巴塘水電站左岸高邊坡快速施工技術(shù)

丁 善 鋒， 羅 文 廣， 張 顯 為

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

巴塘水電站位于四川省和西藏自治區(qū)的界河——金沙江上游河段上，右岸為西藏昌都地區(qū)芒康縣，左岸為四川甘孜藏族自治州巴塘縣,是金沙江上游河段十三級(jí)開(kāi)發(fā)中的第九級(jí)電站。巴塘水電站以發(fā)電為主，總裝機(jī)容量為750 MW，為Ⅱ等大(2)型工程，正常蓄水位高程為2 545 m。

大壩左岸高邊坡自上游至下游分別為A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)，其中C區(qū)邊坡相應(yīng)布置了導(dǎo)流洞和泄洪放空洞出口。該標(biāo)段自左岸第4級(jí)邊坡高程2 669 m起，兩洞出口消力池邊坡為第16級(jí)，最低高程為2 469 m，最大高度為200 m，共設(shè)置13級(jí)邊坡支護(hù)。4～6級(jí)邊坡開(kāi)挖的支護(hù)坡比為1∶0.6，7～14級(jí)邊坡開(kāi)挖的支護(hù)坡比為1∶0.4，15～16級(jí)左右側(cè)邊坡開(kāi)挖的支護(hù)坡比為1∶0.5(兩洞出口洞臉為垂直邊坡)。左岸高邊坡土石方開(kāi)挖約890萬(wàn)m3，布置了545 束無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索(1 000 kN·m-45 m)，867束無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索(1 000 kN·m-35 m)，1 620 束錨筋樁(3Ф28-12 m)。左岸邊坡第一層布置錨索1 000 kN·m-45 m，第二層布置錨索1 000 kN·m-35 m，第三、四層布置錨筋樁3Ф28-12 m，錨索和錨筋樁呈4 m×4 m矩形布置。

該工程的棄渣和大壩有用料場(chǎng)布置在金沙江右岸，電站主要建筑物布置在金沙江左岸，左右岸通道僅有1座長(zhǎng)度為165 m的索橋，限重60 t，限速10 km/h，理論通行能力遠(yuǎn)小于投標(biāo)高峰的開(kāi)挖強(qiáng)度。受2018年“白格”堰塞湖和2020年初突發(fā)“新冠”疫情影響，導(dǎo)致導(dǎo)流洞工程工期緊、任務(wù)重。第四至六級(jí)錨索采用傳統(tǒng)導(dǎo)軌錨固鉆機(jī)+坡面腳手架施工工藝，每級(jí)邊坡的造孔與注漿平均歷時(shí)超過(guò)60 d，遠(yuǎn)超投標(biāo)時(shí)的45 d。受巴塘、雄松～蘇洼龍斷裂帶影響，邊坡巖體卸荷劇烈，山體較破碎，導(dǎo)軌錨固鉆機(jī)扭矩小且跟管易斷裂，成孔率低，傳統(tǒng)工藝不能滿足工期要求，不適宜巴塘水電站壩址區(qū)的地質(zhì)條件施工。設(shè)計(jì)要求邊坡開(kāi)挖與錨索深層支護(hù)的高差不大于30 m，不具備多級(jí)邊坡同時(shí)施工錨索的條件，故錨索造孔已成為制約高邊坡開(kāi)挖與支護(hù)的關(guān)鍵工序。為實(shí)現(xiàn)2020年度電站導(dǎo)流的目標(biāo)，必須優(yōu)化區(qū)域規(guī)劃，調(diào)整錨索施工工藝，快速進(jìn)行邊坡開(kāi)挖與支護(hù)。筆者對(duì)優(yōu)化工作進(jìn)行了闡述。

2 施工規(guī)劃

2.1 開(kāi)挖與支護(hù)的分區(qū)規(guī)劃

左岸邊坡自上游至下游分為A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)三個(gè)區(qū)域，其中A區(qū)布置有引水發(fā)電引水口、溢洪道和壓力管道等建筑物，B區(qū)布置有溢洪道、壓力管道和發(fā)電廠房等建筑物，C區(qū)布置有發(fā)電廠房、尾水渠、導(dǎo)流洞和泄洪放空洞出口等建筑物，其中導(dǎo)流洞和泄洪放空洞出口為導(dǎo)流項(xiàng)目的重要組成部分?？紤]到左岸邊坡A、B、C區(qū)坡面總長(zhǎng)度為370 m，具備左岸邊坡C區(qū)與左岸邊坡A、B區(qū)分區(qū)開(kāi)挖的條件。根據(jù)邊坡高度、道路縱比降要求，項(xiàng)目部重新規(guī)劃了左岸邊坡開(kāi)挖[1]。并經(jīng)參建各方討論，同意自第七級(jí)邊坡起調(diào)整開(kāi)挖和支護(hù)設(shè)備資源，重點(diǎn)施工左岸C區(qū)，在左岸C區(qū)，自第八級(jí)邊坡起其開(kāi)挖與支護(hù)進(jìn)度領(lǐng)先于左岸邊坡A、B區(qū)。

