锦屏一级水电站左岸 1885m高程以上高边坡开挖

刘进春,乔介平,殷本林

(1.中国水利水电第七工程局有限公司 二分局,四川郫县 611730;2.二滩水电开发有限责任公司,四川 成都 610021)

1 前 言

锦屏一级水电站左岸 1885m高程以上开挖工程施工,边坡开口线最大开挖高程 2105m,边坡最大开挖高度 220m。缆机平台开挖高程 1959.36m,整个边坡共设置六级马道,分别在 2080、2050、2020、1990、1945、1915m高程设置马道,马道宽3m,设计坡面开挖坡比为 1∶0.5。边坡设计开挖体形见图1。

图1 左岸 1885m高程以上边坡设计开挖体形

开挖边坡地层岩性为 T2～3Z3(3、4),厚～巨厚层状的变质砂岩和薄层状粉砂质、泥质板岩,总体产状N15°～ 35°E,NW∠30°～ 45°,主要结构面包括以f42～9断层为代表的小断层、顺层层间挤压破碎带、深部裂缝、煌斑岩脉(X)和卸荷裂隙,其中煌斑岩脉(X)在边坡以里一定深度,往上游向坡体深部延伸,未出露在边坡中。自然边坡陡峻,坡面与水平面夹角约 60°～75°,基岩裸露。1885m高程以上边坡土石方开挖总量 178.16万 m3,其中缆机平台1959.36m高程以上土石方开挖总量 72.8万 m3。

2 施工特点

(1)施工工作面狭窄,地形陡峭,开挖高差大,工作面较少,开挖与支护施工之间的干扰较为严重;

(2)开挖施工工期紧,出渣运输强度高,需要做好施工道路布置,合理安排施工机械,保证施工进度;

(3)出渣运距较长,出渣道路单一,出渣运输道路较为繁忙,施工干扰较大,所以需要做好道路协调工作,才能保证施工的进度;

(4)开挖地形陡峭,施工地质条件复杂,边坡稳定性差,施工过程中需及时加强支护和监测;

(5)边坡开挖范围内断层带较发育,其中影响最大的断层带为 f5和 f8,根据现场勘查,该两条断层带将缆机平台边坡临空切穿,对边坡稳定极为不利,施工中应加强该部位的爆破、临时支护及边坡变形的监测、控制。

3 施工布置

3.1 施工道路布置

为满足开挖工程需要,左岸 1885m高程以上开挖施工布置 2条施工道路、1条施工交通洞,工作面上的临时施工道路根据开挖面高程和平台宽度进行布置。

3.1.1 缆机平台 1959.36m高程以上施工道路布置

缆机平台 1959.36m高程以上共设计 2条施工道路,2条施工道路均与 1960m高程 8号路交通洞出口相接,上、下游各布置 1条,分别为 8-1号路和8-2号路。8-1号路和 8-2号路上、下游施工道路在 1960～1977m高程段考虑结合布置集渣平台和挡渣墙,其中路基挡渣墙采用底宽 3m的钢筋石笼,道路坡比控制在 12%～14%。该段主要作为左岸 1960m高程以上石方开挖出渣运输通道,总长约265m。

(1)8-1号路:上游开挖区 1977m高程以上由于地形较陡,场地较窄,不便于布置自卸汽车上山道路,仅考虑履带式设备上山进行钻爆和倒渣或推渣,由冲沟进入集渣区域,然后在集渣区域统一装、运渣。1977m高程以上施工便道布置在上游开挖区域内,设计宽度 3.5～4.0m,边坡开挖坡比 1∶0.1,道路坡率25%,施工便道顶端高程 2020m,总长约 172m。

(2)8-2号路:下游开挖区 1960m高程以上开挖量主要集中在下游山脊,开口线高程 2105m,山脊背后为大的冲沟,自卸汽车无法绕道至1990m高程以上。经过实地测绘地形和分析,通过将下游开挖区外的冲沟回填至 1983m高程使 8-2号路横跨回填区域,可将出渣道路修至 1990m高程,从而确保1990m以下开挖石渣一次性装、运到位。1990m高程以上开挖石渣全部通过反铲或推土机倒、推进开挖区内的冲沟进入集渣区域,然后在集渣区域统一装、运。高程1977～1990m道路设计路宽 5.0～6.0m,道路坡率控制在 14%以下,边坡开挖坡比1∶0.2,总长约 240m。 1990～2080m高程施工便道只考虑履带式设备上山进行钻爆或倒、推渣,设计宽度 3.5～4.0m,边坡开挖坡比 1∶0.2,道路坡率30%,施工便道顶端高程 2080m,总长约 235m。

