天花板拱坝左岸坝肩窑洞式开挖设计及研究

李贺林，王毅鸣，林健勇

（中国水电顾问集团北京勘测设计研究院，北京 100024）

1 工程概况

天花板水电站位于云南省昭通市境内的金沙江右岸一级支流牛栏江下游河段上，电站总装机容量为180 MW，为三等中型工程。枢纽工程的主要建筑物由碾压混凝土双曲拱坝、引水发电隧洞和地面式厂房等组成。碾压混凝土双曲拱坝，坝顶高程1 076.80 m，最大坝高107 m，坝顶弧长159.87 m，拱冠坝顶宽度6 m，拱冠梁底厚度22.64 m，拱端最大厚度24.09 m，厚高比0.212。

2 坝址区地形地质条件

2.1 地形条件

天花板水电站坝址河谷为典型的峡谷河段，两岸地形陡峻，岸坡平均坡度在60°～80°，河谷整体断面为 “V”形，基本对称，河床高程为989～991 m，河床宽30～40 m，河谷底宽约60 m。水库正常蓄水位1 071 m处宽110 m，河谷宽高比为1.34左右。

2.2 左岸坝基地质条件

左岸岩性为东龙潭组中厚～厚层富藻粉晶白云岩，厚层状结构，弱～微风化，层理不发育，层理产状为走向 NE40°～60°， 倾向 SE， 倾角 10°～18°， 中硬岩，岩质较坚硬，单轴饱和抗压强度40～60 MPa，为中硬岩，大部分岩体完整或较完整。受结构面切割及影响，不同高程坝基岩体存在差异，经综合分析判定：高程1 077～1 021 m、1 017～993 m主要为Ⅱ类岩体；1 021～1 007 m高程Ⅱ类岩体占88%，Ⅲ1类岩体占12%；993～979 m高程Ⅱ类岩体占67%，Ⅲ1类岩体占33%。Ⅱ类岩体纵波波速Vp5 000～5 500 m/s，局部受爆破影响波速Vp3 500～4 000 m/s，Ⅲ1类岩体纵波波速Vp3 200～4 000 m/s。

左岸边坡受f14等缓倾角结构面切穿了L15、L16等NW向长大裂隙，形成了不利于稳定的块体，坝肩岩体结构相对不完整。拱坝轴向力作用方向近垂直于L15、L16等结构面，以上结构面及其组合对坝肩岩体的变形及岩体稳定均有一定的影响。

3 坝肩开挖方案研究

3.1 拱坝坝肩开挖形式一般概况

天花板水电站坝肩开挖设计过程中，对两岸坝肩地形地质条件进行了分析，在总结国内外拱坝坝肩开挖型式经验的基础上，主要研究了开槽明挖和窑洞式开挖两种形式。

开槽明挖是工程边坡开挖的常见形式。一般边坡开挖范围相对较大、边坡高度高、开挖和支护工程量大、施工工期长及投资多，对拱坝而言，下游侧岩体做为坝肩持力体，明挖会影响坝肩稳定。

窑洞作为地下建筑物的一种，在工民建、公路等土木工程领域应用较广泛。在水电工程中，在地形地质条件满足要求的条件下，水工建筑物设计也考虑利用部分窑洞来进行建筑物的布置，如龙羊峡水电站的水电站安装间就是布置在左岸山体窑洞内，还有一些电站厂房就布置设计成窑洞式电站地下厂房。

拱坝一般建在河谷狭窄、边坡陡峻、地质条件较好的坝址区，在岩体的强度、构造等满足要求的条件下，具有窑洞式开挖的条件。拱坝窑洞式开挖是指在拱坝坝肩、坝顶高程位置的高陡边坡上预先设置施工洞，再利用施工洞按坝肩体形轮廓从施工洞内向下分层开挖形成拱坝坝基面的开挖形式。该种开挖形式主要开挖坝体轮廓范围内的岩体，开挖范围相对较小，从而降低了支护工作量和施工难度、减少了边坡开挖范围和高度，同时施工洞也可作为交通洞永久保留，不会造成浪费。对于拱坝坝型，该开挖形式对坝肩稳定也较为有利。天花板水电站左坝肩最终采取窑洞式开挖形式，示意见图1。

