渡口坝水电站双曲拱坝坝肩煤层及采空区处理设计与施工

丁 洪 ，李 红，付 迪

(1.重庆渝水建筑工程咨询有限公司，重庆 401147；2.重庆江河工程建设监理有限公司，重庆 401147)

1 工程概况

渡口坝水电站位于重庆市奉节县境内梅溪河中上游，属新建项目，由大坝枢纽、引水建筑物和厂区建筑物三部分组成；电站正常蓄水位575.00m，校核洪水位577.25m，相应库容分别为9 254万m3和9 854万m3；引水隧洞长20.3km；电站装机2台，总容量129.0MW。

渡口坝水电站混凝土拱坝为3级建筑物；体型采用抛物线型变厚双曲拱坝。建基面高程为470.00m，坝顶高程为578.50m，最大坝高为108.5m。大坝及两坝肩基础置于须家河组中厚层夹薄层状岩屑长石石英砂岩上。两坝肩基岩多裸露，河床覆盖层厚3.0-6.0m。须家河组砂岩属含煤地层，坝区煤层主要为呈透镜状、鸡窝状分布的薄煤层与煤线；因小煤窑开采左右岸主要分布有开挖煤洞及Md2采空区。

Md2煤层及采空区位于拱坝左右坝肩，实际为同一煤层经河床分为左右两岸，在拱坝左右坝肩▽529.0处与拱坝坝肩相交，为拱坝受力区，平均煤层厚度为0-1.0m，局部有放大或碎夹层。部分煤层已被采空，留下废弃的煤洞和采空层，不但对坝址的安全性、稳定性存在极大的隐患，而且拱坝防渗问题更为突出。

2 设计处理措施

设计要求：结构受力区全回填或换填，结构受力区以外采取在帷幕线上设混凝土条带堵头(宽度10-30m)，再进行帷幕灌浆封闭。

未采煤层和软弱层需全部清除置换C20微膨胀混凝土；已采空的区域需清除松动岩石和残渣，再用C20微膨胀混凝土回填密实；探洞和煤洞必须沿Md2煤层层面走向跟踪开挖，洞底坡度为1%，以使渗水能排出坝肩外；位于坝趾上游的探洞和煤洞需全部回填，位于坝趾下游的探洞和煤洞(除Td2-1、Td2-5)混凝土衬砌后不进行回填，作为排水洞使用；坝肩帷幕线上的深部未回填采空区采用灌注微膨胀混凝土填筑密实；然后沿顺层进行回填灌浆和固结灌浆，防渗区域再进行帷幕灌浆。设计参数见表1，探洞、煤洞衬砌断面图见图1。

表1 坝肩Md2煤层及采空区处理所需洞室参数表

图1 探洞、煤洞衬砌断面图(单位：mm)

3 施工处理方案

3.1 总体处理措施

采取由下至上的开挖、回填，顺层面进行灌浆洞开挖。采空区的处理是先清除石渣，再回填C20混凝土。

煤层处理施工，先开挖最低层的煤层探洞，再开挖上一层的煤层探洞；然后由上一层煤层探洞用钻机顺着煤层钻至下层煤层探洞，再用泵送混凝土输入孔内回填，直至填满为止；然后在上层煤层探洞采用钻机钻孔，进行回填固结灌浆，灌浆压力1.5MPa；直至将所有的煤层、采空区、煤层探洞回填固结灌浆完毕。

3.2 煤洞探洞开挖

将煤洞、探洞洞口8m范围内进行扩挖，以能放下1台混凝土泵车和出渣小斗车为准。各煤洞探洞同时开挖，注意优先开挖影响大坝浇筑和灌浆的煤洞、探洞。

(1)开挖方式及流程

平洞进洞开挖首先挖出煤层里的散煤，再将松动的块石撬除清理出去，对于岩石则采用简易钻孔台车配手风钻钻爆，人工配合0.1-0.2m3的手推车出碴。以煤层为导向，先挖出煤层，再全断面开挖。

首先对左岸的Md2-3和Td2-2煤洞进行施工，Md2-3因为是废弃的煤洞，只进行扩挖。Td2-2洞在▽508.0高程处，洞口悬空于岩坡上，搭设栈桥才能进入施工场地，由拱坝下游▽501.0平台搭设至▽508.0Td2-2洞口处，然后进行煤洞开挖。

(2)开挖过程安全支护

煤洞探洞开挖后，其附着洞身的煤层脱落或存在着悬空部分及时清理。煤层间用直径不小于Φ130mm的松木桩支撑，间距为50cm，梅花型布置；同时进行煤洞探洞的临时支护，用14#工字钢做成煤洞形状的拱架，间距50cm；边墙及洞顶挂网钢筋Φ6.5@200mm，再喷射C20混凝土10cm。个别破碎严重的地方，视情况打设Φ25 L=300cm的锚杆，灌M30水泥浆予以加固。临时支护图见图2。

图2 煤洞探洞临时支护图

3.3 煤洞、探洞混凝土衬砌施工

按照设计图纸，根据地质情况及时进行混凝土衬砌施工，先施工边墙和顶拱，再施工底板。混凝土采用溜槽输送到混凝土泵车。

(1)材料：衬砌混凝土的水泥用P.O 32.5，细骨料的细度模数在2.4-3.2范围内。

(2)配合比：本部位混凝土为标号C20二级配微膨胀混凝土，根据施工图纸的要求及经验设计配合比，经现场室内试验后将最终配合比设计成果呈报监理工程师，审批后的配合比作为施工配合比。

