壩肩窯洞式開挖技術研究現(xiàn)狀和展望

摘要：

中國西南地區(qū)山高谷深，水能資源充沛，但水電站壩肩開挖往往受到特殊地形地質條件、生態(tài)環(huán)境要求的影響，成為了制約水電工程建設的關鍵問題之一。針對常見的壩肩明挖方式所面臨的挑戰(zhàn)，從多個方面闡述了窯洞式開挖技術的優(yōu)缺點，并基于現(xiàn)有工程的實踐應用經(jīng)驗，分析了窯洞式開挖技術在工程應用中的關鍵問題以及相應對策；聚焦于高寒地區(qū)水電開發(fā)的巨大潛力和水利水電技術的發(fā)展要求，分析了窯洞式開挖技術在高寒地區(qū)的應用前景以及推行壩肩智能化開挖的先天優(yōu)勢。研究成果可為推動大壩建設技術的發(fā)展，促進水電優(yōu)質、安全、綠色、高效開發(fā)提供參考。

關 鍵 詞：

壩肩； 窯洞式開挖； 綠色水電； 西南峽谷地區(qū)

中圖法分類號： TV31

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.03.021

0 引 言

中國西南地區(qū)蘊藏著極為豐富的水能資源，其技術可開發(fā)量達4.2億kW，占全國總量的70%以上。然而，西南地區(qū)地質條件相當復雜、生態(tài)環(huán)境極為脆弱，對水電工程壩肩開挖穩(wěn)定性與開挖體量控制提出了極大的挑戰(zhàn)。一方面，高山峽谷地帶天然邊坡陡峭、地應力水平高、巖體卸荷強烈、深層裂隙發(fā)育［1］；另一方面，隨著大壩高度不斷刷新紀錄，邊坡工程的規(guī)模也不斷增大，200～300 m級的高拱壩開槽明挖形成的人工邊坡將達到300～500 m，開挖邊坡上側甚至還可能保留著數(shù)百米至千余米的自然邊坡［2］。高陡壩肩邊坡工程不僅穩(wěn)定性風險突出，同時還會造成嚴重的植被破壞和水土流失。

為了推動西南地區(qū)水能資源的安全、綠色、高效開發(fā)，中國水利水電工程行業(yè)在壩肩開挖方法、邊坡穩(wěn)定性控制、擾動區(qū)生態(tài)環(huán)境保護等方面開展了大量的研究工作，并取得了頗為豐碩的成果［3-5］。但隨著水電開發(fā)形勢的逐漸轉變以及水電開發(fā)成本的不斷攀升［6-7］，對水電施工技術提出了新命題、新問題和新要求，亟待創(chuàng)新壩肩設計與開挖方法，減少壩肩開挖對原有山體和周邊環(huán)境的影響，并降低水電工程建設資源投入以及安全風險。因此，本文在查閱大量文獻資料的基礎上，結合水利水電工程實踐經(jīng)驗和研究成果，針對壩肩工程在開挖體量控制、生態(tài)環(huán)境保護、成本控制等方面的難題，以參考工程案例和技術前景剖析的形式著重介紹一種不同于傳統(tǒng)壩肩明挖方式的“窯洞式”布置與開挖施工方法，為西南地區(qū)水能資源開發(fā)和壩肩工程建設提供參考。

1 壩肩窯洞式開挖技術特征分析

1.1 窯洞式開挖技術的基本概念與工序

壩肩窯洞式開挖是指在承載拱壩壩拱端荷載的兩岸山體之中開挖“窯洞”，其頂部高程略大于拱壩壩頂高程，不同高程的寬度則略大于拱壩厚度，從而將大壩與山體的連接部位整個布置于“窯洞”之中［8］，其開挖成型效果如圖1所示。這種壩肩開挖方式，在滿足拱壩基礎處理和壩肩邊坡穩(wěn)定性要求的同時，將拱壩壩體體形和兩岸高陡地形加以巧妙地結合，可顯著降低開挖工程量，保護兩岸山體表面植被［9］。

壩肩窯洞式開挖，首先需要在拱壩壩肩、壩頂高程位置的高陡邊坡上開挖施工洞，再利用施工洞沿壩肩輪廓從施工洞內向下分層開挖，形成拱壩壩基面，如圖2所示。

（1） 施工洞布置與開挖。施工洞通常設置在壩頂高程位置，是水電工程進行壩肩開挖、壩體澆筑以及帷幕灌漿時人員通行、機械設備與物資材料運輸?shù)闹匾ǖ?，工程建設完成后亦可作為水電工程與外界聯(lián)通的主要通道。施工洞開挖簡要步驟如下：

