渡口壩水電站雙曲拱壩壩肩煤層及采空區(qū)處理設(shè)計(jì)與施工

丁 洪 ，李 紅，付 迪

(1.重慶渝水建筑工程咨詢有限公司，重慶 401147；2.重慶江河工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，重慶 401147)

1 工程概況

渡口壩水電站位于重慶市奉節(jié)縣境內(nèi)梅溪河中上游，屬新建項(xiàng)目，由大壩樞紐、引水建筑物和廠區(qū)建筑物三部分組成；電站正常蓄水位575.00m，校核洪水位577.25m，相應(yīng)庫容分別為9 254萬m3和9 854萬m3；引水隧洞長20.3km；電站裝機(jī)2臺，總?cè)萘?29.0MW。

渡口壩水電站混凝土拱壩為3級建筑物；體型采用拋物線型變厚雙曲拱壩。建基面高程為470.00m，壩頂高程為578.50m，最大壩高為108.5m。大壩及兩壩肩基礎(chǔ)置于須家河組中厚層夾薄層狀巖屑長石石英砂巖上。兩壩肩基巖多裸露，河床覆蓋層厚3.0-6.0m。須家河組砂巖屬含煤地層，壩區(qū)煤層主要為呈透鏡狀、雞窩狀分布的薄煤層與煤線；因小煤窯開采左右岸主要分布有開挖煤洞及Md2采空區(qū)。

Md2煤層及采空區(qū)位于拱壩左右壩肩，實(shí)際為同一煤層經(jīng)河床分為左右兩岸，在拱壩左右壩肩▽529.0處與拱壩壩肩相交，為拱壩受力區(qū)，平均煤層厚度為0-1.0m，局部有放大或碎夾層。部分煤層已被采空，留下廢棄的煤洞和采空層，不但對壩址的安全性、穩(wěn)定性存在極大的隱患，而且拱壩防滲問題更為突出。

2 設(shè)計(jì)處理措施

設(shè)計(jì)要求：結(jié)構(gòu)受力區(qū)全回填或換填，結(jié)構(gòu)受力區(qū)以外采取在帷幕線上設(shè)混凝土條帶堵頭(寬度10-30m)，再進(jìn)行帷幕灌漿封閉。

未采煤層和軟弱層需全部清除置換C20微膨脹混凝土；已采空的區(qū)域需清除松動巖石和殘?jiān)儆肅20微膨脹混凝土回填密實(shí)；探洞和煤洞必須沿Md2煤層層面走向跟蹤開挖，洞底坡度為1%，以使?jié)B水能排出壩肩外；位于壩趾上游的探洞和煤洞需全部回填，位于壩趾下游的探洞和煤洞(除Td2-1、Td2-5)混凝土襯砌后不進(jìn)行回填，作為排水洞使用；壩肩帷幕線上的深部未回填采空區(qū)采用灌注微膨脹混凝土填筑密實(shí)；然后沿順層進(jìn)行回填灌漿和固結(jié)灌漿，防滲區(qū)域再進(jìn)行帷幕灌漿。設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，探洞、煤洞襯砌斷面圖見圖1。

表1 壩肩Md2煤層及采空區(qū)處理所需洞室參數(shù)表

圖1 探洞、煤洞襯砌斷面圖(單位：mm)

3 施工處理方案

3.1 總體處理措施

采取由下至上的開挖、回填，順層面進(jìn)行灌漿洞開挖。采空區(qū)的處理是先清除石渣，再回填C20混凝土。

煤層處理施工，先開挖最低層的煤層探洞，再開挖上一層的煤層探洞；然后由上一層煤層探洞用鉆機(jī)順著煤層鉆至下層煤層探洞，再用泵送混凝土輸入孔內(nèi)回填，直至填滿為止；然后在上層煤層探洞采用鉆機(jī)鉆孔，進(jìn)行回填固結(jié)灌漿，灌漿壓力1.5MPa；直至將所有的煤層、采空區(qū)、煤層探洞回填固結(jié)灌漿完畢。

3.2 煤洞探洞開挖

將煤洞、探洞洞口8m范圍內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)挖，以能放下1臺混凝土泵車和出渣小斗車為準(zhǔn)。各煤洞探洞同時(shí)開挖，注意優(yōu)先開挖影響大壩澆筑和灌漿的煤洞、探洞。

(1)開挖方式及流程

平洞進(jìn)洞開挖首先挖出煤層里的散煤，再將松動的塊石撬除清理出去，對于巖石則采用簡易鉆孔臺車配手風(fēng)鉆鉆爆，人工配合0.1-0.2m3的手推車出碴。以煤層為導(dǎo)向，先挖出煤層，再全斷面開挖。

