库区坝坡水下抛石施工方法探讨

赵丽晓 石 泰

水下抛石法是指通过机械或人工抛投块石、卵石等人工或天然石料，在指定区域堆砌形成符合设计要求的结构(铺砌体)，并使之具备某种特定功能的一种施工方法。该工法主要适用范围为抛石保护堤脚、防洪抢险、抛石筑堤、抛石保护桥基及抛石保护冻土地区铁道路基等。本文将水下抛石法应用于水库坝坡的压重固脚，通过对水下抛石施工方法的技术经济对比分析，最终确定一种效率高、安全操作性好，实际效果完全达到预期目的的施工方案。

1. 工程背景

北方山区某水库自建成运行至今已有50余年，经大坝安全鉴定，其主坝上游坝坡抗滑不满足规范要求，需对其进行加固处理。滑坡加固设计的基本准则是减少滑动力和增加抗滑力，一般处理措施有开挖回填、放缓坝坡、压重固脚、增加防渗设施及排水设施等。由于引起该水库主坝上游坝坡抗滑失稳的主要原因是黏土斜墙抗剪强度较低，经比较采用压重固脚的措施可迅速提高坝坡的抗滑安全性。故对大坝上游坝坡的加固方案确定为：沿坝轴线方向抛(堆)石长度为坝长209m，施工水位220.0m以下至坝脚 (坝脚高程为207.0m)抛填块石，抛石宽度 45.5m，坡比 1:3，抛石总量 2.13万 m3；水面以上至一级马道229.0m人工堆石，坡比1:3，堆石顶宽2.0m，堆石总量0.79万m3，由此形成压重固脚体。

2. 施工方案

借鉴堤防工程中抛石法对岸坡水下部分进行防护的常用工法，结合本次库区坝坡特点及施工条件，对水下抛石施工提出以下3种可行方案：

2.1 抛石船施工

采用一般堤防工程抛石护岸惯用设备——抛石船，本方案作如下设计：根据水下抛石范围209m×45.5m(顺坝轴线向×垂直坝轴线向)，按20m×15m(长×宽)划分抛石网格单元，用以控制抛投量和抛投均匀性；选用一艘40m×15m(长×宽)的350t机动驳船作为定位船，抛石船兼运石船选用20m×5m(长×宽)的30t运输船；因坝前水流流速接近零，定位船采取横一字形定位，一次挂靠6艘抛石船，并采用 “四锚法”固定，在船体顺坝轴线方向两侧分别用两根锚呈八字形斜拉固定，靠岸侧两个锚直接固定于岸上(如图1所示)；按照由库区向坝坡，自西向东的顺序进行抛石，在抛石船两侧每2～3m配置1名抛石人员同时进行抛投；定位船在每次定位后，每只抛石船需每次横向移动1.5m移位5次，完成一个网格单元(20m×15m)的抛投量，依此类推，横向移位使整个断面抛投完成以后，定位船移动到下一个断面，依次进行。当每个断面抛投完成后需及时进行水下断面测量，检测抛投效果。

2.2 长臂反铲挖掘机施工

由于施工水位220.0m距坝脚高程207.0m尚有13m高差，淹没于水下的坝坡具体状况不明，在应用机械实施抛石时，为了保证水下坝坡的安全，拟采用建抛石平台→抛石压重→拆除抛石平台→再建下一个抛石平台的方式沿坝轴线方向自东向西逐渐推进，最终实现设计抛石断面。具体方案为（如图2所示）：由主坝东侧溢洪道填筑1条宽5m的临时道路至主坝东侧坝肩，道路高程220.5m，基于该路开始抛石修建第1个平台，平台高程220.5m，顺坝轴线方向长10m，垂直坝轴线方向30m，在此平台上应用作用半径16m的长臂反铲挖掘机实现10m平台及相邻12m坝段范围的抛石设计断面；此时这个12m坝段已经完成了抛石固脚压重，可以承受重型机械作用，因此可在该坝段上应用长臂反铲挖掘机完成第1个平台(保留抛石压重设计断面)的拆除和下一个平台的修建，要完成整个坝段的抛石任务共需倒运石料10次，每次需倒运石料2745m3。施工过程中采用极坐标法（经纬仪配合平板仪）进行水下测量，确保不漏抛且保证设计断面。

2.3 架设浮动平台抛石施工

图1 定位船及抛石船布置示意图

图2 长臂反铲挖掘机施工示意图

浮动平台即现代浮桥，其主体为浮筒，采用高分子聚乙烯通过大型机械设备加工而成，具有组装简易、快捷、灵活、环保等特点，承重可达350kg/m2。本方案于工程区设置2个浮动平台，每个平台规格为 45m×10m(长×宽)，平台表面铺设8mm厚钢板以避免浮筒磨损，通过设置于主坝东西两岸的卷扬机牵引至指定位置。2个平台初始位置分别位于主坝坝长中线两侧，第一次各向东西两侧移动1.5m，然后每个平台东西两边同时开始人工抛填块石，抛石石料可通过由坝顶至一级马道229.0m架设的溜槽输送再经一次倒运运至平台抛投位置。在完成本次移位断面抛投目的后再进行下一个1.5m的移位，直至完成全坝段断面的抛投任务。同样，每个断面抛投完成后需及时进行水下断面测量，检测抛投效果，如不满足设计要求应及时采取措施进行弥补和修正。

3. 方案比选

抛石船、长臂反铲挖掘机和浮动平台3种施工方案的优缺点见表1。

表1

另据计算，采用3种施工方案所需工程直接费分别为513万、528.6万和519万，由此可见，上述各方案工程成本相差不大，但根据现场施工条件，采用抛石船施工方案时，虽然水库作业面满足施工强度空间要求，但与施工强度匹配的船只不足，且外调船只运输难度较大，不能保证在汛前完工；而挖掘机施工方案最大的劣势就是可能对坝坡安全存在隐患。相比之下，浮动平台施工较为简单，对坝坡安全无影响，因此选择浮动平台抛石作为本工程最终实施方案。