瀑布溝水電站加里俄呷石料場施工布置與開采

梁日新,張 偉

(武警水電第一總隊 四支隊,廣西 南寧 530222)

1 前 言

瀑布溝水電站大壩為礫石土心墻堆石壩,最大壩高 186m,壩頂高程 856.00m,壩體建基面高程670.00m,壩頂長 540m,頂寬 14m,壩體最大底寬780m。壩體填筑總量 2000.32萬 m3,其中壩體上游側堆石料和過渡料總量為 730.93萬 m3、下游側堆石料和過渡料總量為 754.18萬 m3。壩體石料填筑規劃 2個石料場,即大壩上游側的加里俄呷石料場和下游側的卡爾溝石料場。加里俄呷石料場主要為壩體上游側填筑提供過渡料、堆石料和護坡的塊石料。加里俄呷石料場位于壩址左岸上游約 4km處,沿大渡河流向自上游羅多溝至下游腳落溝,長700m,高程自880～110m,總體坡高 230m,坡度上緩下陡。1000m高程以上坡度約 35°,為崩坡積之碎塊石、耕植土與覆蓋層;1000m高程以下為 50°～55°的陡坡,920m高程以下為 70°～85°的陡坡,巖石巖性為中粗花崗石,其間有輝綠巖脈及斷層破碎帶分布。

2 石料場復查

料場開采前對料場進行了復查,為料場的開采提供依據和參數。

2.1 復查內容

重點復查了料場石料的巖性、斷層與構造裂隙、強風化層厚度、風化夾層分布及無用料剝離層厚度、可用料的儲量與質量。

2.2 復查方法

復查范圍為樁號 0+200～0+720m、高程 880m～1110m的區域,斜面面積 25萬 m2。在復查區每40m布設一個斷面,共完成 14個斷面、84個地質點。復查采用斷面法布點測繪,采用挖坑、鉆探取芯,同時充分利用主干道路開挖等的典型露頭點,對土石界面、巖石強風化帶下限界面、風化夾層、輝綠巖脈(斷層)、節理裂隙帶、深風化槽進行定點測量,以揭示強風化石料的下限界線。下限界線以上石料為無用石料,下限界線以下石料為可開采上壩石料。由料場復查取點數據計算出料場覆蓋層和無用石料的平均厚度為 15.6m。

2.3 料場基本地質條件

2.3.1 地層特性

料場石料系澄江期基性巖,巖性為花崗巖,中、粗粒結構,塊狀、次塊狀構造。花崗巖體中分布有輝綠巖脈,厚度不等,一般是 0.3～0.6m,最大約2.0m,多呈分支狀穿插在花崗巖體中。花崗巖石質堅硬,巖性單一,分布連續成片,有利開采;中粗粒花崗巖較易破碎,有利于保障堆石壩的壓實密度。

2.3.2 地質結構

經復查,石料場無較大的斷層,區內有 9條輝綠巖脈(斷層)和次級小斷層破碎帶。巖脈(斷層)為片狀、千枚狀、鱗片狀及支狀構造巖。部分巖脈(斷層)兩側可見不連續的斷層泥膜,巖脈(斷層)、次級小斷層帶性質差,不能滿足大壩填筑的要求,在料場開采過程中應予以剝除,經挑揀后作為棄料運走。

2.3.3 巖體物理力學性質

料場復查揭示,料場巖石以弱、微風化為主。在現場取不同部位的強風化、弱風化、微風化的花崗巖石 3組,經復查試驗表明,花崗巖的干密度為 2.62～2.87g/cm3,吸水率一般在 0.2～0.4之間,屬低吸水率,不含親水礦物的巖石。弱風化花崗巖石的干抗壓強度平均值為 136.3MPa、濕抗壓強度平均值為 129.1MPa,微風化花崗巖石的干抗壓強度平均值為 178.1MPa、濕抗壓強度平均值為 166.9MPa。均滿足設計要求的過渡料、堆石料和塊石料的力學指標要求(濕抗壓強度大于 50MPa)。

2.4 石料場儲量

本次復查采用平行斷面計算無用料和有用料的儲量,從樁號 0+200～0+840m、高程 880～1100m的區域,按每 40m布設一個斷面,共計 14個斷面。根據地形圖和實測地質界線點,在平面上圈定覆蓋層及強風化層(帶)下限界線,采用切圖法和實測斷面相結合,在剖面上分別繪制覆蓋層、強風化帶的下限界線進行儲量計算。

