葉巴灘水電站拱肩槽開挖質(zhì)量控制技術(shù)研究

鄭 祥， 李 榮 果， 王 德 明， 丁 釔

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

葉巴灘水電站位于四川與西藏界河——金沙江上游河段，系金沙江上游13個(gè)梯級水電開發(fā)中的第7級，上游為波羅水電站，下游與拉哇水電站銜接。電站樞紐建筑物由混凝土雙曲拱壩、泄洪消能建筑物、引水發(fā)電建筑物三大系統(tǒng)組成。混凝土雙曲拱壩壩頂高程為2 894 m，最大壩高217 m，壩頂弧長579.509 m，拱冠頂厚11 m，底厚46.5 m。電站正常蓄水位高程為2 889 m，相應(yīng)庫容10.8億m3，調(diào)節(jié)庫容5.37億m3，具有季調(diào)節(jié)(不完全年調(diào)節(jié))能力，總裝機(jī)容量為2 240 MW。

設(shè)計(jì)方案中按照壩頂平臺高程分布和原始河床高程情況將葉巴灘水電站左右岸邊坡分為壩頂2 894 m高程及其以上的大壩壩肩邊坡、壩頂2 894～2 735 m高程的大壩拱肩槽和2 735 m高程～大壩河床建基面2 677 m高程的大壩基坑三個(gè)部分。

大壩拱肩槽開挖施工具有以下難點(diǎn)：

(1)拱肩槽上窄下寬，開挖體型為自上而下發(fā)散呈“扇形”，形態(tài)上既是一個(gè)斜坡面，又是一個(gè)扭面，呈陡變緩地形且中間不設(shè)置馬道，鉆機(jī)架設(shè)困難，造孔難度大[1]；

(2)雖然拱肩槽所處位置巖體總體質(zhì)量較好，但其局部受斷層、層間擠壓錯(cuò)動帶、節(jié)理裂隙及風(fēng)化卸荷等影響爆破后局部易產(chǎn)生裂隙，對壩肩槽開挖的平整度、超欠挖、半孔率等質(zhì)量指標(biāo)的控制難度較大[2]；

(3)拱肩槽屬高陡邊坡且其上下游邊坡施工項(xiàng)目繁雜，關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，施工期間的安全問題十分突出，集中體現(xiàn)在高空墜落、邊坡危石、爆破飛石、上下層交叉作業(yè)等；

(4)拱肩槽爆破開挖結(jié)構(gòu)輪廓線控制嚴(yán)格[3]。拱肩槽槽坡區(qū)域不允許存在欠挖且需將超挖控制在20 cm以內(nèi)。采取超欠挖平衡方式開挖時(shí)，錯(cuò)臺寬度不得大于40 cm，且需將平整度控制在15 cm以內(nèi)，對QZJ-100B潛孔鉆機(jī)樣架搭設(shè)及鉆孔精度要求高；

(5)對爆破振動要求嚴(yán)格。巖體振動速度：距爆破梯段頂部10 m高處拱壩建基面的質(zhì)點(diǎn)振動速度應(yīng)小于10 cm/s；壩基巖體爆前、爆后測試距孔口1 m處的聲波波速衰減率不得大于10%。

闡述了針對如此苛刻的質(zhì)量控制要求采取的解決辦法。

2 采取的主要技術(shù)措施

2.1 拱肩槽分層、分區(qū)規(guī)劃

拱肩槽開挖的原則為：對于高程而言，按自上而下的順序分層；對于平面而言，按由上下游同時(shí)向中間、由外區(qū)向內(nèi)區(qū)的方式分區(qū)[4]。

根據(jù)拱肩槽邊坡設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特性，分別將左右岸2 893.7～2 735 m高程邊坡從上游到下游分為A、C、B三個(gè)施工區(qū)。其中C區(qū)為中部拱肩槽建基面及距建基面10 m高度范圍內(nèi)的上、下游邊坡區(qū)域，A區(qū)為距建基面10 m高度范圍內(nèi)的上游邊坡以外區(qū)域，B區(qū)為距建基面10 m高度范圍內(nèi)的下游邊坡以外區(qū)域。

為了更好地控制爆破振動對邊坡的擾動，在A、B、C區(qū)內(nèi)又分為內(nèi)區(qū)和外區(qū)。距離設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)面12 m范圍內(nèi)時(shí)為內(nèi)區(qū)。A區(qū)區(qū)域面積較大時(shí)，考慮同時(shí)從上下游區(qū)域向中間施工。如果現(xiàn)場B區(qū)面積較小，可與C區(qū)一起爆破。

