峡谷地区高拱坝生态开挖关键技术研究

徐 林，罗洪波，陈毅峰，邱焕峰

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

0 引 言

水电水利工程大坝边坡开挖会造成生态破坏和水土流失，即使后期进行生态修复，效果也不甚理想。窑洞式拱肩槽技术可以从源头避免产生高陡的永久人工边坡，使建筑物与自然和谐相处，是一项适用于峡谷地区拱坝的生态开挖技术。与传统的开槽明挖相比，窑洞式拱肩槽的优点主要有：开挖创面小，最大程度减小对环境的影响，拱坝建筑物与环境浑然一体，自然美观；减少了拱坝坝肩边坡的开挖高度和范围，降低工程边坡的安全风险和施工难度，减少开挖支护量，从而缩短工期，节省投资；最大程度地保留坝肩下游的山体，利于拱坝坝肩稳定。目前，国内窑洞式拱肩槽在招徕河、天花板、云口、盖下坝等水电工程均有采用[1-3]。其中，跨度最大的为盖下坝拱坝，为16.61 m，高度最大的为天花板拱坝，为67 m。

本文介绍了该技术成果在善泥坡水电站的成功应用经验，实现了大规模的窑洞式拱肩槽开挖。拱坝左岸窑洞坝顶洞深33.30 m，设计底高程为828 m，设计最大高度66.6 m，最大跨度18 m；右岸窑洞坝顶洞深46.01 m，窑洞底高程为783 m，最大高度达111.60 m，最大跨度23 m。

1 窑洞式拱肩槽适用条件

1.1 地形地质条件适应性

窑洞式拱肩槽对地形地质条件要求较高，主要需具备以下特点，才可考虑采用窑洞式拱肩槽：

(1)两岸山体高陡。善泥坡水电站坝址河谷为“U”形谷，左右岸均为高耸陡壁，坡度接近铅直，左右岸陡壁顶高程在1 200 m和960 m左右，均远超过坝顶高程，如果采取传统的开槽明挖方式，将形成极高的开挖边坡，有必要采取窑洞式拱肩槽。

(2)平缓、厚层、坚硬的岩石，无大的地质构造缺陷。善泥坡水电站大坝两岸地层为单斜构造，地层单一，均为厚层灰岩，湿抗压强度为67 MPa，属坚硬岩，岩层倾角平缓10°～15°，进行坝址坝线选择时，避开了断层、褶皱等大规模的地质缺陷，具备采用窑洞式拱肩槽的基本条件。

1.2 拱坝体形适应性

与传统的开槽明挖不同，窑洞式拱肩槽适宜小嵌深、小正倒悬度、小厚高比、小中心角的拱坝体型，以减小窑洞开挖的规模和开挖倒悬度。通过对比多种曲线线形，抛物线靠近两岸愈发趋于扁平，特别适合窑洞式拱肩槽。对窑洞式拱肩槽范围内的拱坝体型，应尽量减小体型正悬度，以减小开挖倒悬度。

善泥坡水电站双曲拱坝基本体形为：坝顶高程888 m，坝底高程778 m，最大坝高110 m，坝顶宽6.0 m，坝底厚23.5 m，厚高比0.214，坝顶中心弧长204.29 m，最大中心角86.573°，最小中心角62.505°，拱坝最大倒悬度0.14，两岸窑洞范围内拱坝最大倒悬度0.11，最大正悬度0.20。

1.3 拱坝嵌深的确定

拱坝对两拱肩槽和河床基础岩体要求均较高，需要一定的嵌深才能满足要求。而窑洞式拱肩槽则要求尽量减小两岸嵌深和河床开挖深度，降低窑洞的规模。为把握这个矛盾体之间的平衡，需要一个可量化的控制指标确定拱坝嵌深。岩石的声波CT可直接反应岩石的完整程度，并与岩石的弹性模量具有一一对应的关系，可作为嵌深量化的控制指标参与拱坝应力计算。

通过对善泥坡水电站坝基岩石进行的声波CT和变形模量选点测试，建立起两者的理论关系，经过回归计算得出两者的相关方程为

E0=aVpb

式中，E0为岩体变形模量；Vp为岩体声波速度；a、b为相关系数，a=8.35×10-10，b=2.75。

计算表明，基岩变形模量E0为11 GPa时，坝体拉压应力均可满足设计要求，嵌深最小，其相应的声波波速Vp为4 650 m/s，故以基岩声波波速Vp≥4 650 m/s为拱坝基岩质量基本控制指标。最终，确定善泥坡水电站拱坝左岸嵌深21～28 m，右岸嵌深39～44 m，河床坝基高程778 m，建基面均坐落在微风化岩石上部。

