乌东德水电站泄洪洞工程出口水垫塘开挖施工技术

郑 强,曹中升,李伟希,李铭松

(中国葛洲坝集团三峡建设工程有限公司，湖北 宜昌 443002)

1 工程概况

乌东德水电站在左岸山体内平行布置3条泄洪洞[1]。泄洪洞主要由进口段、有压洞段、闸室段、无压洞段及出口段组成，出口段下方设置有水垫塘，水垫塘上下游方向长度为127.89 m，左右岸方向宽为81.09 m，底板高程795.00 m,泄洪洞出口水垫塘平面布置见图1。

图1 泄洪洞出口水垫塘平面布置图 单位：m

泄洪洞出口水垫塘上游侧与左侧均为山体自然边坡[2]，边坡高程1 040.00 m以下表层为第四系堆积体。上游侧边坡坡度为51°，坡高约63 m，边坡结构为顺向坡；下游侧边坡坡度为55°，坡高约31 m，边坡结构为顺向坡；内侧工程边坡最大坡高150 m。边坡上部为沉积盖层灯影组(Z2d)厚层白云岩及观音崖组(Z2g)薄层泥质白云岩构成的逆向坡；边坡下部为落雪组薄层白云岩构成的斜横向坡。受断层(F6)及其他发育断层的影响，岩体破碎，完整性差，存在边坡稳定问题。

泄洪洞出口水垫塘边坡开挖支护施工共分为两期，一期为高程895.00～850.00 m边坡开挖，总开挖高度为45.0 m；二期为高程850.00～792.00 m，总开挖高度为58.0 m，开挖体型为楔形。

开挖底板总长为127.89 m，总宽度为81.09 m，底板高程792.00 m，在底板周边与边坡坡脚连接处设置有5.5 m深的齿槽。泄洪洞出口水垫塘边坡每15 m高差设一级马道或分层通道，每级边坡设两排预应力锚索及系统锚筋桩、锚杆、排水孔及挂网喷混凝土。水垫塘土石方开挖总量约134.6万m3，其中：土方明挖3 000 m3，石方明挖130.03万m3，石方槽挖12 273m3，建基面岩石保护层开挖3.0万m3；主要支护项目有预应力锚索623束、锚筋桩5 639束、砂浆锚杆12 670根。

2 施工重难点分析

图2 主动防护网结构示意图

水垫塘开挖支护施工具有边坡高陡、地质条件复杂、工程量大、工期紧、安全风险高等特点。具体如下：

(1) 部位处于高陡山体下部，施工安全风险高

泄洪洞出口水垫塘工程边坡上部为左岸高位自然边坡处理区，高度约400 m，存在表面不稳定块体崩落和上、下交叉作业问题，施工安全风险大。

(2) 开挖过程变形控制难点大

泄洪洞出口水垫塘边坡上部为土质边坡，稳定性差。上下游侧基岩边坡均为顺向坡，内外侧基岩边坡均为斜横向坡；其他坡段受断层(F6)影响岩体完整性均较差。工程边坡稳定性除上游侧边坡稳定性较好外，其他坡段稳定性均较差～差，存在边坡变形风险。

(3) 结构体系复杂，施工组织要求高

泄洪洞出口水垫塘开挖边坡上下游方向长约240 m，开挖高度103 m，边坡自上至下分别设有排导槽、交通连通等功能设施，底板周边设有5.5 m深齿槽。高程850.00 m以下施工受场地通道限制及汛期影响，现场施工道路布置困难，施工组织难度大。

3 施工关键技术

3.1 上部安全防护技术

泄洪洞出口水垫塘开挖施工中，为快速有效地解除上部安全风险，对工程边坡开口线以上至高程1 040.00 m部位采用SNS主、被动防护网结合进行防护[3]。每隔50～100 m高差布置一道被动防护网，并对表面破碎岩体采用主动防护网[4]进行包裹防护。

SNS主、被动防护网是柔性防护系统，具有高韧性、高防护强度，易铺展、安装程序标准化、系统化等优点，能够快速地起到防护效果。

3.2 侧面边坡变形控制技术

2016年11月，泄洪洞出口水垫塘边坡开挖支护施工至高程830.00 m时，受边坡不良地质条件和开挖卸荷影响，坡面部分表观监测数据突然增大，侧面边坡设置的表面变形监测点最大累计位移达185.23 mm。经参建各方现场情况充分调研和分析，制定了专项的控制边坡变形的监测和加强锚固措施[5]，并完善细化现场施工技术方案。具体如下：