根據(jù)壩頂以下拱肩槽邊坡立面設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特性，A、B區(qū)兩級馬道之間的高差為30 m，開挖時(shí)按照15 m梯段進(jìn)行。C區(qū)高程2 893.7～2 885 m的高差為8.7 m，2 885 m高程以下均為梯段高度10 m的連續(xù)緩坡，中間無馬道。開挖分層時(shí)，結(jié)合設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，第一層開挖高度為8.7 m，以下全部按照10 m梯段高度進(jìn)行開挖。

2.2 科學(xué)設(shè)計(jì)爆破參數(shù)

(1)預(yù)裂孔間距優(yōu)化。為提高拱肩槽預(yù)裂孔平整度，在左岸2 915 m～2 905 m高程邊坡K0+14～K0+58樁號進(jìn)行了預(yù)裂孔間距80 cm、70 cm和60 cm的爆破試驗(yàn)，經(jīng)對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析得知：其中80 cm間距預(yù)裂孔平整度為12.1 cm，半孔率為87%，60 cm和70 cm間距預(yù)裂孔平整度相同，均為7.6 cm，半孔率相同，均為87.2%。因此，為了控制施工質(zhì)量并加快拱肩槽施工進(jìn)度，對于拱肩槽區(qū)域的預(yù)裂孔間距均采用70 cm的造孔形式。

(2)爆破造孔方式的優(yōu)化。根據(jù)葉巴灘水電站獨(dú)特的地理位置，在葉巴灘水電站2 915～2 894 m高程進(jìn)行了爆破試驗(yàn)。拱肩槽預(yù)裂孔造孔采取以下三種方式：①中間部位以垂直開口線均勻布置預(yù)裂孔為主，兩端頭采用“八字孔”的布置方式；②中間部位以拱壩軸線平行均勻布置預(yù)裂孔為主，兩端頭采用“八字孔”的布置方式；③全坡面按照預(yù)裂孔間距上窄下寬的方式均勻布置預(yù)裂孔。三種方式的預(yù)裂孔間距均控制在70 cm以內(nèi)，預(yù)裂孔之間的間距不均勻。采取總體線密度不變、改變單個(gè)預(yù)裂孔內(nèi)裝藥結(jié)構(gòu)的形式調(diào)整孔內(nèi)不同部位的藥量大小，在單個(gè)預(yù)裂孔內(nèi)將裝藥分為三段，分別為孔底加強(qiáng)段、中部正常段和孔口減弱段。中間垂直開口線平行孔、兩邊八字孔方式見圖1，中間以拱壩軸線平行孔、兩邊八字孔方式見圖2，均為八字孔造孔方式圖見圖3。

圖1 中間垂直開口線平行孔、兩邊八字孔方式圖

圖2 中間以拱壩軸線平行孔、兩邊八字孔方式圖

圖3 均為八字孔造孔方式圖

根據(jù)現(xiàn)場對以上三種造孔方式爆破后取得的成型質(zhì)量進(jìn)行對照后，最終決定采取方式二，中間部位以拱壩軸線平行均勻布置預(yù)裂孔為主，兩邊為八字孔方案，不僅提高了拱肩槽爆破成型質(zhì)量和整體美觀度，而且大大加快了現(xiàn)場施工進(jìn)度。

(3)爆破設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化。葉巴灘水電站預(yù)裂面的成型效果主要受巖體性質(zhì)、地質(zhì)結(jié)構(gòu)及預(yù)裂孔爆破設(shè)計(jì)參數(shù)的影響。在Ⅲ2、Ⅳ類巖體中，巖性和地質(zhì)結(jié)構(gòu)對預(yù)裂面的成型效果起主導(dǎo)作用。葉巴灘水電站壩區(qū)的巖性主要為石英閃長巖及花崗閃長巖。根據(jù)前期爆破試驗(yàn)以及類似工程經(jīng)驗(yàn)，將左右岸拱肩槽預(yù)裂孔線密度控制在300～360 g/m，緩沖孔孔距為2 m，距離預(yù)裂面1.8 m，主爆孔單耗控制在0.5 kg/m3左右。在施工現(xiàn)場進(jìn)行了主爆孔間距分別為3 m×3 m、2.8 m×2.8 m、2.8 m×3 m的爆破試驗(yàn)，經(jīng)過對比，最終采取了主爆孔間排距為2.8 m×2.8 m的方案。從爆破振動數(shù)據(jù)看，最大質(zhì)點(diǎn)振動速度均能滿足小于10 cm/s的設(shè)計(jì)要求，對巖體損傷程度較??；從爆破塊度看，大塊率均在合理范圍內(nèi)(最大塊徑約80 cm)。左岸挖裝設(shè)備為小松360反鏟，斗容為1.8 m3，右岸挖裝設(shè)備為神鋼350反鏟，斗容為1.6 m3，均能滿足挖裝要求，亦不存在過度拋擲現(xiàn)象，可以實(shí)現(xiàn)爆破完成后快速出渣的目的。因此，上述炸藥線密度、單耗和間排距等參數(shù)的選擇基本合理。

