關(guān)于復(fù)雜地質(zhì)條件下的大壩開挖技術(shù)研究與運(yùn)用探討

摘要：作者參建了某境外水電站建設(shè)：水電站大壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程EL.153.0m，壩底設(shè)計(jì)高程EL.41.0m，最大壩高112.00m，最大開挖高度達(dá)180m，混凝土工程量從300萬(wàn)m3優(yōu)化到現(xiàn)在的170萬(wàn)m3。因地質(zhì)條件復(fù)雜：巖性為石英砂巖、細(xì)砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥巖且存在互層，壩址區(qū)巖層近水平，呈緩平的單斜構(gòu)造，巖石裂隙發(fā)育。因此，如何尋求一套實(shí)際可行的開挖技術(shù)來(lái)有效控制開挖質(zhì)量，滿足復(fù)雜的地質(zhì)條件下建設(shè)碾壓混凝土壩的壩基設(shè)計(jì)要求，是大壩開挖施工的難點(diǎn)也是要解決的關(guān)鍵問題。

關(guān)鍵詞：開挖技術(shù);復(fù)雜地質(zhì)條件分析;爆破試驗(yàn);預(yù)裂成型難點(diǎn)分析;大壩建基面開挖施工;壩基設(shè)計(jì)要求;難點(diǎn)關(guān)鍵問題分析。

一、工程概況

某境外水電站工程流域總面積822km2，河長(zhǎng)77km，河流平均比降約2%。壩址以上流域面積709km2，河長(zhǎng)68.6km。水電站總裝機(jī)容量為193.2MW，年平均發(fā)電量為4.98億KWh。水電站大壩樞紐工程主要建筑物由112m高碾壓混凝土重力壩、壩身5 孔泄水閘、PH3 引水建筑物、PH3 發(fā)電廠房和開關(guān)站等組成。水庫(kù)校核洪水位151.88m，設(shè)計(jì)洪水位150.00m，正常蓄水位150.00m，死水位130.00m，水庫(kù)總庫(kù)容7.173 億m3，死庫(kù)容3.542 億m3，正常蓄水位以下庫(kù)容6.813 億m3，有效庫(kù)容3.271億m3，庫(kù)容系數(shù)為19.9%，為完全年調(diào)節(jié)水庫(kù)。壩頂寬度6.0m，壩基最大寬度106m，最大開挖高度達(dá)180m，設(shè)計(jì)開挖量為98.6萬(wàn)方。大壩基建面平均坡度為1：1.447，最緩坡度為1：2.48，整個(gè)建基面除幾個(gè)水平設(shè)計(jì)平臺(tái)外，其余部位均呈喇叭型逐漸發(fā)散敞開，平臺(tái)之間無(wú)施工馬道，各開挖平臺(tái)之間平均高差為26.25m，最大高差為46m。

二、壩址地層巖性概況

壩址區(qū)廣泛分布第四系覆蓋層，基巖僅在河床及臨河床低高程岸坡零星出露，壩軸線下游約300m后至河流拐彎段的河床中基巖裸露。基巖主要為侏羅系中統(tǒng)（J2）～白堊系下統(tǒng)（K1）地層，巖性有石英砂巖、細(xì)砂巖及粉砂質(zhì)泥巖和泥巖。

根據(jù)勘探成果將地層和巖性分述如下：大壩兩岸地勢(shì)較為平緩，右岸平均坡度20°～25°，左岸EL.160m高程以下略陡于右岸，坡度約30°～38°。岸坡廣泛分布第四系覆蓋層，左岸殘坡積塊碎土厚度4m～9m，右岸殘坡積塊碎石土厚度9m～16m。基巖為侏羅系中統(tǒng)（J2）～白堊系下統(tǒng)（k1）地層，主要以石英砂巖、細(xì)砂巖為主，約占70%～80%，并伴有少量粉砂質(zhì)泥巖、泥巖等，局部有薄層狀石英砂巖與泥巖、泥巖與含礫細(xì)砂巖互層現(xiàn)象，巖層近于水平，總體走向NW290°～300°，傾向NE（左岸略偏上游），傾角3°～9°（平均5°）。巖體中主要發(fā)育層間緩傾角軟弱層帶，石英砂巖、細(xì)砂巖中發(fā)育陡傾角裂隙。