2.4.1 無用料剝離量

無用料包括覆蓋層和無用石料(強風化下限線以上巖石)。覆蓋層和強風化層(帶)的平均厚度為15.6m,依據斷面計算出其工程量為 289.7萬 m3。經業主、設計、監理、施工四方共同進行的現場多次無用、有用料界定資料的計算,實際開挖的無用料為339.7萬 m3。

2.4.2 有用料儲量

開挖方案:開挖開口線最大高程為 1110m,終采平臺高程為 890m,開挖最大高差 220m。料場開挖邊坡坡比為:土質邊坡 1∶1.5,土夾石邊坡 1∶0.7～1∶1,巖石邊坡坡比在1040m高程以上區域為 1∶0.5,1040m高程以下區域為 1∶0.3,開采臺階高度15m,每 15m高布置一道 2.0m寬馬道,每 45m高(3個臺階)布置一道 5m寬馬道,作為支護平臺。終采平臺高程為 890m,斷面間距為 20m,計算出有用料開采工程量為 918.7萬 m3。壩體上游側填筑總量為 684.62(746.23/1.09)萬 m3,儲量與設計量比值為918.7/684.62=1.34。

3 石料場施工布置

3.1 料場開挖施工的主要特點

3.1.1 施工安全問題突出

加里俄呷料場開采邊線的上方、下游方都有居民居住,特別是下游方,居民住房緊靠開挖邊線,石方爆破飛石對當地居民和住房將造成很大的安全隱患;料場的下方邊坡坡腳就是左高線公路(省道S306線),再往下是低線公路,這兩條公路都是交通要道。而料場左高線公路一側的邊坡坡度很陡,石方爆破、石料挖裝時石塊十分容易飛落或滾落到左高線公路和左低線公路上,給公路交通造成很大的安全隱患。料場下游段的下方還有一個施工生產用水水廠。220m高的高邊坡開挖施工,邊坡掉石時有發生。

因此,加里俄呷料場施工的安全問題非常突出,須采取有力的措施才能確保料場施工的正常進行及左高、低線公路的交通安全、暢通。

3.1.2 料場內施工道路布置困難

料場內施工道路起點只能布置在左高線公路上,而料場左高線公路一側的邊坡坡度非常陡,開挖高差又大,又要考慮開挖施工時對省道 S306線的影響,故施工道路布置顯得十分困難。

3.1.3 交通干擾問題突出

左高線公路(省道 S306線)是一條重要的運輸道路,車輛多、交通繁忙。料場開采高峰期間石料運輸車輛達 120臺以上,高峰時段又長,左高線公路路面寬只有 9m,因此地方車輛與石料運輸車輛之間的交通干擾問題突出。

3.1.4 石料開采強度高

大壩高峰填筑強度為 120萬 m3以上,相對應的加里俄呷料場石料開采強度達到 48.9萬 m3/月,運距又遠(最大運距為 8 km),這樣大的開采強度,須合理布置開采工作面和采取配套機械化施工,才能滿足高強度要求。

3.2 料場開挖施工布置

根據料場開挖施工的主要特點,在施工過程中對料場施工道路和開采工作面側重進行了布置。

3.2.1 料場施工道路布置

綜合考慮料場的地形地貌、左高線公路、周圍建筑物、料場開采高峰強度等因素,料場開挖時布置了2條主干道路(L1、L2),走向基本與高線公路平行,其特性見表1。

表1 料場施工主干道路特性 m

主干道路 L1先修建,主要采用拉槽擴挖、外側預留巖埂(最高達 30m)的方式進行修建;起爆方向平行左高線公路,修建過程中大大減少渣土掉落到左高低線公路上,確保了左高、低線公路的暢通。左高線公路采取 1m厚的細石土砂礫石土保護混凝土路面,外側采用鋼筋石籠作擋墻,預留巖埂的路段寬度一般超過 15m。后來的爆破開挖、石料運輸證明:預留的巖埂對減少爆破石塊滾落到左高低線公路上、保護混凝土路面不受損壞、保障公路交通暢通和石料運輸車輛的安全起到了極其重要的作用。對于無法預留巖埂的路段采取錨桿混凝土路墩、大塊石擋墻的安全防護;高度超 20m的路段邊坡還采用預裂爆破方法開挖,盡量減少爆破對道路邊坡巖石的破壞和擾動,大大保障了施工人員和設備的安全。

