复杂地质条件下高边坡开挖及防护措施综合应用——以密云水库第一溢洪道改建工程为例

陈 闯 张 冰 陈 铎

(北京市密云水库管理处，北京 101500)

第一溢洪道是密云水库主要的泄洪建筑物，1960年建成，担负着密云水库的防洪任务[1]。2017年，密云水库开展安全评价工作，第一溢洪道评价结果为存在严重的安全隐患，建议拆除重建[2]。密云水库第一溢洪道位于潮河黄各庄南山单薄山脊上，溢洪道位于自西向东的单薄山脊的最西部垭口中，高程为160～170m。出露地层大多为太古界密云群沙厂组片麻岩，其次为中生代燕山期侵入岩脉和第四系覆盖层。闸基岩性以弱风化花岗片麻岩为主[3]。工程开挖高度最高达50m，开挖总量达11万m3，泄槽地处山体垭口部位，岩石坚硬，两侧为陡峭山体，破碎带较多，共发现8处不稳定体，开挖难度较大，防护措施复杂，技术含量高。高边坡稳定控制成为水电工程建设成败的关键技术问题之一[4]。

为了做好第一溢洪道改建工程中高边坡开挖和支护的施工，建设单位在施工过程中先后组织了5次专家技术咨询和论证。

1 项目背景

1.1 项目简介

密云水库第一溢洪道改建工程是重大消隐工程，工程总投资2.3亿元，工期2年。工程主要包括两岸山体开挖及防护、利用原闸做围堰、在原闸下游建新闸、泄槽拆除重建和改建交通桥五大部分。该工程的实施，对消除密云水库的安全隐患、确保北京的供水安全和京津冀的防洪安全具有重大意义。

1.2 工程及地质情况

第一溢洪道于1960年建成，底板高程140.00m，设5扇10m×6m弧形闸门，最大泄量4490m3/s，是三座溢洪道中高程最低的溢洪道，为密云水库主要的泄洪建筑物。第一溢洪道区域的岩石主要为花岗片麻岩和角闪石斜长片麻岩两种。左岸原开挖坡比约1∶0.75，右岸约1∶0.80，局部缓至1∶1，基本处于稳定状态。第一溢洪道位于潮河黄各庄南山单薄山脊，闸基岩性以花岗片麻岩为主，呈弱风化状态，致密坚硬，不存在倾向下游的不利结构面，整体稳定性较好，局部受破碎带影响节理裂隙发育，压水试验测得岩体透水率2.45～5.08Lu，具弱透水性，但受破碎带影响局部岩体节理裂隙较发育[5]，为使新溢洪道泄量不低于原设计标准，新建泄槽将梯形变底宽断面调整为矩形等宽断面，需对原山体进行开挖，将打破山体现有平衡状态。泄槽两岸山体的开挖和防护为该工程五大建设内容之首，施工期和运行期安全性要求非常高，是保障其他4项内容实施的必要条件，在保障老闸安全运行的前提下，山体开挖至稳定山体。施工期间坚持动态设计，以3m为一层，边开挖边防护，选取典型部位进行静态破碎与机械配合开挖工艺性试验施工，由于地质情况相对复杂，针对不同部位的地质情况采取不同支护方式，之后全面开展大规模施工，确保绝对安全。

2 开挖与支护施工

2.1 高边坡开挖

为保护密云水库水环境和原溢洪道的运行安全，避免扰民，采用静态破碎与机械配合开挖相结合的方式开挖边坡。施工期和运行期安全性要求非常之高，按要求需开挖至稳定山体，开挖总高度约25～50m，开挖总量达11万m3。泄槽地处山体垭口部位，岩石坚硬，两侧为陡峭山体，破碎带较多，共发现8处不稳定体，开挖难度较大，防护措施复杂，技术含量高。开挖施工以3m为一层，边开挖边防护，选取典型部位进行静态破碎与机械配合开挖工艺性试验施工，合理确定本工程静态破碎施工参数。边墙以上永久边坡1∶0.75，边墙顶部以下边坡1∶0.5，局部潜在不稳定部位适当放缓边坡或采取锚固措施。

2.1.1 开挖施工前准备

在施工准备过程中，首先自泄槽末端挑流坎处分别修筑临时施工道路至泄槽边墙顶部，坡比为1∶4，然后沿开挖线开挖修建不小于4m宽施工平台。以此平台为基础，分别沿两侧边坡开挖坡顶线方向采用进占法在山体内侧开挖石方，形成不小于4m宽的临时施工道路。随后对边坡进行试验性开挖，开挖边坡显示上部强风化岩体较厚，为确保施工安全，在试验性开挖过程中对开挖顶部采取了局部适当放缓边坡和卸载措施，最终形成初始施工平台，顺接至新建闸室段两侧石方开挖区域。

