟進(jìn)擴(kuò)挖，周邊光面爆破。

第三層(高程711.7～710.2 m)主要為底板保護(hù)層的開挖。洞身開挖至底板后，先預(yù)留1～1.5 m厚的保護(hù)層，開挖主要利用手風(fēng)鉆水平造孔，周邊光面爆破，局部采用人工持風(fēng)鎬清除，避免過多超挖。

出渣采用甩渣轉(zhuǎn)運(yùn)和直接裝運(yùn)兩種方式，其中725 m高程以上的出渣采用1.6 m3挖掘機(jī)甩渣至集渣平臺(tái)，再由1.6 m3挖掘機(jī)裝15 t自卸汽車；725 m高程以下的出渣直接采用1.6 m3挖掘機(jī)裝15 t自卸汽車運(yùn)至渣場，每層開挖完成后臨時(shí)支護(hù)及時(shí)跟進(jìn)。

窯洞支護(hù)緊跟開挖及時(shí)進(jìn)行，開挖前采用Φ25，L=4.5 m的超前錨桿支護(hù)洞頂圍巖；開挖爆破安全處理后再進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)：噴5 cm厚混凝土封閉巖面；布置I20、間距為0.6 m的鋼支撐，榀間設(shè)Φ22@0.6 m連接筋，拱架四周交叉布置Φ25，L=4.5 m和L=6 m的鎖腳錨桿；掛設(shè)Φ6.5@15 cm×15 cm鋼筋網(wǎng)；噴10～15 cm厚混凝土。

3.4 窯洞不良地質(zhì)條件段的施工

3.4.1 穹頂破碎圍巖段的處理措施

(1)窯洞洞頂部分洞段的巖石較為破碎，裂隙較為發(fā)育。在窯洞穹頂開挖過程中，采取“短進(jìn)尺、弱爆破，強(qiáng)支護(hù)”的方式進(jìn)行，優(yōu)化了部分施工方案，加強(qiáng)了部分支護(hù)方式。特別是在穹頂施工中，按先導(dǎo)洞、再擴(kuò)挖的方式施工其中的導(dǎo)洞后，先素噴3～5 cm厚混凝土，再布置Φ22，L=3 m的隨機(jī)錨桿并掛Φ6.5@15 cm×15 cm鋼筋網(wǎng)進(jìn)行初期支護(hù)。

(2)穹頂兩側(cè)的擴(kuò)挖在中導(dǎo)洞初期支護(hù)完成后按先后錯(cuò)距法進(jìn)行，兩側(cè)擴(kuò)挖支護(hù)緊跟開挖及時(shí)進(jìn)行，當(dāng)窯洞穹頂開挖及初期支護(hù)完成后再進(jìn)行永久支護(hù)的施工。

(3)鑒于窯洞穹頂開挖成型后頂拱及后端墻滲水量較大，項(xiàng)目部經(jīng)與設(shè)計(jì)人員現(xiàn)場溝通，加強(qiáng)了穹頂永久支護(hù)方式，采用I20工字鋼鋼拱架+I14工字鋼水平連接梁+局部增加掛Φ16鋼筋網(wǎng)+增加的Φ25，L=9 m的深孔錨桿等措施進(jìn)行穹頂?shù)挠谰弥ёo(hù)加強(qiáng)。

(4)施工過程中，為了確保窯洞下部的施工安全以及穹頂?shù)恼w穩(wěn)定，經(jīng)與設(shè)計(jì)人員現(xiàn)場協(xié)商，在窯洞穹頂開挖支護(hù)完成后，先進(jìn)行邊頂拱結(jié)構(gòu)混凝土的施工，待混凝土達(dá)到齡期后再進(jìn)行窯洞洞身的開挖支護(hù)施工。

3.4.2 窯洞巖臺(tái)施工采取的加固措施。

受裂隙發(fā)育和斷層影響，窯洞上游側(cè)巖臺(tái)成型效果較差。在窯洞巖臺(tái)施工過程中，經(jīng)多次方案優(yōu)化、調(diào)整方案，采取加密周邊光爆孔、減少裝藥量以及增大光面爆破凌空面的方式后，巖臺(tái)成型仍然沒有達(dá)到預(yù)期效果。于是，在巖臺(tái)開挖完成后，為確保兩側(cè)邊墻的穩(wěn)定以及下部洞身開挖的安全，對巖臺(tái)邊墻采取了Φ25，L=9 m的深孔錨桿和C25鋼筋混凝土等方式進(jìn)行了加強(qiáng)支護(hù)，最終保證了下部洞身的開挖安全。

3.4.3 窯洞洞身采取的加固措施

在窯洞洞身施工過程中，隨著窯洞洞身逐層下挖，窯洞形成了較大的深基坑，最大的開挖深度高達(dá)31.1 m，安全威脅越來越大。隨著洞身逐層下降，上下游墻所承受的山體壓力不平衡，不能形成有效的對稱受力點(diǎn)，上下游端墻易發(fā)生位移及變形現(xiàn)象，為確保窯洞整體穩(wěn)定以及下部施工安全，經(jīng)過多次方案優(yōu)化，在洞身下挖時(shí)隔段增加了水平支撐梁，其中在窯洞735.8 m高程巖臺(tái)位置采用2Φ150鋼管焊接成整體平放于上下游端墻巖臺(tái)臺(tái)面上并用插筋固定牢固形成水平支撐梁；在上下游端墻735.8 m高程以下，每隔2～3 m采用雙榀I18、L=4.5 m工字鋼交叉布置形成橫向腰梁，并采用4Φ25,L=6 m和2Φ28,L=9 m的錨桿交叉鎖定；對于窯洞洞身上下游及左端墻728 m高程以下，將系統(tǒng)錨桿由原設(shè)計(jì)的Φ25,L=4.5 m調(diào)整為Φ25,L=6 m，鋼筋網(wǎng)采用Φ16螺紋鋼，間距15 cm，噴混凝土采用15 cm厚C20混凝土(圖2)。

圖2 新建取水口窯洞不良地質(zhì)段支護(hù)示意圖

4 結(jié) 語

項(xiàng)目部通過對新建取水口高邊坡窯洞開挖及支護(hù)方案進(jìn)行創(chuàng)新與優(yōu)化，取得了較好的效果，從實(shí)際開挖及支護(hù)情況看，調(diào)整后的窯洞開挖效果較為理想，在確保安全的前提下，既保證了窯洞結(jié)構(gòu)的整體性，又節(jié)約了取水口施工工期。調(diào)整后的窯洞施工技術(shù)方案對業(yè)主而言，節(jié)約了投資，降低了后期運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)；對施工而言，雖然增大了施工難度，但在多次方案調(diào)整優(yōu)化后，不僅保證了施工安全，縮短了施工工期，而且也為后續(xù)“二枯”正常蓄水位以下的施工創(chuàng)造了更為有利的條件，值得類似環(huán)境條件部位的施工借鑒。