2.2 道路規(guī)劃

左岸邊坡A、B、C區(qū)域交通通道有7號(hào)施工道路和C便道。7號(hào)施工道路的起點(diǎn)為2號(hào)渣場(chǎng)，終點(diǎn)為左岸邊坡A區(qū)高程2 645 m處；C便道起點(diǎn)為泄洪放空洞進(jìn)口下游1號(hào)施工道路，經(jīng)多級(jí)“S路”接7號(hào)施工道路。7號(hào)施工道路的終點(diǎn)高程高于左岸第五級(jí)邊坡馬道的高程2 639 m，主要用于左岸邊坡第五級(jí)邊坡及以上部位的開(kāi)挖與支護(hù)。隨著開(kāi)挖高程的下降，開(kāi)挖面積增加，在左岸B、C區(qū)交界處的C便道規(guī)劃修筑了多條施工支路用于左岸C區(qū)的開(kāi)挖與出渣。在左岸B、C區(qū)交界處其C便道高于左岸C區(qū)第十級(jí)馬道，C便道已不能滿足出渣要求。采用了自廠房尾水渠至左岸C區(qū)第十級(jí)邊坡修筑1-1號(hào)施工便道用于左岸C區(qū)開(kāi)挖與支護(hù)的措施，C便道用于左岸A、B區(qū)的開(kāi)挖與支護(hù)(圖1)。

由于C便道彎多坡陡，局部為單車(chē)道通行，故在彎道處增加了鋼筋石籠防護(hù)，沿路增加了擋土坎和警示柱。由于左岸邊坡C區(qū)較A、B區(qū)的開(kāi)挖與支護(hù)進(jìn)度快，導(dǎo)致出現(xiàn)左岸A、B區(qū)邊坡高于C區(qū)的現(xiàn)象。在C便道至左岸邊坡C區(qū)各級(jí)邊坡的施工支路上臨時(shí)堆筑了攔渣坎或鋼筋石籠擋渣墻，避免左岸B區(qū)開(kāi)挖的渣料滾落至C區(qū)威脅C區(qū)的作業(yè)人員和設(shè)備。

圖1 高邊坡施工道路規(guī)劃和局部開(kāi)挖圖

2.3 開(kāi)挖規(guī)劃

2.3.1 邊坡的局部開(kāi)挖

鑒于左岸邊坡的設(shè)計(jì)坡面距原始地面的水平距離平均為200 m，每級(jí)邊坡的平均開(kāi)挖量約為95萬(wàn)m3，遠(yuǎn)超索橋的通行能力和投標(biāo)月進(jìn)度的強(qiáng)度要求。因此在進(jìn)行左岸邊坡C區(qū)開(kāi)挖與支護(hù)時(shí)，需保障左岸邊坡A區(qū)和B區(qū)、導(dǎo)流洞和泄洪放空洞及進(jìn)口的開(kāi)挖進(jìn)度，需在第四級(jí)至第八級(jí)每級(jí)邊坡開(kāi)挖量相對(duì)較少的階段充分發(fā)揮索橋的通行能力，提前完成左岸邊坡的局部開(kāi)挖[1]。局部開(kāi)挖完成后，其作業(yè)平臺(tái)的寬度應(yīng)滿足履帶錨固鉆車(chē)錨索造孔的要求、滿足二次局部開(kāi)挖雙車(chē)道通行的要求,即預(yù)留作業(yè)平臺(tái)寬度20～22 m為最佳(圖1)。依據(jù)爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度計(jì)算公式，局部開(kāi)挖減少了支護(hù)時(shí)段每級(jí)邊坡的開(kāi)挖量和爆破振動(dòng)對(duì)支護(hù)的影響，亦避免了第八級(jí)邊坡以下每級(jí)邊坡明挖強(qiáng)度不滿足支護(hù)強(qiáng)度要求而影響到支護(hù)進(jìn)度并造成不必要的人員和設(shè)備窩工。

