瀑布沟水电站加里俄呷石料场施工布置与开采

梁日新,张 伟

(武警水电第一总队 四支队,广西 南宁 530222)

1 前 言

瀑布沟水电站大坝为砾石土心墙堆石坝,最大坝高 186m,坝顶高程 856.00m,坝体建基面高程670.00m,坝顶长 540m,顶宽 14m,坝体最大底宽780m。坝体填筑总量 2000.32万 m3,其中坝体上游侧堆石料和过渡料总量为 730.93万 m3、下游侧堆石料和过渡料总量为 754.18万 m3。坝体石料填筑规划 2个石料场,即大坝上游侧的加里俄呷石料场和下游侧的卡尔沟石料场。加里俄呷石料场主要为坝体上游侧填筑提供过渡料、堆石料和护坡的块石料。加里俄呷石料场位于坝址左岸上游约 4km处,沿大渡河流向自上游罗多沟至下游脚落沟,长700m,高程自880～110m,总体坡高 230m,坡度上缓下陡。1000m高程以上坡度约 35°,为崩坡积之碎块石、耕植土与覆盖层;1000m高程以下为 50°～55°的陡坡,920m高程以下为 70°～85°的陡坡,岩石岩性为中粗花岗石,其间有辉绿岩脉及断层破碎带分布。

2 石料场复查

料场开采前对料场进行了复查,为料场的开采提供依据和参数。

2.1 复查内容

重点复查了料场石料的岩性、断层与构造裂隙、强风化层厚度、风化夹层分布及无用料剥离层厚度、可用料的储量与质量。

2.2 复查方法

复查范围为桩号 0+200～0+720m、高程 880m～1110m的区域,斜面面积 25万 m2。在复查区每40m布设一个断面,共完成 14个断面、84个地质点。复查采用断面法布点测绘,采用挖坑、钻探取芯,同时充分利用主干道路开挖等的典型露头点,对土石界面、岩石强风化带下限界面、风化夹层、辉绿岩脉(断层)、节理裂隙带、深风化槽进行定点测量,以揭示强风化石料的下限界线。下限界线以上石料为无用石料,下限界线以下石料为可开采上坝石料。由料场复查取点数据计算出料场覆盖层和无用石料的平均厚度为 15.6m。

2.3 料场基本地质条件

2.3.1 地层特性

料场石料系澄江期基性岩,岩性为花岗岩,中、粗粒结构,块状、次块状构造。花岗岩体中分布有辉绿岩脉,厚度不等,一般是 0.3～0.6m,最大约2.0m,多呈分支状穿插在花岗岩体中。花岗岩石质坚硬,岩性单一,分布连续成片,有利开采;中粗粒花岗岩较易破碎,有利于保障堆石坝的压实密度。

2.3.2 地质结构

经复查,石料场无较大的断层,区内有 9条辉绿岩脉(断层)和次级小断层破碎带。岩脉(断层)为片状、千枚状、鳞片状及支状构造岩。部分岩脉(断层)两侧可见不连续的断层泥膜,岩脉(断层)、次级小断层带性质差,不能满足大坝填筑的要求,在料场开采过程中应予以剥除,经挑拣后作为弃料运走。

2.3.3 岩体物理力学性质

料场复查揭示,料场岩石以弱、微风化为主。在现场取不同部位的强风化、弱风化、微风化的花岗岩石 3组,经复查试验表明,花岗岩的干密度为 2.62～2.87g/cm3,吸水率一般在 0.2～0.4之间,属低吸水率,不含亲水矿物的岩石。弱风化花岗岩石的干抗压强度平均值为 136.3MPa、湿抗压强度平均值为 129.1MPa,微风化花岗岩石的干抗压强度平均值为 178.1MPa、湿抗压强度平均值为 166.9MPa。均满足设计要求的过渡料、堆石料和块石料的力学指标要求(湿抗压强度大于 50MPa)。

2.4 石料场储量

本次复查采用平行断面计算无用料和有用料的储量,从桩号 0+200～0+840m、高程 880～1100m的区域,按每 40m布设一个断面,共计 14个断面。根据地形图和实测地质界线点,在平面上圈定覆盖层及强风化层(带)下限界线,采用切图法和实测断面相结合,在剖面上分别绘制覆盖层、强风化带的下限界线进行储量计算。