首先對左岸的Md2-3和Td2-2煤洞進(jìn)行施工，Md2-3因?yàn)槭菑U棄的煤洞，只進(jìn)行擴(kuò)挖。Td2-2洞在▽508.0高程處，洞口懸空于巖坡上，搭設(shè)棧橋才能進(jìn)入施工場地，由拱壩下游▽501.0平臺搭設(shè)至▽508.0Td2-2洞口處，然后進(jìn)行煤洞開挖。

(2)開挖過程安全支護(hù)

煤洞探洞開挖后，其附著洞身的煤層脫落或存在著懸空部分及時(shí)清理。煤層間用直徑不小于Φ130mm的松木樁支撐，間距為50cm，梅花型布置；同時(shí)進(jìn)行煤洞探洞的臨時(shí)支護(hù)，用14#工字鋼做成煤洞形狀的拱架，間距50cm；邊墻及洞頂掛網(wǎng)鋼筋Φ6.5@200mm，再噴射C20混凝土10cm。個(gè)別破碎嚴(yán)重的地方，視情況打設(shè)Φ25 L=300cm的錨桿，灌M30水泥漿予以加固。臨時(shí)支護(hù)圖見圖2。

圖2 煤洞探洞臨時(shí)支護(hù)圖

3.3 煤洞、探洞混凝土襯砌施工

按照設(shè)計(jì)圖紙，根據(jù)地質(zhì)情況及時(shí)進(jìn)行混凝土襯砌施工，先施工邊墻和頂拱，再施工底板。混凝土采用溜槽輸送到混凝土泵車。

(1)材料：襯砌混凝土的水泥用P.O 32.5，細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)在2.4-3.2范圍內(nèi)。

(2)配合比：本部位混凝土為標(biāo)號C20二級配微膨脹混凝土，根據(jù)施工圖紙的要求及經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)配合比，經(jīng)現(xiàn)場室內(nèi)試驗(yàn)后將最終配合比設(shè)計(jì)成果呈報(bào)監(jiān)理工程師，審批后的配合比作為施工配合比。

(3)混凝土襯砌分段長度由監(jiān)理和現(xiàn)場設(shè)計(jì)確定，每段先澆筑邊墻及頂拱，再澆筑底板；底板及邊墻采用組合鋼模，頂拱采用定型木模，模板用鋼管排架支撐。

立模襯砌的模板，預(yù)留支洞洞口，以便施工人員由支洞開挖煤層。

(4)混凝土澆筑前，對基巖面或施工縫，按監(jiān)理人批準(zhǔn)的方法進(jìn)行處理，圍巖面松動巖石采用人工撬挖的方法清理。清洗后的建基面在混凝土澆筑前保持潔凈濕潤。澆筑完畢之后，及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，在一定的時(shí)間內(nèi)保持適當(dāng)?shù)臏囟群蜐穸取?/p>

3.4 支洞開挖及混凝土置換或回填

煤洞、探洞混凝土襯砌施工完成后，進(jìn)行支洞的開挖。由于煤層基本呈45°坡狀，開挖支洞時(shí)，一般由上層的煤洞向下層煤洞掏挖，由卷揚(yáng)機(jī)出渣。支洞邊開挖邊支護(hù)，并將支洞兩側(cè)的煤層清除干凈，煤層由下向上開挖。當(dāng)一個(gè)支洞開挖完成并清理干凈后，即進(jìn)行混凝土灌注；由混凝土泵車將混凝土輸送到上層煤洞內(nèi)，由上向下澆筑支洞；灌注混凝土?xí)r，支撐不拆除，Φ70軟管振動棒振搗混凝土，振搗密實(shí)，直至將支洞全部灌滿。

在開挖過程中經(jīng)常檢查巖石的穩(wěn)定情況，撬除可能塌落的松動巖塊，危險(xiǎn)松動的部分臨時(shí)支護(hù)參照“煤洞探洞臨時(shí)支護(hù)”。

支洞的臨時(shí)支護(hù)主要是對支洞附近的煤層進(jìn)行支護(hù)，由工字鋼拱架支撐，配合不小于Φ130mm松木樁支撐，在煤層挖除后的巖石面上進(jìn)行支撐，間排距平均50cm×50cm，梅花型布置，保證不塌陷。開挖支護(hù)圖見圖3。

圖3 支洞開挖支護(hù)圖(單位：cm)

一個(gè)支洞開挖澆筑完成后，由混凝土置換煤層，對煤層上的巖石支撐，再進(jìn)行下一個(gè)支洞開挖，以此類推，直至將全部的煤層開挖完畢。

為保證置換的混凝土支撐上層巖體以增加巖體的穩(wěn)定性，支洞分Ⅰ序和Ⅱ序洞，依次排列，1#，2#、3#、4#、5#……支洞，其中奇數(shù)為Ⅰ序洞，偶數(shù)為Ⅱ序洞，先進(jìn)行Ⅰ序洞的施工，回填置換混凝土后，再進(jìn)行Ⅱ序洞的施工。如圖4所示。