3.2.1实施现场边坡变形安全监测系统

(1) 沿泄洪洞出口水垫塘侧面边坡上下游方向系统布置4个监测断面，每个监测断面自上至下间隔30 m布置测点。

(2) 对花山沟断层(F6)附近区域边坡增加永久和施工期变形安全监测设施。

(3) 边坡变形安全监测设施包括表面位移观测点、多点位移计、锚杆测力计、预应力锚索测力计。

(4) 前期边坡变形活跃期，现场监测数据每周收集2次；边坡收敛变形趋于稳定后，每周收集1次。并对现场监测数据统计汇总分析通报参建各方，以及时制定相应处理措施。

3.2.2边坡实施加强锚固措施

(1) 对上部已成型边坡，在已实施的原设计深层锚固措施(1 000 kN、L=30 m预应力锚索)基础上，每级边坡新增1排1 500 kN、L=40/35 m预应力锚索；原坡面系统锚杆基础上交错新增布置锚筋桩或锚杆进行补强锚固[6]。

(2) 高程830.00 m以下未开挖边坡直接采取加强锚固措施，每级边坡设2排1 500 kN、L=50/40 m预应力锚索，顶部设2排锁口锚筋桩，下部设系统锚杆。

(3) 每级边坡底部增设1排深排水孔，边坡整体设有挂钢筋网喷混凝土支护措施。

3.2.3边坡开挖支护施工技术

(1) 边坡爆破开挖控制措施

为保证边坡开挖爆破不对边坡造成变形影响，每级边采取“1次预裂、分层爆破”措施进行施工[7]。边坡预裂采用QZJ-100B型支架式潜孔钻，爆破孔主要采用CM351露天高风压潜孔钻机造孔，局部采用支架式潜孔钻或手风钻造孔，人工装药，微差松动爆破，装药联网严格控制爆破单响药量不大于65 kg。

开挖过程中根据现场边坡揭露的岩体情况，现场细化施工单元，由常规的60～70 m长度调整为30 m长作为1个施工单元，上下游方向间隔进行开挖出渣，避免稳定性差不良地质边坡大面积集中揭露，并为边坡支护施工及时提供作业面。

(2) 边坡支护施工技术

边坡设置有大量预应力锚索，初期采用搭设钢管排架方式形成作业平台，使用YXZ-70锚索钻机和QZJ-100B潜孔钻机进行锚索造孔施工。后选用高风压钻机作业，高风压钻机可自行行走，移动方便。高风压钻机的成孔速度： 2 h/孔，每天可成孔6个，成孔效率较锚索钻大为提高。

每个施工单元边坡开挖完成测量复核后，及时进行支护施工，边坡开挖过程中遇不稳定块体的采用CM351履带自行式钻机进行临时快速加固。待本级边坡预应力锚索下索灌浆后，方可进行下层边坡预裂爆破施工，以确保边坡稳定受控。

3.3 底板周边齿槽开挖技术

泄洪洞出口水垫塘底板周边设有深5.5 m齿槽，齿槽底部宽5 m，两侧边坡开挖坡比1∶0.3。底板周边齿槽采用预裂抽槽爆破工艺开挖成型[8]。

(1) 钻 孔

周边预裂孔深约5.74 m，间距80 cm，中间斜向掏槽爆破孔深5.5 m，间排距为2 m×2.25 m。预裂孔和主爆孔均采用CM358潜孔钻机进行。钻孔前先清除预裂孔和主爆孔造孔作业场地上的浮碴杂物。测量放样孔口线、高程和方向角。

(2) 装 药

预裂孔使用Ø32 mm的乳化炸药间隔不耦合装药，正常段线装药密度320 g/m；底部加强段长度为0.88 m，线装药密度加大为正常段的8倍；上部减弱段长度为1.22 m，线装药密度减小为正常段的一半。药卷用导爆索串连后胶布绑扎在竹片上，送入孔内。主爆孔使用Ø70 mm的乳化炸药连续装药。

(3) 联网爆破

爆破网络采用孔内导爆索传爆、孔外非电毫秒雷管分段接力起爆网络，分段间隔时间为50 ms，炮孔先于相邻梯段炮孔起爆的时间不小于75～100 ms。

(4) 出 渣

爆破后洒水降尘，采用反铲迅速将爆渣清理干净，为相邻区域的预裂造孔提供临空面。顶部3.0 m高爆渣清理利用反铲+20 t自卸汽车在水垫塘底板直接装渣，底部2.5 m高爆渣清理利用反铲在齿槽内倒退扒渣至相应范围后，利用反铲+20 t自卸汽车装渣。

