涔天河水庫擴建工程壩區(qū)兩岸高邊坡開挖與支護技術(shù)

李頌章 湖南省水利水電勘測設(shè)計規(guī)劃研究總院有限公司

1.工程概述

涔天河水庫擴建工程位于湖南省永州市江華瑤族自治縣境內(nèi)的湘江支流瀟水上游涔天河峽谷出口處，系瀟水流域開發(fā)的第一個梯級。工程以灌溉、防洪、下游補水和發(fā)電為主，兼顧航運等。水庫總庫容15.1億m，水庫正常蓄水位313m，壩頂高程324m，最大壩高114m，電站裝機容量200MW，灌溉面積111.46萬畝。樞紐工程由鋼筋混凝土面板堆石壩、泄洪洞、放空洞、發(fā)電引水洞、電站廠房、升船機和左右岸灌溉渠首工程等主要建筑物組成，為Ⅰ等大（1）型工程。

樞紐布置受地形地質(zhì)條件制約，需開挖左右岸山體，以滿足大壩面板及泄洪洞等布置條件。本工程左岸趾板開挖邊坡高約169m，右岸趾板開挖邊坡高約176m，右岸泄洪兼導流洞開挖邊坡高約144m。壩區(qū)兩岸邊坡受地質(zhì)構(gòu)造影響，兩岸巖石較破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育、層間泥化夾層或破碎夾層較多，而且右岸巖層傾向坡外，巖體易沿層面或結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑塌。本文針對涔天河水庫壩區(qū)左右岸特殊地質(zhì)條件下高邊坡的開挖與支護施工技術(shù)進行總結(jié)。

2.地質(zhì)條件

壩址處于對稱的北西向“V”型峽谷中，地形陡峻，基巖大多裸露。壩址區(qū)地層為泥盆系中、下統(tǒng)（D～D）的砂巖、石英砂巖、粉砂巖、頁巖和第四系松散堆積物等。巖石中普遍發(fā)育泥化夾層、破碎夾泥層和破碎夾層。壩址區(qū)總體表現(xiàn)為單斜構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀為N5°～45°E·NW∠15°～35°，局部構(gòu)造扭曲部位變陡，達50°～62°，傾向下游偏左岸。

壩址區(qū)斷層較發(fā)育，出露的斷層達數(shù)十條之多，但規(guī)模一般較小，破碎帶寬一般為0.1～2.5m，少數(shù)可達到3.0～5.0m，斷層破碎帶多由砂巖碎塊夾泥充填，泥質(zhì)膠結(jié)或未膠結(jié)。斷層走向以NNE和NE向為主。壩址區(qū)節(jié)理裂隙發(fā)育，主要有5組，其中以NNE組、NW組最發(fā)育，NEE組NWW組和緩傾角節(jié)理次之。壩址區(qū)由于地形陡峻，沿節(jié)理卸荷作用強烈，尤其是右岸壩肩巖體卸荷帶深度較大，強卸荷帶底界埋深10～27m，弱卸荷帶底界埋深19～38m，對開挖邊坡的穩(wěn)定影響較大。壩址區(qū)巖體風化程度主要受巖性、構(gòu)造及地形等因素影響，其中強風化帶埋深左岸15～38m，右岸23～41m。根據(jù)結(jié)構(gòu)面組合分析，右岸邊坡由破碎夾泥層和卸荷裂隙組合構(gòu)成的楔形體交線傾向坡外，傾角20°～25°，存在由夾層控制的滑動問題。左岸由破碎夾泥層和F、F、F、F等斷層組合構(gòu)成的不穩(wěn)定楔形體，其交線傾向坡外，傾角20°～24°，亦存在由夾層控制的滑動問題。

3.邊坡開挖主要施工技術(shù)難點

涔天河水庫壩址區(qū)兩岸開挖邊坡斷層及節(jié)理裂隙較發(fā)育，層間泥化夾層或破碎夾層較多，抗剪強度低，尤其右岸巖層傾向坡外，巖體易沿層面產(chǎn)生剪切滑塌，邊坡開挖施工難度較大。因此，要實現(xiàn)上述地質(zhì)條件下邊坡的快速施工，必須解決如下技術(shù)難題：

（1）由于壩址區(qū)左右岸交通條件限制，造成大壩邊坡施工時限短，同時邊坡施工工序較多（開挖、預應(yīng)力錨索加固、錨筋支護、系統(tǒng)噴錨支護等），需解決好開挖與支護工序的銜接問題。

（2）兩岸邊坡開挖高程高，邊坡陡，施工場地布置難度較大。

（3）兩岸邊坡受斷層、節(jié)理切割影響，壩肩強風化巖體破碎，在施工過程中，沿坡面存在局部掉塊和崩塌問題，施工期的安全問題突出。

4.邊坡開挖與支護施工技術(shù)