2006年 4月底,主干道路 L1全部修建完成,歷時 13個月。隨著無用石料的剝離和有用石料開采平臺高程的降低,L1相應路段高程也相應降低。開采平臺的內側石料時 L1道路布置在平臺(寬 30～150m)的外側;開采平臺的外側石料時 L1道路布置在平臺的內側。總之,開采平臺上的 L1道路布置與石料開采工作面相應匹配,最大程度地保障了開采強度和道路順暢。

主干道路 L2后修建,主要目的是為了與 L1、左高線公路形成循環施工道路,減少運距和節省運輸成本。

為了徹底解決地方車輛與石料運輸車輛之間交通相互干擾的問題,在料場的下方修建了加里俄呷料場臨時交通洞,地方車輛改走臨時交通洞,與石料運輸車輛完全隔離,杜絕了了相互干擾,保障了石料開采的正常進行。

3.2.2 開采工作面布置

過渡料(最大粒徑 30cm)、堆石料(最大粒徑80cm)分區開采,過渡料開采布置在巖石節理、裂隙比較發育的區域,其他區域開采堆石料。在實際開采過程中按此要求開采過渡料和堆石料,取得了良好的爆破效果和經濟效益。

4 料場開挖

4.1 覆蓋層剝離和無用石料開挖

在頂部的覆蓋層剝離和無用石料開挖時,用反鏟在不同高程部位挖了多處 3m深的攔渣坎,有效地攔截了滾落的渣土,確保了施工人員、設備和左高、低線的交通安全。開口線部位在開挖前進行測量放線,力求開口線開挖面在同一斜面上,有利于施工開挖、支護和坡體穩定,開挖的坡面感觀也較好。

覆蓋層剝離和無用石料(強風化下限線以上巖石)開挖后,根據大壩填筑總體進度計劃開始進行石料的開采上壩。

4.2 料場開采爆破試驗

大壩填筑前進行了堆石料和過渡料開采的爆破試驗。石料開采爆破主要采取深孔梯段微差爆破,邊坡開挖采用預裂爆破,爆破試驗采用 2號巖石乳化炸藥(WL-2型)和 4號巖石粉狀銨油炸藥,兩種炸藥組合使用,非電毫秒延時排間或 V形起爆,起爆方向平行左高線公路。

對加里俄呷石料場 2006年 6～7月間在1055m高程平臺不同部位進行了 5次堆石料開采的爆破試驗和相對應的石料篩分,根據石料篩分數據繪制的石料級配曲線和設計的級配曲線相比較。經上報批復后堆石料開采選用的爆破參數見表2。

對加里俄呷石料場 2007年 1～4月間在1010m高程平臺不同部位進行了 5次過渡料開采的爆破試驗和相對應的石料篩分,根據石料篩分數據繪制的石料級配曲線和設計的級配曲線相比較。經上報批復后過渡料開采選用的爆破參數見表2。

表2 堆石料、過渡料開采爆破參數

4.3 料場石料開采

料場開采料直接上壩,不設中轉料場。

4.3.1 開采區域劃分

堆石料、過渡料開采量大、強度高且最大粒徑級配差別大,故采取分區開采;護坡塊石料在堆石料中挑選。

開采工作面布置:開采工作面的布置要適應高強度開采要求,擴大單次爆破規模,減少爆破次數。布置成規則的臺階狀和工作平臺,以利于作業面的布置。從平面上主要布置 3個開采工作面,先在料場中部拉槽爆破形成 3個開采工作面,然后再向兩端擴挖;從立面上分臺階布置,一般按兩個臺階同時布置工作面,高峰強度按三個臺階同時布置工作面,保證了石料開采各個工序能連續作業和開采強度。

4.3.2 石料開采施工程序

臺階法鉆孔爆破分層開采的施工程序:布孔→鉆孔→裝藥聯網、爆破→安全檢查→出渣。

4.3.3 石料開采施工方法

按批準的堆石料、過渡料開采爆破參數進行堆石料和過渡料的開采、上壩。

鉆孔:采用高風壓潛孔鉆機鉆主爆孔,預裂孔采用 100B型支架鉆機,坡角欠挖處采用手風鉆處理。

裝藥聯網起爆:人工裝藥聯網起爆。預裂孔采用 2號巖石乳化炸藥 φ32,雨季和巖體水量大時采用 2號巖石抗水乳化炸藥;對孔徑 φ90,相應炸藥直徑 φ70;對孔徑 φ110,相應炸藥直徑 φ90。旱季和炮孔無水時可采用 4號巖石銨梯粉狀炸藥。分段起爆藥量按招標文件和技術規范控制,梯段爆破最大一段起爆藥量不大于 500kg。