2.4.1 无用料剥离量

无用料包括覆盖层和无用石料(强风化下限线以上岩石)。覆盖层和强风化层(带)的平均厚度为15.6m,依据断面计算出其工程量为 289.7万 m3。经业主、设计、监理、施工四方共同进行的现场多次无用、有用料界定资料的计算,实际开挖的无用料为339.7万 m3。

2.4.2 有用料储量

开挖方案:开挖开口线最大高程为 1110m,终采平台高程为 890m,开挖最大高差 220m。料场开挖边坡坡比为:土质边坡 1∶1.5,土夹石边坡 1∶0.7～1∶1,岩石边坡坡比在1040m高程以上区域为 1∶0.5,1040m高程以下区域为 1∶0.3,开采台阶高度15m,每 15m高布置一道 2.0m宽马道,每 45m高(3个台阶)布置一道 5m宽马道,作为支护平台。终采平台高程为 890m,断面间距为 20m,计算出有用料开采工程量为 918.7万 m3。坝体上游侧填筑总量为 684.62(746.23/1.09)万 m3,储量与设计量比值为918.7/684.62=1.34。

3 石料场施工布置

3.1 料场开挖施工的主要特点

3.1.1 施工安全问题突出

加里俄呷料场开采边线的上方、下游方都有居民居住,特别是下游方,居民住房紧靠开挖边线,石方爆破飞石对当地居民和住房将造成很大的安全隐患;料场的下方边坡坡脚就是左高线公路(省道S306线),再往下是低线公路,这两条公路都是交通要道。而料场左高线公路一侧的边坡坡度很陡,石方爆破、石料挖装时石块十分容易飞落或滚落到左高线公路和左低线公路上,给公路交通造成很大的安全隐患。料场下游段的下方还有一个施工生产用水水厂。220m高的高边坡开挖施工,边坡掉石时有发生。

因此,加里俄呷料场施工的安全问题非常突出,须采取有力的措施才能确保料场施工的正常进行及左高、低线公路的交通安全、畅通。

3.1.2 料场内施工道路布置困难

料场内施工道路起点只能布置在左高线公路上,而料场左高线公路一侧的边坡坡度非常陡,开挖高差又大,又要考虑开挖施工时对省道 S306线的影响,故施工道路布置显得十分困难。

3.1.3 交通干扰问题突出

左高线公路(省道 S306线)是一条重要的运输道路,车辆多、交通繁忙。料场开采高峰期间石料运输车辆达 120台以上,高峰时段又长,左高线公路路面宽只有 9m,因此地方车辆与石料运输车辆之间的交通干扰问题突出。

3.1.4 石料开采强度高

大坝高峰填筑强度为 120万 m3以上,相对应的加里俄呷料场石料开采强度达到 48.9万 m3/月,运距又远(最大运距为 8 km),这样大的开采强度,须合理布置开采工作面和采取配套机械化施工,才能满足高强度要求。

3.2 料场开挖施工布置

根据料场开挖施工的主要特点,在施工过程中对料场施工道路和开采工作面侧重进行了布置。

3.2.1 料场施工道路布置

综合考虑料场的地形地貌、左高线公路、周围建筑物、料场开采高峰强度等因素,料场开挖时布置了2条主干道路(L1、L2),走向基本与高线公路平行,其特性见表1。

表1 料场施工主干道路特性 m

主干道路 L1先修建,主要采用拉槽扩挖、外侧预留岩埂(最高达 30m)的方式进行修建;起爆方向平行左高线公路,修建过程中大大减少渣土掉落到左高低线公路上,确保了左高、低线公路的畅通。左高线公路采取 1m厚的细石土砂砾石土保护混凝土路面,外侧采用钢筋石笼作挡墙,预留岩埂的路段宽度一般超过 15m。后来的爆破开挖、石料运输证明:预留的岩埂对减少爆破石块滚落到左高低线公路上、保护混凝土路面不受损坏、保障公路交通畅通和石料运输车辆的安全起到了极其重要的作用。对于无法预留岩埂的路段采取锚杆混凝土路墩、大块石挡墙的安全防护;高度超 20m的路段边坡还采用预裂爆破方法开挖,尽量减少爆破对道路边坡岩石的破坏和扰动,大大保障了施工人员和设备的安全。