式中V為安全允許爆破振動(dòng)速度，cm/s；Q為單段或單響較大藥量，kg；R為爆區(qū)中心與被保護(hù)對(duì)象的水平距離，m；H為爆區(qū)中心至被保護(hù)對(duì)象的高差(對(duì)爆破質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度影響較大)，m；K為與爆區(qū)中心至計(jì)算保護(hù)對(duì)象間場(chǎng)地有關(guān)的系數(shù)；α為與爆區(qū)中心至計(jì)算保護(hù)對(duì)象間地質(zhì)條件有關(guān)的指數(shù)；β為與爆區(qū)中心至計(jì)算保護(hù)對(duì)象間地形條件有關(guān)的衰減指數(shù)。

2.3.2 分層開(kāi)挖

該工程壩址區(qū)巖體斷層和裂隙較發(fā)育，卸荷劇烈，巖體較破碎，在錨索造孔過(guò)程中出現(xiàn)了破碎巖體和完整巖體交替而造成錨索跟管極易斷裂。履帶錨固鉆車(chē)的重量約為5～6 t，適用于在開(kāi)挖面進(jìn)行錨索造孔，最佳高度為60～70 cm,作業(yè)平臺(tái)寬度不少于6 m，最優(yōu)寬度為8 m，鉆機(jī)后方平臺(tái)作為人員通道。該作業(yè)平臺(tái)的設(shè)置應(yīng)易于作業(yè)人員更換鉆桿、安裝套管和穿索，同時(shí)也是從事體力勞動(dòng)的最佳用力高度。

根據(jù)左岸邊坡開(kāi)挖坡比和錨索、錨筋樁和系統(tǒng)錨桿布置參數(shù)，坡比為1∶0.6時(shí)，分層高度分別為[3]：第一層262 cm，第二層343 cm，第三層343 cm，第四層343 cm，第五層209 cm。坡比為1∶0.4時(shí)，分層高度分別為：第一層310 cm，第二層360 cm，第三層360 cm，第四層360 cm，第五層110 cm。每級(jí)邊坡的分層開(kāi)挖與支護(hù)情況見(jiàn)圖2。

2.3.3 第二次局部開(kāi)挖

圖2 高邊坡分層開(kāi)挖支護(hù)示意圖

左岸邊坡平均坡面長(zhǎng)度為370 延米，邊坡局部開(kāi)挖后，為滿足履帶錨固鉆車(chē)和預(yù)留作業(yè)平臺(tái)土石方明挖，將每級(jí)邊坡分為若干個(gè)作業(yè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域長(zhǎng)約為60延米，可布置2～3臺(tái)履帶錨固鉆車(chē)，2 臺(tái)1.8 m3液壓反鏟。單個(gè)區(qū)域每層土石方開(kāi)挖量約為4 100 m3，按2 臺(tái)1.8 m3液壓反鏟產(chǎn)能理論計(jì)算需2 d時(shí)間，而在實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程中，受作業(yè)面限制需3 d。單個(gè)區(qū)域每層布置15束錨索和45 根系統(tǒng)錨桿，2 臺(tái)履帶錨固鉆車(chē)約需3 d時(shí)間完成造孔，兩工序施工時(shí)間方能匹配。錨索作業(yè)面開(kāi)挖完成后進(jìn)行了二次局部開(kāi)挖，預(yù)留了7 m長(zhǎng)的履帶錨固鉆車(chē)作業(yè)平臺(tái)，以避免錨索造孔時(shí)出現(xiàn)窩工情況。

2.4 流水作業(yè)

左岸邊坡A、B、C區(qū)的開(kāi)挖與支護(hù)各自分塊進(jìn)行，每個(gè)區(qū)塊按60 m長(zhǎng)分為若干個(gè)區(qū)域。如左岸邊坡C區(qū)分為2個(gè)區(qū)塊，區(qū)塊1進(jìn)行開(kāi)挖，區(qū)塊2進(jìn)行錨索孔造孔。在進(jìn)行下一層錨索或錨筋樁造孔時(shí)，進(jìn)行上層錨索錨墩混凝土的施工。第五層開(kāi)挖完成后，采用液壓潛孔鉆進(jìn)行下一級(jí)邊坡預(yù)裂孔的造孔，在錨索或錨筋樁造孔完成后，邊坡預(yù)裂孔未完成，可協(xié)調(diào)履帶錨固鉆車(chē)進(jìn)行預(yù)裂孔造孔以加快預(yù)裂孔造孔的進(jìn)度。開(kāi)挖與支護(hù)流水作業(yè)情況[4]見(jiàn)圖3。