2 窑洞式拱肩槽设计方法

2.1 拱肩窑洞稳定分析

窑洞式拱肩槽窑洞主要有掉块和滑动2种可能的破坏模式，两者的滑动块体均为楔体，楔体是由2条或2条以上的结构面对岩体切割而形成的，分为定位楔体和随机楔体。定位楔体系指由大规模断层或可确定位置的结构面组合形成的楔体，滑体具有确定的出露位置；由随机结构面组合形成的楔体称之为随机楔体，位置具有不确定性[4]。

由于窑洞从地表挂口，地质结构面具有密度高、连通性好、随机性强等特点，决定了随机楔体的计算方法更加适用，一般可考虑2～3组构造组合。

善泥坡水电站坝址两岸地层为二叠系下统栖霞组第二段(P1q2)厚层灰岩，岩层产状为N10°W，SW∠10°～15°，缓倾上游偏左岸。两岸水平卸荷深度18～25 m，其中强卸荷带水平深度6 m左右。裂隙物理力学参数f′=0.35，c′=0.03 Mpa。各组裂隙特征见表1。

表1 坝址区裂隙统计

通过随机组合搜索，得到最小稳定安全系数(见表2)。从表2可知，各种破坏模式下稳定安全系数都可以满足要求。

表2 随机楔体稳定安全系数成果

2.2 窑洞开挖与支护设计

2.2.1 窑洞的开挖设计

(1)洞身。两岸上坝交通洞施工到拱端后，以上坝交通洞为平台，紧贴拱坝外形轮廓，向下逐步分层开挖形成拱坝浇筑空间，成为上窄下宽、上下游洞壁具备一定倒悬的窑洞，上下游洞壁开挖边界超出大坝体形结构线的外缘一定距离，以满足支护需要和坝体变形要求。善泥坡水电站考虑支护厚度10 cm、混凝土浇注压缩弹性垫层2 cm、拱坝向下游变形2.13 cm、开挖后岩体回弹变形约2～3 cm，最终确定上游开挖面预留15 cm、下游开挖面预留20 cm的距离。善泥坡水电站大坝开挖平面见图1。

图1 善泥坡水电站大坝开挖平面(高程：m)

(2)洞脸。洞脸部位受地表强卸荷裂隙的影响，边坡稳定性极差，是制约窑洞开挖安全的关键因素。随着窑洞的倒悬开挖下切，会对上部高程的岩体形成切脚，且一旦开挖至低高程，上部高程即失去了支护施工通道。因此，洞脸开挖支护设计应具备超前意识，及时清除强卸荷岩体或支护，并尽早形成洞脸，为向下开挖创造条件。善泥坡水电站拱坝右岸开挖至860 m高程时为窑洞开挖的关键时期，此时开挖面貌见图2。A、C区为已经开挖形成的洞脸边坡，需对不稳定块体进行清除，并对洞脸进行系统的支护施工。B、D区为下一步的开挖洞脸边坡，裂隙极为发育，此时如果仍按拱坝轮廓下挖，由于上下游倒悬势必会形成难以处理的危岩体，所以应在高程860 m开始逐步形成上下游的洞脸开挖边坡，清除B、D区的危岩体。

图2 窑洞开挖至860 m高程时情况

2.2.2 窑洞的支护设计

除了传统的喷锚挂网支护外，应考虑采取的特殊的支护措施有：①洞壁锚索支护。在上下游洞壁布置一定的锚索。②洞顶支护设计。主要支护措施有钢支撑临时支护、钢筋混凝土永久衬砌、洞壁锚索和洞脸锁口锚索等。③岩石主次锚索。垂直洞脸边坡布置主锚索，会产生垂直于锚索方向的法向变形，可在开挖洞壁和下游岩面之间布置对穿次锚索予以抵消。

3 窑洞式拱肩槽细部结构设计

(1)上下游坝面弹性垫层兼模板。窑洞开挖完成后，开挖面紧靠上下游坝面，如果直接填筑坝体混凝土，坝体和上下游山体浇筑成整体，大坝受荷变形后部分荷载将传递到山体浅表，造成山体边坡失稳。根据拱坝受力特点，应将拱坝推力尽量传递至山体深处，所以坝面应和上下游开挖面脱开，但坝肩槽开挖紧靠坝面，无法采用常规立模浇筑方法。利用上下游窑洞壁，以聚乙烯泡沫板代替常规模板，使用后不予拆除，使拱坝有一定的变形空间。根据善泥坡水电站拱坝的变形计算结果，坝体上下游面铺设聚乙烯泡沫板厚度为5 cm和10 cm。