① 通過修建棧道或者搭設索橋等方式到達壩頂高程處施工洞工作面；

② 根據(jù)設計尺寸進行全斷面開挖，施工洞支護緊隨開挖施工進行；

③ 施工洞掘進至接通外部道路，施工洞開挖完成，然后進行施工洞洞臉鎖口襯砌支護。

（2） 壩肩分層開挖。施工洞所有工序完成后，再對壩肩進行分層開挖，壩肩開挖的施工程序遵循“自上而下，分層分區(qū)，開挖一層，支護一層”的原則。

開挖步驟：如天花板水電站壩肩開挖示意圖（見圖3）所示，壩肩開挖自上而下分層開挖，若每層開挖規(guī)模較大亦可將其劃分為若干分區(qū)進行開挖（包括劃分保護層），壩肩支護緊隨開挖施工工作面施工，一個開挖循環(huán)爆破完成后及時進行錨噴支護等施工，支護工作驗收合格后便可進行下一層或下一分區(qū)開挖。

施工人員通行、物料運輸：在壩頂施工洞的洞頂安裝軌道梁或其他提升裝置，實現(xiàn)機械設備進出工作面及避炮、材料垂直運輸；施工人員則通過搭設腳手架、之字梯進行上下通行。

出渣：壩肩每開挖一個分層或者分區(qū)便及時出渣。將反鏟由工作面垂直運送至壩肩開挖工作面進行作業(yè)，將棄渣提升至施工洞直接運至棄渣場或者由反鏟翻至河床，然后通過下部道路運出。

1.2 窯洞式開挖技術應用成果

窯洞式開挖可以從源頭避免產(chǎn)生高陡的人工邊坡，減少壩肩開挖對山體植被的破壞，適用于高山峽谷地區(qū)的壩肩邊坡工程。善泥坡水電站、招徠河水電站、蓋下壩水電站等水利水電工程在壩肩建設中均采用窯洞式開挖技術解決了許多實際工程難題，并在提高壩肩邊坡開挖質量、減少資源投入、縮短工程工期等方面取得了顯著的成果［10-13］（見表1）。

招徠河水電站在國內率先采用窯洞式開挖技術進行壩肩開挖，并在壩肩穩(wěn)定性控制、開挖工序優(yōu)化等方面開展了大量研究，積累了諸多經(jīng)驗。招徠河水電站實踐經(jīng)驗表明窯洞式開挖在保護生態(tài)環(huán)境、縮短施工工期、降低工程造價和提高壩肩穩(wěn)定性等方面具有顯著的優(yōu)勢［14］。此外，善泥坡水電站兩岸壩肩均采用窯洞式開挖代替常規(guī)明挖方式，壩肩開挖用時約18個月，開挖量由原設計的51.7萬m3減為34.8萬m3，并且顯著縮減了支護工程量以及后續(xù)工程中模板安裝工程量等［15-16］。天花板水電站左壩肩采用窯洞式開挖，將開挖工程量由16.1萬m3減少至4.9萬m3，總共歷時約16個月［17］，相比于明挖方式的右壩肩，左壩肩采用窯洞式開挖耗時短、技術難度低、資源投入少。蓋下壩水電站左壩肩采用窯洞式開挖，并開展現(xiàn)場試驗以確定開挖爆破參數(shù)，取得了較好的壩肩開挖成型效果，工期耗時約5個半月［18］。都勻市大河水庫工程右壩肩采用窯洞式開挖，減小了壩肩邊坡的開挖高度和范圍，縮短工期約157 d，并對保持壩頂高程以上巖體穩(wěn)定極為有利［19］。云口水電站是小水電中應用窯洞式開挖技術的典范，該開挖方式在環(huán)境保護、成本控制等方面表現(xiàn)十分突出［20］。

1.3 窯洞式開挖技術優(yōu)缺點分析

地形陡峭的高山峽谷地區(qū)通常是優(yōu)良的水電站壩址，河谷為“U”或者“V”形且兩岸基巖裸露。在保證兩岸山體對拱壩支撐作用的要求下，拱壩壩肩開挖方案比選往往需考慮以下4個方面：施工的經(jīng)濟性、環(huán)保性、安全性和技術難度。

（1） 經(jīng)濟性。壩肩明挖方式通常需要清除壩肩部位的巖體卸荷帶并形成坡度相對較緩的穩(wěn)定邊坡，還需要將壩頂以上幾十米甚至數(shù)百米范圍的巖體全部挖除或形成人工邊坡；加之壩址區(qū)地形條件復雜，施工場地狹小，交通道路等輔助設施布置難度較高且造價高昂；壩頂高程以上有時無條件布置機械施工道路，開挖出渣難以完全實現(xiàn)機械化施工，需要依靠人工進行扒渣。因此壩肩工程投入占工程總投資的比例較高。

而窯洞式開挖的對象主要是壩體輪廓范圍內的巖體，可以避免對拱壩上部巖體與拱肩槽上下游面?zhèn)冗吰麓蠓秶拈_挖，相應地減少了邊坡支護工程量，能夠有效縮短壩肩工程的施工工期和節(jié)省大量工程投入成本（兩種開挖方式投資對比如圖4所示），并且在降低安全投入、生態(tài)環(huán)境保護、節(jié)約整體投資等方面，也能產(chǎn)生極好的經(jīng)濟效益。

