大河水库工程右坝肩拱肩槽窑洞式开挖

李 成,梅亚斌,周达康,侯 迪,丁访涛

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳 550002)

0 前 言

随着水利事业的蓬勃发展，合理化设计、精细化施工、科学化管理理念的不断深入，施工技术的不断提高，在高陡地形条件下，拱坝坝肩窑洞式开挖方式可以成为拱坝基础处理和坝肩边坡稳定的要求与拱坝坝体体形和地形地质条件的巧妙结合产物，有利于拱坝整体建设的完美和顺利[1]。

拱坝窑洞式开挖，是指在拱坝坝肩、坝顶高程位置的高陡边坡上预先设置施工洞，再利用施工洞按坝肩体型轮廓从施工洞内向下分层开挖形成拱坝坝基面的开挖型式[2-3]。该种开挖型式主要开挖坝体轮廓范围内的岩体，相比明挖方式，可以减少坝体上部岩体的开挖与拱肩槽上下游面侧边坡大范围的开挖，从而也就减少了支护工作量，缩短了工期和节省了成本。

已竣工的100 m级以上高拱坝坝肩采用窑洞式开挖方式的水电工程有招徕河水电站和天花板水电站[2]，大河水库工程作为贵州省重点水利工程，是省内目前在建的百米级拱坝中为数不多的采用窑洞式开挖的水利工程，大坝为碾压混凝土拱坝，坝顶高程898.10 m，坝底高程793.00 m，最大坝高105.0 m(含2 m垫座)，拱冠梁处顶厚6.0 m，底厚30.0 m，坝体厚高比为0.29。

1 右坝肩地形地质条件

大河水库河床宽38 m，河床高程为811.20 m，谷口宽200 m，河谷宽高比为2.5～2.9，呈不完全对称的宽“V”形河谷，右岸地形坡度62°～84°，右岸岸坡基岩裸露，岩层走向与河流向近直交、倾向上游略偏左岸、倾角26°～30°，岩性为中至厚层、巨厚层石英砂岩、砂岩夹泥质粉砂岩、泥岩，拱坝建基面岩层为砂岩及泥岩互层，两坝肩分布泥岩部位数处，由泥岩形成右坝肩软弱夹层，右岸软岩厚度比例约占岩体的0.1%，遇及率为0.04条/m，右岸软岩和软弱夹层的占有量和遇及率均较低，整体以硬质岩为主，岩体整体强度较高。坝址发育3条断层：① f1断层(产状N60°W/SW∠78°)从左岸陡壁下通过，穿过坝轴线后向上游延伸，与拱轴线相交，f1在葫芦口上游与河床相交。② f2断层(产状N26°E/SE∠85°)从右坝肩通过，经河床过左坝肩向左岸延伸接f1断层，与拱轴线相交。③ f3断层(产状N30°E/SE∠80°)右岸出露于上游50 m经河床至左岸向上游延伸，与拱轴线不相交。

2 右坝肩拱肩槽窑洞式开挖特点分析

2.1 窑洞式开挖可行性分析

2.1.1 拱坝体型

从拱坝体型分析，拱坝设计的坝体厚高比为0.29，处于0.2～0.35之间，为中厚拱坝，坝体断面较小，上、下游侧开挖面较平顺，曲率较小，适合自上而下进行窑洞式开挖[2]。