圖3 開(kāi)挖與支護(hù)流水作業(yè)示意圖

3 錨索施工工藝的優(yōu)化

3.1 錨索造孔工藝

該標(biāo)開(kāi)工后，根據(jù)前期施工單位邊坡錨索造孔的情況，針對(duì)巴塘水電站左岸高邊坡錨索造孔的實(shí)際情況進(jìn)行了“全孔跟管造孔”“全孔固壁造孔”和“跟管+固壁造孔”三種施工工藝試驗(yàn)。進(jìn)行孔內(nèi)攝像時(shí)，錨索孔裂隙由漿液結(jié)石充填，試驗(yàn)成果表明其均能實(shí)現(xiàn)錨索孔成孔，但三種施工工藝各有利弊。

“全孔跟管造孔”下穿索后拔管，若拔管長(zhǎng)度小于7 m則跟管被拔斷，剩余跟管無(wú)法拔出而造成錨固段長(zhǎng)度不足；采用先拔管至自由段、再進(jìn)行錨固段預(yù)注漿、掃孔和穿索，與“跟管+固壁造孔”有相似之處，但增加了跟管成本?！叭坠瘫谠炜住背煽讜r(shí)間較長(zhǎng)，部分孔段需反復(fù)固壁，不能滿足支護(hù)進(jìn)度要求?！案?固壁造孔”結(jié)合了“全孔跟管造孔”和“全孔固壁造孔”兩種錨索造孔工藝的優(yōu)點(diǎn)，適用于錨索自由段較破碎巖體的成孔，張拉段采用固壁灌漿成孔工效高。在造孔過(guò)程中，若巖體成孔性變好，可改直釬鉆頭進(jìn)行后續(xù)孔段的造孔，能夠節(jié)約造孔成本。固壁漿液可能滲透進(jìn)入套管與巖壁之間而增加后期拔管難度，故宜在固壁和預(yù)注漿后及時(shí)采用液壓拔管機(jī)松動(dòng)套管以提高拔管的成功率。

綜上所述，三種錨索造孔施工工藝中的“跟管+固壁造孔”更適應(yīng)巴塘水電站壩址區(qū)的地質(zhì)情況，成孔率較前期階段大幅提高。

3.2 錨索造孔設(shè)備

高邊坡預(yù)應(yīng)力錨索的傳統(tǒng)施工工藝為：邊坡開(kāi)挖完成后，搭設(shè)坡面承重腳手架。錨索造孔、穿索、注漿、錨墩混凝土、張位和封錨全部在坡面承重腳手架作業(yè)，采用導(dǎo)軌式錨固鉆機(jī)造孔。由于該工程斷層和裂隙較發(fā)育，卸荷劇烈，巖體較破碎，而導(dǎo)軌式錨固鉆機(jī)扭矩小，造孔效率低。尤其是在跟管斷管后續(xù)固壁造孔時(shí)待凝時(shí)間需8～10 h，在腳手架上人工移動(dòng)導(dǎo)軌式錨固鉆機(jī)定位的時(shí)間需2～3 h，有效利用時(shí)間較短，安全隱患大，且承重腳手架搭設(shè)約需15 d，直接影響到邊坡開(kāi)挖與支護(hù)的直線工期。

考慮到該工程左岸邊坡設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)邊坡面距原始地面線平均水平距離為200 m，一次開(kāi)挖瘦身后預(yù)留20 m平臺(tái)，具備履帶錨固鉆車(chē)在開(kāi)挖面上進(jìn)行造孔作業(yè)。履帶錨固鉆車(chē)要求造孔作業(yè)與開(kāi)挖作業(yè)分區(qū)進(jìn)行，根據(jù)該工程錨索和錨筋樁參數(shù)，最優(yōu)分區(qū)長(zhǎng)度為50～60 m，造孔區(qū)布置了2～3 臺(tái)履帶錨固鉆車(chē)進(jìn)行造孔作業(yè)，開(kāi)挖區(qū)布置了2～3臺(tái)1.8 m3液壓反鏟，實(shí)現(xiàn)了邊坡分區(qū)開(kāi)挖與錨索造孔施工呈流水作業(yè)，減少了坡面承重搭設(shè)腳手架占支護(hù)直線工期的影響，降低了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和安全風(fēng)險(xiǎn)，在固壁待凝時(shí)進(jìn)行相鄰錨索孔的造孔，從而提高了履帶錨固鉆車(chē)的利用率和鉆孔效率。

