大岗山水电站500m级高边坡开挖支护技术研究

文献标识码: A

文章编号: 0559-9342(2015)07-0056-03

收稿日期: 2015-05-17

作者简介:李桂林(1981—)，男，贵州平坝人，工程师，硕士，主要从事水电工程建设管理工作．

Study on Excavation and Supporting Technology of 500 m-high Slope in Dagangshan Hydropower Station

LI Guilin，WU Nan

(Guodian Dadu River Dagangshan Hydropower Development Co．，Ltd．，Shimian 625409，Sichuan，China)

Abstract: The dam of Dagangshan Hydropower Station locates on an area with high seismic intensity，complex topographical and geological conditions and serious rock weathering and unloading．The slope excavation height above dam abutment is more than 500 m，the security and stability of slope excavation are more prominent．By treating slope comprehensively，using rapid construction techniques and monitoring，the security and stability，rapid construction and environmental protection of high slope excavation and construction are effectively solved，and a remarkable economic and social benefits are also achieved．

Key Words: high slope; excavation; supporting; monitoring; Dagangshan Hydropower Station

0　引言

大岗山水电站坝址区地震烈度高，地震基本烈度为Ⅷ度。坝肩边坡地质条件复杂，坝址区两岸山体雄厚，谷坡陡峻，坝肩岩体风化卸荷强烈，发育多条岩脉、断层、卸荷裂隙。坝肩边坡开挖高度高，边坡开挖最大高度达530 m。坝肩边坡开挖施工安全稳定问题较为突出。

1　主要工程问题

1. 1　地震安全性

工程区位于川滇南北向构造带北段，为南北向安宁河断裂、北西向鲜水河断裂和北东向龙门山断裂交汇部位，处在由磨西断裂、大渡河断裂和金坪断裂所围限的黄草山断块的西侧边缘。坝址距磨西断裂和大渡河断裂分别为4. 5、4 km，地震地质背景复杂，区域构造稳定条件差。根据中国地震局批复的地震安全性评价成果，坝址50年超越概率10%和100年超越概率2%的基岩水平峰值加速度分别为0. 251 7 g、0. 057 5 g，相应的地震基本烈度为Ⅷ度。混凝土双曲拱坝地震设防标准采用100年超越概率2%，相应的地震基岩水平加速度峰值为0. 557 5 g。地震安全性是大岗山水电站关键技术问题。

1. 2　地质条件

工程区基岩以澄江期花岗岩为主，岩性为灰白色、微红色中粒黑云二长花岗岩，各类岩脉发育于花岗岩中，尤以辉绿岩脉分布较多。其中，右岸边坡基岩发育78条辉绿岩岩脉、8条花岗细晶岩岩脉，岩脉破碎带呈块裂～碎裂结构;发育84条断层，以陡倾角、倾向坡里为主，属岩块岩屑、岩屑夹泥型或泥夹岩屑型。此外，右岸边坡岩体向河谷临空方向卸荷较为强烈，隐微裂隙发育，岩石完整性较差。地勘资料显示，右岸边坡上部揭露出XL 316-1、XL 09-15等2条中等倾角卸荷裂隙集中发育带，与下部的f 231断层相接形成控制右岸边坡稳定的结构面。结构面上部存在高260 m、顺河床长约200～240 m、水平厚度70～100 m、体积约400万m 3的不稳定组合块体，直接影响施工期及大坝建成后工程的安全。

1. 3　边坡开挖

大岗山水电站坝址河谷狭窄，两岸山体雄厚，谷坡陡峻，基岩裸露，自然坡度一般40°～65°，左、右岸边坡相对高差在800 m以上。根据拱坝建基面设计和缆机布置需要，边坡开挖分为缆机平台以上边坡、坝顶至缆机平台边坡和坝顶以下边坡。左岸边坡自上而下开挖高度最大达530 m，土石方开挖总量约880万m 3。由于左、右岸坝肩边坡开挖高，施工道路等临建布置和出渣难道较大，施工干扰多，开挖过程中石渣容易下河，开挖施工安全问题和环保问题较为突出。此外，左、右岸坝肩边坡开挖项目处于工程发电关键线路上，工期紧，任务重。

2　主要研究内容

2. 1边坡稳定分析及加固

对拱坝两岸缆机平台以上边坡、坝顶至缆机平台边坡和坝顶以下边坡的各种设计方案下的整体和局部稳定性进行分析，并采取必要的支护措施，确保枢纽区边坡安全。通过反馈分析及量化加固设计技术研究，进一步深化和细化工程边坡综合整治设计，科学有效控制枢纽区边坡开挖及运行期安全。