2.1.2 坝肩持力体

右坝肩下游侧岩体作为坝肩持力体，为了有利于右坝肩稳定，应尽可能地减少右坝肩开挖，而窑洞式开挖方案是对坝肩持力体影响最小的方式[2]。

2.1.3 坝肩岩体稳定

在拱坝坝肩岩体稳定计算中，考虑了下列荷载：坝体传来的作用力、岩体的自重和渗流水压力，并将渗流水压力作为控制拱坝坝肩岩体稳定的重要因素之一。

(1) 计算采用边坡稳定极限分析能量法。

(2) 针对各边坡分区分别选取典型断面进行稳定分析。依据地勘提供的资料，针对岩质边坡进行二维边坡稳定分析所采用的计算参数组合如表1所示。

表1 岩质边坡稳定分析计算参数组合表

其中，岩体采用抗剪断强度并依据软岩所占比例加权平均进行等效，结构面选取抗剪强度。

(3) 岩质边坡稳定性评价

针对坝址区岩质边坡进行边坡稳定性分析与计算结果表明，该区域内地层分布较均匀，边坡稳定性主要受层面与边坡的产状关系控制，同向结构的边坡(包括顺向坡与斜向同向坡)的稳定性较差，岩土体饱水后的安全系数较低；反向结构的边坡(反向坡与斜向反向坡)稳定性较好。适当考虑预应力锚索、削坡减载与加强排水等加固措施，可以满足稳定性要求。

2.2 窑洞式开挖优势分析

2.2.1 开挖方案对比

大河水库坝址两岸岩体较陡峭，拱坝拱端嵌深又比较深，坝顶以上有40～80 m的高边坡。

(1) 若采用明槽开挖，开挖区上游侧开口线达980.00 m高程，坝顶以上形成80 m的高边坡，且坝顶以上80 m的高边坡开挖属顺向坡，因此需要在坝顶以上边坡上游侧每20 m高差设一马道，进行自上而下开挖直到形成拱坝坝基面。主要施工部位为坝顶上部顺向坡开挖、坝顶高程以下大范围坝肩边坡开挖。

(2) 若采用窑洞式开挖，主要施工部位为施工洞和拱肩槽轮廓范围内的岩体。

对比分析：针对坝顶以上有40～80 m的高差，窑洞式开挖可以减少右坝肩坝顶高程以上岩体开挖(见图1)，同时减少拱肩槽上游边坡开挖，不仅有利于坝顶以上保留部分的上游顺向坡稳定，而且减小坝肩的开挖高度和范围，对坝肩岩体开挖扰动影响也相应减小了。

图1 右坝肩拱肩槽窑洞式开挖图

2.2.2 工期对比

(1) 若采用明槽开挖，右坝肩开挖主要分为坝顶以上40～80 m高差开挖和坝顶以下拱肩槽开挖；坝顶以上共计有4层马道，依照现场施工能力，每完成20 m的边坡开挖出碴需15 d，脚手架搭设需5 d，锚索施工钻孔注浆需15 d，砂浆待凝需15 d，张拉需5 d，拆除脚手架需3 d，1个循环下来至少需58 d，总共有4级马道4个循环，最少需232 d。

(2) 若采用窑洞式开挖，右坝肩开挖主要分为施工洞(城门洞形，洞长93.41 m、宽8 m、高6.3 m)开挖和坝顶以下拱肩槽开挖；施工洞贯通及一次支护用时75 d，衬砌可与开挖交叉施工。

对比分析：坝顶898.00 m以下拱肩槽开挖，2种开挖方式按相同用时考虑，故窑洞式开挖相比明槽开挖至少节省157 d的工期。

2.2.3 开挖工程量及成本对比

开挖工程量主要分为一般石方开挖和基础石方开挖：

(1) 若采用明槽开挖，右坝肩一般石方开挖工程量约为131 356 m3，基础石方开挖工程量约为197 034 m3，明槽开挖总价为21 427 447.5元；

(2) 若采用窑洞式开挖，右坝肩一般石方开挖工程量约为45 974.6 m3，基础石方开挖工程量约为88 665.3 m3，窑洞式开挖总价为8 953 914.6元。

