不良地質條件下石壩趾板基礎開挖施工技術分析

(水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

阿爾塔什水利樞紐工程位于新疆葉爾羌河干流，是一座具有防洪、灌溉、發電及生態環境條件等綜合功能的大(1)型水利樞紐工程。阿爾塔什水利樞紐總庫容為22.49億m3，設計電站裝機容量可以達到755MW。該水利樞紐工程攔河壩設計采用混凝土面板砂礫堆石壩，壩高和壩長分別為164.8m、795m，石壩壩頂寬度為12m。石壩壩趾基礎開挖長度為1082.88m，寬度為8.0～10.0m，開挖邊坡比控制在1∶0.35。地質勘查得到，石壩壩趾基礎巖層巖性較軟，節理裂隙較為發育，巖石破碎程度較高，基礎開挖成形難度非常大。降低地質及技術超挖風險，對高效率完成石壩壩趾開挖施工具有重要意義。

2 工程地質條件

阿爾塔什水利樞紐攔河壩右岸趾板沿線基礎巖石呈裸露狀態，巖性主要為厚白云灰巖和灰巖交互層，巖層產狀為353°SW∠70°。右岸裸露巖石風化程度比較嚴重，強風化層和弱風化層厚度分別為2～3m、15m。風化剝蝕巖層破碎帶寬度在1.0～5.0m，巖石主要為角礫巖和膠結糜棱巖。右岸壩趾以上岸坡坡度較陡，邊坡巖體較為穩定，但巖體中有卸荷裂隙，層面及其他結構面穿插組合發育，導致右岸壩趾以上岸坡形成多個不穩定巖體。左岸基巖大部分也呈裸露狀態，巖性為中厚層灰巖、薄層灰巖、泥灰巖等，并有順向河流斷層F16出露，斷層間充填有破碎帶巖石。F16斷層出露高程在1668.8m，沿斷層帶有繞壩滲漏威脅。左岸高程1830m和1820m兩處分布有滑坡體，但其規模較小，壩趾開挖施工中需要提前做好預防處理。

3 壩址基礎開挖施工難點

結合地質勘察結果以及基礎開挖施工設計方案，本次壩趾基礎開挖施工難點主要有三個方面：一是基礎開挖后難成形，石壩基礎巖性較弱，風化程度較高，破碎程度高，承載能力不佳。同時，巖體中有斷層、裂隙發育，施工中容易出現卡鉆、漏氣等情況，影響基礎爆破開挖效果。二是施工道路不易布置，左右岸邊坡高度分別為410m、600m，自然坡度均超過60°，局部坡度接近90°。施工中須在高邊坡上修建施工道路，以滿足機械設備通行需求。三是高邊坡安全隱患較大，右岸邊坡基巖裸露風化嚴重，巖性差，遇水容易出現軟化和崩解情況。歷年地質氣象資料顯示，施工月中降雪可能性非常大，可能導致邊坡淺層巖體軟化崩解，出現落石、掉塊情況，對下部施工安全造成影響。

4 趾板基礎開挖施工技術

4.1 施工布置

施工布置除正常施工準備作業之外，重點在于施工道路布置以及高邊坡安全防護。在兩岸自下而上修建一條“之”字形道路，道路長度400m左右，寬度控制在4.0～4.5m，縱坡為30°～40°。右岸道路修建過程中可充分利用岸坡2-2號交通洞。對于不滿足道路寬度的地段，需要在外側安置豎向錨桿+碼砌鋼筋石籠，內側采用安設錨桿+填塊石渣料方式進行處理[1-3]。高坡防護主要通過設置被動防護網，以邊坡坡形為基礎，分別在邊坡高程2060m、1940m、1760～1850m處設置三道被動防護網，防護網選用RXI-100，預防出現高空落石情況。

4.2 爆破施工設計

為有效控制爆炸效果，減少不必要的巖體擾動破壞，設計對壩趾基礎面和邊坡采用不同的爆破形式。基礎面采用深淺孔爆破，邊坡選擇預裂爆破形式。

a.裝藥結構及參數。根據爆破需要，壩趾爆破梯段高度設置為13m。爆破開挖采用松動爆破形式，可有效控制爆破產生的拋石和飛石[4-5]。主爆孔裝藥結構采用連續裝藥方式，炸藥選用2號巖石乳化炸藥，孔徑80mm，孔深14.1m，間排距分別為3.24m、2.82m，藥卷直徑和裝藥長度分別為80mm、9.16～10.03m，主爆孔堵塞長度控制在5.03～4.16m，裝藥結構如圖1(a)所示。同時，裝藥量需要根據巖石強度進行調整，強風化巖石強度較低，其梯段裝藥單耗控制在0.30～0.40kg/m3，其他強度較高巖石炸藥單耗控制在0.42～0.46kg/m3。

邊坡預裂孔裝藥結構采用間隔裝藥方式，梯段高度設置為14.19m。炸藥同樣選用2號巖石乳化炸藥，孔徑80mm，孔深15m，間距為0.8m，藥卷直徑和線裝藥長度分別為32mm、177.95g/m，裝藥結構如圖1(b)所示。預裂孔起爆選擇導爆索聯合藥卷起爆方式，用竹片將藥卷及導爆索送入爆孔中心，實行分段并聯起爆。坡角等關鍵部位預裂面采用孔底加強裝藥方式，加強裝藥藥卷直徑和線裝藥密度分別為80mm、355.9～533.85g/m，以有效避免特殊部位出現欠挖的情況。