（2） 環(huán)保性。邊坡開挖會大范圍破壞地表植被，加劇水土流失現(xiàn)象以及河道淤塞，開挖產(chǎn)生的大量棄渣也需要固定的棄渣場進行堆放，而棄渣場不僅需要占用大量土地，同樣也是水電工程建設過程中水土流失的重要策源地［21-24］。壩肩邊坡明挖不可避免地會對擾動區(qū)生態(tài)系統(tǒng)造成嚴重破壞［25］，而擾動區(qū)生態(tài)系統(tǒng)修復是一個高成本投入工程。植被恢復和水道清淤不僅工作難度大、投入周期長，而且恢復效果也往往不甚理想。

而窯洞式開挖可以從源頭上避免對高陡邊坡進行大范圍的開挖，無須對壩肩邊坡表層進行大規(guī)模清理，能最大程度降低對生態(tài)環(huán)境的負面影響。同時，壩肩窯洞式開挖產(chǎn)生的棄渣量遠小于明挖方式，可以很大程度上減少土地資源的浪費以及棄渣場建設維護成本，根據(jù)GB 51018-2014《水土保持工程設計規(guī)范》［26］的棄渣場建設標準，善泥坡水電站兩種開挖方式棄渣量對比如表2所列。

（3） 安全性。高山峽谷地區(qū)岸坡坡度通常在60°～90°，甚至可能存在負坡。倘若采用常規(guī)明挖方式進行壩肩邊坡開挖，上游側將形成大范圍的百米以上的開挖邊坡，同時由于高邊坡發(fā)育卸荷裂隙，開挖卸荷和爆破振動容易誘發(fā)高邊坡裂隙帶失穩(wěn)。小灣水電站、天生橋二級水電站等水電工程［27］由于高邊坡開挖誘發(fā)邊坡失穩(wěn)災害，不僅阻礙了整體工程的進度，使工程工期、成本增加，而且影響了整體工程的質量。而窯洞式開挖僅限于拱壩設計輪廓范圍內，在勘察設計階段可以合理規(guī)避不良地質帶的影響，能很大程度上減少地質缺陷處理的工程量，避免大范圍開挖卸荷誘發(fā)邊坡失穩(wěn)。同時鑒于窯洞式壩肩槽開挖方量小，可以采用更加精細化的方式進行爆破作業(yè)，能顯著降低對山體的擾動和建基面的損傷，使壩基保有較好的完整性、安全性。此外，壩肩窯洞式開挖使建基面支護工程量更小（兩種開挖方式支護工程量對比如圖5所示），因此能夠更加精細、更具針對性地開展壩肩支護工作，對壩肩圍巖破碎程度較高、穩(wěn)定性較差的部位進行重點支護加固，從而提高壩肩整體的安全儲備系數(shù)。

雖然壩肩窯洞式開挖在安全性方面具有一定的優(yōu)勢，但受限于施工技術水平以及地質條件，跨度大、邊墻高陡的壩肩在穩(wěn)定性控制方面面臨著巨大的挑戰(zhàn)，且天然的高陡岸坡表層存在的危巖以及破碎裂隙帶有時難以進行完全移除或者加固，加之表層巖體受風化作用影響較大，壩肩邊坡將會存在危巖崩塌、巖體掉塊的安全隱患。

（4） 技術難度。窯洞式開挖施工方法、施工工藝較為復雜，施工組織的難度較高。壩肩設計以及施工都需要大量高精度的地質勘察資料支撐；壩肩分層爆破開挖需要嚴格控制施工工藝，同時需要大量機械設備在有限的空間內緊密配合工作，這給施工組織帶來了諸多難題。但窯洞式開挖與其他工程開挖技術有許多相似之處：窯洞式分層開挖可參考地下廠房開挖技術，原始邊坡加固亦可借鑒常規(guī)明挖方式中上部天然邊坡的穩(wěn)定性控制方法，雖然相對明挖方式而言該技術實踐經(jīng)驗較少，但在國內外有大量成熟的施工方法、監(jiān)測手段和高邊坡穩(wěn)定性控制技術可以借鑒。

2 工程應用中的關鍵問題及對策

2.1 高陡邊坡不穩(wěn)定地質體處理

水電工程壩址區(qū)岸坡地形高聳，基巖裸露，多懸崖峭壁。常規(guī)明挖方式通常會清除壩肩部位的巖體卸荷帶并形成坡度相對較緩的穩(wěn)定邊坡，以及將壩頂以上幾十米甚至數(shù)百米范圍的巖體全部挖除或形成人工邊坡，而窯洞式開挖則會選擇保留除開挖輪廓面之外的絕大部分巖體。由于原始邊坡表層存在大量不穩(wěn)定地質體，不穩(wěn)定地質高陡壩肩邊坡體失穩(wěn)崩塌會嚴重威脅到水電工程建設與運行安全。因此，對存在不穩(wěn)定地質體的邊坡進行處理是壩肩窯洞式開挖中極為重要的部分，也是工程建設中十分棘手的問題。