对比分析，窑洞式开挖相比明槽开挖，直接减少开挖量约60%，节省直接投资约1 250万元(见表2)。

表2 右坝肩拱肩槽采用明挖与窑洞式开挖投资对比分析表

3 右坝肩拱肩槽开挖施工方案

3.1 右坝肩拱肩槽开挖施工方案

大河水库拱坝右坝肩898.00 m高程以下为窑洞式开挖，利用施工洞把钻孔设备及挖掘机运送到坝肩位置开挖坝顶以下施工面，然后采用手风钻配合液压钻或潜孔钻凿孔，边坡预裂梯段爆破，当开挖完成一个平台后，立即对边坡进行支护再进行下一个梯段开挖。采用人工清理岩面上的破碎、松动岩块以及泥土和锈斑。开挖面严格控制超挖，不欠挖，爆破后的碴料先清理至河床，然后采用CAT336反铲挖掘机装25 t自卸汽车出碴。

3.2 右坝肩窑洞式开挖爆破重难点控制

3.2.1 窑洞式开挖爆破重难点注意事项

右坝肩拱肩槽部位采用垂直钻孔预裂爆破的开挖方式，采用排间微差、孔内毫秒延迟的爆破设计[4-5]。因岩体开挖方量较大，故分2次进行开挖，因爆破区域位置特殊以及受周边地质条件影响，存在以下重难点注意事项：

(1) 本次爆破区域位于拱坝拱肩槽部位，考虑到拱坝对于两岸拱肩岩石地质条件要求较高，需尽可能控制爆破震动对右岸山体的影响；

(2) 本次爆破区域较近范围内有1条已建交通洞、1条已建灌浆平洞，需控制爆破对周边已建水工建筑物的影响；

(3) 本次爆破区域不远处有2条断层f2、f3，右岸坝肩及上游侧边坡岩体倾向上游，倾角26°～30°，岩体完整情况一般，岩体强度一般，且中间夹杂泥岩、泥质粉砂岩薄弱层，因此需进一步控制爆破震动对右岸山体的扰动影响。

3.2.2 最大单响药量控制

为解决爆破震动对附近建筑物、岩体稳定带来不利的影响，需要对最大音响药量进行控制。爆破工程多以建筑物所在地表的最大质点震动速度作为判别爆破震动对建筑物的破坏标准。计算最大单响药量采用以下经验公式：

(1)

式中：Qmax为爆破时的最大单响药量，kg；R为药包至地震点的距离，m；v为爆破对建筑物及地基产生的震动速度，cm/s。根据爆破区与建筑物之间的距离及最大允许质点震动速度计算出相应最大单响药量，取最小值为本工程爆破最大单响药量控制值。

本次爆破区域因岩体开挖方量较大，分2次进行开挖。爆破方案中，对高程855.00 m处拱肩槽进行开挖，远离拱肩槽一侧前期已开挖完成，本次爆破开挖范围为该高程靠近拱肩槽一侧，爆破区域的爆破深度为3 m。距本工程爆破区域15 m处有一灌浆平洞(839.80 m)，距本工程爆破区域43 m处有一施工洞(898.00 m)，所允许震速分别为7～15 cm/s和10～20 cm/s；计算得到所允许最大单响药量不超过57 kg，设计时按50 kg进行控制[6-9]。

右岸拱肩槽开挖爆破参数具体见表3，炮孔平面布置见图2，起爆网络设计平面布置见图3。

表3 右岸拱肩槽开挖爆破参数表

图2 855.00 m高程炮孔平面布置示意图 单位：m

图3 起爆网络设计平面示意图

3.2.3 爆破效果控制分析

上述爆破方案的爆破参数是经过多次现场实验后确定的，现从爆破开挖后炮眼痕迹保留率、开挖轮廓面的平整度、爆出石块块度与分布是否合适等方面对本次爆破方案的爆破效果进行分析。

(1) 开挖半孔率及平整度是检验开挖外观质量的主要指标之一。根据现场爆破情况来看，炮眼痕迹保存率较好，岩面半孔率大于20%，符合规范要求[10]，对于软岩或者较破碎、破碎岩石应满足η≥20%(其中，η=∑l0/∑L0，∑l0为检验区域残留炮孔长度总和；∑L0为验收区域炮孔长度总和)的要求。预裂爆破壁面平整度小于±15 cm，符合规范要求[10]。

