非洲加纳某水电站工程右岸高边坡开挖施工技术

蒋 和

（中国水利水电第八工程局有限公司，湖南 长沙 410004）

1 概 述

1.1 工程范围

非洲加纳某水电站工程（以下称本工程）坝址区位于该国黑沃尔特河布维峡谷中段，总装机容量40万kW，为该国第二大水电工程。发电站主体工程由主坝、发电厂房、开关站、1#副坝和2#副坝等组成，其中主坝高达112 m，为碾压混凝土重力坝。根据主坝右岸边坡开挖施工图，右岸边坡最大开挖高度为133.00 m。

1.2 地形地质条件

坝址区河谷两岸地形基本对称。根据大坝右岸边坡自然地形，EL140.00 m高程以上，自然边坡坡度为38°，EL107.00～140.00 m高程之间，自然边坡为28°～46.5°之间，在边坡底部有一天然台地，宽度为50～55 m，在EL107.00～103.00 m之间，坡度较为平缓。

根据右岸地质勘探资料，大坝右岸自然边坡大部分为裸露的风化岩石，表层风化为棕褐色，但在EL 185.00 m高程、EL160.00 m高程及边坡坡脚，均分布有崩坡积大块石及块、碎石土层。通过地质资料分析，倾向下游的F1`、F2`、F3`、F4`断层及右岸基岩与右岸的J2、J3和J4裂隙组对右岸边坡地质产生综合作用。由于断层与裂隙的产状不同，使受切割岩石形成多个结构面，从而使右岸岩石裂隙发育，岩石整体性较差，影响到开挖边坡的稳定性。

1.3 右岸边坡开挖施工难点

1）施工道路难于布置。从地形地貌分析可知，该拟建水电站右岸EL107.00 m以上边坡地形陡峭，出露岩石呈块状分布且破碎，施工道路布置困难。

2）右岸边坡设施布置多（如坡顶缆机平台、185混凝土拌和楼平台及坡底导流明渠等），开挖所受干扰大。

3）导流明渠布置于右岸，右岸边坡开挖为关键工序，施工工期紧。

4）右岸地质条件复杂，开挖难度大。

2 右岸边坡开挖方法

根据本工程施工总体布置，右岸坝轴线附近布置有右岸缆机平台、右岸大拌和系统、右岸导流明渠等临时设施，右岸缆机平台布置于右岸约EL241.00 m高程，在坝轴线的延长线上。右岸大混凝土拌和系统位于右岸坝轴线下游20 m处，地面高程为EL185.00 m，与拟建的碾压混凝土大坝坝顶水平。右岸导流明渠位于右岸坡脚的平台上，只有完成右岸边坡开挖，才能进行导流明渠占压段开挖，要想进行EL185.00 m高程以下坝肩槽开挖，必须先完成大拌和系统EL185.00 m高程平台开挖，大拌和系统EL185.00 m高程平台开挖边坡与坝肩槽EL185.00 m高程边坡连接成一体，这从某种意义上来说，增加了大坝右岸边坡开挖难度。因此，必须合理规划边坡开挖施工程序，优化开挖边坡施工组织设计，加大设备和人员投入，才能按期完成右岸边坡主体开挖，为导流明渠开挖创造条件，为本工程提前截流打下良好基础。

2.1 右岸边坡开挖施工程序

由上可知，本工程右岸边坡开挖是一个综合性的开挖工程，它包括右岸缆机平台开挖、大拌和系统EL 185.00 m高程平台开挖、右岸坝肩槽开挖、导流明渠边坡开挖，导流明渠基础开挖，边坡开挖相互之间影响较大，必须合理组织施工。右岸边坡开挖施工顺序如图1。

图1 本工程右岸高边坡开挖施工顺序图

2.2 右岸坝肩槽开挖施工分层

在本工程右岸边坡开挖施工中，重点是右岸坝肩槽开挖，它对其他边坡开挖起很大的辅助作用。根据本工程右岸坝肩槽开挖体型，该水电站右岸坝肩槽开挖施工分层设计见表1。

表1 水电站右岸坝肩槽开挖施工分层设计表 m

在进行右岸坝肩槽开挖过程中，绝大多数层开挖高度按表1的分层高度而定，但在EL124.00 m高程处遇到碎裂岩块，在进行第9层爆破后出渣时，不进行爆破，直接用挖机，就将岩石边坡开挖至EL120.00 m高程。所以第10层实际爆破开挖高程范围为EL116.33～EL120.00 m，该层实际爆破开挖高度为3.67 m。

2.3 开挖施工方法

本工程右岸坝肩槽开挖为永久结构物基础开挖，开挖质量要求高，不允许有超规定的超挖和欠挖。因此，本工程开挖主要采用梯段预裂爆破等技术，对于EL106.00m高程以下的岩石爆破，采用掏槽孔爆破技术。

本工程右岸边坡开挖采用潜孔钻钻预裂孔，D7液压钻打主爆孔，人工装药、联线组网，人工点火，排孔间微差爆破。爆破后，CAT330D反铲挖机配合SD22型推土机推渣至山坡下后，反铲挖机及装载机在山脚下平台装渣，20 t自卸汽车将开挖渣料运至弃料场。

2.3.1 爆破器材

本工程位于非洲加纳共和国，由于加纳国内没有生产火工材料的工厂，因此，用于爆破的火工材料须从国外进口。本工程所用爆破器材均为南非共和国非洲炸药（民营）有限公司（简称为AEL）制造的炸药、导爆索、非电微差雷管等。本工程所用主要爆破器材如表2。

表2 本工程所用主要火工材料特性表

2.3.2 钻孔及运输机械

前期用于本工程右岸坝肩槽开挖的钻孔机械有2台ROC D7-11液压钻机、10台YZJ-100型潜孔钻架、12台YT-28型气腿式凿岩机、10台YT-24手持式凿岩机。