4.1 邊坡開挖

1）施工道路布置。邊坡開挖與支護工作的首要環(huán)節(jié)為施工道路的修筑，其為施工機械、材料運輸、出渣運輸提供快捷運輸條件，其布置的好壞直接影響邊坡開挖及支護的施工效率。施工道路布置主要受地形條件的制約，主要分為分層式和集中式。分層式適用于邊坡相對平緩或高邊坡厚層開挖，施工道路沿開挖高程分層布置，各層施工道路均為出渣道路；集中式適用于邊坡陡峻、場地狹窄或高邊坡薄層開挖，施工道路沿開挖高程布置相對稀疏，一般每隔50m～100m高差布置出渣道路。

涔天河水庫壩址區(qū)兩岸邊坡較陡，場地狹窄，宜用集中式布置。結(jié)合現(xiàn)場實際地形及永久道路，左岸開挖邊坡分別在高程220m（坡底）、260m（現(xiàn)有道路）及324m（新建壩頂永久道路）布置施工道路，其中高程260m及220m施工道路作為左岸出碴平臺；右岸開挖邊坡分別在高程220m（坡底）及324m（新建壩頂永久道路）布置施工道路，其中高程220m作為出碴平臺。各級平臺間開挖進行分層錯臺開挖，交叉下降至出碴高程，渣料依坡勢溜至出碴平臺。

2）邊坡開挖方法。高邊坡開挖一般遵循自上而下分層的原則進行開挖施工，其具體開挖方法又需根據(jù)巖土性狀及開挖深度等而定。涔天河水庫壩址區(qū)兩岸高邊坡開挖主要為大壩岸坡清基及趾板基礎(chǔ)開挖。

大壩岸坡清基主要為大壩堆石體岸坡范圍內(nèi)的覆蓋層、全風化巖層、松動巖體及局部倒懸?guī)r體的清除。兩岸岸坡清基厚度不厚，開挖采用2.0m液壓挖掘機清挖向下甩運，較陡部位覆蓋層采用人工直接清除，所有渣料由岸坡溜渣至出渣平臺出渣。岸坡清基施工程序為：開挖施工前準備工作→場地清理→測量放樣→土方施工機械推、挖、裝、運→邊坡修整→基礎(chǔ)驗收→轉(zhuǎn)入下道工序。

大壩趾板開挖主要為石方開挖，趾板基礎(chǔ)開挖較深，采用淺孔爆破、梯段微差爆破和斜面邊坡預裂一次爆破成型相結(jié)合的鉆爆施工方法。其中趾板邊坡較陡部位石方開挖采用YT28型氣動鑿巖機鉆垂直主爆孔和邊坡光面爆破孔，爆破石碴采用人工向溜碴至出碴平臺出碴。趾板邊坡開挖臺階較寬且推、挖、裝設(shè)備能順利進入開挖工作面的石方開挖采用英格索蘭CDH831C鉆機和YQ-100B型潛孔鉆機鉆垂直主爆孔，YQ-100B型潛孔鉆機鉆邊坡預裂孔。同時，趾板建基面以上預留2.0m厚作為保護層開挖，保護層開挖采用YT28型氣動鑿巖機鉆孔，淺孔爆破。趾板石方開挖施工程序為：開挖施工前準備工作→場地清理→測量放樣→鉆孔爆破→爆破石碴推、裝、運→邊坡安全處理和防護→基礎(chǔ)驗收→轉(zhuǎn)入下道工序。

4.2 邊坡支護[3]

大壩邊坡支護施工與開挖是平行跟進的交叉作業(yè)，各工序間交替流水作業(yè)。邊坡支護工程隨著邊坡開挖自上而下滯后一個梯段同步進行。一個坡段的邊坡開挖、修整完成并經(jīng)驗收之后即進行邊坡支護施工。

1）錨筋樁支護。

①支護參數(shù)。左岸趾板基礎(chǔ)邊坡錨筋支護：錨筋樁排距4m，每級邊坡坡腳設(shè)置一排鎖腳錨筋樁，鎖腳錨筋樁間距2m，其它排錨筋樁間距3m。錨筋由3根φ28螺紋鋼焊接而成，長12m。

右岸趾板基礎(chǔ)邊坡錨桿及錨筋支護：高程255m以上采用錨筋樁支護，錨筋樁排距按土質(zhì)邊坡2.5m及巖質(zhì)邊坡4m的間隔布置，每級邊坡坡腳設(shè)置一排鎖腳錨筋樁，鎖腳錨筋樁間距2m，其它排錨筋樁間距3m，錨筋由3根φ28螺紋鋼焊接而成，長12m；高程255m以下采用系統(tǒng)錨桿支護，錨桿間排距3m×4m，錨桿長3m，錨桿為φ20螺紋鋼筋。

②施工工藝。采用YT28型手風鉆或英格索蘭CDH831C型潛孔鉆鉆機鉆孔，鉆孔孔徑42～100mm。鉆孔完成后，用高壓風將孔內(nèi)殘碴和水吹凈。砂漿錨桿和錨樁按以下方式進行：長度大于6m上仰錨桿、錨樁及成孔困難地段的錨桿，采用“先插錨桿后注漿”的施工工藝；其他錨桿（樁）采用“先注漿后插筋”的施工工藝。錨桿注漿均采用MEYCO錨桿注漿機注漿。錨桿及錨筋樁施工程序為：施工準備→鉆孔、清孔→注漿及插筋→拉拔試驗。