3.4 底板开挖技术

水垫塘底板主要为落雪组薄层白云岩、灰岩及少部分中厚层灰岩、千枚岩地层构成，总体属硬质岩；断层(F6)横穿水垫塘底板，断层宽约8～10 m。考虑到底板岩石特性，水平光爆造孔不具备成孔条件，现场预留3m高底板保护层采用柔性垫层爆破开挖工艺施工[9]。

(1) 钻 孔

爆破孔均采用CM358潜孔钻机。钻孔孔径为Ø90 mm，孔深为3.2 m，间排距为2.0 m×1.5 m。

(2) 装 药

爆破孔使用Ø70 mm的乳化炸药连续装药，装药段长度为1.1 m。底部柔性垫层深度为0.6 m，采用锯末、塑料泡沫或细砂等可压缩介质作为垫层材料减震。堵孔深度为1.5 m，先用纸袋填塞至孔内，再用泥土封填密实。

(3) 联网爆破

爆破网络采用孔内导爆索传爆、孔外非电毫秒雷管分段接力起爆网络，分段间隔时间为50 ms，炮孔先于相邻梯段炮孔起爆的时间不小于75～100 ms。

(4) 下部施工开挖通道布置

为满足施工需要，布置5条施工便道用于出渣运输，其中4条为汽车便道，1条为机械便道。汽车便道宽6.0 m，采用泥结石路面，最大纵坡10%～12%，局部不大于15%；机械便道宽3.0 m，最大纵坡控制在30%以内。

4 实施效果

4.1 边坡形体控制成果

(1) 边坡开挖完成后，泄洪洞出口水垫塘高程895.00 m以下共检测断面256个，25 705个点，最大超挖46 cm,平均超挖18.6 cm，无欠挖，不平整度8.0 cm，排炮错台12.5 cm，半孔率80.0%以上，均符合规范及设计要求。

图3 典型测点多点位移计变形过程线图

(2) 边坡开挖支护施工完成后，水垫塘侧面边坡变形得到有效控制。主要有以下几点：① 泄洪洞水垫塘边坡表面位移监测点总变化量：X方向在-1.64～3.77 mm之间，Y方向在-2.13～2.13 mm之间，H方向在-6.26～3.83 mm之间。②多点位移计孔口总变化量在-0.20～1.13 mm之间。③锚杆应力计总变化量在-5.9～4.5 MPa之间。④ 1 500 kN级监测锚索测力计总变化量为-0.6～29.7 kN之间。

从图3可以看出，后期施工过程中该点位移测值基本不变，边坡变形已基本稳定。

4.2 爆破振动监测成果

根据边坡爆破振动施工技术要求和变形控制需要[10]，泄洪洞出口水垫塘边坡开挖爆破质点振动速度允许最大控制标准为10 cm/s。

泄洪洞出口水垫塘爆破振动监测部位包括水垫塘正面坡、左侧坡、导墙混凝土、下游尾坎灌区等，共进行爆破质点振动速度监测12次，累计42测点，其中最大质点振动速度水平X向0.335～9.489 cm/s、水平Y向0.461～8.056 cm/s、垂直Z向0.468～7.835 cm/s，符合控制要求有42测点，合格率为100%。

4.3 支护工程质量

(1) 锚杆工程

泄洪洞出口水垫塘共施工12 670根锚杆和5 639根锚筋桩，共抽检锚杆635根，检测频率满足要求，合格率100%。

表1 泄洪洞出口锚杆无损检测成果表

(2) 预应力锚索工程

泄洪洞出口水垫塘边坡共施工预应力锚索623束，工程造孔孔位误差、孔深误差、倾角误差及方位角误差均在工艺允许范围值内，造孔合格率100%；灌浆质量满足质量要求，锚索张拉伸长率均在设计范围内，现场48束安装锚索测力计监测数据结果显示预应力锚索张拉锁定损失率满足设计技术要求。

5 结 论

本技术在乌东德水电站泄洪洞工程水垫塘边坡开挖支护施工中得到了较好的应用，消除了施工安全风险，有效控制了边坡变形，确保工程施工质量和安全的同时，加快了工程施工进度，施工进度完全满足工程蓄水验收要求，得到了业主、监理以及质监总站质量专家组的一致好评，对其他类似工程具有一定的参考价值和借鉴意义。