云南某水电站左坝肩及护坦基础开挖技术研究
时间：2023-04-24 14:05:04 来源：千叶帆 本文已影响人
陈进华，林 华
（云南省滇中引水工程建设管理局，云南昆明 650051）
建设水电站工程，所涉及的施工内容多，规模相对较大，整体的工期较长，施工难度也相对较高，因此，需要在施工的初期就对水电站建设的各方面技术进行非常严格的把控。水电站整体工程质量的好坏，直接关系到人民的财产安全，对社会的发展产生非常深远的影响。左坝肩及护坦作为水电站基础施工中最重要的一个部分，按照挖掘技术的不同，会有不同的标准及不同的分类方式。传统的基础开挖施工技术，挖掘时间长，容易产生裂缝及坍塌的现象，且无法适用在冻土区域，会导致水电站在建成之后出现变形甚至坍塌的情况。可见，成熟的基础开挖技术在建设水电站的初期阶段非常重要[1]。所以，此次以传统基础开挖技术作为参考，研究适合水电站左坝肩及护坦的全新基础开挖技术。
云南某水电站工程地下厂房的区域主要位于河道口上游2 km 处的山体内部。地下厂房区域的山体相对比较雄厚，地形较完整，仅在河流上游和下游存在发育完整的小冲沟，自然形成的山体坡度相对比较稳定。地下厂房区域的岩石特性主要以眼球形状、花岗岩材质、麻岩中带有少量白钢岩的黑云混合片，且处于公路以下区域的陡坡上，岩石基本上多处于裸露的状态。地下主厂房与副厂房掩埋的深度在200 m 左右，四周的岩壁均为新鲜的岩体，基本没有裂缝。厂房的顶拱有一处Ⅲ级的断层结构面，内部的断层角相对比较陡峭，掩埋深度的位置相对较大，内部断层的规模相对较小。洞室四周岩壁的节理表面相对较平且粗糙，岩石的结构以块状构造为主，属于Ⅰ级岩石[2]。
该水电站为日调节的水库，蓄水水位高度为1 800 m，水库总库容为400万m3。左坝肩主要位于覆盖层的上方，由早期泥石流冲击的石块组合而成，其结构相对比较紧实，胶结较好。高度在1 800 m以上区域为基础岩石的岸坡，坡度约为40°，且自然形成的岸坡整体稳定性较好，高度在1 850 m 以上的左闸肩存在一处羊踏断层，该断层的宽度约10 m，内部存在压碎岩、角砾岩等。整体的断层区域会影响岩石自身裂缝的发育，受裂隙切割及风化程度的影响，岩石自身的完整性较差，局部可能还会形成一些不稳定的块体，在进行边坡开挖时，需要对其采取一定的处理措施[3]。
2.1 基础开挖施工及分层
从现有及新修的道路到水电站边坡的顶部后，再进入施工现场，需要严格地按照设计要求进行开挖边线及控制点的设置与施工。在开挖前，按照设计要求对边线之外的碎石及松动的岩石进行清除处理[4]，且需要在1 850 m 高度的位置进行分层处理，利用浅孔台阶微差爆破进行开挖，将每一个分层区域的厚度控制在5 m 左右，当挖掘到设计边线附近时，需沿着边线利用光面法进行爆破。具体开挖技术的施工流程：施工准备→测量与管线铺设→道路施工→开挖作业→钻孔/覆盖层挖掘→爆破→清理残渣。基础开挖施工程序：先按照自上而下的顺序进行道路施工及岸坡截水沟的挖掘，清理覆盖层表面的植物，再按照先土方再石方的顺序开挖。随着挖掘高度的下降，还需要对周围的边坡进行支护，保证再往下挖掘时的安全[5]。
在进行分层处理时，根据基础开挖设备的性能及相关原则，在开挖小于5 m 的原则上进行分层处理。左边岸高度在1 750 m 以上的坎肩处进行开挖，在1 750～1 850 m 高度范围内每5 m 进行分层处理，每层的边坡按照高度及坡比进行二次预裂，每次预裂的孔洞长度不能超过5 m。岩石材质的上面需要保留2 m 左右的保护层，并使用光面法进行爆破[6]。
2.2 设计钻孔爆破