左右壩肩砂巖和粉砂質(zhì)泥巖互層則更為顯著，風(fēng)化帶內(nèi)砂巖裂隙發(fā)育完整并填充粘土，砂巖與粉砂質(zhì)泥巖、泥巖的接觸界面一般有一定厚度的泥化或軟化現(xiàn)象;粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)夾層厚度不均，一般厚度0.1m～0.5m，最小為0.01m～0.08m，較厚的也有0.5～0.8m的起伏差，最大可達(dá)12.7m，在壩址區(qū)鉆孔揭示的泥巖夾層數(shù)有13層之多。壩址區(qū)兩岸邊坡風(fēng)化帶巖體厚度大，微風(fēng)化巖體埋深大。左岸壩基EL.125m高程以上為巖體質(zhì)量較差的Ⅳ類巖體，EL.125m高程以下及右岸壩基巖體質(zhì)量為中等的Ⅲ類巖體。采用《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50287-99）壩基巖體工程地質(zhì)分類規(guī)定，對(duì)壩基巖體進(jìn)行分段工程地質(zhì)分類：

河床壩基基巖面分布高程為41.25～42.38m，巖性以細(xì)砂巖為主，巖體為中厚層狀結(jié)構(gòu)，基本無(wú)強(qiáng)風(fēng)化，弱風(fēng)化帶分布深度10～15m;巖體中發(fā)育北東東向和近南北向高傾角裂隙及近水平層面裂隙，結(jié)構(gòu)面中等發(fā)育。高程41.21～35.0m段巖體RQD值為78～85%，聲波縱波速一般為2721～4598m/s，平均值為3715m/s，巖體較完整，強(qiáng)度較高，為Ⅲ1類巖體。

左岸壩基41～125m高程，建基面巖石以石英砂巖、細(xì)砂巖為主，占87.2%，局部間夾有粉砂質(zhì)泥巖、泥巖夾層。僅在95.7～100.7m及41～48m高程分別有一層厚層粉砂質(zhì)泥巖，其余泥巖類夾層厚度一般為10～25cm。砂巖與粉砂質(zhì)泥巖、泥巖的接觸界面上，軟化、泥化程度較低，圍壓狀態(tài)下擠壓緊密。巖體中發(fā)育北東東向和近南北向高傾角裂隙及近水平層面裂隙，中等發(fā)育。RQD值一般為70～82%，聲波縱波速3000～4500m/s，平均值3600m/s，巖體較完整，強(qiáng)度較高，中厚層狀結(jié)構(gòu)為主，局部夾薄層狀，壩基總體屬Ⅲ2類巖體。高程41～48m及95.7～100.7m兩層泥巖類巖層作專門工程處理。左岸壩基125～154m高程，建基面巖石為細(xì)砂巖與粉砂質(zhì)泥巖或泥巖互層，細(xì)砂巖占54.2%，泥巖類占45.8%，泥巖類厚度1.00～6.00m，局部細(xì)砂巖中夾薄層泥巖5～20cm。兩組高傾角裂隙發(fā)育，RQD值一般大于60%，聲波縱波速一般為2800～3900m/s，平均值為3200m/s左右，巖體完整性相對(duì)較差，多呈互層、薄層～鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，壩基為整體質(zhì)量較差的Ⅳ1類巖體。

右岸壩基巖石以石英砂巖為主，細(xì)砂巖僅在靠近河床及壩頂附近有分布，泥巖類巖（夾）層較左岸少，僅占15.4%，在54～62m及101～105m高程分別為兩層粉砂質(zhì)泥巖，其余泥巖類夾層厚度為20～30cm。砂巖與粉砂質(zhì)泥巖或泥巖接觸界面上軟（泥）化程度較低，圍壓環(huán)境下擠壓較緊密;巖體中發(fā)育兩組高傾角裂隙和近水平層面裂隙，中等發(fā)育。RQD值一般為71～80%，聲波縱波速2500～4500m/s，平均為4000m/s左右，巖體較完整，中厚層狀結(jié)構(gòu)為主，局部夾薄層狀，壩基總體屬Ⅲ2類巖體。高程54～62m以及101～105m兩層泥巖類巖層作專門工程處理。