圖4 煤洞、支洞的開挖支護(hù)順序圖

3.5 灌漿施工

煤層煤洞處理后按設(shè)計(jì)按要求進(jìn)行回填固結(jié)灌漿，并與帷幕灌漿有效連接。固結(jié)灌漿孔單排布置，分二序施工，孔距2.50m，孔深以鉆至下一煤層為準(zhǔn)，孔徑Φ91，灌漿壓力1.5MPa。灌漿區(qū)域包括：左岸煤層508.00-470.00m高程、左岸煤層529.00-508.00m高程、左岸煤層550.00-529.00m高程、右岸煤層498.95-470.00m高程、右岸煤層516.00-498.95m高程、右岸煤層536.00-516.00m高程、右岸煤層556.00-536.00m高程。

鉆機(jī)布置在上層煤洞處，按自上而下、分序加密原則依次進(jìn)行。灌漿施工工藝為：放線布孔→鉆孔→阻塞→鉆孔沖洗及裂隙沖洗→壓水試驗(yàn)→灌漿→封孔→質(zhì)量檢查。灌漿方式采用孔內(nèi)循環(huán)自上而下孔口封閉灌漿，灌漿長度大于5m時(shí)，進(jìn)行分段灌注。灌漿壓力和漿液變換、灌漿結(jié)束和封孔、特殊情況的處理均按照灌漿規(guī)范執(zhí)行。

固結(jié)灌漿完成12 000m。經(jīng)壓水試驗(yàn)透水率最大值為4.8Lu，煤層固結(jié)灌漿單點(diǎn)法壓水質(zhì)量檢查合格(設(shè)計(jì)透水率不大于5.0Lu)。經(jīng)聲波波速檢測，最小值為3 247m/s，平均最小值為3 816m/s，平均最大值為4 679m/s，均達(dá)到設(shè)計(jì)要求(設(shè)計(jì)最小值不小于3 200m/s，平均值不小于3 500m/s)。

3.6 安全管理

煤洞開挖施工中加強(qiáng)瓦斯監(jiān)測，做好安全支護(hù)，強(qiáng)化安全監(jiān)控；協(xié)調(diào)好與壩體混凝土澆筑交叉施工，及時(shí)處理垮塌等施工難題，確保了施工安全。

(1)實(shí)行進(jìn)出洞登記制度。落實(shí)專門人員負(fù)責(zé)登記進(jìn)洞人員姓名、班組、進(jìn)出洞時(shí)間。進(jìn)洞作業(yè)人員必須穿好工作服，佩戴好安全防護(hù)用品。

(2)實(shí)行安全作業(yè)票制度。作業(yè)區(qū)前必須辦理相應(yīng)的作業(yè)許可，作業(yè)負(fù)責(zé)人、作業(yè)監(jiān)護(hù)人、專職安全員必須在場在崗。

(3)編制施工應(yīng)急預(yù)案、隱患排查治理等安全專項(xiàng)方案，加強(qiáng)瓦斯監(jiān)測力度，做好通訊聯(lián)絡(luò)。防止瓦斯爆炸等安全事故發(fā)生。

(4)編制煤洞開挖安全操作規(guī)程并嚴(yán)格執(zhí)行，施工員、安全員經(jīng)常性進(jìn)行安全隱患排查。特別注意洞頂?shù)姆€(wěn)定，每天開工前、收工前對洞頂、洞身進(jìn)行檢查，如發(fā)現(xiàn)有裂縫和塌方的跡象或有危石，立即處理并上報(bào)，凡不能處理且對施工安全有所威脅時(shí)，暫時(shí)停止施工，并報(bào)告上級處理。

(5)施工現(xiàn)場設(shè)立安全標(biāo)志。危險(xiǎn)地區(qū)必須懸掛“危險(xiǎn)”或者“禁止通行”、“嚴(yán)禁煙火”等標(biāo)志。

4 處理效果檢測

施工完成后，選擇在兩岸壩肩位置的建基面范圍及壩后坡區(qū)域，左右岸各布置9個(gè)檢查孔，鉆孔深度要求穿過Md2煤層及采空區(qū)，采用鉆孔電視錄像、單孔聲波測試、彈性波CT成像等物探檢測技術(shù)進(jìn)行施工質(zhì)量檢測。單孔波速平均值范圍為4 374-4 622m/s，平均值為4 473m/s。

檢測成果顯示：在鉆孔檢測范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)空洞，表明巖體較完整或完整，煤洞采空區(qū)已經(jīng)回填密實(shí)，處理范圍及結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié) 語

渡口壩水電站已投入使用多年，運(yùn)行穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)效益良好。雙曲拱壩壩肩煤層及采空區(qū)處理設(shè)計(jì)與施工是成功的，質(zhì)量較好，可供類似工程參考借鑒。