天花板拱壩左岸壩肩窯洞式開挖設計及研究

李賀林，王毅鳴，林健勇

（中國水電顧問集團北京勘測設計研究院，北京 100024）

1 工程概況

天花板水電站位于云南省昭通市境內的金沙江右岸一級支流牛欄江下游河段上，電站總裝機容量為180 MW，為三等中型工程。樞紐工程的主要建筑物由碾壓混凝土雙曲拱壩、引水發電隧洞和地面式廠房等組成。碾壓混凝土雙曲拱壩，壩頂高程1 076.80 m，最大壩高107 m，壩頂弧長159.87 m，拱冠壩頂寬度6 m，拱冠梁底厚度22.64 m，拱端最大厚度24.09 m，厚高比0.212。

2 壩址區地形地質條件

2.1 地形條件

天花板水電站壩址河谷為典型的峽谷河段，兩岸地形陡峻，岸坡平均坡度在60°～80°，河谷整體斷面為 “V”形，基本對稱，河床高程為989～991 m，河床寬30～40 m，河谷底寬約60 m。水庫正常蓄水位1 071 m處寬110 m，河谷寬高比為1.34左右。

2.2 左岸壩基地質條件

左岸巖性為東龍潭組中厚～厚層富藻粉晶白云巖，厚層狀結構，弱～微風化，層理不發育，層理產狀為走向 NE40°～60°， 傾向 SE， 傾角 10°～18°， 中硬巖，巖質較堅硬，單軸飽和抗壓強度40～60 MPa，為中硬巖，大部分巖體完整或較完整。受結構面切割及影響，不同高程壩基巖體存在差異，經綜合分析判定：高程1 077～1 021 m、1 017～993 m主要為Ⅱ類巖體；1 021～1 007 m高程Ⅱ類巖體占88%，Ⅲ1類巖體占12%；993～979 m高程Ⅱ類巖體占67%，Ⅲ1類巖體占33%。Ⅱ類巖體縱波波速Vp5 000～5 500 m/s，局部受爆破影響波速Vp3 500～4 000 m/s，Ⅲ1類巖體縱波波速Vp3 200～4 000 m/s。

左岸邊坡受f14等緩傾角結構面切穿了L15、L16等NW向長大裂隙，形成了不利于穩定的塊體，壩肩巖體結構相對不完整。拱壩軸向力作用方向近垂直于L15、L16等結構面，以上結構面及其組合對壩肩巖體的變形及巖體穩定均有一定的影響。

3 壩肩開挖方案研究

3.1 拱壩壩肩開挖形式一般概況

天花板水電站壩肩開挖設計過程中，對兩岸壩肩地形地質條件進行了分析，在總結國內外拱壩壩肩開挖型式經驗的基礎上，主要研究了開槽明挖和窯洞式開挖兩種形式。

開槽明挖是工程邊坡開挖的常見形式。一般邊坡開挖范圍相對較大、邊坡高度高、開挖和支護工程量大、施工工期長及投資多，對拱壩而言，下游側巖體做為壩肩持力體，明挖會影響壩肩穩定。

窯洞作為地下建筑物的一種，在工民建、公路等土木工程領域應用較廣泛。在水電工程中，在地形地質條件滿足要求的條件下，水工建筑物設計也考慮利用部分窯洞來進行建筑物的布置，如龍羊峽水電站的水電站安裝間就是布置在左岸山體窯洞內，還有一些電站廠房就布置設計成窯洞式電站地下廠房。

拱壩一般建在河谷狹窄、邊坡陡峻、地質條件較好的壩址區，在巖體的強度、構造等滿足要求的條件下，具有窯洞式開挖的條件。拱壩窯洞式開挖是指在拱壩壩肩、壩頂高程位置的高陡邊坡上預先設置施工洞，再利用施工洞按壩肩體形輪廓從施工洞內向下分層開挖形成拱壩壩基面的開挖形式。該種開挖形式主要開挖壩體輪廓范圍內的巖體，開挖范圍相對較小，從而降低了支護工作量和施工難度、減少了邊坡開挖范圍和高度，同時施工洞也可作為交通洞永久保留，不會造成浪費。對于拱壩壩型，該開挖形式對壩肩穩定也較為有利。天花板水電站左壩肩最終采取窯洞式開挖形式，示意見圖1。

