非洲加納某水電站工程右岸高邊坡開挖施工技術

蔣 和

（中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004）

1 概 述

1.1 工程范圍

非洲加納某水電站工程（以下稱本工程）壩址區位于該國黑沃爾特河布維峽谷中段，總裝機容量40萬kW，為該國第二大水電工程。發電站主體工程由主壩、發電廠房、開關站、1#副壩和2#副壩等組成，其中主壩高達112 m，為碾壓混凝土重力壩。根據主壩右岸邊坡開挖施工圖，右岸邊坡最大開挖高度為133.00 m。

1.2 地形地質條件

壩址區河谷兩岸地形基本對稱。根據大壩右岸邊坡自然地形，EL140.00 m高程以上，自然邊坡坡度為38°，EL107.00～140.00 m高程之間，自然邊坡為28°～46.5°之間，在邊坡底部有一天然臺地，寬度為50～55 m，在EL107.00～103.00 m之間，坡度較為平緩。

根據右岸地質勘探資料，大壩右岸自然邊坡大部分為裸露的風化巖石，表層風化為棕褐色，但在EL 185.00 m高程、EL160.00 m高程及邊坡坡腳，均分布有崩坡積大塊石及塊、碎石土層。通過地質資料分析，傾向下游的F1`、F2`、F3`、F4`斷層及右岸基巖與右岸的J2、J3和J4裂隙組對右岸邊坡地質產生綜合作用。由于斷層與裂隙的產狀不同，使受切割巖石形成多個結構面，從而使右岸巖石裂隙發育，巖石整體性較差，影響到開挖邊坡的穩定性。

1.3 右岸邊坡開挖施工難點

1）施工道路難于布置。從地形地貌分析可知，該擬建水電站右岸EL107.00 m以上邊坡地形陡峭，出露巖石呈塊狀分布且破碎，施工道路布置困難。

2）右岸邊坡設施布置多（如坡頂纜機平臺、185混凝土拌和樓平臺及坡底導流明渠等），開挖所受干擾大。

3）導流明渠布置于右岸，右岸邊坡開挖為關鍵工序，施工工期緊。

4）右岸地質條件復雜，開挖難度大。

2 右岸邊坡開挖方法

根據本工程施工總體布置，右岸壩軸線附近布置有右岸纜機平臺、右岸大拌和系統、右岸導流明渠等臨時設施，右岸纜機平臺布置于右岸約EL241.00 m高程，在壩軸線的延長線上。右岸大混凝土拌和系統位于右岸壩軸線下游20 m處，地面高程為EL185.00 m，與擬建的碾壓混凝土大壩壩頂水平。右岸導流明渠位于右岸坡腳的平臺上，只有完成右岸邊坡開挖，才能進行導流明渠占壓段開挖，要想進行EL185.00 m高程以下壩肩槽開挖，必須先完成大拌和系統EL185.00 m高程平臺開挖，大拌和系統EL185.00 m高程平臺開挖邊坡與壩肩槽EL185.00 m高程邊坡連接成一體，這從某種意義上來說，增加了大壩右岸邊坡開挖難度。因此，必須合理規劃邊坡開挖施工程序，優化開挖邊坡施工組織設計，加大設備和人員投入，才能按期完成右岸邊坡主體開挖，為導流明渠開挖創造條件，為本工程提前截流打下良好基礎。

2.1 右岸邊坡開挖施工程序

由上可知，本工程右岸邊坡開挖是一個綜合性的開挖工程，它包括右岸纜機平臺開挖、大拌和系統EL 185.00 m高程平臺開挖、右岸壩肩槽開挖、導流明渠邊坡開挖，導流明渠基礎開挖，邊坡開挖相互之間影響較大，必須合理組織施工。右岸邊坡開挖施工順序如圖1。