3.3 錨索體止?jié){工藝

該工程高邊坡主要采用無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力1 000 kN錨索，在孔口設(shè)置止?jié){環(huán)，全孔一次性注漿。在進(jìn)行無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力1 000 kN錨索全孔一次注漿時(shí)，由于本工程高邊坡巖體斷層和裂隙發(fā)育，導(dǎo)致注入水泥凈漿量較大。為保障錨索錨固段的注漿質(zhì)量，控制注漿量的措施主要有：限流、限壓和速凝劑等。采用待凝措施，必須用高壓風(fēng)將注漿管吹通。全孔一次性注漿灌注量較大、時(shí)間長(zhǎng)，在灌注過(guò)程中，采取限流措施易造成水泥沉積在注漿管內(nèi)而影響到錨固段的注漿質(zhì)量。

參照有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索工藝，在錨固段和張拉段的交界處設(shè)置了充漿式止?jié){包，止?jié){包滿足承受0.5 MPa 的注漿壓力且不漏漿。止?jié){包兩端用鉛絲綁牢，鋼絞線與止?jié){袋之間、鋼絞線與鋼絞線之間用土工布條密封好。經(jīng)過(guò)多束錨索注漿和張拉試驗(yàn)，在錨固段注漿管上的止?jié){包內(nèi)開(kāi)2個(gè)直徑不小于1 cm的注漿孔，可節(jié)約1 根止?jié){包注漿管并能達(dá)到止?jié){效果，提高錨固段的注漿質(zhì)量和施工進(jìn)度。止?jié){包改進(jìn)措施見(jiàn)圖4。

圖4 無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索止?jié){措施對(duì)比圖

3.4 漿液配合比

錨索施工規(guī)范中的灌漿技術(shù)要求水泥凈漿水灰比為0.38～0.45[5]，水泥砂漿水灰比為0.4～0.5。因該工程巖體中斷層和裂隙較發(fā)育，水泥凈漿注入率較大，為控制投資和提高錨索錨固段注漿質(zhì)量，經(jīng)試驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性試驗(yàn)，錨固段采用濃度較大的水泥凈漿，水灰比采用0.37，摻入1%的減水劑。錨索注漿配合比見(jiàn)表1。

表1 錨索注漿配合比表

4 施工效果

左岸第四級(jí)至第六級(jí)邊坡采用每級(jí)邊坡一次成型的方式，搭設(shè)坡面腳手架，利用導(dǎo)軌式錨固鉆機(jī)進(jìn)行錨索和錨筋樁的造孔作業(yè)，完成每級(jí)邊坡開(kāi)挖支護(hù)的持續(xù)時(shí)間均大于45 d。為實(shí)現(xiàn)2020年底電站的導(dǎo)流目標(biāo)，項(xiàng)目部采取了導(dǎo)流洞和泄洪放空洞出口邊坡(C區(qū))優(yōu)先施工、兼顧左岸A、B區(qū)域開(kāi)挖和支護(hù)的策略。

將左岸第七級(jí)至第十四級(jí)邊坡優(yōu)化為分區(qū)分層開(kāi)挖，開(kāi)挖與支護(hù)立體多層次、平面多作業(yè)面，開(kāi)挖與支護(hù)形呈流水作業(yè)。將錨索和錨筋樁造孔作業(yè)優(yōu)化為履帶錨固鉆機(jī)造孔，在錨索錨固段和張拉段交界處設(shè)置充漿式止?jié){包，實(shí)現(xiàn)了每級(jí)邊坡開(kāi)挖支護(hù)時(shí)間較投標(biāo)階段或施工工藝調(diào)整前平均壓縮15 d，左岸C區(qū)邊坡開(kāi)挖支護(hù)較A、B區(qū)超前三級(jí)邊坡，為兩洞出口消力池開(kāi)挖、支護(hù)和混凝土施工爭(zhēng)取了時(shí)間。

5 結(jié) 語(yǔ)

合理利用大壩左岸高邊坡分區(qū)，科學(xué)規(guī)劃施工道路，重點(diǎn)針對(duì)導(dǎo)流建筑物段邊坡的開(kāi)挖與支護(hù)，調(diào)整錨索造孔設(shè)備，采取分層開(kāi)挖分層支護(hù)的工藝，開(kāi)挖與支護(hù)呈流水作業(yè)。所實(shí)施的履帶錨固鉆機(jī)+跟管+固壁錨索造孔工藝提高了錨索成孔率和造孔效率，節(jié)約了腳手架搭設(shè)成本，錨索穿索難度低，降低了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和安全風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了高邊坡開(kāi)挖與支護(hù)快速施工，進(jìn)而為2020年底導(dǎo)流目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了條件。