3.2 左壩肩開挖方式研究

3.2.1 地形地質條件分析

從左岸壩肩地形地質條件分析，上游側地形高陡，且壩肩嵌入山體位置較深，下游側呈倒喇叭形，山體相對單薄，下游側壩肩嵌深較淺，而下游側巖體做為壩肩持力體，應考慮盡可能的減少開挖，對壩肩穩定有利。由于壩肩巖石以粉晶白云巖為主，巖石風化程度淺，拱肩槽巖體除了1 021 m高程左右受L13裂隙影響局部發育Ⅲ1類巖體外，基本都是Ⅱ類巖體；建基面巖層層面產狀平緩、層間結合較好，主要結構面及巖層層面對施工期邊坡穩定基本不會造成影響，基本滿足邊坡穩定的要求。若采用開槽明挖方式，勢必造成壩頂以上邊坡開挖范圍擴大、邊坡高度增大、而左岸壩頂高程以上無條件布置機械施工道路，僅能采取人工開挖的方式，施工作業面狹窄、開挖難度大、工程安全隱患增多、開挖和支護工程量增大、投資增多且對壩肩穩定不利。總之，左岸巖體條件基本滿足窯洞式開挖的條件，且可以減少明挖等一些不利因素。

圖1 天花板水電站左壩肩窯洞式開挖形式示意 （單位：m）

3.2.2 拱壩體形分析

從拱壩體形分析，拱壩體形設計的壩體厚高比為0.212，屬較薄拱壩，壩體斷面較小，上部開挖寬度僅8 m，底部最大開挖寬度約為26 m；壩肩上部及上游側嵌深較大，下部及下游側嵌深較小；上下游側開挖面較平順、曲率較小，適合自上而下進行窯洞式開挖。

3.2.3 壩肩工作條件分析

拱壩拱座開挖一般要求開挖成徑向，以利于壩肩的應力和穩定，開挖深度要與壩肩地形地質條件相適應，滿足壩肩30°傳力要求和壩肩的 “肩寬”要求。所謂30°傳力要求就是拱圈內弧面與該高程可利用巖體等高線間的夾角宜大于等于30°，使拱壩推力在基礎巖體中安全擴散傳遞，以求得穩定和較好的工作條件。所謂壩肩 “肩寬”要求是指拱端下游側要有一定厚度，由于拱壩受力后拱端下游是應力最大部位，如果厚度很小或沒有，則拱端下游附件巖體容易發生較大面積的屈服，惡化壩肩工作條件甚至難以正常運行。

天花板水電站左岸壩肩地形呈倒喇叭口形，壩肩巖體相對單薄，采取窯洞式開挖，可較多保留拱端下游側巖體，在盡可能較少壩端開挖深度的同時，能滿足壩肩30°傳力要求和壩肩的 “肩寬”要求，獲得較好的壩肩工作條件。

3.2.4 開挖體形分析

進行開挖設計時，可根據上下游開挖面的地質條件特點區別對待：由于巖層層面傾向上游，有利于上游側邊坡的穩定，設計為上游側開挖面全部為倒懸，且倒懸度總體稍大，最大倒懸度為1∶0.4；下游側開挖面基本為倒懸，考慮巖層層面對臨時邊坡穩定的影響，控制其倒懸度最大不超過1∶0.15。經計算分析，按此方式開挖，加之及時跟進的支護措施，可保證基坑內上下游邊坡的穩定和安全。

3.2.5 左壩肩兩種開挖方式工程量、投資對比分析

（1）開挖邊坡范圍、高度參數分析。開槽明挖和窯洞式開挖壩頂以上邊坡坡高、邊坡長度范圍、邊坡形式分別為130、80 m、超高邊坡，63、48 m、高邊坡；開槽明挖和窯洞式開挖壩頂以下邊坡坡高、邊坡長度范圍、邊坡形式分別為107、180 m、正坡，107、61 m、倒懸式。由此可見，窯洞式開挖邊坡坡高和范圍較開槽明挖形式小很多，且邊坡規模較低，對環境保護有利。