圖1 本工程右岸高邊坡開挖施工順序圖

2.2 右岸壩肩槽開挖施工分層

在本工程右岸邊坡開挖施工中，重點是右岸壩肩槽開挖，它對其他邊坡開挖起很大的輔助作用。根據本工程右岸壩肩槽開挖體型，該水電站右岸壩肩槽開挖施工分層設計見表1。

表1 水電站右岸壩肩槽開挖施工分層設計表 m

在進行右岸壩肩槽開挖過程中，絕大多數層開挖高度按表1的分層高度而定，但在EL124.00 m高程處遇到碎裂巖塊，在進行第9層爆破后出渣時，不進行爆破，直接用挖機，就將巖石邊坡開挖至EL120.00 m高程。所以第10層實際爆破開挖高程范圍為EL116.33～EL120.00 m，該層實際爆破開挖高度為3.67 m。

2.3 開挖施工方法

本工程右岸壩肩槽開挖為永久結構物基礎開挖，開挖質量要求高，不允許有超規定的超挖和欠挖。因此，本工程開挖主要采用梯段預裂爆破等技術，對于EL106.00m高程以下的巖石爆破，采用掏槽孔爆破技術。

本工程右岸邊坡開挖采用潛孔鉆鉆預裂孔，D7液壓鉆打主爆孔，人工裝藥、聯線組網，人工點火，排孔間微差爆破。爆破后，CAT330D反鏟挖機配合SD22型推土機推渣至山坡下后，反鏟挖機及裝載機在山腳下平臺裝渣，20 t自卸汽車將開挖渣料運至棄料場。

2.3.1 爆破器材

本工程位于非洲加納共和國，由于加納國內沒有生產火工材料的工廠，因此，用于爆破的火工材料須從國外進口。本工程所用爆破器材均為南非共和國非洲炸藥（民營）有限公司（簡稱為AEL）制造的炸藥、導爆索、非電微差雷管等。本工程所用主要爆破器材如表2。

表2 本工程所用主要火工材料特性表

2.3.2 鉆孔及運輸機械

前期用于本工程右岸壩肩槽開挖的鉆孔機械有2臺ROC D7-11液壓鉆機、10臺YZJ-100型潛孔鉆架、12臺YT-28型氣腿式鑿巖機、10臺YT-24手持式鑿巖機。

推挖裝設備有3臺SD22型推土機、2臺柳工CGL856型裝載機、2臺CAT966型裝載機、8臺CAT330D型挖掘機和31臺20 t自卸汽車。

2.3.3 預裂爆破

由表1可知，本工程右岸壩肩槽共分12個梯段進行開挖，其中第1層、第2層及第11層梯段高度均大于10 m，其余梯段高均少于或者等于10 m。對于大于10 m的梯段，采用一次預裂、二次開挖的技術，對于少于或等于10 m的梯段，則一次開挖成型。

預裂爆破的基本參數如表3。

表3 預裂爆破基本參數表

主爆孔和緩沖孔連續裝藥，預裂孔間斷裝藥，其底部安裝一節Φ70的加強藥包，其線裝藥密度為0.25 kg/m，預裂孔裝藥結構如圖2、圖3。

圖2 梯段高為20 m的預裂孔裝藥結構圖

圖3 梯段高為10 m的預裂孔裝藥結構圖

在梯段爆破中，最大單響量設計為250 kg，炸藥單耗為0.4 kg/m3。梯段爆破效果圖如圖4、圖5。

從圖4、圖5可以看出，該梯段爆破設計是合理的，爆破后，爆渣均布于平臺上，塊度大小適中，底部平坦，達到了爆破設計的預期效果。

圖4 梯段爆破前情況（圖中黃線為導爆索）

圖5 梯段爆破后情況

2.3.4 掏槽爆破

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當邊坡開挖至EL106.00 m高程后，進行右岸平臺導流明渠基礎開挖，為提高開挖效果，需對平臺進行掏槽開挖，即開挖先鋒槽。