(2) 爆出块石，不用作骨料处理，仅考虑装碴运输要求。岩块块度大多在20～60 cm，少量在5～10 cm，根据现场爆出石块块度来看，满足现场破碎及后续装碴运输要求，说明主爆孔装药量较好。

(3) 本方案采用排间微差、孔内毫秒延迟的爆破设计，对最大单响药量进行严格控制，减少了爆破震动带来的不利影响。同时，控制前后两排的爆破时间差约为50 ms，使得爆破前后两排的爆石能利用爆破能量进行充分碰撞，对爆石进行再一次的破碎，控制爆出块石的大小，以便于后续装碴和运输[6-9]。

4 右坝肩窑洞式开挖支护措施

4.1 窑洞式开挖带来的稳定问题分析

采用窑洞式开挖后，减少了坝顶上部80 m的顺向高边坡开挖，但存在坝顶上部岩体不稳所导致的向坝内滑坡或崩塌的问题，因此坝顶正上部边坡要采取必要措施进行支护，施工洞顶拱采用强支撑方式保证对上部岩体的支承作用。同时，还存在拱肩槽开挖后，因上游面侧会出现倒悬，且上游面侧岩层倾角较大而出现的滑动，因此，其支护措施尤为重要，必须保证岩体的稳定。

4.2 窑洞式开挖支护措施

4.2.1 坝顶以上边坡支护措施

对坝顶以上898.00～938.00 m范围边坡支护措施主要采取喷混凝土支护，喷混凝土厚度为10 cm；对938.00～958.00 m范围边坡采用系统锚杆+钢筋网+喷混凝土+排水孔进行支护，锚杆为Φ6.5钢筋，间距20 cm×20 cm，喷混凝土厚度为10 cm，排水孔间距为2.5 m×2.5m。

4.2.2 施工洞支护措施

施工洞采用大洞室的开挖及支护方式，洞内进口段底板采用6根支撑梁支撑，Ⅳ类围岩洞段顶拱挂网喷混凝土10 cm，Ⅴ类围岩及不良地质段，在一次支护中增加工字钢(20a)加强支护。最后再进行全断面二次衬砌支护。

4.2.3 拱肩槽上游面侧支护措施

898.00 m高程以下拱肩槽开挖每完成一轮进尺后，拱肩槽上游面侧支护先采用系统锚杆(Ø28 mm，L=6 m)加喷混凝土(厚100 mm)进行临时支护，然后按设计要求对锚索区采用预应力锚索(2 000 kN级)进行边坡基础锚固，锚索施工前先对岩石进行锚索锁口，和岩石层面大角度(60°～90°)相交，防止上游岩体由于开挖扰动而产生深层滑动，当上一梯段锚索施工完成并张拉检验合格后，才进行下一梯段爆破工作。并利用锚索对岩体进行锚固，确保开挖安全。

5 结 语

(1) 结合工程实际，大河水库工程右坝肩拱肩槽开挖采用窑洞式开挖方式切实可行；窑洞式开挖有利于坝顶高程以上岩体的上游顺向坡的稳定，减小了右坝肩边坡的开挖高度和范围。经分析计算，窑洞式开挖相比原明挖方案，减少开挖工程量约60%，节省投资约1 250万元，缩短工期约157 d，促进了经济效益。

(2) 右坝肩窑洞式开挖施工过程中采用预裂爆破技术，对爆破设计中最大单响药量进行控制，并从爆破开挖后炮眼痕迹保留率、开挖轮廓面的平整度、爆出石块块度等方面积极控制，确保了良好的爆破效果，提高了开挖质量。

(3) 采用窑洞式开挖，对可能存在的坝顶上部岩体不稳及拱肩槽上游面侧出现的倒悬，采用必要的支护措施，保证了坝肩岩体的稳定。