石料挖運:主要采用 5.8m3液壓正鏟和 3.8m3、2m3反鏟裝渣,石料運輸采用 32 t和 25 t自卸汽車。

施工過程中,根據巖石的裂隙、節理發育和風化程度(弱風化、微風化、新鮮)的不同,適當調整爆破參數,以取得良好的級配和節約成本。

4.4 石料開采進度和強度

根據壩體填筑進度計劃,料場開采進度計劃應與壩體上游側填筑進度計劃相匹配,并考慮雨季的影響,以及 2006年 6月份壩體的先期填筑。

4.4.1 料場石料開采進度

2006年 6月底前,料場 1055m高程平臺以上的無用石料開挖完成,形成比較規則的石料開采平臺,2006年 7月在完成堆石料開采的爆破試驗后開始壩體上游側堆石料的先期填筑。

2007年 4月完成過渡料開采的爆破試驗,5月開始壩體上游側過渡料的填筑施工(與心墻區黏土、反濾料填筑同步)。

大壩上游側填筑施工從 2006年 7月開始至今,堆石料與過渡料的開采進度完全滿足大壩施工總進度計劃要求,并且有一定的富余。

4.4.2 開采強度

在料場運輸道路、開采工作面布置合理和施工設備配置合理、數量充足的前提下,大壩上游側填筑施工從 2006年 7月開始至今,堆石料與過渡料的開采強度完全滿足和超過大壩填筑施工強度計劃要求,其中 2007年 11月、12月,石料開采量分別達到53.6萬 m3、54.7萬 m3,此外每月還向砂石料系統供應石料 5萬 m3;2008年 4～5月份,在滿足上游填筑強度的前提下,因下游料場開采強度不足還向壩體下游側提供了堆石料 20.6萬 m3。

截至 2008年 6月 20日,在加里俄呷料場開采堆石料和過渡料共計 523.9萬 m3,填筑到 765m高程,向砂石料系統供應石料 40萬 m3。

4.4.3 主要施工機械設備配置

料場開挖主要施工機械設備配置計劃見表3。

表3 石料開采主要施工機械設備

4.5 大壩填筑檢測結果

自填筑至今,在堆石料現場取樣 99組、過渡料現場取樣 506組,取樣主要參數試驗結果見表4和表5。統計的數據表明,填筑的堆石料和過渡料全部合格。

表4 堆石料取樣試驗結果(主要參數)

表5 過渡料取樣試驗結果(主要參數)

5 料場高邊坡支護與水土保持

5.1 高邊坡支護

加里俄呷塊石料場邊坡開挖最大高差現已達160m,形成了多級馬道。四川省成都理工大學地質災害與地質環境保護國家重點實驗室對開挖邊坡進行了穩定性分析。分析認為邊坡整體穩定,但因邊坡巖體風化、破碎、節理發育、輝綠巖脈多等的原因,存在局部失穩的可能,因此應對不同地質條件的開挖邊坡采用不同的支護方式。

土質邊坡支護形式:混凝土框格梁 +馬道上砌筑排水溝。

巖石邊坡支護形式:系統錨桿(錨筋束)+掛網噴射混凝土 +排水孔、隨機錨桿(錨筋束)+素噴混凝土 +排水孔、素噴混凝土 +排水孔、錨索 +掛網噴射混凝土 +排水孔等。

此外,為了便于監測高邊坡的變形情況,還在料場邊坡不同部位設置了 6個多點位移計(4點,孔深40m)。

邊坡支護完成后,多點位移計的監測數據表明:料場高邊坡穩定。汶川 5.12大地震后,多點位移計的監測數據表明:料場高邊坡穩定,大地震對邊坡穩定無大的影響。

5.2 水土保持

由于開挖邊坡支護及時、有效,至今沒有引發過泥石流、塌方等災害,有效地減少了水土流失的發生。

6 結論和建議

結論:(1)合理布置施工道路和開采工作面是料場石料開采的關鍵。(2)對高邊坡要及時支護才能確保施工安全和施工進度。

建議:料場開挖交通最好與地方交通相互隔離,一方面可以減少擾民,另一方面可以加快施工進度。