2. 1. 1　右岸边坡卸荷裂隙加固

右岸边坡按枢纽区1级边坡进行加固设计，在确保工程安全性和经济性基础上，以三维刚体极限平衡计算成果作为边坡稳定性判断依据，边坡稳定安全标准按不低于规范的下限值控制，即正常、降雨工况和偶然工况(设计地震和偶然地震)下安全系数不低于1. 25、1. 15和1. 05。按照“深浅结合、表里联合、综合治理”的处理思路，采取了“6层抗剪洞(锚固洞)+斜井+锚索支护+贴坡混凝土+排水”的加固处理方案。对以XL 09-15为底滑面的块体采取锚索进行加固处理;对以XL 316-1及f 231断层为底滑面的大块体采取“锚索+抗剪洞(锚固洞)+斜井”措施进行加固处理，沿XL 316-1及f 231断层共布置6层抗剪洞和3条斜井，f 231断层出露前沿边坡采用贴坡混凝土和锚索加固，利用深层纵、横向排水洞、坡面排水浅孔、深孔、截排水系统及喷混凝土封闭坡面防渗等形成系统的综合排水系统。

根据现场开挖揭示的地质条件，通过动态稳定分析，对边坡治理方案进行了优化。1 240 m高程靠近坝头区，未出现明显的张开裂隙，优化取消该部位抗剪洞; 1 210 m高程抗剪洞水平投影与1 180 m高程抗剪洞近似重合，不具备开挖斜井条件，取消了该高程之间的2个斜井; 1 180 m高程抗剪洞部分桩号段范围揭露的f 231断层倾角变缓，主要在上半洞出现，取消了该部位下半洞开挖。

边坡加固处理后，各种计算方法不同工况下的边坡稳定安全系数均满足设计标准。监测成果显示，右岸边坡整体处于稳定状态，处理效果满足设计要求。

2. 1. 2　建基面和基础岩脉置换

边坡开挖过程中，对拱坝的受力及基础变形影响较大的浅表和深部地质缺陷，进行置换开挖和固结灌浆处理，以改善基础的受力条件。

(1)对拱坝受力及变形影响较大的浅表地质缺陷。左岸主要有1 015～1 037 m高程β 21、β 28辉绿岩岩脉及坝趾Ⅲ 2类花岗岩体，960～979 m高程的Ⅳ类花岗岩体及上部紧邻的β 41辉绿岩岩脉;右岸主要有1 090～1 135 m高程的Ⅳ花岗岩体及β 4辉绿岩岩脉，945～980 m高程的β 43、β 8和β 40辉绿岩岩脉;河床主要有β 88、β 73和β 142辉绿岩岩脉。对以上浅表地质缺陷采取了部分挖除或全部挖除+混凝土置换处理措施，对未挖除的地质缺陷采取水泥固结灌浆加固处理。

(2)对拱坝受力及变形影响较大的深部地质缺陷。左岸有β 21辉绿岩岩脉，右岸有β 8、β 43辉绿岩岩脉。由于上述岩脉规模较大、性状较差，采用深部混凝土网格置换及加密固结灌浆进行处理。左岸共设置3个岩脉置换平洞、4个岩脉置换斜井，右岸共设置4个岩脉置换平洞、6个岩脉置换斜井，并在混凝土网格置换平洞和斜井构成的空间内，对辉绿岩岩脉进行加密固结灌浆。

在追踪岩脉开挖过程中，通过新奥法动态设计方法，在保证置换目的的同时，进行了部分设计优化。建基面和深部基础岩脉置换后，提高了拱坝建基面的完整性和抗变形能力。

2. 2　高边坡快速开挖

通过围堰分期实施、河道提前分流、坝肩开挖基坑集中出渣的导流、截流、围堰填筑及高边坡开挖的综合控制与施工技术应用，实现分区、分块、分层立体多层次施工，以解决高边坡开挖安全、环保和进度问题。采取的措施主要有:

(1)实现河道提前分流。优化建设时序，加快导流洞工程建设。在坝肩大规模开挖前，导流洞工程具备提前分流条件。

(2)分期实施围堰。基于提前分流便于基坑出渣的指导思想，基坑度汛设防等级可降低，对初期导流方案进行调整。全年围堰分期实施，分流后第1个汛期采用过水围堰、基坑过流、隧洞导流的方式度汛，第2个汛期围堰加高至全年围堰，以导流洞导流方式度汛。