3.2 左坝肩开挖方式研究

3.2.1 地形地质条件分析

从左岸坝肩地形地质条件分析，上游侧地形高陡，且坝肩嵌入山体位置较深，下游侧呈倒喇叭形，山体相对单薄，下游侧坝肩嵌深较浅，而下游侧岩体做为坝肩持力体，应考虑尽可能的减少开挖，对坝肩稳定有利。由于坝肩岩石以粉晶白云岩为主，岩石风化程度浅，拱肩槽岩体除了1 021 m高程左右受L13裂隙影响局部发育Ⅲ1类岩体外，基本都是Ⅱ类岩体；建基面岩层层面产状平缓、层间结合较好，主要结构面及岩层层面对施工期边坡稳定基本不会造成影响，基本满足边坡稳定的要求。若采用开槽明挖方式，势必造成坝顶以上边坡开挖范围扩大、边坡高度增大、而左岸坝顶高程以上无条件布置机械施工道路，仅能采取人工开挖的方式，施工作业面狭窄、开挖难度大、工程安全隐患增多、开挖和支护工程量增大、投资增多且对坝肩稳定不利。总之，左岸岩体条件基本满足窑洞式开挖的条件，且可以减少明挖等一些不利因素。

图1 天花板水电站左坝肩窑洞式开挖形式示意 （单位：m）

3.2.2 拱坝体形分析

从拱坝体形分析，拱坝体形设计的坝体厚高比为0.212，属较薄拱坝，坝体断面较小，上部开挖宽度仅8 m，底部最大开挖宽度约为26 m；坝肩上部及上游侧嵌深较大，下部及下游侧嵌深较小；上下游侧开挖面较平顺、曲率较小，适合自上而下进行窑洞式开挖。

3.2.3 坝肩工作条件分析

拱坝拱座开挖一般要求开挖成径向，以利于坝肩的应力和稳定，开挖深度要与坝肩地形地质条件相适应，满足坝肩30°传力要求和坝肩的 “肩宽”要求。所谓30°传力要求就是拱圈内弧面与该高程可利用岩体等高线间的夹角宜大于等于30°，使拱坝推力在基础岩体中安全扩散传递，以求得稳定和较好的工作条件。所谓坝肩 “肩宽”要求是指拱端下游侧要有一定厚度，由于拱坝受力后拱端下游是应力最大部位，如果厚度很小或没有，则拱端下游附件岩体容易发生较大面积的屈服，恶化坝肩工作条件甚至难以正常运行。

天花板水电站左岸坝肩地形呈倒喇叭口形，坝肩岩体相对单薄，采取窑洞式开挖，可较多保留拱端下游侧岩体，在尽可能较少坝端开挖深度的同时，能满足坝肩30°传力要求和坝肩的 “肩宽”要求，获得较好的坝肩工作条件。

3.2.4 开挖体形分析

进行开挖设计时，可根据上下游开挖面的地质条件特点区别对待：由于岩层层面倾向上游，有利于上游侧边坡的稳定，设计为上游侧开挖面全部为倒悬，且倒悬度总体稍大，最大倒悬度为1∶0.4；下游侧开挖面基本为倒悬，考虑岩层层面对临时边坡稳定的影响，控制其倒悬度最大不超过1∶0.15。经计算分析，按此方式开挖，加之及时跟进的支护措施，可保证基坑内上下游边坡的稳定和安全。