三、大壩壩肩開挖

目前國(guó)內(nèi)的大壩開挖經(jīng)驗(yàn)相當(dāng)豐富，而且預(yù)裂爆破和光面爆破的理論也極為成熟，但面對(duì)這個(gè)水電站特有的地質(zhì)條件，能否采用爆破作業(yè)來(lái)進(jìn)行有效的大壩開挖施工？為了確保開挖工程優(yōu)質(zhì)、安全、高效進(jìn)行，同時(shí)給鉆爆作業(yè)提供切實(shí)可行的爆破參數(shù)，在壩肩部位選擇適合場(chǎng)地先后進(jìn)行了五次爆破試驗(yàn)。

1、爆破試驗(yàn)

根據(jù)工程施工進(jìn)度及大壩左右壩肩所揭露的巖層情況，我們?cè)?008年1～3月份在左右壩肩不同高程進(jìn)行了前后5次開挖爆破作業(yè)生產(chǎn)性試驗(yàn)：

2、爆破工藝

3、預(yù)裂爆破相關(guān)參數(shù)的確定

3.1鉆孔設(shè)備選擇

由于受國(guó)外實(shí)際施工條件的制約，預(yù)裂孔只能選用CM-351高風(fēng)壓鉆機(jī)造孔;保護(hù)層及薄層開挖選用YT-28手風(fēng)鉆造孔。

3.2藥卷直徑的選擇

根據(jù)不偶合系數(shù)即鉆孔直徑與藥卷直徑之比一般取值范圍為2～5的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，藥卷直徑選擇為φ32mm，其不耦合系數(shù)為3.28。

3.3孔距的確定

預(yù)裂孔鉆孔間距和鉆孔直徑D有關(guān)，通常取=（8～12）D;n值過大，不能保證預(yù)裂縫的形成，影響預(yù)裂效果;邊坡預(yù)裂選擇a=800～1000mm，巖石較破碎時(shí)取小值。

3.4線裝藥密度的確定

工程地質(zhì)情況主要為砂巖，平均飽和、濕抗壓強(qiáng)度較大，線裝藥密度的計(jì)算：根據(jù)公式⊿線=0.042[σ壓]0.50.6 ;式中 ?⊿線—線裝藥密度（g/m）;[σ壓]—巖石抗壓強(qiáng)度（MPa）;——炮孔間距（m）;依據(jù)上式計(jì)算的結(jié)果，最終確定線裝藥密度為250～350g/m。巖石較軟弱部位取小值，巖石相對(duì)堅(jiān)硬部位取大值。

3.5裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

制作藥卷時(shí)，應(yīng)合理確定炮孔內(nèi)各不同深度處的裝藥量。由于孔底夾制作用大，為保證裂縫到底，要在孔底增加裝藥量：孔深大于10m 時(shí)，底部增加的藥量為線裝藥密度的3～5倍，把它們平均分?jǐn)傇诳椎?～2m的長(zhǎng)度上;5～10m孔深增加2～3倍;3～5m孔深增加1～2倍。堅(jiān)硬巖石取大值，軟弱巖石取小值。接近頂部堵塞段1m范圍的裝藥量約為計(jì)算的線裝藥量的1/2～1/3。炮孔中部的裝藥量采用計(jì)算的線裝藥量。

3.6堵塞長(zhǎng)度的確定

堵塞長(zhǎng)度按經(jīng)驗(yàn)公式L1=（0.7～1.0）W考慮，其中W為最小抵抗線。孔口堵塞長(zhǎng)度對(duì)預(yù)裂面的效果有一定影響，堵塞長(zhǎng)度過短則爆破時(shí)氣體逸出，不易形成預(yù)裂縫或預(yù)裂縫寬度不夠;堵塞長(zhǎng)度過長(zhǎng)，炮孔內(nèi)的氣體雖不沖出，盡管增強(qiáng)了氣體作用時(shí)間，但堵塞段有可能就產(chǎn)生不了裂縫或產(chǎn)生裂縫面的質(zhì)量很差，且爆后堵塞部分易形成較大塊石，影響出渣效率。綜合考慮決定建基面預(yù)裂孔堵塞長(zhǎng)度取70～120cm。