(3)混凝土衬砌分段长度由监理和现场设计确定，每段先浇筑边墙及顶拱，再浇筑底板；底板及边墙采用组合钢模，顶拱采用定型木模，模板用钢管排架支撑。

立模衬砌的模板，预留支洞洞口，以便施工人员由支洞开挖煤层。

(4)混凝土浇筑前，对基岩面或施工缝，按监理人批准的方法进行处理，围岩面松动岩石采用人工撬挖的方法清理。清洗后的建基面在混凝土浇筑前保持洁净湿润。浇筑完毕之后，及时进行养护，在一定的时间内保持适当的温度和湿度。

3.4 支洞开挖及混凝土置换或回填

煤洞、探洞混凝土衬砌施工完成后，进行支洞的开挖。由于煤层基本呈45°坡状，开挖支洞时，一般由上层的煤洞向下层煤洞掏挖，由卷扬机出渣。支洞边开挖边支护，并将支洞两侧的煤层清除干净，煤层由下向上开挖。当一个支洞开挖完成并清理干净后，即进行混凝土灌注；由混凝土泵车将混凝土输送到上层煤洞内，由上向下浇筑支洞；灌注混凝土时，支撑不拆除，Φ70软管振动棒振捣混凝土，振捣密实，直至将支洞全部灌满。

在开挖过程中经常检查岩石的稳定情况，撬除可能塌落的松动岩块，危险松动的部分临时支护参照“煤洞探洞临时支护”。

支洞的临时支护主要是对支洞附近的煤层进行支护，由工字钢拱架支撑，配合不小于Φ130mm松木桩支撑，在煤层挖除后的岩石面上进行支撑，间排距平均50cm×50cm，梅花型布置，保证不塌陷。开挖支护图见图3。

图3 支洞开挖支护图(单位：cm)

一个支洞开挖浇筑完成后，由混凝土置换煤层，对煤层上的岩石支撑，再进行下一个支洞开挖，以此类推，直至将全部的煤层开挖完毕。

为保证置换的混凝土支撑上层岩体以增加岩体的稳定性，支洞分Ⅰ序和Ⅱ序洞，依次排列，1#，2#、3#、4#、5#……支洞，其中奇数为Ⅰ序洞，偶数为Ⅱ序洞，先进行Ⅰ序洞的施工，回填置换混凝土后，再进行Ⅱ序洞的施工。如图4所示。

图4 煤洞、支洞的开挖支护顺序图

3.5 灌浆施工

煤层煤洞处理后按设计按要求进行回填固结灌浆，并与帷幕灌浆有效连接。固结灌浆孔单排布置，分二序施工，孔距2.50m，孔深以钻至下一煤层为准，孔径Φ91，灌浆压力1.5MPa。灌浆区域包括：左岸煤层508.00-470.00m高程、左岸煤层529.00-508.00m高程、左岸煤层550.00-529.00m高程、右岸煤层498.95-470.00m高程、右岸煤层516.00-498.95m高程、右岸煤层536.00-516.00m高程、右岸煤层556.00-536.00m高程。

钻机布置在上层煤洞处，按自上而下、分序加密原则依次进行。灌浆施工工艺为：放线布孔→钻孔→阻塞→钻孔冲洗及裂隙冲洗→压水试验→灌浆→封孔→质量检查。灌浆方式采用孔内循环自上而下孔口封闭灌浆，灌浆长度大于5m时，进行分段灌注。灌浆压力和浆液变换、灌浆结束和封孔、特殊情况的处理均按照灌浆规范执行。

固结灌浆完成12 000m。经压水试验透水率最大值为4.8Lu，煤层固结灌浆单点法压水质量检查合格(设计透水率不大于5.0Lu)。经声波波速检测，最小值为3 247m/s，平均最小值为3 816m/s，平均最大值为4 679m/s，均达到设计要求(设计最小值不小于3 200m/s，平均值不小于3 500m/s)。

3.6 安全管理

煤洞开挖施工中加强瓦斯监测，做好安全支护，强化安全监控；协调好与坝体混凝土浇筑交叉施工，及时处理垮塌等施工难题，确保了施工安全。

(1)实行进出洞登记制度。落实专门人员负责登记进洞人员姓名、班组、进出洞时间。进洞作业人员必须穿好工作服，佩戴好安全防护用品。

(2)实行安全作业票制度。作业区前必须办理相应的作业许可，作业负责人、作业监护人、专职安全员必须在场在岗。

(3)编制施工应急预案、隐患排查治理等安全专项方案，加强瓦斯监测力度，做好通讯联络。防止瓦斯爆炸等安全事故发生。

(4)编制煤洞开挖安全操作规程并严格执行，施工员、安全员经常性进行安全隐患排查。特别注意洞顶的稳定，每天开工前、收工前对洞顶、洞身进行检查，如发现有裂缝和塌方的迹象或有危石，立即处理并上报，凡不能处理且对施工安全有所威胁时，暂时停止施工，并报告上级处理。

(5)施工现场设立安全标志。危险地区必须悬挂“危险”或者“禁止通行”、“严禁烟火”等标志。

4 处理效果检测

施工完成后，选择在两岸坝肩位置的建基面范围及坝后坡区域，左右岸各布置9个检查孔，钻孔深度要求穿过Md2煤层及采空区，采用钻孔电视录像、单孔声波测试、弹性波CT成像等物探检测技术进行施工质量检测。单孔波速平均值范围为4 374-4 622m/s，平均值为4 473m/s。

检测成果显示：在钻孔检测范围内未发现空洞，表明岩体较完整或完整，煤洞采空区已经回填密实，处理范围及结果满足设计要求。

5 结 语

渡口坝水电站已投入使用多年，运行稳定，经济效益良好。双曲拱坝坝肩煤层及采空区处理设计与施工是成功的，质量较好，可供类似工程参考借鉴。