羅坡壩水電站拱壩壩肩開挖設(shè)計與施工

保慶順，楊仕志，劉安宇

(1.湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院，湖北 武漢 430070；2.湖北大禹建設(shè)股份有限公司，湖北 武漢 430061)

羅坡壩水電站工程位于恩施市南部冷水河流域中下游。主要建筑物由碾壓混凝土雙曲拱壩、壩身泄洪表孔、發(fā)電引水隧洞、電站廠房和開關(guān)站等組成，為三等中型工程。水庫正常蓄水位為750.00 m(黃海高程)，校核洪水位753.29 m，總庫容為8 705萬m3，電站總裝機(jī)容量為30 MW，年發(fā)電量為7 850萬kWh，最大壩高111 m。大壩壩頂高程754 m，建基面高程643 m，最大壩高111 m，最大中心角89.7254°,上游面壩頂弧長177.535 m，壩底寬17.5 m。拱壩參考面方位角為NE216°，與壩址區(qū)河段流向基本一致。

1 工程地質(zhì)條件

羅坡壩水電站壩址河谷狹窄，河床寬只有30 m左右，壩址下游左岸約150 m處有一條小沖溝切割，右岸岸坡完整。兩岸基巖裸露，具備修建拱壩的地形地貌條件。壩基及兩岸壩肩出露地層為三疊系嘉陵江組第四段第四層(T1j4-4)、第五層(T1j4-5)、第六層(T1j4-6)、第七層(T1j4-7)、第八層(T1j4-8)、第九層(T1j4-9)中厚層、厚層灰?guī)r、薄層白云質(zhì)灰?guī)r及溶崩角礫巖。壩址兩岸以巖質(zhì)邊坡為主，左岸為順向坡，自然邊坡60°左右，谷坡巖層傾角60°左右，與坡角一致，不存在層面臨空，天然邊坡穩(wěn)定性好。右岸亦為順向坡，650～695 m呈陡崖地貌，基巖裸露，695 m谷頂呈陡坡，巖層近直立，自然邊坡總體穩(wěn)定性好。

2 基礎(chǔ)開挖設(shè)計

2.1 初步設(shè)計階段

羅坡壩水電站壩址左、右岸均為順向坡，邊坡穩(wěn)定至關(guān)重要。天然邊坡坡角與巖層傾角一致或略緩，不存在巖層層腳臨空現(xiàn)象，故自然邊坡一般處于穩(wěn)定狀態(tài)。壩肩開挖后，壩頂高程754.00 m以上形成順向人工邊坡，擬按順層原則開挖，并用隨機(jī)錨桿和噴聚丙烯纖維混凝土支護(hù)，確保邊坡穩(wěn)定。由于拱壩兩岸基槽彎向下游，故壩頂高程以下兩端抽槽開挖后，下游槽壁對巖層而言是“嶄頭”，人工邊坡基本穩(wěn)定無大礙；而上游槽壁對其頂部巖層而言則是“切腳”，將會形成極不穩(wěn)定的“三角巖體區(qū)”，左岸情況更加嚴(yán)重。因此，必須慎重對待并妥善處理上述“三角巖體區(qū)”[1]。則該項目的難點(diǎn)在于選擇既要安全適用，又要經(jīng)濟(jì)合理的開挖設(shè)計方案。據(jù)此進(jìn)行了以下方案分析和比較：采用“洞挖”并留若干巖拱支撐或人工加撐、后隨壩上升逐步去撐的方案，但由于洞挖跨度有限，難以適應(yīng)壩厚要求且支撐工程量較大，雖然安全可控，但是技術(shù)上難以控制且投資較大，不夠經(jīng)濟(jì)。第二種方案為：從開挖形成的壩頂高程平臺開始，逐梯段向下：先在下游槽壁至上游、包括基槽和上游“三角區(qū)(適當(dāng)超寬，避免最下部形成尖角而有一定寬度)”[2]的壩肩范圍內(nèi)進(jìn)行表層削坡，下游槽壁適當(dāng)超寬放1∶0.25陡邊坡開挖；上游開挖底口線相較于基槽底口線最上游處也適當(dāng)超寬，并在平面上平行于巖層傾向，削坡的上游壁同樣放1∶0.25陡邊坡(實(shí)為巖層之側(cè)向坡)開挖；橫河向削坡坡比基本平行基槽底坡，此坡接近或緩于層面坡。削坡以后，各方向邊坡穩(wěn)定，預(yù)留巖石厚度，下游端約4.0 m，上游端稍厚。削坡后，即對該梯段基槽上游壁以上的三角區(qū)巖體用預(yù)應(yīng)力錨索錨固，保證其掏腳后能保證穩(wěn)定，再進(jìn)行剩余部分巖體的基槽開挖。對下游槽壁，離削坡底口適當(dāng)距離向基槽底口放1∶0.25的陡坡開挖；上游槽壁則預(yù)留噴層厚度(約7 cm)，也放1∶0.25的陡邊坡向基槽底口開挖，深度直至拱端基面。削坡上、下游壁、巖槽壁，拱端基面和削坡面(尤其是三角區(qū)面)都要進(jìn)行預(yù)裂，確保巖面完整。本梯段基槽開挖后，用厚度為7 cm的C20聚丙烯纖維混凝土噴護(hù)削坡上、下游壁面、上游三角區(qū)巖面和基槽上、下游壁面，噴層下部可比梯段底部提高約0.8～1.0 m。必要時，對上游基槽壁面掛φ6鋼筋網(wǎng)(15 cm×15 cm的網(wǎng)格間距)再噴，鋼筋網(wǎng)可適當(dāng)折向三角區(qū)面和拱端巖面。三角區(qū)錨固采用1 000 kN級預(yù)應(yīng)力錨索，長25 m，間排距4～6 m，估算用索108根。該方案雖然設(shè)計上相對較為繁瑣，但是合理的分區(qū)、分層，可以形成工作面固定流水作業(yè)，安全、技術(shù)、質(zhì)量上均可規(guī)范控制，工期能夠得到保證，投資可控。故采用第二方案。