2.1.2 试验性施工

进场施工后，分别在两岸边坡石方开挖区域选取典型部位进行静态破碎试验施工，根据破碎效果及时调整确定各项施工参数。通过对比分析各种试验参数下试验效果，合理确定本工程静态破碎施工参数，最大限度地实现优质高效，经济合理。

2.1.3 复杂地质段开挖

在边坡开挖过程中有受断层破碎带影响岩体破碎稳定性差的情况发生，经地质工程师及监理工程师确认对边坡局部地质情况较差部位坡比放缓调整。石方开挖采取静态破碎配合机械开挖方式施工，表面风化岩石首先用机械清除，待揭露至新鲜岩石后，采用静态破碎与机械配合开挖。边坡开挖、防护遵循“分级开挖、分级防护、及时防护”的原则，开挖一级防护一级，在下一级开挖时，上一级做好防护措施。每开挖至一级台阶后，及时复测，及时修整边坡。

2.2 复杂地质条件下高边坡支护

在水利工程项目施工中，开挖必定会造成对岩体结构的破坏，若没有合理的支护技术作为支撑，则会造成边坡承载力降低，导致边坡沉降量增加，不仅会对施工质量造成影响，也会对施工安全造成一定影响[6]。故支护工程对于溢洪道边坡的稳定，阻止结构裂缝、渗水和塌陷问题具有较大的作用。由于地质情况相对复杂，针对不同部位的地质情况开展试验性施工，采取不同支护方式后，全面开展大规模施工，确保绝对安全。

局部潜在不稳定部位适当放缓边坡或采取锚固措施。针对不同部位的地质情况采取不同支护方式，原设计两侧边坡采用植锚杆与挂SNS柔性防护网的方式进行支护，但在施工开挖过程中，通过揭露的围岩发现，现状开挖边坡岩石风化严重，局部开挖边坡存在受断层和节理裂隙切割形成的不稳定体，或受边坡岩体破碎裂隙发育影响，故将局部地质条件较差部位的支护方式进行调整，改用加长、加密注浆锚杆、自钻式锚杆，设钢筋网片结合喷射混凝土，设置排水平台、边坡排水孔，挂SNS柔性防护网的方式支护。

3 开挖及支护综合应用

3.1 静态破碎在高边坡开挖中的运用

3.1.1 布置钻孔及静态破碎剂的使用

首先将边坡表面风化岩石用机械清除，待揭露至新鲜岩石后，按孔距a=40cm、排距b=36cm、孔径D=42mm进行布孔，多采用立孔，多排孔则采用梅花形布置，用风动钻机在岩石上进行钻孔作业。根据施工期间的气温或工作环境温度选择无声破碎剂型号(见表1)。

表1 无声破碎剂型号和使用范围

当气温超过35℃时，在下午5—6时或早上6—7时灌孔。结合本工程主要施工季节，选用无声破碎剂I型，破碎剂膨胀时效为8～12h。

3.1.2 静态破碎的施工

将破碎剂直接倒入垂直孔内，孔口留2cm空隙，将孔口堵实。梅花形布置孔灌浆时，留有一定的时差，即先灌一、二排孔，1～3h后，再灌三、四排孔，以此类推，以创造更多的自由面，保证其开裂效果。药剂反应的快慢与气温有直接的关系，温度越高，反应时间越快，反之则慢。气温较低，药剂反应时间会很长，反应时间太长会给施工带来不便，使工程进度受到影响。解决办法是加入保温剂和提高拌和水温度。保温剂加入过多，也会降低药剂膨胀力。拌和水温可根据实际情况适当提高，但最高不超过40℃，否则可能冲孔。条件较好的施工现场可根据实际情况缩短反应时间，以利于施工。药剂反应时间过快易发生冲孔伤人事故，可使用延缓反应时间的抑制剂。

3.2 机械破碎解小及清渣

待无声破碎剂完全膨胀后，使用液压破碎锤对岩石破碎解小，开挖渣料沿开挖边坡自然下落至泄槽内。自卸汽车沿施工作业平台分别将开挖渣料装车外运。

3.3 高边坡防护

由于地质条件相对复杂，本工程动态设计，除原设计锚杆支护与挂SNS防护网的方式外，增加使用注浆锚杆，设钢筋网片结合喷射混凝土，设边坡排水孔的方式进行边坡支护。根据开挖地质情况分别采用相应措施。

3.3.1 注浆锚杆

注浆锚杆用于裂隙破碎带和节理密集区域的浅表层坡面加固，锚杆采用HRB400钢筋，锚筋长度根据地质情况现场确定。钻孔孔径、灌浆管管径、排气管管径可根据施工工艺进行适当调整，钻孔孔径需保证锚杆保护层厚度不小于2cm。锚杆宜使用整根钢筋，若需多段连接，连接形式应采用机械连接，且接头性能指标达到A级接头的标准，锚杆安装过程中灌浆管和排气管必须随锚筋一起安装，锚杆安装后立即进行注浆。