缆机平台 1959.36m高程以上施工道路布置见图2。

图2 缆机平台 1959.36m高程以上施工道路布置

3.1.2 缆机平台 1959.36m高程以下施工道路布置

缆机平台 1959.36m高程以下边坡开挖施工道路布置在开挖区内,路呈“之”字形,道路宽度 8m,最大纵坡 12%,道路临时边坡坡比 1∶0.3,临时边坡最大高度 15m。1959.36～1945.0m高程边坡开挖石渣运输由“之”字形施工道路经 8S2洞口外运至渣场;1945.0～1885.0m高程边坡开挖石渣运输由“之”字形施工道路经上坝交通洞外运至渣场。

(1)上坝交通洞:1885m高程上坝交通洞口开挖断面呈城门洞形,9.4m×7.212m(宽 ×高),洞长34m,与设计开挖坡面相接。为满足 1885m高程以上边坡开挖出渣通道,在开挖区内将上坝交通洞缩小断面开挖,向上游延伸至自然边坡,将洞口上、下游侧自然边坡进行扩挖形成集渣平台和出渣通道。开挖区内交通洞开挖断面 6m×6m,局部洞段扩挖设置错车道。

1885m高程上坝交通洞延伸段平面布置示意见图3。

图3 1885m高程上坝交通洞延伸段平面布置示意

(2)“之”字形施工道路:“之”字形施工道路在1945m高程以上Ⅰ、Ⅱ开挖区分开布置,Ⅰ、Ⅱ区起始段“之”字形施工道路紧贴设计坡面形成,以设计开挖坡面作为道路边坡,其它段道路临时边坡坡比1∶0.3;1945m高程以下“之”字形施工道路贯穿Ⅰ、Ⅱ开挖区,向上坝交通洞出口汇集。缆机平台1959.36m高程以下施工道路布置见图4。

图4 缆机平台 1959.36m以下开挖施工道路平面布置

3.2 施工风、水、电布置

(1)施工供风:明挖工作面施工用风主要为XZ-30型潜孔钻和手风钻用风,采用 DN200供风钢管从压气站接至开挖区外,每 30m高程设一接口,再用 DN150钢管和 φ50mm的胶管接至各工作面。

(2)施工供水:从雅砻江取水,采用四级接力抽水方式供水,分别在左岸导流洞施工支洞旁 1660m高程、8-2号洞进口边坡 1925m高程处、边坡开挖面上游 2025m高程处和边坡开挖面下游2110m高程处设置 4个水池,以满足供水需求。明挖工作面采用 DN80钢管从水池引至开挖区外,每 30m高程设一接口,再通过 φ50mm胶管接至工作面。

(3)施工供电:从左岸 10kV接线点接高压电缆,至开挖区上下游侧等部位的 1、2、3、4、5号变压站。其中 1号变电站布置在开挖区下游冲沟侧,配置 2台 630kVA变压器供坝肩开挖生产用电;2号变电站布置在场地 8号公路隧洞明线段,配置 1台800kVA变压器;3号变电站布置在解放沟 1号临时桥左岸下游 60m,配置 1台 315kVA变压器以供供水系统生产用电;4号变电站布置在锦屏西桥左岸,配置 1台 315kVA变压器以供生活营地用电;5号变电站布置在 1960m缆机平台下游侧马道,配置 1台 500kVA变压器为后期增容用电。