2）預應(yīng)力錨索支護。

①支護參數(shù)。右岸趾板基礎(chǔ)邊坡在356m、336m、312.5m及287.5m高程共分4層布置了39根200t級預應(yīng)力錨索，錨索間距5 m，錨索長35m～45m，錨索方位角N60°E，俯角20°布置。各預應(yīng)力錨索通過C25砼錨固梁相連，砼錨固梁與基巖之間設(shè)兩排Φ25錨筋，錨筋長3m，間距1m。

②施工工藝。錨索施工程序為：施工準備→錨索制作及造孔→錨索安裝→錨索灌漿→錨墩澆筑→錨索張拉→封孔回填→外錨頭施工。

錨索鉆孔采用MPL-135G型電空潛孔錨索鉆機鉆孔，鉆機傾角采用水平儀控制定位，確保鉆孔孔位偏差不大于100mm；鉆進采用粗徑鉆桿加設(shè)平衡器和扶正器等控制斜度，并在施工過程中，用BUZ-D型測斜儀及時測斜、糾偏，確孔斜小于孔深的2%，方位角偏差小于2°；同時要求孔深誤差小于40cm，孔徑誤差小于10mm。

錨索錨固段灌漿采用純水泥漿進行灌注，灌漿壓力為0.3Mpa。采用水泥砂漿灌注M35，水灰比為0.45，流動度為120mm～170mm，3h泌水率不大于2%。當實際灌漿量大于理論吃漿量、進漿比重與回漿比重相同及吸漿量小于1L/s，方可進行屏漿，屏漿壓力為0.3Mpa，屏漿30min，方可結(jié)束灌漿。

預應(yīng)力錨索的張拉分5 級施加，錨索張拉分級為預緊（30KN）→700KN→1200KN→1600KN→2000KN→2200KN。每級荷載施加后，穩(wěn)定5min后方可進行下一級張拉，最后一級張拉穩(wěn)壓30min后，即可進行鎖定。張拉采用“雙控法”進行質(zhì)量控制，即以張拉力控制（千斤頂油表讀數(shù)）為準，用伸長量進行校核。

3）掛網(wǎng)噴混凝土。

①支護參數(shù)。噴混凝土強度等級為C20，厚10cm。

②施工工藝。涔天河水庫壩區(qū)兩岸邊坡噴混凝土采用濕噴工藝作業(yè)。邊坡噴混凝土在腳手架平臺上人工手持噴射機頭施噴，按分層分段分片依次進行，噴射順序由下而上，對不平整部位先噴凹處，最后找平。噴混凝土采用PE-30型混凝土噴射機分二層施噴，第一層噴厚3～5cm，第二層噴至設(shè)計厚度，噴層厚度以埋設(shè)的鐵釘進行控制，采用鉆孔法檢查其噴射厚度。

4.3 邊坡排水

為減少地表水對邊坡造成的沖刷破壞及地下水水壓力對邊坡穩(wěn)定的影響，邊坡常設(shè)置有多位一體的排水系統(tǒng)，包括坡頂截水溝、坡腳排水溝及邊坡排水孔等。

為保障邊坡施工期排水正常及壩頂以上永久邊坡的長期正常排水，涔天河水庫大壩兩岸邊坡開口線外圍設(shè)置坡頂截水溝；高程300m以上每級邊坡坡腳設(shè)排水溝；開挖邊坡設(shè)表層系統(tǒng)排水孔，孔深4m，間距3m；壩頂324m高程及344m高程分別設(shè)一排深層排水孔，孔深15m，間距10m。所有排水形成連通的排水網(wǎng)，同時，由于兩岸邊坡陡峭，垂直方向截水溝每5m設(shè)置一道齒坎消能、每20m設(shè)置一消能井消能，防止水流的沖刷破壞。

5.結(jié)語

涔天河水庫壩區(qū)兩岸高邊坡巖石較破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育、層間泥化夾層或破碎夾層較多，而且右岸巖層傾向坡外，巖體易沿層面或結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑塌。復雜的工程地質(zhì)條件嚴重制約了邊坡施工進度，同時增加了工程投資。

兩岸邊坡于2014 年3月開始施工，至2014年9月底完成開挖支護，歷時7個月。2014年11月大壩開始填筑施工，左右岸高邊坡臨時變形監(jiān)測成果表明，截止至變形點被壓覆前，水平位移（河床方向及上下游方向）在10mm以內(nèi)，垂直方向沉降變形在20mm以內(nèi)。通過合理的施工道路布置，采用分層錯臺交叉下降的開挖支護方式，有效解決了高陡邊坡開挖與支護的施工干擾問題，及時地遏制了邊坡塌方的發(fā)生，加快了開挖速度，為后續(xù)大壩填筑工程的施工爭取創(chuàng)造了有利的施工條件。