(2)坝肩边坡内嵌锚墩式锚索。传统的锚索保护墩一般采用的外凸式，但对窑洞式开挖，开挖面和结构面紧紧相靠，如采用外凸式锚墩，势必会侵占拱坝坝体，影响拱坝受力。为保证坝体结构的完整，窑洞洞壁上的锚索采内嵌式锚墩(见图3)。

图3 内嵌式锚墩

(3)坝肩明洞被动防护。窑洞拱肩槽两岸坝顶以上为原始边坡，在长期风化作用下会形成危石，若进行系统的支护施工，需架设大量的脚手排架和施工道路，如此便失去了窑洞开挖的意义。为确保大坝坝顶特别是洞口处的安全，采取明洞防护方式进行被动防护。

(4)施工交通布置。窑洞拱肩槽一般适用于两岸山体高陡之处，施工道路及永久交通布置困难。对窑洞开挖，两岸的上坝交通一般为交通洞，可兼顾作为拱坝开挖施工交通，在下游设置施工临时索桥连接左右岸，通过坝顶永久交通连接左右岸。

4 窑洞式拱肩槽施工关键技术

(1)水平光面爆破技术。大坝开挖一般采取垂直梯段预裂爆破技术开挖，经过在善泥坡水电站实践，整体开挖半孔率约为60%，平整度最大达到40 cm，爆破质点最大震动速度达到18.4 cm/s，均无法满足设计要求。经多次研究调整，将原来的垂直梯段爆破改变为水平洞挖方式，将每层开挖分为3个区，坝肩岸坡5 m内为Ⅰ区；靠近拱端3 m内为Ⅲ区；其他部分为Ⅱ区。首先，对Ⅰ区采用竖向钻孔周边预裂的爆破方式开挖，为Ⅱ区的开挖形成施工平台；Ⅱ区采用光面爆破，采取单循环隧洞开挖方式，进尺按4～5 m控制；Ⅱ区开挖完成后，进行Ⅲ区拱肩段的施工，拱肩段是拱坝受力的关键部位，采用垂直向预裂爆破方式进行。善泥坡水电站最终开挖的平整度小于10 cm，喷混凝土后平整度小于5 cm，爆破质点最大震动速度为4.30 cm/s，爆破效果良好[5]。

(2)避炮安全措施。窑洞式拱肩槽无法布置坡面上的施工道路，开挖工作面狭窄，放炮期间施工设备避炮困难。可采取起吊的避炮方式，在坝肩拱端交通洞内布置1台卷扬机，窑洞顶拱布置吊点和滑轮组，每次开挖爆破前将开挖设备吊离爆破施工面，实现安全避炮。

5 变形监测

善泥坡水电站2011年6月开始坝肩窑洞开挖，2012年12月开挖完成，开始大坝混凝土浇筑，2014年11月29日顺利实现下闸蓄水，至今工程已安全运行3年多。为监测窑洞施工及运行期的变形情况，在左右岸窑洞洞壁上布置了10套2点式多点位移计，除了1套测值较大外，其他变形值均小于2 mm，且运行期测值已趋于稳定，测值较大的位于右岸洞顶处，其过程曲线见图4。从图4可知，变形过程可以分为3个阶段：第1阶段是开挖过程中变形快速增长期；第2阶段是开挖完成后的变形收敛期；第3阶段是所有变形完成后的平稳运行期。变形符合规律，边坡安全稳定。

图4 多点位移计变化量过程

6 结 语

本文从设计原理方法、细部结构设计和施工措施等方面，系统介绍了窑洞式拱肩槽开挖设计方案，通过在善泥坡水电站的工程实践，得到了以下结论：

(1)窑洞式拱肩槽对地质条件要求较高，尽量选取岩层较厚、倾角平缓、构造不发育之处。应尽量采用小嵌深、小正倒悬度、小厚高比、小中心角的拱坝体型，合理确定拱坝嵌深，既满足拱坝建基面要求，又尽量减小窑洞规模。

(2)窑洞稳定性分析方法可采用随机楔体分析方法，应充分重视窑洞洞顶、洞脸的开挖支护设计，是窑洞稳定性的关键因素。

(3)提出了弹性垫层兼顾模板、内嵌式锚墩、明洞防护技术等细部结构解决方案。水平光面爆破和起吊法避炮施工措施解决了窑洞开挖施工的关键技术。