3.7爆破參數(shù)確定

根據(jù)5次鉆爆經(jīng)驗(yàn)和爆破試驗(yàn)驗(yàn)證，壩肩開挖施工預(yù)裂、淺孔爆破和手風(fēng)鉆光面爆破的相關(guān)參數(shù)如下：

4、爆破試驗(yàn)總結(jié)

通過5次爆破試驗(yàn)效果和兩岸邊坡批露的地質(zhì)狀況，并結(jié)合后來(lái)實(shí)際施工過程中的多次驗(yàn)證，經(jīng)過分析比較：

1、左右壩肩主要由砂巖膠結(jié)粘土而成，巖體層理發(fā)育，預(yù)裂基本無(wú)法成型，壩肩土石方的超欠挖很難控制;

2、對(duì)于左岸的地質(zhì)條件，炸藥單耗在實(shí)際施工中可調(diào)整為0.3～0.33kg/ m3;而右岸可調(diào)整至0.25～0.28kg/ m3。

3、預(yù)裂孔線裝藥密度控制在0.28～0.32kg/ m較為適宜。

4、設(shè)計(jì)明確要求在壩基區(qū)域內(nèi)盡量不要進(jìn)行爆破開挖以免擾動(dòng)基巖，盡量采取非爆破開挖方式進(jìn)行施工。由于巖層裂隙非常發(fā)育，傳統(tǒng)的預(yù)裂爆破不足以滿足開挖施工的設(shè)計(jì)需求，需采取其它開挖施工工藝。

5、預(yù)裂成型難點(diǎn)分析

左右壩肩砂巖和粉砂質(zhì)泥巖互層顯著，風(fēng)化帶內(nèi)砂巖裂隙發(fā)育完整并填充粘土，裸露巖體層理發(fā)育完整，每層厚度大約0.5m～1.0m，主要由砂巖膠結(jié)粘土成型。由于這些裂隙、節(jié)理、層面和斷層的存在，巖體被分割成許多大大小小的塊體，塊體與塊體間膠結(jié)粘土形成薄弱面。對(duì)于這種破碎的巖體，預(yù)裂面的平整度不由爆破參數(shù)決定，而由破碎面控制，甚至預(yù)裂面也不按設(shè)計(jì)坡面形成，而沿裂隙面或破碎面產(chǎn)生。

a、斷層和張裂隙的影響

斷層與張裂隙的存在削減了沖擊波的傳播作用，影響了爆炸產(chǎn)物的膨脹作用;爆炸氣體在巖體內(nèi)的作用時(shí)間縮短或過早逸出，降低爆炸效果，使得沖擊波和高壓氣體不能在孔壁兩側(cè)迭加或產(chǎn)生應(yīng)力集中，其爆破能量不足以拉斷巖體形成預(yù)裂面。

b、節(jié)理裂隙的影響

左右壩肩多為與預(yù)裂面垂直或斜交的裂隙，預(yù)裂爆破后，與預(yù)裂面垂直發(fā)育的裂隙往往構(gòu)成齒狀縫面，形成超欠挖;與預(yù)裂面斜交的裂隙，卻又易使預(yù)裂縫偏離中心線，順裂隙延伸一段距離后與另一孔連接起來(lái)，形成更為嚴(yán)重的超挖或欠挖，故在爆破施工中，常意外出現(xiàn)過大巖塊以及完全沿節(jié)理裂隙面形成的結(jié)構(gòu)面，而很少看到爆炸作用形成的新鮮斷裂面。

盡管對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)條件下壩基的預(yù)裂爆破，可以采用減小孔距、減少裝藥量，尤其是減少頂部裝藥量、改變堵塞條件等措施加以改善預(yù)裂效果，可是在實(shí)施生產(chǎn)中，這樣操作很不經(jīng)濟(jì)，甚至?xí)?yán)重影響工期，制約工程進(jìn)展，因而需采取其它開挖施工工藝。