3.3 渣 场

弃渣场为印把子沟渣场。印把子沟渣场位于开挖区下游,距施工工作面约 9.6km。

出渣车辆行驶路线为:出渣车经工作面→8号公路隧洞→6号公路隧洞→2号公路(大坝下游段)→印把子沟渣场。

4 边坡开挖施工

4.1 施工程序

1885m高程以上边坡开挖施工总的施工程序是分区开挖,从上至下分层施工,每层高 5m。

开挖设计边坡前,先进行开口线外的场地清理、危石处理和开挖区上部地表截、排水沟施工。

缆机平台 1959.36m高程以上的边坡被天然冲沟截断分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区 3个相对独立的工作面施工,开挖采取自上而下分层进行,马道间设计边坡按10m一层进行预裂施工,大面开挖梯段高度为 5m。

施工期间,定期对边坡的稳定进行安全监测,对有可能失稳的地段及时报告监理、设计、业主进行现场勘探,及时采取措施保证边坡的稳定。

4.2 边坡开挖施工方法

4.2.1 边坡开挖的原则

边坡开挖自上而下分层进行,施工中临时边坡做成一定的坡势,以利稳定;在开挖边线外侧部位和马道内侧位置设置排水沟,排除坡积水,避免边坡及马道上积水。

在开挖面靠近马道或平台设计高程时,各级马道及平台预留1.2～1.5m的保护层,保护层采用液压钻水平造孔,进行水平预裂爆破。保护层的预裂爆破需在保护层上留2m以上爆渣,待保护层起爆后一起开挖;在马道的外侧设置马道护栏,以免发生危石坠落伤及下部施工人员结合本工程的地形特点及地质条件采用弱松动爆破,严格控制一次最大单响爆破装药量,以减少爆破对边坡岩体的破坏。边坡开挖施工工艺见图5。

图5 边坡开挖施工工艺

4.2.2 边坡开挖的分区分层

左岸 1885m高程以上边坡土石方开挖工程量178.16万 m3,开挖顶部高程为 2105.0m,缆机平台底部开挖高程为 1959.36m,开挖边坡为自然边坡。

根据自然边坡地形及施工需要将缆机平台1959.36m高程以上边坡开挖分为 3个区施工;缆机平台 1959.36m高程以下边坡开挖分为 2个区施工。左岸 1885m高程以上边坡开挖分区见图6。

设计边坡开挖坡比 1∶0.5,边坡开挖每 30m高设置一层马道,马道宽 3.0m;坡面预裂孔分三层钻爆,每层钻爆高度10m;梯段台阶爆破 5m/层。左岸1885m高程以上边坡开挖分层见图7。

图6 左岸 1885m高程以上开挖分区

图7 左岸 1885m高程以上边坡开挖分层

4.2.3 缆机平台 1959.36m高程以上边坡开挖

(1)Ⅰ区边坡开挖。最高开口线高程 2048m,开挖区内临时施工道路修至 2045m,满足履带式设备行走要求。高程 2048～2035m范围边坡开挖厚度较薄,开口线边坡及梯段钻爆采用 Y28手风钻配合 XZ-30型潜孔钻钻孔爆破;高程 2035～1990m边坡开挖预裂孔采用 XZ-30型潜孔钻钻孔,梯段爆破孔采用TAMROCK 700液压钻机钻孔,日立 230液压反铲翻渣扒面,D8R推土机向上游冲沟集渣平台集渣。

1990m高程以下边坡开挖分块进行,先进行缆机平台拉槽开挖,再进行上游侧预留平台的开挖。开挖分块见图8。

(2)Ⅱ区边坡开挖。开挖由 2020m高程以上 1号危岩体开挖和 2020m高程以下设计边坡开挖组成,1号危岩体最高开口线高程 2078m。Ⅱ区位于上、下游自然冲沟间,在 1号危岩体顶部 2070m高程可修筑施工便道与Ⅲ区 2080m高程施工便道相接,随着边坡开挖下降施工道路再无法与Ⅲ区相接,施工机械设备只能在工作面上移动避炮。Ⅱ区边坡石方开挖总量约 3.98万 m3,采用 Y 28手风钻配合 XZ-30型潜孔钻钻孔爆破,CAT320C液压反铲翻渣扒面,设计边坡开挖至 1990m高程后将Ⅱ区与Ⅲ区间冲沟在1985m高程砌筑钢筋石笼形成路基与Ⅲ区施工道路相接,满足 CAT320C液压反铲行走要求。1990m高程以下边坡开挖采用 TAMROCK 700液压钻机钻孔,CAT320C液压反铲翻渣扒面。