不穩(wěn)定地質體失穩(wěn)、運動而形成崩塌，是高山峽谷地區(qū)常見的地質災害類型之一。受地形條件、裂隙及斷層的切割影響，在招徠河兩岸存在體積分別為4.86萬m3和0.35萬m3的危巖體，巖體已發(fā)生較強的傾覆變形［28］。如圖6所示，善泥坡水電站同樣面臨壩肩邊坡表層強卸荷裂隙帶發(fā)育，邊坡穩(wěn)定性極差的難題［8］。蓋下壩壩址右岸也存在高約240 m，總體積約25萬m3的危巖體［29］。危巖體部位由于裂隙和層理切割，局部具有卸荷性質，在外力作用下可能誘發(fā)局部崩塌和掉塊，會對大壩安全構成較為嚴重的威脅，而危巖治理是一個復雜的系統(tǒng)工程。目前高陡邊坡危巖整治主要依靠清除、支護、護坡、錨固、攔截、灌漿和排水等措施。對于招徠河拱壩右岸危巖體，沿危巖體后緣卸荷裂隙徹底開挖清除；左岸危巖體則從上至下逐步開挖，并對開挖邊坡進行了削坡處理，對危巖體剩余部分后緣發(fā)育的斷層和裂隙進行灌漿封閉處理，并埋設了排水設施，兩岸危巖體治理之后基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。在善泥坡拱壩，則對壩肩附近的強卸荷巖體提前進行清除或支護，同時考慮到壩頂以上原始邊坡的安全隱患，采取明洞防護方式進行被動防護，防止巖體碎石崩落威脅拱壩安全。蓋下壩拱壩右岸存在的危巖體規(guī)模極大，并且其所處位置十分陡峭，致使勘察資料精度較差，給危巖治理工作帶來很大的難度，為盡量減少對危巖體的擾動，在壩肩邊坡開挖過程中需要嚴格控制爆破參數(shù)，同時需要加強對危巖體的變形觀測，必要時應進行加固處理，以保證水電工程施工期和運行期的安全。

綜上可見，受地形地質條件、不穩(wěn)定地質體規(guī)模等多因素的影響，窯洞式開挖過程中進行不穩(wěn)定地質體治理時有許多難題亟待解決，而目前在不穩(wěn)定地質體治理研究方面總體水平有限，尚未構建起成熟的研究體系，不穩(wěn)定地質體治理的研究工作任重而道遠。

2.2 爆破開挖擾動控制

窯洞式開挖成型的壩肩具有獨特的結構形式，在爆破振動作用下的動力響應特性以及潛在失穩(wěn)區(qū)域相比明挖壩肩亦有不同。一方面，施工洞鎖口襯砌承載著上部巖體的荷載，對保障壩肩開挖過程安全穩(wěn)定起著至關重要的作用，但其距爆破中心較近，加之高陡窯洞式壩肩槽存在爆破振動高程放大效應，因此需要重點關注爆破振動對其穩(wěn)定性的影響。另一方面，建基面是壩體和基巖銜接的關鍵部位，而窯洞式開挖成型后的建基面十分高陡，且可能存在的結構面使得建基面的穩(wěn)定性控制難度較高。因此窯洞式開挖對爆破開挖的精度要求較高，一方面要保證壩肩開挖成型的質量，另一方面又要注意對巖體的損傷控制。

現(xiàn)有的水電工程項目主要采取調整爆破參數(shù)、加固壩肩邊坡等措施來控制爆破擾動所造成的影響。在天花板拱壩壩肩開挖過程中，爆破擾動導致上、下游側開挖面巖體發(fā)生松動，甚至出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，壩肩外側巖體也出現(xiàn)松動跡象［10］。其應對措施主要是嚴格控制開挖用藥量和加強建基面的支護措施，并對上部穩(wěn)定性較差的巖體進行削坡加固處理以及采用錨索加固。大河水庫工程右壩肩附近存在斷層、泥質粉砂巖薄弱層等軟弱結構面，且有已建成的施工洞和灌漿平洞，主要考慮通過控制最大單響藥量來降低開挖對山體以及水工建筑物的擾動影響。

雖然以上工程案例應對爆破擾動的方法確實行之有效，但面對地質條件較差、開挖規(guī)模較大的壩肩邊坡，僅采用加固壩肩以及調整爆破參數(shù)等方法在成本投入、開挖效率以及損傷控制等方面往往難以滿足工程需求。因此，優(yōu)化爆破開挖方案和加強精細爆破技術研究是窯洞式開挖技術發(fā)展應用亟需開展的工作。