2006年 4月底,主干道路 L1全部修建完成,历时 13个月。随着无用石料的剥离和有用石料开采平台高程的降低,L1相应路段高程也相应降低。开采平台的内侧石料时 L1道路布置在平台(宽 30～150m)的外侧;开采平台的外侧石料时 L1道路布置在平台的内侧。总之,开采平台上的 L1道路布置与石料开采工作面相应匹配,最大程度地保障了开采强度和道路顺畅。

主干道路 L2后修建,主要目的是为了与 L1、左高线公路形成循环施工道路,减少运距和节省运输成本。

为了彻底解决地方车辆与石料运输车辆之间交通相互干扰的问题,在料场的下方修建了加里俄呷料场临时交通洞,地方车辆改走临时交通洞,与石料运输车辆完全隔离,杜绝了了相互干扰,保障了石料开采的正常进行。

3.2.2 开采工作面布置

过渡料(最大粒径 30cm)、堆石料(最大粒径80cm)分区开采,过渡料开采布置在岩石节理、裂隙比较发育的区域,其他区域开采堆石料。在实际开采过程中按此要求开采过渡料和堆石料,取得了良好的爆破效果和经济效益。

4 料场开挖

4.1 覆盖层剥离和无用石料开挖

在顶部的覆盖层剥离和无用石料开挖时,用反铲在不同高程部位挖了多处 3m深的拦渣坎,有效地拦截了滚落的渣土,确保了施工人员、设备和左高、低线的交通安全。开口线部位在开挖前进行测量放线,力求开口线开挖面在同一斜面上,有利于施工开挖、支护和坡体稳定,开挖的坡面感观也较好。

覆盖层剥离和无用石料(强风化下限线以上岩石)开挖后,根据大坝填筑总体进度计划开始进行石料的开采上坝。

4.2 料场开采爆破试验

大坝填筑前进行了堆石料和过渡料开采的爆破试验。石料开采爆破主要采取深孔梯段微差爆破,边坡开挖采用预裂爆破,爆破试验采用 2号岩石乳化炸药(WL-2型)和 4号岩石粉状铵油炸药,两种炸药组合使用,非电毫秒延时排间或 V形起爆,起爆方向平行左高线公路。

对加里俄呷石料场 2006年 6～7月间在1055m高程平台不同部位进行了 5次堆石料开采的爆破试验和相对应的石料筛分,根据石料筛分数据绘制的石料级配曲线和设计的级配曲线相比较。经上报批复后堆石料开采选用的爆破参数见表2。

对加里俄呷石料场 2007年 1～4月间在1010m高程平台不同部位进行了 5次过渡料开采的爆破试验和相对应的石料筛分,根据石料筛分数据绘制的石料级配曲线和设计的级配曲线相比较。经上报批复后过渡料开采选用的爆破参数见表2。

表2 堆石料、过渡料开采爆破参数

4.3 料场石料开采

料场开采料直接上坝,不设中转料场。

4.3.1 开采区域划分

堆石料、过渡料开采量大、强度高且最大粒径级配差别大,故采取分区开采;护坡块石料在堆石料中挑选。

开采工作面布置:开采工作面的布置要适应高强度开采要求,扩大单次爆破规模,减少爆破次数。布置成规则的台阶状和工作平台,以利于作业面的布置。从平面上主要布置 3个开采工作面,先在料场中部拉槽爆破形成 3个开采工作面,然后再向两端扩挖;从立面上分台阶布置,一般按两个台阶同时布置工作面,高峰强度按三个台阶同时布置工作面,保证了石料开采各个工序能连续作业和开采强度。

4.3.2 石料开采施工程序

台阶法钻孔爆破分层开采的施工程序:布孔→钻孔→装药联网、爆破→安全检查→出渣。

4.3.3 石料开采施工方法

按批准的堆石料、过渡料开采爆破参数进行堆石料和过渡料的开采、上坝。

钻孔:采用高风压潜孔钻机钻主爆孔,预裂孔采用 100B型支架钻机,坡角欠挖处采用手风钻处理。

装药联网起爆:人工装药联网起爆。预裂孔采用 2号岩石乳化炸药 φ32,雨季和岩体水量大时采用 2号岩石抗水乳化炸药;对孔径 φ90,相应炸药直径 φ70;对孔径 φ110,相应炸药直径 φ90。旱季和炮孔无水时可采用 4号岩石铵梯粉状炸药。分段起爆药量按招标文件和技术规范控制,梯段爆破最大一段起爆药量不大于 500kg。