图8 1990m高程以下边坡开挖分块

(3)Ⅲ区边坡开挖。梯段开挖采用 ROC742液压钻和 TAMROCK 700液压钻机钻孔,进行梯段微差挤压松动爆破,设计边坡采用 TAMROCK液压钻和 XZ-30型潜孔钻造预裂孔(手风钻辅助)进行预裂爆破,各级马道及平台预留 1.2～1.5m保护层。保护层采用 TAMROCK 700液压钻造水平预裂孔进行预裂爆破,保护层爆破时需在上面留约 2m厚的爆渣,等保护层起爆后预留炮渣与保护层爆渣一起开挖;2030m高程以上边坡开挖厚度较薄,采用 1台日立 230液压反铲、1台 TY 220推土机翻渣;2030～1990m高程边坡开挖厚度逐渐增加,施工工作面较宽,采用 1台日立 450H、1台 D8R推土机翻渣;石渣翻至Ⅲ区下游侧 1980m高程集渣平台后采用 2台 CAT330C液压反铲挖装 20t自卸汽车进行出渣;1990m高程以下边坡开挖出渣道路修至开挖工作面直接进行挖装出渣。

开挖设计边坡至 1980m高程后,先进行 8S2洞口区域缆机平台拉槽开挖将洞口平台扩宽,同时将8-2号路扩宽形成双车道,具备Ⅲ区开挖大规模出渣道路通行能力。高程 1990m以下Ⅲ区边坡开挖分块见图9。

4.2.4 缆机平台 1959.36m高程以下边坡开挖

缆机平台 1959.36m高程以下边坡开挖施工主要为施工道路的布置,施工道路采用在开挖区内修建下行的“之”字形道路至开挖工作面,钻爆方法与1959.36m高程以上的钻爆方法一样;出渣采用CAT330液压反铲挖装 20t自卸汽车进行工作面直接出渣。1945.0m高程以上边坡开挖出渣道路为:“之”字形道路接 1959.36m高程缆机平台经 8S2隧洞至渣场;1945.0m高程以下边坡开挖出渣道路为:“之”字形道路接上坝交通洞出渣通道经 6号公路隧洞至渣场。

图9 高程 1990m以下Ⅲ区边坡开挖分块

4.2.5 爆破设计

爆破设计主要依据边坡岩石特性、技术文件要求、结合施工方法以及为保证边坡的稳定,同时控制石渣下河的要求进行设计。

左岸边坡主要以薄～中厚层状粉砂质、泥质板岩为主,夹少量厚层状变质砂岩。岩体风化程度受岩性、构造及地下水活动影响明显,且风化作用主要沿裂隙和构造破碎带进行,具有典型的裂隙式和夹层式风化特征。岩体除沿构造破碎带、长大节理裂隙密集发育带局部强风化外,一般无强风化。

在左岸边坡开挖爆破设计中,主要体现二个方面:一是控制爆破,控制爆破石渣下河以及飞石,同时还需为保证边坡的稳定控制单响药量;二是尽可能地加快施工进度,即主要体现在保证爆破质量的前提下减少钻孔工程量,并要求满足开挖装车运输的要求。

(1)孔网参数选择。边坡预裂孔采用 TAMROCK700液压钻和 XZ-30型潜孔钻钻孔,预裂孔孔距为 0.8m;保护层预裂爆破孔采用 TAMROCK700液压钻水平钻孔,预裂孔孔距为 0.7m;梯段爆破孔采用 ROC 742液压钻机和 TAMROCK 700液压钻机造孔。

梯段爆破台阶高度 5m,爆破孔间距设计为 3.0～3.2m,排距 2.5～2.7m,梅花形布置,爆破孔倾斜度与坡面平行。

为保证后续钻爆的顺利,对同一高程分区边界,也采用预裂爆破。爆破孔采用 TAMROCK 700液压钻机造孔,孔径 φ78mm,孔距 1.5m。

(2)爆破参数

①边坡预裂爆破。根据地质资料,左岸岩体主要为板岩、砂岩和砂板岩。边坡预裂爆破孔采用XZ-30型潜孔钻成孔,预裂坡面台阶高度 10m,预裂孔深度 11.2m,孔径 φ90mm。