锚杆注浆采用水灰比为1∶0.5～1∶0.55的水泥浆，强度不低于30MPa，水泥采用不低于42.5等级的普通硅酸盐水泥，水泥浆添加早强剂、减水剂和膨胀剂。锚杆就位后，孔口用麻丝和M30速凝水泥砂浆封堵。锚筋桩灌浆压力采用0.2～0.4MPa，灌浆开始时敞开排气管，以排出气体、水和稀浆，当排气管排浆比重和进浆比重相同时，封堵排气管。继续灌注至注浆泵压力为0.2MPa时稳压3min后可结束灌浆，灌浆结束后应闭浆120min。锚筋桩注浆后，在砂浆凝固前，不得敲击、碰撞和拉拔锚筋桩。若孔内浆体回缩量较大，应进行补灌。

3.3.2 钢筋网片结合喷射混凝土

边坡节理发育或受断层破碎带影响岩体破碎稳定性差的部位可设钢筋网片，结合喷射混凝土可以将边坡封闭，从而降低基面所受的环境影响，并且钢筋网片与喷射混凝土相结合的支护方式可提高边坡的整体性，可以有效地防止边坡塌滑塌方等事故，从而使边坡安全可靠。本工程采用φ6钢筋网片，钢筋网间距20cm×20cm，随锚杆布置位置，每3～5m横向设置压筋与锚杆焊接，施工时首先在坡面素喷3cm厚C25混凝土，以提升地质情况较差部位的边坡稳定性，然后不同部位按要求进行锚杆施工。锚杆施工完成后挂钢筋网片，要求间距喷锚面5cm，最后喷射7cm厚C25混凝土。

3.3.3 排水孔

为防止山体内水压对边坡造成损害，常在边坡设置排水孔。在喷射混凝土坡面设置永久排水孔也较为广泛。本工程设置的坡面排水孔孔深4m，间距3m，孔径90mm，排水孔内设置φ50HDPE硬式透水管，开孔率大于70%，环刚度大于1.0kPa。

3.3.4 SNS防护网

针对运行期两岸边坡曾发生落石现象，应加强边坡支护措施，SNS防护网可提高表层岩体的稳定性，防止崩塌落石的发生。本工程采用的是4m×4m的DO/08/300型钢绳网和SO/2.2/2.25×10.2钢格栅网。在每张钢绳网与四周支撑绳间用φ8钢丝绳缝合连接，并进行张拉，使柔性防护系统对破面施以一定的预紧压力。最后张拉紧后两端各用两个绳卡与锚杆外露环套固定连接。

4 施工技术创新点

4.1 施工围堰方案选取

采用“双闸方案”[7]利用老闸做围堰，老闸下建新闸，在不影响老闸正常运行的条件下，进行溢洪道泄槽两侧山体静态破碎开挖和防护，确保老闸运行安全和两岸山体稳定安全，同时，确保老闸及密云水库的度汛安全和在建工程的施工安全，安全性要求极高。

4.2 开展山体开挖及防护的工艺性试验施工

采用静态破碎和机械开挖相结合的方式进行边坡开挖，最大限度地保护水库周边生态环境，降低施工成本，提高开挖效率，为之后全面大规模施工提供了经验和数据支持，最高处山体开挖高度达50m，高度较高，难度较大。

4.3 确定防护措施

山体地质情况复杂，共发现8处破碎带，采取了补充勘探，地质工程师现场勘查，聘请行业专家会同参建各方研讨应对措施。采用先清理卸载，后加长锚杆(最深达8m)，锚杆压力注浆，喷锚支护，SNS防护网等方式，解决了复杂地质条件下山体防护问题。坚持动态设计、永临结合，设置排水平台，以3m为一层，分级开挖，分级防护，开挖一层防护一层。

5 效益分析

密云水库是一座以防洪、供水为主，综合利用的大型水利工程，是华北地区最大的水库，是北京唯一的地表饮用水源地，其安全运行对首都北京至关重要。复杂地质条件下高边坡开挖及支护是第一溢洪道改建工程的首要建设内容，为老溢洪道正常运行、两岸山体的整体稳定、新闸主体工程建设提供了安全保障。该工程的实施，对消除密云水库的安全隐患、确保北京的供水安全和京津冀的防洪安全具有重大意义。

6 结 语

本工程采用了静态破碎配合机械开挖的山体施工方式，永、临结合的山体防护措施，分级开挖和分级支护方式，施工期及运行期边坡情况正常。工程竣工至今已3年，目前，山体整体稳定，为后续新闸建设提供了安全保障，也为类似复杂地质条件下的高边坡施工提供了经验和思路。