(4)超欠挖平衡的優(yōu)化。為探求滿足架鉆需要的最小寬度，現(xiàn)場根據(jù)超欠挖平衡形成45 cm、50 cm和60 cm的錯(cuò)臺寬度，在架鉆過程中，45 cm錯(cuò)臺相對較窄且其平面有稍許的不平整而造成樣架搭設(shè)困難，50 cm錯(cuò)臺整體能滿足100B鉆機(jī)的架設(shè)要求，60 cm錯(cuò)臺在架設(shè)鉆機(jī)后其部分位置稍有余地，故采用50 cm的錯(cuò)臺最適宜樣架搭設(shè)需求。

2.3 硬件材料的調(diào)整

拱肩槽邊坡采用QZJ-100B鉆機(jī)鉆孔，炮孔深度達(dá)10 m以上，每根鉆桿長度為1 m，鉆孔過程中必須多次接桿。因鉆桿自身重量不斷變化導(dǎo)致鉆頭軸壓力隨之發(fā)生變化，軸壓力過大，不僅將加速硬質(zhì)合金的磨損使鉆頭過早損壞，還會增大鉆頭在通過非均質(zhì)巖層時(shí)的偏載、增大發(fā)生炮孔偏斜的幾率；而軸壓力過小，則鉆頭不能很好地與巖石接觸、影響能量的傳遞效率，甚至使沖擊器不能正常工作。因此，在施工現(xiàn)場采用全新的QZJ-100B潛孔鉆機(jī)進(jìn)行拱肩槽坡范圍內(nèi)的預(yù)裂孔施工，且不再用于拱肩槽以外的邊坡造孔以降低鉆機(jī)的磨損程度與孔位偏差，提高拱肩槽預(yù)裂孔的造孔精度。定期對鉆機(jī)進(jìn)行檢查并根據(jù)檢查結(jié)果更換鉆機(jī)。

經(jīng)過多次現(xiàn)場試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場使用的Φ48 mm×3.5 mm普通焊管在打鉆過程中其架管的剛性和穩(wěn)定性不夠理想，為保證鉆孔精度、提高坡面爆破的平整度，最終決定采用全新的Φ50 mm×5 mm無縫鋼管用以替代Φ48 mm×3.5 mm普通焊管作為拱肩槽預(yù)裂孔鉆機(jī)專用樣架。

2.4 現(xiàn)場質(zhì)量盯控

施工作業(yè)隊(duì)現(xiàn)場鉆孔過程中，實(shí)施全過程跟蹤聯(lián)網(wǎng)、裝藥，記錄現(xiàn)場實(shí)際施工情況并根據(jù)記錄不斷進(jìn)行優(yōu)化。造孔前進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)技術(shù)交底，由作業(yè)隊(duì)伍的測量人員聯(lián)合項(xiàng)目部測量人員負(fù)責(zé)預(yù)裂孔樣架的放點(diǎn)及搭設(shè)后的校核，待樣架內(nèi)部驗(yàn)收合格后及時(shí)通知監(jiān)理單位進(jìn)行復(fù)核。開孔時(shí)，采用小沖擊慢鉆進(jìn)的方法，造孔嚴(yán)格按照質(zhì)量管理辦法中的“四步一?！?，分別在鉆進(jìn)20 cm、50 cm、100 cm、200 cm處對鉆孔傾角進(jìn)行量測及校核，并在孔深2～3 m段再次對預(yù)裂孔角度增加一次復(fù)核。爆破時(shí)，技術(shù)人員全程監(jiān)控預(yù)裂孔、主爆孔的裝藥，預(yù)裂孔嚴(yán)格按照爆破設(shè)計(jì)間距綁扎竹片均勻裝藥，預(yù)裂孔最大單響藥量按不大于20 kg控制，采取4～5孔一響，同時(shí)保證堵塞的長度及質(zhì)量。堵塞時(shí)，不能讓粉渣漏到堵塞段以下，否則會減少不耦合系數(shù)而影響到輪廓成型效果。

QZJ-100B鉆機(jī)鉆進(jìn)開孔時(shí)，因潛孔鉆機(jī)工作負(fù)荷變化較大且頻繁，其轉(zhuǎn)速波動大，對開鉆的前幾根鉆桿需要降低鉆孔速度、保證孔斜與角度，隨后根據(jù)返灰情況適時(shí)調(diào)整鉆機(jī)轉(zhuǎn)速。遇巖層較軟時(shí)可以高轉(zhuǎn)速快速鉆進(jìn)，巖層較硬時(shí)則需要采用低速加壓的方式鉆進(jìn)以控制偏斜，同時(shí)結(jié)合前期左右岸模擬拱肩槽試驗(yàn)區(qū)預(yù)裂孔鉆孔經(jīng)驗(yàn)，將單班每臺鉆機(jī)鉆孔個(gè)數(shù)控制在2孔以內(nèi)。