预裂孔间距 a:据经验公式 a=(7～12)D计算,得 a=63～108(cm),选用 80cm。

不耦合系数 D/d=2.81

线装药密度 Qx:根据《水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范》介绍的经验公式计算:

式中 a——孔间距,80cm;

σ——岩石极限抗压强度,kgf/cm2。

Qx=0.188×80×3000.5=260.5(g/m),选用260g/m,底部加强装药 2～3倍。

②梯段台阶爆破。梯段台阶爆破孔孔径φ78mm,梯段高度 5.0m,斜孔长度 5.59m。

砂岩及板岩最小抵抗线 W=(20～40)d,d为药卷直径(60mm),W=(20～40)×60=1200～2400(mm),取 W=1.8m。

超钻深度 h:h=0.5W=0.9(m);钻孔深度L:L=H+h=6.49(m)。

炮孔间距 a:a=mW,

m为炮孔邻近系数,取 1.8,a=1.8×1.8=3.2(m);

炮孔排距 b:b=0.866a=2.7(m)。

装药量 Q:Q=qaWH,q取 0.30～0.35kg/m3,Q=8.76～10.22(kg)。

(3)装药结构。预裂爆破孔采用间隔装药,药卷直径 φ32mm,炸药采用 2号岩石乳化炸药。边坡预裂孔线装药密度 260g/m,孔口堵塞长度 1.5～1.8m。

梯段爆破高度 5.0m。在梯段爆破中,为控制抛石、飞石,主要采用松动挤压爆破。梯段爆破孔装药不分段,装药长度 2.5～3.4m,堵塞长度 1.6～2.5m,炸药采用 2号岩石乳化炸药,药卷直径φ60mm。强风化岩石梯段爆破,炸药单耗为 0.30～0.35kg/m3;弱风化和新鲜岩石梯段爆破,炸药单耗为 0.35～0.40kg/m3。

(4)起爆网络。预裂爆破孔采用 15孔一段,单响药量控制在 60kg以内;大面梯段爆破孔,为便于网络联结及减少爆破后冲作用对后工作面的影响,以及控制抛石、飞石,排数控制在 6排,最大起爆单响药量不大于 300kg,逐渐递减至邻近设计边坡缓冲孔爆破时,最大起爆单响药量不大于 100kg。采用梅花形布孔排间微差起爆方式,采用非电毫秒雷管延期、导爆索传爆、火雷管引爆的方式联接。为避免段数过多可能出现“串段”或“重段”现象,采用孔外延期接力传爆,保证最大段装药量控制在 300kg范围内。

爆破时严格按照先起爆预裂孔、再起爆主爆孔、最后起爆缓冲孔的起爆顺序,严格控制药量,使爆破后预裂孔孔壁表层不产生严重的爆破裂隙。

5 施工进度和施工强度分析

5.1 施工进度分析

按照投标文件施工进度计划:2005年 6月 1日工程开工,7月 31日施工道路、挡渣墙、风水电等临时设施完建,12月 11日缆机平台以上边坡开挖及支护完工,2006年 6月 10日 1885m高程以上边坡开挖完工,7月 16日工程全部完工。按照招标文件,6号公路于 2005年 8月初通,11月基本完工;8号公路 2005年 5月初通,8月基本完工。

左岸 1885m高程以上开挖工程施工人员自2005年 4月中旬首批进场,5月正式开展前期施工准备工作。由于现场情况的变化,在临建系统规划方面较投标阶段也有了较大变化;现场风水电、道路、集渣平台、挡渣墙等施工均因 6号、8号路原因较《实施阶段施工组织设计》总进度计划滞后。在2005年 10月现场临建系统基本完工,具备边坡开挖施工条件。