（2）開挖工程量、投資分析。左壩肩采用開槽明挖型式，土石方明挖工程量為16.1萬m3，噴混凝土1 460 m3，掛鋼筋網36.2 t，錨桿1 050根，錨索118束；采用窯洞式開挖土石方明挖工程量4.9萬m3，噴混凝土 450 m3，掛鋼筋網 11.6 t，錨桿 335根，錨索28束。窯洞式開挖及支護工程量明顯較少，節省直接投資約480萬元。

3.2.6 開挖施工難度分析

天花板水電站左岸采用窯洞式開挖，右岸采用開槽明挖，在施工過程中，施工單位最先開始右岸的開挖，滯后數月才開始左岸的開挖，最終還是左岸開挖順利并提前完成，且滿足壩體混凝土澆筑條件。另外在施工過程中右岸開挖經常出現突發情況，需要進一步加大噴錨支護或錨索支護，實踐證明，右岸開槽明挖的施工難度較大。而窯洞式開挖開挖工程量較小，該方法在進行壩頂以上上游側邊坡開挖支護的同時，利用壩肩的先期開挖的施工洞進行壩頂以下拱肩槽的開挖支護工作，可進行交叉作業，降低了開挖支護難度，又大大節省了施工工期。

綜合以上分析，天花板水電站左岸壩肩采用了窯洞式開挖，利用左岸壩頂交通洞兼灌漿洞進行壩頂以下壩肩開挖，開挖型式根據上下游開挖面的地形地質條件區別對待，同時根據揭示的地質情況不斷對爆破參數和支護參數進行調整，采用自上而下、邊坡預裂、小梯段臺階爆破、邊開挖邊支護、支護與開挖同步進行的施工方法，同時加強施工期邊坡巡視及監測，隨時反饋施工信息，整個開挖工作進展順利，實現了設計的開挖方案。

4 結語

通過對天花板水電站左岸壩肩窯洞式開挖的設計和研究，主要有以下幾點體會：

（1）拱壩壩肩的開挖深度設計與拱壩的穩定、壩體應力密切相關，需要綜合分析研究確定。從設計理念的原則分析，確定開挖深度以后，減少壩肩的開挖范圍和開挖量，有利于拱壩壩體應力和拱壩壩肩的穩定，壩基窯洞式開挖方式的實踐是拱壩基礎處理和壩肩邊坡穩定的要求與拱壩壩體體形和地形地質條件的巧妙結合，促成了拱壩整體建設的完美和順利。天花板水電站不論是左岸的窯洞式開挖，還是右岸的槽挖都努力減少壩肩的開挖范圍及壩肩卸荷松動，從而使高陡地形的開挖得以順利進行。

（2）采用窯洞式開挖，必須掌握壩肩地形地質條件、巖層產狀、斷層或裂隙的構造，分析巖體裂隙、構造對開挖邊坡整體穩定的影響，同時在施工過程中根據揭示的地質情況及時對表面的不穩定塊體進行支護，確保開挖安全。

（3）拱壩壩肩采用窯洞式開挖與開槽明挖相比較，可減小拱壩壩肩邊坡的開挖高度和范圍，降低工程邊坡安全風險，減少工程量、節省投資、縮短工期、有利壩肩穩定，具有較好的綜合經濟和社會效益，值得在高山峽谷地形水電站設計中借鑒推廣。

（4）窯洞式開挖施工過程中，必須嚴格控制爆破參數，精細開挖，及時支護，同時注重開挖窯洞洞臉一定范圍外的邊坡支護，避免巖體構造裂隙影響邊坡和洞臉的穩定。天花板拱壩窯洞式開挖能夠成功實施，與施工單位水電十四局精細開挖、及時施工支護是密不可分的。