2.5 質(zhì)點(diǎn)振動及爆破前、后的聲波監(jiān)測

根據(jù)左右岸邊坡火工材料供應(yīng)情況，左岸采用電子雷管起爆網(wǎng)絡(luò)，右岸采用毫秒微差起爆網(wǎng)絡(luò)。在爆區(qū)鉆孔工作開始前，先鉆鉛垂向聲波孔，每組為3個(gè)聲波孔，呈間距1.5 m的正三角形，孔徑90 mm，孔深15 m，穿過爆區(qū)到達(dá)開挖基底面，再延伸5 m，待完成首次測試后再鉆爆破孔。爆破前，將炮孔灌滿細(xì)沙，爆破后，待出渣完成至開挖高程面將孔內(nèi)的細(xì)沙吹出后進(jìn)行爆破后的測試。測試時(shí)，首先往孔中灌滿水(對于因鉆孔與節(jié)理裂隙相通而不能灌滿水的鉆孔，測試時(shí)不斷補(bǔ)充水)進(jìn)行耦合，然后進(jìn)行單孔測試。

為減小槽坡爆破時(shí)的質(zhì)點(diǎn)振動速度與爆破前、后的聲波監(jiān)測，在施工現(xiàn)場優(yōu)先對爆區(qū)前緣瘦身范圍進(jìn)行爆破，預(yù)留10 m寬作為槽坡梯段預(yù)裂爆破，即布置一排預(yù)裂孔、一排緩沖孔、兩排主爆孔，從而減小了爆破網(wǎng)絡(luò)。裝藥時(shí)嚴(yán)格控制單響藥量，爆破時(shí)將預(yù)裂孔爆破完成后再進(jìn)行主爆孔爆破，以避免預(yù)裂孔與主爆孔爆破疊加增大質(zhì)點(diǎn)振動速度[5]。

2.6 基底平整度優(yōu)化

根據(jù)葉巴灘水電站工期緊、任務(wù)重、施工難度大等特點(diǎn)，若采用常規(guī)的預(yù)留保護(hù)層進(jìn)行水平預(yù)裂造孔施工的方式會占用大量的工期，為此，項(xiàng)目部經(jīng)研究后采用了復(fù)合消聚能爆破技術(shù)[6]：首先，在炮孔底部充填鉆孔巖屑作為柔性墊層材料起消能緩沖作用，再設(shè)置一個(gè)鑄鐵球以加強(qiáng)炮孔間巖體的破碎效果，減小開挖后留下的巖石根坎，保證建基面的平整度。施工現(xiàn)場通過復(fù)合消聚能爆破技術(shù)理論分析和數(shù)值模擬驗(yàn)證了其可行性，從而為實(shí)現(xiàn)硬巖基礎(chǔ)面一次開挖成型提供了技術(shù)支撐，加快了拱肩槽邊坡置換區(qū)域的施工進(jìn)度。

3 開挖后取得的成果

葉巴灘水電站拱肩槽2 894～2 735 m高程區(qū)間施工開挖后取得的各項(xiàng)指標(biāo)：最大超挖為26.18 cm，平均超挖為11.03 cm，合格率為88.6%，平整度最大值為27.2 cm，平均值為10.84 cm，合格率為91.6%，半孔率為90.2%，建基面除擺放鉆機(jī)所必需的超挖量外，滿足超欠挖±20 cm的要求。通過對葉巴灘水電站拱肩槽2 894～2 735 m高程區(qū)共32個(gè)梯段爆破數(shù)據(jù)的監(jiān)測、收集、匯總及分析得知：葉巴灘水電站拱肩槽各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

4 結(jié) 語

拱肩槽爆破質(zhì)量作為拱壩建基面驗(yàn)收的重要部分是決定拱壩應(yīng)力計(jì)算是否合格的關(guān)鍵。葉巴灘水電站通過優(yōu)化預(yù)裂孔間距、爆破造孔方式、爆破設(shè)計(jì)及超欠挖平衡等方式，嚴(yán)格執(zhí)行“一炮一設(shè)計(jì)，一炮一總結(jié)”的方式，在保證拱肩槽開挖質(zhì)量的同時(shí)提高了拱肩槽的開挖速率，達(dá)到了平均20 m/月的水平，創(chuàng)造了最大30 m/月的記錄，有效降低了上下交叉干擾的影響，為后期高寒高海拔地區(qū)拱肩槽爆破開挖提供了寶貴的施工經(jīng)驗(yàn)，具有重要的參考借鑒意義。