目前，國內外在地下廠房開挖、高邊坡開挖等工程實踐中研究并應用了許多成熟的精細爆破技術［30-31］。比如在光面爆破和預裂爆破技術的基礎上進行參數(shù)優(yōu)化以及方法創(chuàng)新，提出了雙層水平光面爆破法、預裂-光面組合爆破法、雙層預裂爆破法等。除此之外，對炮孔結構進行改良，在炮孔底部設置不同材料或結構的墊層，形成了如空氣墊層爆破、水墊層爆破、柔性墊層爆破以及新型的聚－消能爆破技術［32-33］等。雖然有大量成熟的精細爆破技術可以參考借鑒，但目前針對窯洞式開挖的精細爆破技術研究尚少，且缺乏在實際工程中應用的相關經(jīng)驗，針對窯洞式開挖也未建立相關的爆破振動安全判據(jù)標準?？紤]到窯洞式開挖的壩肩結構特征，如何因地制宜地選擇精細爆破技術手段和設計精細爆破方案是值得研究的重要工程問題。同時，窯洞式開挖爆破標準化規(guī)范以及爆破開挖的相關技術指標也需要逐漸完善。

2.3 高陡壩肩加固設計

窯洞式開挖通常用于建基面標高與開挖山體標高相差較大的壩肩，兩岸壩肩槽成型后將形成大跨度的懸空體和陡峭的高邊墻。然而壩肩邊坡地質構造往往較為復雜，存在斷層、節(jié)理裂隙、層間擠壓帶及深部裂縫等軟弱結構面，加之有地應力、拱壩荷載、庫水滲流以及開挖擾動等多種因素的影響，壩肩槽穩(wěn)定性控制面臨著極為嚴峻的挑戰(zhàn)。

高陡壩肩槽穩(wěn)定性控制一直以來是窯洞式開挖過程中重點關注的問題。招徠河拱壩左壩肩巖層走向在高程300 m左右處發(fā)生倒轉，因此此處巖層順、橫河向裂隙發(fā)育，施工洞洞口沿裂隙有明顯的滲水現(xiàn)象。如圖7所示，在開挖過程中下游側近施工洞洞口段及洞頂部分巖體沿夾泥層發(fā)生滑塌，已布設的錨桿也隨同滑落［13］。壩肩局部失穩(wěn)給施工開挖帶來極大的困難，滑塌發(fā)生后根據(jù)地質條件對施工洞洞頂部分巖體及下游側不穩(wěn)定的“三角體”部位采取預應力錨索進行加固處理。天花板拱壩右壩肩局部被斷層切割，拱壩壩肩存在不均勻性［34］。其應對措施主要是對建基面出露斷層進行回填混凝土處理以及鋪設鋼筋網(wǎng)進行加強，并對部分斷層進行了混凝土置換和高壓固結灌漿等處理，以提高壩肩穩(wěn)定的安全儲備。

招徠河、天花板水電站多年以來的穩(wěn)定運行說明所采取的一系列支護措施對壩肩加固卓有成效。但對于地質條件較差、失穩(wěn)隱患較大的建基面，僅采用簡單的錨噴支護往往具有較大的安全風險。例如招徠河水電站壩肩支護效果不理想致使局部失穩(wěn)，不僅危及了工程安全、延誤了工期，而且增加了施工難度和施工成本。因此，除了在勘察設計階段根據(jù)地質條件合理布置壩肩位置以規(guī)避失穩(wěn)風險之外，采用合適的穩(wěn)定性分析方法和針對性的支護措施亦尤為重要。面向窯洞式開挖的支護加固設計，應從壩肩的結構特點和開挖方式出發(fā)，并充分考慮到壩肩的地質結構特征以開展針對性的支護工作，積極參考借鑒新型的支護技術手段，例如新型混凝土（超細硅粉噴射混凝土、納米鋼纖維混凝土等）、新型錨桿（全螺紋纖維增強樹脂錨桿、高壓灌漿型及旋噴灌漿擴體型錨桿等）以及新型支護施工方法（分散型錨固體系施工、錨索和錨筋樁快速施工工藝等）［35-37］。同時需要充分考慮支護結構混凝土齡期的影響，將爆破開挖與支護施工緊密聯(lián)系，對開挖與支護施工工序進行協(xié)調優(yōu)化，以此保證支護結構在爆破擾動下具有足夠的安全系數(shù)。

總之，在充分考慮地質條件等環(huán)境因素的基礎上，因地制宜地選擇合適的支護技術手段，并視爆破開挖與支護施工為一體，協(xié)調好兩者之間的關系，從而圍繞壩肩窯洞式開挖構建一套安全可靠的支護體系。

2.4 施工組織設計優(yōu)化

水電工程施工是一項極為復雜的系統(tǒng)工程，需要通過嚴密的施工組織設計，來管理施工生產(chǎn)活動以及解決設備材料配給等諸多問題，實現(xiàn)工程建設中施工人員、機械設備、物資材料等高效有序運轉，從而保障水電工程項目的經(jīng)濟效益［38］。而施工方案的設計是水電工程施工組織設計的關鍵環(huán)節(jié)，也是工程施工安全順利開展的重要保障。因此，在設計階段需要充分考慮施工方案在技術上的可行性以及經(jīng)濟性。