火工材料主要指在进行工程施工过程中，所使用的炸药、雷管及导爆材料等。在进行左坎肩及护坦的开挖过程中所使用的炸药，通常是较常见的乳化药卷。在进行爆破前，需要对相关参数进行设置，在主要爆破的孔位使用φ50的2号乳化药卷制作的炸药，在预裂与缓冲的孔位使用φ32 的乳化药卷制作的炸药。进行装药的过程中，主要爆破的孔位需要连续装药，而预裂与缓冲的孔位则需要使用不耦合的间断方式装药，且使用竹片进行捆扎[7]。对道路保护层进行开挖之前，需保证边坡预裂施工结束后，把主要爆孔的最大药量控制在5.0 kg 之内，使用非电的起爆网络，且利用导爆管分段进行。设置的具体爆破参数如表1 所示。
表1 典型爆破参数设计表
为达到减震及减少残渣大小的要求，在对左坝肩及护坦进行开挖的过程中，主要采用方式是延时的爆破网络。周边的预裂孔位及主要爆破孔位使用不同等级的导爆雷管进行引爆，孔洞内部使用高等级的导爆雷管进行引爆，两个孔洞之间则使用低等级的导爆雷管进行串联方式的引爆[8]。
2.3 边坡支护技术
边坡支护技术主要是爆破结束之后，为保证接下来的开采更加稳定安全，主动改变周围岩壁产生的力度及土地力学产生的性能，让挖掘过程中所产生的力可以按照事先预计的去发展，尽量做到不影响周围其他环境和土壤，避免坎肩及护坦的内部结构发生变形或者是碎裂的状况，减少二次支护产生的额外费用[9]。在确保整体结构稳定的基础上，采用构架式结构、三轴搅拌桩和隔离墙3 种主动预支护技术。在实施边坡支护技术前，必须先对边坡面上方松动的石块加以处理，同时，为提高边坡工程的安全性，支护技术也必须和施工技术同步进行，即对每一级进行施工后，要及时对其进行保护施工。边坡支护技术主要涉及挂网喷混凝土、水泥锚杆、排水通道等。挂网操作必须通过人力来完成，混凝土的喷洒必须通过型号为JET-100 的喷射泵完成，锚索必须通过手风动凿岩机来完成造孔，造孔完成后对锚杆进行安插[10]。
为了测试此次提出的基础开挖技术是否可以有效地对水电站左坎肩及护坦进行更好的挖掘与加固，在实验平台上构建模拟水电站的左坎肩与护坦，分别使用传统和全新两种不同的开挖技术进行施工，从而找出更加稳定的施工技术。为使测试的结果变得更加准确且有效，需要使用两种不同技术分别进行10 次对比实验，具体对比结果如表2 所示。
表2 左坎肩与护坦水平位移对比结果
由表2 可以明显看出，使用传统技术进行基础开挖时，左坎肩与护坦发生水平位移的平均值为6.43 mm，而使用全新技术进行基础开挖时，左坎肩与护坦发生水平位移的平均值为4.00 mm。全新开挖技术可以有效改善左坎肩与护坦发生水平位移的情况。为了进一步证明测试结果，在进行了水平位移测试后，还需要对不同挖掘深度下开挖的平整度再次测试，结果如图1 所示。
图1 不同开挖技术平整度对比结果
由图1 可以看出，使用传统技术和全新技术进行基础开挖的过程中，当挖掘深度为100 m 时，左坎肩与护坦开挖平整度分别为50和15 cm。根据有关规定，基础开挖的平整度需要始终维持在20 cm以下，由此可以看出，全新技术可以完成相关的施工规定，具有可行性，在实际应用方面更具有优越性和应用价值。
此次在分析传统的左坎肩及护坦基础开挖技术存在的问题基础上，有针对性地解决了施工及质量控制的问题，为后续其他建筑工程或其他位置建设提供了解决问题的依据。但此次提供的方法在某些程度上还不够全面，今后还可以通过对混凝土进行温度控制，配比出更加合适的施工材料，使水电站在建设完成后变得更加稳定与安全。
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