四、大壩建基面開挖施工

前面所述，水電站這種特殊的復(fù)雜地質(zhì)條件下，傳統(tǒng)的預(yù)裂爆破不足以滿足壩基建基面開挖施工的設(shè)計(jì)需求，預(yù)裂效果收效甚微，必須要尋求一種新的施工方法才能有效的控制開挖質(zhì)量。

1、破碎錘的應(yīng)用

破碎錘目前作為一種非爆破開挖手段，在國(guó)內(nèi)外工程的使用上多作為一種的輔助性生產(chǎn)方式，目前我國(guó)在破碎錘的利用方面，大多在在市政的道路拆除、房建拆除上使用較多，在水電工程中應(yīng)用較少，國(guó)外研究資料表明，破碎錘在礦山、隧道工程中有廣泛的應(yīng)用前景。就本工程設(shè)計(jì)對(duì)壩基建基面保護(hù)層的開挖施工要求，通過對(duì)這種開挖技術(shù)進(jìn)行分析研究，采用破碎錘進(jìn)行保護(hù)層的開挖施工的應(yīng)用，將有利于工程的快速、有效地進(jìn)行。

2、沖擊錘生產(chǎn)性試驗(yàn)

根據(jù)大壩開挖巖石地質(zhì)條件，結(jié)合生產(chǎn)進(jìn)度和施工安排，生產(chǎn)性試驗(yàn)分兩期進(jìn)行，一期試驗(yàn)部位確定在6#、7#壩段EL41～EL50.5進(jìn)行：本部位開挖區(qū)域?qū)掗煟梢苑謮K進(jìn)行多組試驗(yàn)，且道路通車條件較好，人員、設(shè)備及材料等可以直接進(jìn)入場(chǎng)內(nèi)，主要有針對(duì)性地對(duì)大壩建基面保護(hù)層的施工進(jìn)行參數(shù)選擇;二期試驗(yàn)放在河床壩段4#、5#壩塊進(jìn)行。其試驗(yàn)?zāi)康闹饕校篴.破碎錘針對(duì)不同強(qiáng)度的巖石開挖能力的研究;b.破碎錘開挖對(duì)建基面的破壞性評(píng)估;c.破碎錘施工的經(jīng)濟(jì)分析與評(píng)估。

對(duì)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行分區(qū)分塊，在6#、7#壩塊EL46至EL41進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)計(jì)建基面高程為EL41，試驗(yàn)組取3～4組;

試驗(yàn)塊劃分：取同一高程區(qū)域內(nèi)面積20m╳60m（40m）開挖施工塊，分層進(jìn)行開挖試驗(yàn)，各試驗(yàn)塊高程根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖體實(shí)測(cè)高程進(jìn)行選擇確定;

破碎錘開挖每組分A、B兩個(gè)條帶，每個(gè)條帶寬10米，分3列，對(duì)不同序列進(jìn)行不同的孔排距密度的破碎，孔排距分別按0.75m╳0.75m，孔排距為1m╳1m，梅花型布置;排距為1.25m╳1.25m，梅花型布置。

3、試驗(yàn)設(shè)備

4、試驗(yàn)數(shù)據(jù)觀測(cè)

1）現(xiàn)場(chǎng)裂縫觀測(cè)量

對(duì)破碎錘開挖巖體前后裂縫情況進(jìn)行觀測(cè)，并進(jìn)行記錄與對(duì)比。

2）鉆孔進(jìn)行聲波測(cè)試

（1）鉆設(shè)聲波測(cè)試孔三個(gè)，孔徑105mm，孔深15m。孔位布置如下：

ZK20（壩下0+030，壩右0+077.9），孔深20米，雙管取芯;

M1（壩下0+10，壩右0+73），孔深10米，不取芯;