壩肩若采用窯洞式開挖，則普遍采用先布置施工洞，再由施工洞從上至下進行分層開挖的施工方案。因此人員通行以及機械設備、物資材料運輸極度依賴施工洞。此外，每個分層或分區(qū)進行爆破開挖時，人員、設備需要轉移到施工洞避炮，爆破完成后再返回工作面進行支護以及鉆孔裝藥等工作。然而每次開挖以此循環(huán)往復不僅耗時費力，而且機械設備上下提升的距離有限且安全隱患較大。當壩肩的設計規(guī)模較大時，目前窯洞式開挖技術所采用的施工方案施工效率極其有限，施工工期以及施工成本難以控制。

因此，為保證壩肩工程在高效率、低成本、短時間內順利的完成，以及確保壩肩開挖質量和施工安全，亟需考慮對當前施工組織設計進行完善和優(yōu)化。壩肩窯洞式分層開挖可以參考地下廠房、立井以及地下洞室等開挖方案，例如采用螺旋式開挖方式、布置聯(lián)通工作面以及進行避炮設計等［39-43］，以此避免人員、設備頻繁上下往來，保證壩肩施工的連續(xù)不間斷，從而提高窯洞式開挖技術的施工效率、降低人員機械的工作強度。除此之外，考慮到施工洞有限的運輸能力以及儲存能力，需要充分注重對網(wǎng)絡計劃技術的應用，對人員、設備、材料、費用、工期等因素進行網(wǎng)絡化管理，將壩肩開挖施工計劃與施工洞調配能力緊密聯(lián)系并進行動態(tài)控制、調整和優(yōu)化，保證施工洞安全有序運行并最大化利用其運輸能力與儲存能力，以達到縮短工期、降低成本的目的。

2.5 壩肩安全監(jiān)測及應急處理

壩肩是拱壩的支撐和傳力機構。由于工程場址主要受自然地質災害（包括滑坡、崩塌、泥石流、雪崩等）的危害，因而壩肩邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測與控制便是眾多水電工程所關注的主要工程地質問題。窯洞式開挖成型的壩肩在結構上與明挖壩肩槽存在較大的差異，在壩肩建設期與運行期安全監(jiān)測方面關注的對象亦有不同。相比于明挖壩肩，窯洞式開挖的壩肩還具有以下突出風險：①壩肩邊墻高陡，甚至存在負坡；②陡峭超高自然邊坡，治理難度大；③壩肩跨度大，受力情況復雜；④壩肩邊坡表層巖體易受風化破碎、卸荷，誘發(fā)滾石、滑坡災害。因此需要系統(tǒng)全面評價窯洞式開挖的壩肩運行期失穩(wěn)風險和開展安全監(jiān)測、預警及治理關鍵技術研究和應用，以保證壩肩能夠有效防范地質災害風險、保證工程安全。

由于地質災害的突發(fā)性、隱蔽性、復雜性，地質災害一旦發(fā)生將對水電工程建設與運行造成嚴重的危害。這就要求工程建設時需充分重視地質災害的防治工作，從源頭上控制地質災害的產(chǎn)生和最大限度地減少地質災害造成的損失。因此，需要在系統(tǒng)開展地質災害勘查和風險評估的基礎上，著重進行有關地質災害監(jiān)測、預警、治理等技術的研究與應用。通過科學治理和現(xiàn)代化監(jiān)測、預警技術措施的實施，提高壩肩地質災害的整體監(jiān)測預警水平，達到有效防控地質災害風險的目的。首先需要深入開展地震作用下窯洞式開挖的壩肩在拱壩－地基的動力相互作用和邊坡動態(tài)響應特征以及庫水、雨水滲流下壩肩應力應變特征等方面的理論研究。在此基礎上，利用光纖傳感器等先進設備以及先進監(jiān)測方法，搭建起一套高精度、高效率、高覆蓋的壩肩安全監(jiān)測網(wǎng)絡，對壩肩變形較大、失穩(wěn)隱患較大的區(qū)域進行精準識別。然后及時反饋進行穩(wěn)定性分析，并采取相應的治理措施，以提高壩肩應對地質災害的安全系數(shù)。最后，需要結合壩址區(qū)工程地質環(huán)境，建立失事后的災害損失評估分析體系，并提出地質災害應急預案，以降低水電工程受災后的損失。