以擬開挖的槽孔中心線為對稱軸線，布置5排掏槽孔，掏槽孔布置斷面如圖6。

圖6 掏槽孔布置斷面圖

掏槽孔爆破參數如下：

1）掏槽孔1：用D7液壓鉆造孔，孔徑80 mm，孔距1.0 m，孔鉛直。用Φ25藥卷連續裝藥，堵塞長度為80 cm。

2）掏槽孔2：用D7液壓鉆造孔，孔徑80 mm，孔距1.5 m，孔傾角約76°。用Φ25藥卷連續裝藥，堵塞長度為80 cm。

3）掏槽孔3：用D7液壓鉆造孔，孔徑80 mm，孔距2.0 m，孔傾角約76°。用Φ25藥卷連續裝藥，堵塞長度為1.20 m。

當邊坡開挖至最后一層，進行右岸平臺導流明渠基礎開挖時，為避免導流明渠基礎超挖和提高導流明渠基礎開挖平整度，需進行導流明渠基礎保護層開挖。

導流明渠基礎保護層開挖采用手風鉆造孔，孔徑Φ42 mm，孔排距1.00 m×1.00 m，梅花形布置，孔向垂直于基礎面。為保證開挖基礎平整度，炮孔超深10～20 cm。炮孔內裝Φ25藥卷，堵塞長度60 cm，人工點火，導爆索起爆。

3 結 語

本工程是由中國電建集團國際工程有限公司承建，中國水利水電第八工程局有限公司施工的大型水利水電EPC工程項目，由于工程所在地施工環境特殊，市場發育不完善，建材物資價格較高，因此，本工程右岸高邊坡開挖施工質量的好壞，直接關系到整個工程的經濟利益。在本水電站右岸高邊坡開挖施工過程中，參與施工的工程技術人員和施工人員群策群力，結合本工程的實際施工情況，優化施工設計，創新施工工藝，一次預裂、二次開挖，寬孔距、主爆孔微差，探索D7鉆機用于預裂孔造孔，取得了成功，積累了經驗，加快了開挖施工進度，為本工程提前1年截流創造了必要條件。

1）通過生產性爆破試驗優化爆破設計。由于本工程右岸邊坡地質條件復雜，3條逆斷層F1`、F2`、F3`與壩軸線呈小角度斜交，傾向下游，而在河流方向分布著大量的裂隙組，這些逆斷層與裂隙組相互作用，使右岸出露巖石呈塊狀分布，有時許多大塊巖石如積木狀堆積，巖石與巖石的接觸面相當光滑，如有大的振動，相鄰邊坡巖石就會產生滑動，如EL185 m以上邊坡巖石。

針對這種情況，在進行高邊坡開挖時，先人工移除表層松動巖石，再用挖機對積木狀巖石進行清除。最重要的是，在進行邊坡開挖時，先進行生產性爆破試驗，確定一次最大單響量，以避免對開挖邊坡的過度擾動，從而產生大面積塌方。

2）采用D7液壓鉆進行預裂孔造孔，加快了邊坡開挖施工進度。在本工程右岸高邊坡開挖施工中，主要用到的控制爆破技術是預裂爆破。在預裂孔造孔施工中，主要是潛孔鉆造孔，但在高度少于10 m的梯段，也嘗試采用D7鉆機進行預裂孔造孔，并取得了一定的經驗。

對于右岸高邊坡巖石來說，該巖石為砂巖，強度為45 MPa左右，為中硬巖石。通過測試，潛孔鉆的工作效率為20 m/臺班，而D7液壓鉆的工作效率為300 m/臺班，采用D7液壓鉆造預裂孔，大大加快了施工進度。

3）強化開挖過程中的質量控制，提高爆破開挖質量。在進行預裂孔和緩沖孔鉆孔施工時，每個班配1個技術人員、1個質量控制人員和若干鉆孔人員。測量人員對預裂孔進行放樣后，在技術人員和質量控制人員參與的情況下，現場對鉆孔操作人員進行技術交底。鉆孔操作人員架設鉆桿之后，技術人員和質量控制人員聯合對鉆孔的偏角進行校核；鉆桿下桿鉆進20 cm之后，再次對鉆桿進行偏角校核，校核無誤之后，再行鉆進，否則，拔出鉆桿，重新校正和試鉆。