2.2 施工圖設(shè)計階段

施工圖設(shè)計階段需根據(jù)初步設(shè)計階段確定的基本原則進(jìn)行細(xì)化設(shè)計，并考慮錨索施工難度和難以及時張拉以及錨固效果等因素，將錨索調(diào)整為錨筋樁，錨筋樁采取現(xiàn)場焊接方式送入孔內(nèi)。現(xiàn)場灌漿后可以在短時間內(nèi)形成抗剪效果。錨樁采用3根DN32 mm鋼筋焊接而成，錨樁長度根據(jù)倒懸體厚度的不同，分別采用9～20 m。

從左岸748.0 m開始，按照間、排距4 m布設(shè)錨樁，錨樁在上游二期開挖開口線上游1 m開始布置，前兩根間距2 m，以后間距均為4 m。右岸749～725 m排距2 m，725 m以下排距4 m。錨樁在上游二期開挖開口線上游1m開始布置，前兩根間距1.5 m，第三根間距2 m，以后間距均為3 m。兩岸壩肩754.0 m以下必須遵循以下開挖、錨固順序：首先將上游卸荷巖體挖除(一期開挖),再進(jìn)行邊坡錨固施工，然后挖到設(shè)計嵌深(二期開挖)，開挖錨固平面布置如圖1所示，坡面圖如圖2所示。

圖1 壩體開挖錨固平面布置圖

圖2 大壩開挖錨樁沿拱壩基礎(chǔ)上游底口線剖面圖

3 現(xiàn)場開挖與支護(hù)施工

根據(jù)左、右壩肩實(shí)際地形，充分考慮到開挖安全和工期安排，為此不僅開挖時進(jìn)行了分層作業(yè)，還對上下游進(jìn)行了分區(qū)作業(yè)布置，使鉆爆與出渣穿插進(jìn)行，充分發(fā)揮人力和設(shè)備資源效率，既保證了施工的安全、質(zhì)量以及連續(xù)性，又加快了施工進(jìn)度。兩岸均采用100B型鉆機(jī)“自上而下”三面深孔預(yù)裂梯段爆破一次成型開挖，局部采用手風(fēng)鉆光面爆破配合開挖。梯段高度12～16 m，采取周邊預(yù)裂和非電毫秒雷管孔內(nèi)外延時微差起爆網(wǎng)絡(luò)法爆破施工。主炮孔與水平面垂直，邊坡預(yù)裂孔騎線布置，傾角與設(shè)計坡比相同[3]。達(dá)到了半孔率和邊坡平整度高、施工進(jìn)度快的效果，從而有效保證了邊坡的安全穩(wěn)定。另由于兩岸山高坡陡，當(dāng)中部不能開挖避炮平臺時，采用同一梯段分上下游兩次開挖的方法避炮，開挖梯段8 m，上下游錯開4 m，便于爆破后機(jī)械設(shè)備上下。羅坡壩水電站碾壓混凝土雙曲拱壩左壩肩及右壩肩開挖圖如圖3所示。

圖3 羅坡壩水電站碾壓混凝土雙曲拱壩壩肩開挖圖

壩肩開挖支護(hù)工程采用雙排腳手架，立桿間距2 m，橫桿間距1.5～1.8 m。754～739段腳手架在739平臺生根，下部邊坡支護(hù)采用懸空腳手架，減少與壩肩開挖施工相互干擾。錨樁采用100B鉆機(jī)造孔，將加工好的錨樁進(jìn)行現(xiàn)場人工拼裝、焊接，直至錨樁全部插入孔內(nèi)[4]。其后在孔口60 cm范圍內(nèi)采用砂漿封孔，待砂漿待齡24 h后，采用水泥漿灌注[5]。經(jīng)檢測，錨樁長度均滿足設(shè)計要求，砂漿檢測強(qiáng)度最大值30.2 MPa，最小值25.2 MPa，平均值26.9 MPa，滿足設(shè)計要求的M25強(qiáng)度等級。

4 結(jié) 語

高山峽谷地區(qū)，邊坡工程設(shè)計、施工難度大，不少工程均在開挖期發(fā)生了不可預(yù)見的滑坡或其他安全事故。羅坡壩水電站天然邊坡坡角與巖層傾角一致或略緩，不存在巖層層腳臨空現(xiàn)象，自然邊坡一般處于穩(wěn)定狀態(tài)。壩肩開挖后，壩頂高程754.00 m以上形成順向人工邊坡，使得邊坡穩(wěn)定性受到不利影響。

羅坡壩水電站在設(shè)計初期就考慮到了拱壩壩肩開挖的順向坡“切腳”問題，在設(shè)計階段采取挖除表面強(qiáng)風(fēng)化巖體并對深部切腳巖體采取分層加固再切腳開挖的方式來解決上述問題。施工階段壩肩開挖支護(hù)工程采用雙排腳手架，下部邊坡支護(hù)采用懸空腳手架，減少與壩肩開挖施工相互干擾。在現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)焊接錨筋樁與入孔的并行，降低了長錨筋樁在高邊坡吊裝入孔的難度，增加了施工安全保障。羅坡壩水電站壩肩開挖期間工期合理，無安全生產(chǎn)事故發(fā)生，施工質(zhì)量滿足設(shè)計要求，經(jīng)實(shí)踐證明設(shè)計方案選擇是正確的，施工方案是合理的，可供類似工程參考、借鑒。