3 窯洞式開挖技術發(fā)展應用的若干思考

3.1 高寒地區(qū)高陡壩肩工程建設

中國高寒地區(qū)蘊藏著極為豐富的水能資源，以西藏地區(qū)為例，西藏全區(qū)水能資源理論蘊藏量約占全國1/3，是全國乃至世界少有的水力資源“富礦”［44］。但目前西藏水電開發(fā)裝機量僅為其技術可開發(fā)量的1.3 % 左右，水能資源具有巨大的開發(fā)潛力。然而，高寒地區(qū)具有氣候條件多樣且復雜、凍融作用顯著以及生態(tài)環(huán)境脆弱等特點（見表3）［45-46］，壩肩開挖施工和擾動區(qū)生態(tài)修復難度更為突出，工程造價也更為高昂。這些因素很大程度上影響和制約著高寒地區(qū)的水電工程建設和水能資源開發(fā)效能。因此亟需在壩肩設計和施工技術等方面有所突破。

面對高寒地區(qū)壩肩工程建設的特點，常規(guī)的壩肩明挖方式具有較大的局限性，因此需要在壩肩設計思路方面尋求新的方向，而窯洞式開挖所具備的特點和優(yōu)勢，在高寒地區(qū)有很大應用潛力可以發(fā)掘：

（1） 有利于保護高寒地區(qū)生態(tài)環(huán)境。窯洞式開挖僅對建基面部分進行開挖，能夠避免對上部植被和上覆凍土產(chǎn)生破壞，同時也能減少爆炸產(chǎn)生的有害氣體、粉塵等對大氣環(huán)境的污染，對高寒地區(qū)脆弱的生態(tài)系統(tǒng)能起到很好的保護作用。

（2） 有利于降低高寒地區(qū)水電開發(fā)成本。窯洞式開挖的開挖工程量和支護工程量明顯低于明挖方式，其所需的施工人員、機械設備以及錨桿、混凝土、炸藥等物資材料相對較少，能有效節(jié)省在壩肩開挖支護以及棄渣運輸填埋等方面的資金投入。

（3） 有利于改善高寒地區(qū)水電施工環(huán)境。壩肩采用窯洞式開挖保留了壩頂高程以上的巖體，能在有效避免壩肩施工場地受到強烈紫外線直射以及為施工人員、機械設備提供遮風擋雨的庇護，給施工人員營造一個相對舒適的施工環(huán)境。

（4） 有利于提高高寒地區(qū)水電建設效率。壩肩采用窯洞式開挖施工會使其工作面施工受高寒地區(qū)雨雪天氣的影響相對較小，壩頂施工洞能保持正常運行并且能夠儲存施工物資材料，能實現(xiàn)在常規(guī)冬歇期開展有序的壩肩開挖工作。

（5） 有利于保障高寒地區(qū)水電工程安全。窯洞式開挖能避免邊坡大范圍開挖引起的凍巖邊坡穩(wěn)定性控制難題，減少開挖擾動誘發(fā)雪崩等地質災害的隱患。同時壩肩上覆巖體對壩基能起到保護、保溫作用，能夠有效減緩凍融作用對壩基承載力的影響，使水電工程施工期與運行期間更加安全穩(wěn)定。

綜上所述，窯洞式開挖技術具有解決高寒地區(qū)壩肩開挖中的諸多現(xiàn)實問題的前景。但面對高寒地區(qū)在自然環(huán)境、工程建設等方面的特點，窯洞式開挖技術現(xiàn)有的資源如施工方案、配套機械設備、工程管理等面臨著新的挑戰(zhàn)。凍融影響下高陡壩肩失穩(wěn)機理、爆破開挖作用下凍巖邊坡動力響應特性、高寒高陡壩肩邊坡穩(wěn)定性判別標準、雪崩冰崩等自然災害以及惡劣氣候環(huán)境下施工組織等問題在一定程度上超出了現(xiàn)有的工程認知，其應對措施需要結合水電開發(fā)的實際要求進行深入研究。

3.2 構建壩肩窯洞式智能開挖體系

2020年住建部等聯(lián)合印發(fā)《關于推動智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導意見》，提出“以數(shù)字化、智能化升級為動力，創(chuàng)新突破相關核心技術，加大智能建造在工程建設各環(huán)節(jié)應用”［47］。推行新理念、新技術、新方法，推動以能源革命與信息化變革為核心的智能建造是當今水利水電行業(yè)的主要著力點［48］。

近些年來，水利水電行業(yè)智能建造技術發(fā)展迅速，智能管理［49］、智能安全［50］、智能碾壓［51］、智能溫控［52］、智能灌漿［53］以及BIM應用［54］等數(shù)字化和智能化技術已經(jīng)相對較為成熟，但在壩肩智能開挖方面面臨的難題眾多，發(fā)展相對較為緩慢，目前尚未構建起成熟的壩肩智能開挖體系。