圖1 不同爆炸孔裝藥結構示意圖(單位：m)

b.起爆網絡。主爆孔之間傳爆采用導爆索，引爆采用電雷管。起爆網絡采用矩形布孔方式，“V”形微差起爆，采用MS3～MS9段非電毫秒延期起爆，起爆網絡如圖2所示。為確保預裂爆炸效果，預裂孔應在第一排主爆孔引爆前起爆，超前起爆時間控制在85～100ms[6]。臨邊主爆孔首先起爆，并依次向坡角方向進行起爆，緩沖孔最后起爆。

圖2 壩趾基礎開挖起爆網絡示意圖(單位：m)

4.3 爆破開挖施工

結合大壩岸坡地質條件及施工交通情況，對兩岸壩坡采用不同的開挖方式。左岸壩坡整體穩定性較好，采取自下而上一次開挖成形的方式。右岸危險巖體較多且下部大壩填筑分區，右岸壩趾基礎開挖采用分區開挖方式，施工開挖區域分別為趾0+694.000～趾0+820.000段和趾0+820.000～趾1+052.000。具體施工過程中，如果壩趾邊坡高度超過15m，采用平行于馬道15m方式分層開挖。壩址高度不超過15m時，采用一次開挖成形的方式施工，壩趾開挖分層方式如圖3所示。同時，為減少基礎面開挖爆破施工對壩趾基礎面的擾動，開挖基礎底部時須預留2.5m巖石保護層。大面開挖結束后，預留保護層采用手持風鉆鉆孔，減少爆破裝藥量爆破，并用液壓破碎錘輔助開挖剩余部分[7]。壩趾基礎石方爆破之后，運用液壓反鏟施工出一機械操作平臺，按照自下而上方式進行分層開挖，由內向外甩料倒運到可裝卸區域，直至松散渣料全部清除。

圖3 石壩趾板開挖分層示意圖(單位：m)

5 施工注意事項

a.大壩兩岸邊坡高度均較大，且有斷層、裂隙等地質構造分布，邊坡穩定性較差。邊坡開挖過程會造成巖體減載，引起巖體載荷的重新分布調整，會對整體邊坡穩定性造成影響。因此，需要在斷層和破碎帶附近埋設鋼筋觀測點，對邊坡穩定性情況進行監測。一般情況下，埋設初期每3天觀測一次，如果變形較為穩定，則可適當延長觀測周期，但爆破施工前后必須進行觀測，分析前后數據變化情況。如若觀測有特殊情況出現，則需進行復測或增加觀測頻率，確保兩岸邊坡始終處于受控狀態。

b.斷層及破碎帶巖石強度比較低，基礎承載能力較差，如不進行處理則會對后期澆筑混凝土造成影響，出現基礎混凝土不均勻沉陷、趾板混凝土開裂，甚至造成大壩滲漏和管涌的情況出現。對于壩趾基礎斷層及其破碎帶須進行加固處理，處理方式選用加密固結灌漿和混凝土塞置換方式。壩趾基礎斷層寬度不超過30cm的，采用加密固結灌漿進行處理，寬度超過30cm則采用混凝土塞置換。混凝土塞置換處理中，其上、下游置換長度一般為1.0m、4.0m。

6 工程實施效果

阿爾塔什水利樞紐工程攔河壩壩址基礎巖性較差，風化程度高，巖體中斷層、裂隙較為發育，巖石破碎程度較高，壩趾基礎開挖成形難度非常大。同時，大壩兩岸邊坡坡度較高，道路布置難度大，高邊坡安全隱患高，需要結合地形條件，確定合理的基礎開挖方案。在工程施工過程中，壩趾開挖通過做好施工布置、合理設定爆破參數及開挖施工方式，有效保證了趾板開挖施工的有效進行。同時，通過綜合采取一系列措施，最大限度地降低了地質和基礎超挖的風險，阿爾塔什水利樞紐石壩趾板基礎開挖高效完成，基礎開挖質量高、成形好，相較設定工期提前10天完成。

7 結 語

阿爾塔什水利樞紐工程攔河壩采用混凝土面板砂礫堆石壩，石壩壩趾基礎巖性軟、破碎程度高，基礎開挖成形和工程施工難度均較大。對于此類高邊坡、軟基礎的開挖工程，一是要充分結合地形和地質條件，合理布置施工道路，同時做好高邊坡安全防護工作。二是合理設定爆破施工工藝，優化裝藥結構及參數，對不同地質條件基礎采取分區爆破方式，各區域均設計對應的爆破參數，最大程度控制爆破效果。三是對于斷層、巖層破碎程度高等特殊區域須采取針對性的解決措施，斷層附近設置鋼筋觀測點，保證兩岸邊坡穩定；同時，運用加密固結灌漿和混凝土塞置換方式對基礎巖層進行加固，提升基礎巖層承載能力。