M2（壩下0+50，壩右0+83），孔深10米，不取芯;聲波測(cè)試孔布置見圖：

（2）施工前先進(jìn)行鉆孔聲波檢測(cè)，獲得巖體原始聲波資料。

（3）開挖完成后對(duì)原孔進(jìn)行掃孔，再次對(duì)區(qū)域施工聲波測(cè)試孔，進(jìn)行聲波檢測(cè)，獲得開挖后聲波資料。

（4）對(duì)比聲波測(cè)試資料，判斷巖體聲波衰減情況。

5、沖擊錘生產(chǎn)性試驗(yàn)效果

在6#、7#壩段進(jìn)行，通過多次生產(chǎn)性試驗(yàn)效果可以看出：開挖平面能很好的控制在整層巖面上，無(wú)新增裂隙，保留巖體聲波衰減小于規(guī)范要求。這充分證明：

（1）巖石破碎采用沖擊錘有利于保護(hù)層開挖的施工控制，由于本工程的巖層為水平巖層，因而可以作到以巖層面為控制;

（2）由于為非爆破手段進(jìn)行開挖，對(duì)壩基的巖體的破壞非常小。

（3）測(cè)試結(jié)果及其分析

通過破碎前、后2次測(cè)試，經(jīng)測(cè)試結(jié)果分析巖體結(jié)構(gòu)在破碎振動(dòng)后的影響：a 、在破碎前分別對(duì)M2、ZK20進(jìn)行了聲波測(cè)試，M2孔深8米，波速平均值為3558m/s，最大值3932m/s，最小值為3015m/s;ZK20孔深18米，波速平均值為3664m/s，最大值4157m/s，最小值為3139m/s。兩孔巖石均有相對(duì)破碎和強(qiáng)度較低的泥質(zhì)結(jié)構(gòu)區(qū)，部分測(cè)區(qū)可能有夾泥存在。b、經(jīng)過破碎開挖后，再次分別對(duì)M2和ZK20進(jìn)行聲波測(cè)試。M2孔深5.8米，所測(cè)波速平均值3433m/s，最大值3824m/s，最小值3068m/s;ZK20孔深14.4米，所測(cè)波速平均值3608m/s，最大值4129m/s，最小值2952m/s。從孔深—波速曲線圖顯示，部分測(cè)區(qū)波速略有降低，巖石結(jié)構(gòu)略有破碎崩塌現(xiàn)象，但波速變化均在正常波動(dòng)范圍內(nèi)，破碎開挖振動(dòng)對(duì)測(cè)區(qū)影響不大。

6、經(jīng)濟(jì)效益

通過采用破碎錘進(jìn)行6#、7#壩段保護(hù)層進(jìn)行開挖取得良好效果，在現(xiàn)場(chǎng)施工中采取分層破碎開挖，逐次清面完成后及時(shí)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)院代表、管理工程師、業(yè)主代表的溝通，及時(shí)對(duì)建基面進(jìn)行驗(yàn)收和覆蓋。雖然在6#壩段、7壩段的保護(hù)層開挖過程中出現(xiàn)工作面反復(fù)4-5次的清挖、清基工作，現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)施工，但經(jīng)過項(xiàng)目部全體員工精心細(xì)致的努力及四方現(xiàn)場(chǎng)代表的共同努力下，取得了節(jié)約6725方的開挖量與混凝土量，僅此一項(xiàng)為甘再項(xiàng)目節(jié)約總投資達(dá)500萬(wàn)以上。

五、結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前水電站大壩開挖施工已經(jīng)結(jié)束，從已開挖成型的壩基建基面來(lái)看，滿足了設(shè)計(jì)的質(zhì)量要求。該電站建基面特別是河床的建基面采用沖擊錘開挖保護(hù)層，是對(duì)常規(guī)建基面開挖方法的完善，不僅對(duì)本工程意義重大，而且對(duì)其它有相似地質(zhì)條件的工程施工也具有一定的借鑒和指導(dǎo)作用。更重要的是，沖擊錘開挖保護(hù)層大大減弱了對(duì)基礎(chǔ)面的破壞及擾動(dòng)，從開挖施工成果來(lái)看，效果非常好。

作者簡(jiǎn)介：孫國(guó)成、出生年月：1983.8.29、性別：男、民族：漢、籍貫（山東省萊州）、學(xué)歷（本科）、職稱：工程師、研究方向：水利水電工程。