壩肩開挖受到地形地質條件、道路交通設施、周圍生態(tài)環(huán)境、天氣以及水文等眾多因素的影響，加之不同工程在工程地質條件與壩肩設計、施工方案上有著顯著差異。因此無法用數(shù)學物理模型進行精確求解，也難以滿足人工智能算法所需的數(shù)據(jù)支撐。而窯洞式開挖技術提供了一種解決復雜問題的途徑。首先，窯洞式開挖的壩肩其結構形式簡單，僅由施工洞與壩肩兩部分組成，不需布置大量的輔助設施和設置多個開挖階梯，不同水電工程在壩肩結構形式上差異較小。其次，窯洞式開挖范圍小，開挖過程能規(guī)避大部分不可控因素的影響，幾乎不受地形條件、邊坡表層覆蓋情況、天氣狀況等因素的約束，壩肩槽開挖過程智能識別只需在有限的開挖范圍內進行布點監(jiān)測，監(jiān)測的對象以及干擾的因素較少，能保證數(shù)據(jù)監(jiān)測的準確性和精確性。此外，智能分析過程數(shù)據(jù)處理和傳遞的工作量相對較少，有利于實現(xiàn)實時在線分析并進行快速反饋，保證壩肩智能開挖閉環(huán)控制的效率與精度。因此，窯洞式開挖技術對實現(xiàn)壩肩智能化開挖而言具有明顯的先天優(yōu)勢。

若想實現(xiàn)壩肩采用窯洞式智能開挖，需要重點研究壩肩智能開挖的總體架構、核心內容、關鍵技術等主要問題。依托包括互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等在內的“互聯(lián)網(wǎng)＋”平臺、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新一代技術，在自動化技術和軟硬件技術的加持下，圍繞壩肩的結構特點和開挖方式展開配套的智能裝備、智能開挖技術研發(fā)與應用，構建壩肩窯洞式智能開挖體系，實現(xiàn)開挖全過程智能爆破、智能支護、智能出渣等，在少人或無人干預的情況下自主驅動機器完成控制目標。同時對爆破開挖全過程進行智能識別，智能分析優(yōu)化爆破開挖方案，根據(jù)爆破開挖效果和巖層出露條件進行實時高效調整爆破參數(shù)，實現(xiàn)窯洞式智能爆破開挖走向閉環(huán)控制，達到壩肩開挖全過程可知可控的目的。

4 結 論

本文闡述了窯洞式開挖技術在中國西南高山峽谷地區(qū)應用的優(yōu)勢，并總結了該技術目前應用的關鍵問題以及相應的對策，最后提出了關于窯洞式開挖技術發(fā)展應用的若干思考。主要結論如下：

（1） 相比于明挖方式，窯洞式開挖在開挖規(guī)模、環(huán)境保護、成本控制等方面具有十分明顯的優(yōu)勢，是一項適用于高山峽谷地帶的高效、環(huán)保、經(jīng)濟的壩肩開挖技術。

（2） 窯洞式開挖存在開挖流程復雜、開挖技術難度高、壩肩穩(wěn)定性控制難度高等問題。這些問題會制約窯洞式開挖的應用和發(fā)展空間，因此需要在原有技術的基礎上進行完善和優(yōu)化，并引進先進的開挖、支護加固、監(jiān)測技術手段，以保證窯洞式開挖更加高效、環(huán)保、安全、優(yōu)質。

（3） 窯洞式開挖能較好地適應高寒地區(qū)特殊工程環(huán)境，可以有效解決高寒地區(qū)水電開發(fā)中所面臨的一些工程難題，在高寒地區(qū)具有很大的工程應用潛力。

（4） 窯洞式開挖技術的特征對實現(xiàn)壩肩智能開挖具有明顯的優(yōu)勢和很好的發(fā)展前景，對于推動水電工程智能建造以及智能控制有重要意義。

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（編輯：胡旭東）

Research status and prospect of cave type excavation technology for dam abutment

LUO Yi1，2，LI Qiaoliang2，3，LI Xinping1，2，GONG Hangli2，3，DENG Yunchen2

（1.Hubei Key Laboratory of Roadway，Bridge and Structure Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China；2.School of Civil Engineering and Architecture，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China； 3.Sanya Science and Education Innovation Park，Wuhan University of Technology，Sanya 572024，China）

Abstract：

Southwest China has high mountains and deep valleys，and abundant hydropower resources.However，the excavation of dam abutments of hydropower stations is often affected by special topographic and geological conditions，ecological environment requirements and other factors，which has become one of the key problems restricting the construction of hydropower projects in Southwest China.In view of the challenges faced by the common open excavation method of dam abutment，the advantages and disadvantages of cave type excavation technology were expounded from many aspects.Based on the practical application experiences of existing projects，the key problems and corresponding countermeasures of cave type excavation technology in engineering application were analyzed.Finally，focusing on the great potential of hydropower development in alpine regions and the development demands of water conservancy and hydropower technology，the application prospect of cave type excavation technology and the inherent advantages of implementing dam abutment intelligent excavation in alpine regions are briefly analyzed.The research results can provide reference for promoting the development of dam construction technology and promoting the high-quality，safe，green and efficient development of hydropower.

Key words：

dam abutment；cave type excavation；green hydropower；deep valley area in southwest China