(3)设置临时挡水子堰。分析水文资料及近年坝址流量情况，结合工程防汛条件，在过水围堰上部设置临时挡水子堰，提高挡水标准，使其能够抵挡常年洪水。

(4)高边坡快速安全绿色施工技术。河道分流后形成临时基坑，坝肩开挖渣料提前下基坑，由零散出渣变为大规模集中出渣，开挖强度和出渣强度大幅提升。简化了高边坡施工道路布置与建设难度，减少了施工干扰，降低了安全隐患。加强了水土保持工作力度，解决了边坡开挖水土流失、河道污染等环保问题。

2. 3　高边坡安全监测

考虑地震、地质条件、不稳定块体和边坡支护处理措施等因素，边坡安全监测项目、监测断面和测点布置按照宏观与微观相结合、内部与表面相结合、全面与重点相结合的原则进行设计。建立了完善的右岸边坡立体监测体系，监测内容主要包括表面变形、岩体内部变形、支护应力、混凝土应力应变、微震监测和开挖爆破影响等。

(1)表面变形监测。利用边坡马道，设置外部观测墩，形成多条监测断面，监测边坡表面水平位移和垂直位移。

(2)浅表监测。布设多点位移计、锚索测力计、锚杆应力计和测斜管，监测边坡浅表应力应变及位移。

(3)深部变形监测。利用地质勘探平硐，布设石墨杆收敛计、裂缝计和砂浆条带，监测边坡深部变形情况。

(4)右岸边坡加固处理措施监测。按照突出重点思路，有针对性地开展右岸卸荷密集带处理措施监测。布设锚索测力计、锚杆应力计、钢筋计、测缝计、错位计等监测围岩变形及受力情况;布设压应力计、无应力计和应变计组监测抗剪洞混凝土内部应力;布设渗压计监测渗透压力变化情况。

(5)微震监测。监测系统由22个传感器阵列组成，实现对右岸坝肩600 m×400 m×600 m空间范围的全天候实时监测。通过分析岩石内微破裂及其演化情况，进行岩质边坡失稳预报。

(6)开挖爆破监测。通过开展开挖爆破振动监测和爆前、爆后声波监测，提高开挖施工质量，控制爆破质量，减小对边坡岩石损伤。

各项监测资料表明，采取加固措施后，右岸边坡变形已收敛，边坡处于稳定状态。

3　主要技术创新点

3. 1　综合治理

按照“综合治理、实时监测、动态设计”的思路，确定了右岸边坡卸荷裂隙工程处理难度最小、经济最合理的加固方案，处理效果满足要求，处理规模和施工难度国内罕见，可为今后类似工程提供借鉴。

3. 2　微震监测

建立了高边坡微震监测系统，初步实现了右岸边坡稳定性及潜在风险区域的实时监测、分析和预警。初步形成了一套以微震监测为主、应力场分析为辅的岩质边坡失稳演化机理分析理论。该项研究成果获得了中国岩石力学与工程学会科学技术奖一等奖。

3. 3“先分后挖”施工技术

通过围堰分期实施、河道提前分流、坝肩开挖基坑集渣出渣施工技术，极大地简化了岸坡施工道路的布置与建设，减少了施工干扰，提高了开挖强度和出渣强度，实现了坝肩快速开挖，并成功解决了拱坝高陡边坡开挖渣料下河引起的水土流失、河道污染等环保问题。该项研究成果获得了中国水力发电工程学会科学技术奖二等奖。

4　实施效果

4. 1　经济效益

(1)加快坝肩开挖进度。高峰期开挖强度达44 万m 3/月，出渣强度达54万m 3/月，开挖进度及出渣强度均达到国内先进水平。通过先分后挖技术，较设计工期缩短了4个月。

(2)降低坝顶以上边坡开挖出渣难度和成本。坝肩开挖渣料下基坑，降低了出渣难度，缩短了运输距离，降低了运输成本，节约投资约1 200万元。4. 2　社会效益

(1)实现了多项技术进步，工程示范效应明显。

(2)边坡开挖施工期间未出现安全事故，同时保证了省道S211通行安全。

(3)开创水电工程建设与环境保护之间和谐发展的新思路，解决了边坡开挖水土流失、河道污染等环保问题。

5　结论

大岗山水电站500 m级高边坡

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