推挖装设备有3台SD22型推土机、2台柳工CGL856型装载机、2台CAT966型装载机、8台CAT330D型挖掘机和31台20 t自卸汽车。

2.3.3 预裂爆破

由表1可知，本工程右岸坝肩槽共分12个梯段进行开挖，其中第1层、第2层及第11层梯段高度均大于10 m，其余梯段高均少于或者等于10 m。对于大于10 m的梯段，采用一次预裂、二次开挖的技术，对于少于或等于10 m的梯段，则一次开挖成型。

预裂爆破的基本参数如表3。

表3 预裂爆破基本参数表

主爆孔和缓冲孔连续装药，预裂孔间断装药，其底部安装一节Φ70的加强药包，其线装药密度为0.25 kg/m，预裂孔装药结构如图2、图3。

图2 梯段高为20 m的预裂孔装药结构图

图3 梯段高为10 m的预裂孔装药结构图

在梯段爆破中，最大单响量设计为250 kg，炸药单耗为0.4 kg/m3。梯段爆破效果图如图4、图5。

从图4、图5可以看出，该梯段爆破设计是合理的，爆破后，爆渣均布于平台上，块度大小适中，底部平坦，达到了爆破设计的预期效果。

图4 梯段爆破前情况（图中黄线为导爆索）

图5 梯段爆破后情况

2.3.4 掏槽爆破

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当边坡开挖至EL106.00 m高程后，进行右岸平台导流明渠基础开挖，为提高开挖效果，需对平台进行掏槽开挖，即开挖先锋槽。

以拟开挖的槽孔中心线为对称轴线，布置5排掏槽孔，掏槽孔布置断面如图6。

图6 掏槽孔布置断面图

掏槽孔爆破参数如下：

1）掏槽孔1：用D7液压钻造孔，孔径80 mm，孔距1.0 m，孔铅直。用Φ25药卷连续装药，堵塞长度为80 cm。

2）掏槽孔2：用D7液压钻造孔，孔径80 mm，孔距1.5 m，孔倾角约76°。用Φ25药卷连续装药，堵塞长度为80 cm。

3）掏槽孔3：用D7液压钻造孔，孔径80 mm，孔距2.0 m，孔倾角约76°。用Φ25药卷连续装药，堵塞长度为1.20 m。

当边坡开挖至最后一层，进行右岸平台导流明渠基础开挖时，为避免导流明渠基础超挖和提高导流明渠基础开挖平整度，需进行导流明渠基础保护层开挖。

导流明渠基础保护层开挖采用手风钻造孔，孔径Φ42 mm，孔排距1.00 m×1.00 m，梅花形布置，孔向垂直于基础面。为保证开挖基础平整度，炮孔超深10～20 cm。炮孔内装Φ25药卷，堵塞长度60 cm，人工点火，导爆索起爆。

3 结 语

本工程是由中国电建集团国际工程有限公司承建，中国水利水电第八工程局有限公司施工的大型水利水电EPC工程项目，由于工程所在地施工环境特殊，市场发育不完善，建材物资价格较高，因此，本工程右岸高边坡开挖施工质量的好坏，直接关系到整个工程的经济利益。在本水电站右岸高边坡开挖施工过程中，参与施工的工程技术人员和施工人员群策群力，结合本工程的实际施工情况，优化施工设计，创新施工工艺，一次预裂、二次开挖，宽孔距、主爆孔微差，探索D7钻机用于预裂孔造孔，取得了成功，积累了经验，加快了开挖施工进度，为本工程提前1年截流创造了必要条件。

1）通过生产性爆破试验优化爆破设计。由于本工程右岸边坡地质条件复杂，3条逆断层F1`、F2`、F3`与坝轴线呈小角度斜交，倾向下游，而在河流方向分布着大量的裂隙组，这些逆断层与裂隙组相互作用，使右岸出露岩石呈块状分布，有时许多大块岩石如积木状堆积，岩石与岩石的接触面相当光滑，如有大的振动，相邻边坡岩石就会产生滑动，如EL185 m以上边坡岩石。

针对这种情况，在进行高边坡开挖时，先人工移除表层松动岩石，再用挖机对积木状岩石进行清除。最重要的是，在进行边坡开挖时，先进行生产性爆破试验，确定一次最大单响量，以避免对开挖边坡的过度扰动，从而产生大面积塌方。

2）采用D7液压钻进行预裂孔造孔，加快了边坡开挖施工进度。在本工程右岸高边坡开挖施工中，主要用到的控制爆破技术是预裂爆破。在预裂孔造孔施工中，主要是潜孔钻造孔，但在高度少于10 m的梯段，也尝试采用D7钻机进行预裂孔造孔，并取得了一定的经验。

对于右岸高边坡岩石来说，该岩石为砂岩，强度为45 MPa左右，为中硬岩石。通过测试，潜孔钻的工作效率为20 m/台班，而D7液压钻的工作效率为300 m/台班，采用D7液压钻造预裂孔，大大加快了施工进度。

3）强化开挖过程中的质量控制，提高爆破开挖质量。在进行预裂孔和缓冲孔钻孔施工时，每个班配1个技术人员、1个质量控制人员和若干钻孔人员。测量人员对预裂孔进行放样后，在技术人员和质量控制人员参与的情况下，现场对钻孔操作人员进行技术交底。钻孔操作人员架设钻杆之后，技术人员和质量控制人员联合对钻孔的偏角进行校核；钻杆下杆钻进20 cm之后，再次对钻杆进行偏角校核，校核无误之后，再行钻进，否则，拔出钻杆，重新校正和试钻。