石料挖运:主要采用 5.8m3液压正铲和 3.8m3、2m3反铲装渣,石料运输采用 32 t和 25 t自卸汽车。

施工过程中,根据岩石的裂隙、节理发育和风化程度(弱风化、微风化、新鲜)的不同,适当调整爆破参数,以取得良好的级配和节约成本。

4.4 石料开采进度和强度

根据坝体填筑进度计划,料场开采进度计划应与坝体上游侧填筑进度计划相匹配,并考虑雨季的影响,以及 2006年 6月份坝体的先期填筑。

4.4.1 料场石料开采进度

2006年 6月底前,料场 1055m高程平台以上的无用石料开挖完成,形成比较规则的石料开采平台,2006年 7月在完成堆石料开采的爆破试验后开始坝体上游侧堆石料的先期填筑。

2007年 4月完成过渡料开采的爆破试验,5月开始坝体上游侧过渡料的填筑施工(与心墙区黏土、反滤料填筑同步)。

大坝上游侧填筑施工从 2006年 7月开始至今,堆石料与过渡料的开采进度完全满足大坝施工总进度计划要求,并且有一定的富余。

4.4.2 开采强度

在料场运输道路、开采工作面布置合理和施工设备配置合理、数量充足的前提下,大坝上游侧填筑施工从 2006年 7月开始至今,堆石料与过渡料的开采强度完全满足和超过大坝填筑施工强度计划要求,其中 2007年 11月、12月,石料开采量分别达到53.6万 m3、54.7万 m3,此外每月还向砂石料系统供应石料 5万 m3;2008年 4～5月份,在满足上游填筑强度的前提下,因下游料场开采强度不足还向坝体下游侧提供了堆石料 20.6万 m3。

截至 2008年 6月 20日,在加里俄呷料场开采堆石料和过渡料共计 523.9万 m3,填筑到 765m高程,向砂石料系统供应石料 40万 m3。

4.4.3 主要施工机械设备配置

料场开挖主要施工机械设备配置计划见表3。

表3 石料开采主要施工机械设备

4.5 大坝填筑检测结果

自填筑至今,在堆石料现场取样 99组、过渡料现场取样 506组,取样主要参数试验结果见表4和表5。统计的数据表明,填筑的堆石料和过渡料全部合格。

表4 堆石料取样试验结果(主要参数)

表5 过渡料取样试验结果(主要参数)

5 料场高边坡支护与水土保持

5.1 高边坡支护

加里俄呷块石料场边坡开挖最大高差现已达160m,形成了多级马道。四川省成都理工大学地质灾害与地质环境保护国家重点实验室对开挖边坡进行了稳定性分析。分析认为边坡整体稳定,但因边坡岩体风化、破碎、节理发育、辉绿岩脉多等的原因,存在局部失稳的可能,因此应对不同地质条件的开挖边坡采用不同的支护方式。

土质边坡支护形式:混凝土框格梁 +马道上砌筑排水沟。

岩石边坡支护形式:系统锚杆(锚筋束)+挂网喷射混凝土 +排水孔、随机锚杆(锚筋束)+素喷混凝土 +排水孔、素喷混凝土 +排水孔、锚索 +挂网喷射混凝土 +排水孔等。

此外,为了便于监测高边坡的变形情况,还在料场边坡不同部位设置了 6个多点位移计(4点,孔深40m)。

边坡支护完成后,多点位移计的监测数据表明:料场高边坡稳定。汶川 5.12大地震后,多点位移计的监测数据表明:料场高边坡稳定,大地震对边坡稳定无大的影响。

5.2 水土保持

由于开挖边坡支护及时、有效,至今没有引发过泥石流、塌方等灾害,有效地减少了水土流失的发生。

6 结论和建议

结论:(1)合理布置施工道路和开采工作面是料场石料开采的关键。(2)对高边坡要及时支护才能确保施工安全和施工进度。

建议:料场开挖交通最好与地方交通相互隔离,一方面可以减少扰民,另一方面可以加快施工进度。