3.2.5 左坝肩两种开挖方式工程量、投资对比分析

（1）开挖边坡范围、高度参数分析。开槽明挖和窑洞式开挖坝顶以上边坡坡高、边坡长度范围、边坡形式分别为130、80 m、超高边坡，63、48 m、高边坡；开槽明挖和窑洞式开挖坝顶以下边坡坡高、边坡长度范围、边坡形式分别为107、180 m、正坡，107、61 m、倒悬式。由此可见，窑洞式开挖边坡坡高和范围较开槽明挖形式小很多，且边坡规模较低，对环境保护有利。

（2）开挖工程量、投资分析。左坝肩采用开槽明挖型式，土石方明挖工程量为16.1万m3，喷混凝土1 460 m3，挂钢筋网36.2 t，锚杆1 050根，锚索118束；采用窑洞式开挖土石方明挖工程量4.9万m3，喷混凝土 450 m3，挂钢筋网 11.6 t，锚杆 335根，锚索28束。窑洞式开挖及支护工程量明显较少，节省直接投资约480万元。

3.2.6 开挖施工难度分析

天花板水电站左岸采用窑洞式开挖，右岸采用开槽明挖，在施工过程中，施工单位最先开始右岸的开挖，滞后数月才开始左岸的开挖，最终还是左岸开挖顺利并提前完成，且满足坝体混凝土浇筑条件。另外在施工过程中右岸开挖经常出现突发情况，需要进一步加大喷锚支护或锚索支护，实践证明，右岸开槽明挖的施工难度较大。而窑洞式开挖开挖工程量较小，该方法在进行坝顶以上上游侧边坡开挖支护的同时，利用坝肩的先期开挖的施工洞进行坝顶以下拱肩槽的开挖支护工作，可进行交叉作业，降低了开挖支护难度，又大大节省了施工工期。

综合以上分析，天花板水电站左岸坝肩采用了窑洞式开挖，利用左岸坝顶交通洞兼灌浆洞进行坝顶以下坝肩开挖，开挖型式根据上下游开挖面的地形地质条件区别对待，同时根据揭示的地质情况不断对爆破参数和支护参数进行调整，采用自上而下、边坡预裂、小梯段台阶爆破、边开挖边支护、支护与开挖同步进行的施工方法，同时加强施工期边坡巡视及监测，随时反馈施工信息，整个开挖工作进展顺利，实现了设计的开挖方案。

4 结语

通过对天花板水电站左岸坝肩窑洞式开挖的设计和研究，主要有以下几点体会：

（1）拱坝坝肩的开挖深度设计与拱坝的稳定、坝体应力密切相关，需要综合分析研究确定。从设计理念的原则分析，确定开挖深度以后，减少坝肩的开挖范围和开挖量，有利于拱坝坝体应力和拱坝坝肩的稳定，坝基窑洞式开挖方式的实践是拱坝基础处理和坝肩边坡稳定的要求与拱坝坝体体形和地形地质条件的巧妙结合，促成了拱坝整体建设的完美和顺利。天花板水电站不论是左岸的窑洞式开挖，还是右岸的槽挖都努力减少坝肩的开挖范围及坝肩卸荷松动，从而使高陡地形的开挖得以顺利进行。

（2）采用窑洞式开挖，必须掌握坝肩地形地质条件、岩层产状、断层或裂隙的构造，分析岩体裂隙、构造对开挖边坡整体稳定的影响，同时在施工过程中根据揭示的地质情况及时对表面的不稳定块体进行支护，确保开挖安全。

（3）拱坝坝肩采用窑洞式开挖与开槽明挖相比较，可减小拱坝坝肩边坡的开挖高度和范围，降低工程边坡安全风险，减少工程量、节省投资、缩短工期、有利坝肩稳定，具有较好的综合经济和社会效益，值得在高山峡谷地形水电站设计中借鉴推广。

（4）窑洞式开挖施工过程中，必须严格控制爆破参数，精细开挖，及时支护，同时注重开挖窑洞洞脸一定范围外的边坡支护，避免岩体构造裂隙影响边坡和洞脸的稳定。天花板拱坝窑洞式开挖能够成功实施，与施工单位水电十四局精细开挖、及时施工支护是密不可分的。