由于施工主通道、开口线外危岩体处理、边坡开挖体形调整等施工条件的变化和现场施工环境导致施工工期滞后。

施工主通道:截至 2005年 8月 2日 8号路中部导洞才贯通,履带式设备经过中导洞至 8S2出口,此后经过协调,6号、8号路每星期中只在两天的规定时段内通车,通车时道路路况极差,时常无法保障。2005年 12月才基本具备初通。至 2006年 3月,6号、8号路还在进行路面混凝土浇筑及边顶拱衬砌施工,无法保证正常通车,道路影响持续到 8月。左岸边坡施工唯一出口——8S2出口,则是整个左岸边坡运输施工的枢纽,1号危岩体的处理、开挖区外边坡处理(如Ⅱ、Ⅲ区间的清坡及危岩体处理)对8S2洞口以及 8-1号、8-2号路交通将造成极大影响,直接影响到左岸缆机平台以上的开挖、出渣及材料运输,并对左岸边坡的开挖及支护安全、进度均造成极大影响。

危岩体处理:由于左岸地质条件复杂,增加了开口线外的 1～5号危岩体处理,1～3号危岩体是开口线外施工难度最大、工程量最大、对整个左岸边坡开挖施工影响最大的新增项目。危岩体处理基本方案于 12月 28日确定,其设计方案完全体现锦屏左岸边坡的设计、施工特点,即动态的设计、动态的施工措施。

边坡开挖体形调整:由于左岸地质条件复杂经两次专家咨询会,缆机平台以上开挖区体形图经过三次调整于 11月 7日确定;缆机平台至 1885m高程开挖图在 2005年 12月 20日提供。

左岸边坡开挖施工中出渣、锚索施工强度及材料运输等问题对整体施工进度影响较大。

出渣:左岸边坡因地势陡峭,开挖区外危岩体较多,主要施工道路只能在开挖区内布置。左岸边坡开挖工程自开工以来,一直受 6号、8号路影响,前期虽已进入具备较大规模开挖阶段,但在出渣过程中,因 6号、8号路还在进行衬砌施工,出渣车辆受堵现象较多,效率较低,造成开挖放渣同道路交通间的相互干扰。

锚索施工:锚索施工成孔率低,锚索材料运输困难,现场施工场地狭小,左岸边坡主要为砂板岩,岩体风化强烈,在开挖放渣过程中,岩体产生的粉尘非常严重致使锚索施工环境较差。

材料运输:左岸边坡开口线外增加大量支护施工以及开挖区内开挖支护强度的增加,导致材料运输强度的增加。在材料运输方面采用了各种方法,如卷扬提升系统、滑道、人扛、马驮等,虽在前期施工中克服了较多困难,投入了大量人力、物力,勉强解决了材料运输问题,但随着施工强度的增加,材料运输矛盾将愈发突出,将进一步影响施工进度。

调整后的施工进度计划:2006年 6月 15日Ⅰ区边坡开挖至缆机平台 1959.36m高程;8月 15日Ⅲ区边坡开挖至缆机平台 1959.36m高程;9月 15日 Ⅱ区边坡开挖至缆机平台1959.36m高程;12月31日 1885m高程以上边坡开挖完成。

5.2 施工强度分析

(1)边坡分层开挖工程量(见表1、2)。

表1 缆机平台1959.36m高程以上边坡分层开挖工程量

(2)施工强度分析。根据施工总进度安排,1885m高程以上边坡开挖土石方开挖强度柱状图见图10。

图10 左岸 1885m高程以上边坡土石方开挖强度柱状图

由图可见,土石方开挖高峰时段在 2006年 5、6、7、8、9月,其中高峰强度分别为224940、257578、337302、219948m3/月。随着边坡开挖高程的下降施工工作面较开阔,多工作面可同时作业,开挖强度逐渐降低。

5.3 土石方开挖强度比较

左岸 1885m高程以上边坡开挖各月施工强度与投标文件各月石方开挖施工强度对比见表3。

表2 1959.36～1885.0m高程边坡分层开挖工程量

表3 左岸 1885m高程以上边坡开挖施工强度对比

土石方开挖施工高峰强度由投标文件的203140m3/月,增加到 337302m3/月,增加比率为66.04%。

6 小 结

锦屏一级水电站左岸 1885m高程以上开挖边坡地质条件复杂,自然边坡陡峻,施工场地狭窄,施工和辅助设施布置困难,边坡开挖的施工道路的合理布置对施工顺利进行起着关键作用,合理的开挖分区、分层和分块有利于加快施工进度和提高经济效益。