对水库坝基开挖施工技术探讨
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摘要: 某水库基础面开挖采用了预留保护层措施, 且保护层开挖光面爆破参数选择合理, 工程质量控制较好, 坡面超挖及半孔率均在规范范围内;采取预留保护层手风钻剥挖方案, 极大地减弱了爆破震动对基础面的破坏影响, 从爆破后声波测试成果来看, 波速值均未超过设计标准, 爆破效果良好。本文结合工程实例，探讨特有的施工条件, 坝肩开挖主要采用潜孔钻和手风钻进行钻孔, 底面采用了35°～45°的斜层面开挖, 以便爆破后石渣自动滚落至基坑, 减小人工清渣量, 加快施工进度。
1、工程概况
某水库拦河大坝为抛物线双曲拱坝+左岸重力坝。双曲拱坝坝顶高程873.0 m, 坝底高程738.50m, 最大坝高134.50 m, 坝顶宽7.0 m, 坝底厚23～25.0 m, 厚高比0.171。重力坝坝顶部高程873.0 m, 底部高程800.0 m, 上游面铅直, 下游坡比1∶0.8, 顶部宽20.0 m, 底部宽78.40 m。
坝基右岸坡面除沿垂直河向断层发育有较典型的溶沟、溶槽外, 无大型冲沟发育, 坡面较完整;830 m高程以下为约70°的陡壁, 其以上至坡顶为15°～27°度的斜坡。坝基左岸地形不平整, 以P2w1泥页岩软弱地层为界, 790 (上游) ～820 m (下游)高程以下至河边是约70°的陡壁, 790～820 m高程以上至820～865 m高程为约10°～20°的缓坡台地,820～865 m高程以上为近50°的陡坡。坝基最大开挖高度为左岸165 m、右岸160 m。
右岸山高坡陡, 大部分为陡坎, 施工道路布置极为困难; 左岸760～800 m高程段为悬崖, 施工道路无法布置, 坝基开挖时开挖石渣将落入河床,只能从河床清渣, 这就增加了施工难度。边坡开挖一般采用自上而下分层开挖的施工程序, 但左岸重力坝在开挖前应在801.5 m高程形成集渣平台, 否则将有大量的爆破石渣落入河床, 增加后期河床坝基开挖量; 由于左右岸两坝肩边坡较陡, 在开挖过程中, 有大量开挖石渣落入河床, 必须及时清理河床中的石渣。
2、工程地质条件
某水库坝址河谷狭窄, 为“U”型横向峡谷, 左右岸地形不对称, 断层及构造裂隙发育,弱风化带内及断层带附近发育有溶蚀夹泥层, 左岸古河床下岩溶发育强烈, 枯水季左岸存在地下水位低槽带。坝址区为岩溶中高山地形, 由于地壳的间歇性抬升, 两岸在830, 800, 770 m高程的三级阶地较明显。一级阶地为侵蚀阶地; 沿左岸790 ～810 m高程顺河展布的二级阶地为堆积阶地, 为典型的残留古河床, 原河床两岸的岸蚀现象较明显,底部冲积砂卵砾石层保存较好; 三级阶地在左岸为堆积阶地, 在右岸为侵蚀阶地。
河床基岩面起伏不规则, 多有岩礁分布(高程758～755 m, 无纵向深槽) 。
坝址区断层以近垂直河流的北西西向N55°～80°W, NE∠70°～85°及北东东向N65°～90°E, SE∠70°～85°两组最为发育。此2组小断层沿河呈陡直的“X”型同序次发育, 甚为密集(综合计算,每100m约为3～4条) , 呈棱型网格状分布, 间距30～70m; 北东东向断层表现为左行压扭性质, 北西西向断层表现为右行压扭性质。其中, 规模较大且对枢纽建筑物及坝肩抗滑稳定有影响的主要有f1、f2、f3、f4、f23、f25、f29、f30等8条断层。
3、坝基开挖施工方案
3.1右坝肩边坡开挖方案
右坝肩的最大开挖边坡高度达160 m, 施工前期因20 t走索线尚未形成, 坝肩开挖无法采用大型的施工机械, 坝开挖难度较大。根据特有的施工条件, 拱坝两坝肩为70°陡壁, 坝肩开挖主要采用YQ100B潜孔钻和手风钻进行钻孔, 按照以往高边坡开挖施工的经验, 采用成熟的预裂爆破和光面爆破技术一次成形。
右坝肩分2个区进行开挖, 施工程序为靠河侧分区及靠边坡侧分区交替进行, 靠河侧提前1～2个循环, 梯段高度按20 m控制, 最大钻孔深度约25 m (Y1、Y7 及Y9 靠边坡侧) 。为加快施工进度,确保工程质量, 施工中根据地质条件, 通过多次爆破试验, 对预裂孔和缓冲孔的装药结构、线装药密度、堵塞长度等爆破参数进行不断地调整和优化,采用了“20 m高梯段边坡不留保护层一次开挖成形方案”。该方案在保证工程质量前提下, 解决了高边坡一次成形的技术难题。根据当时的地形及施工条件, 为了减少工作面的清渣工作量, 开挖面向河床倾斜, 与水平面夹角为35°～45°, 以便爆破后石渣自动滚落至基坑, 减小人工清渣量和加快施工进度。
3.2左坝肩边坡开挖方案
左坝肩拱端槽挖采取梯段爆破及边坡预裂的方法施工, 以保证边坡的开挖质量; 建基面预留保护层, 保护层开挖采取底部设柔性垫层一次爆除; 主爆区则采用排间微差爆破技术。
主爆孔采用CM351钻机、YQ100B潜孔钻和手风钻造孔; 边坡预裂孔主要采用CM351 钻机、YQ100B潜孔钻造孔。保护层开挖采用CM351 钻机、YQ100B潜孔钻造孔底部设柔性垫层一次爆除的施工方法。
3.3拱坝坝基开挖方案
基坑开挖程序采用自上而下逐层进行, 根据坝基地形条件、施工布置及工期特点, 基坑开挖共分3个区交替施工。
覆盖层开挖, 利用挖掘机自上而下分层出渣。岩基开挖采取自上而下分层钻爆的施工程序。基坑开挖则根据工程实际情况并结合保护层开挖, 将其分为2个梯段开挖: 第1层梯段高度10m, 第2层梯段高度8.5 m, 而底部( 741.50 ～ 738.50 m 高程)预留3.0 m暂时不挖; 第2梯段开挖时, 底部设0.4 m深的柔性垫层, 并开挖前首先施工先锋槽, 以为梯段爆破提供良好的临空面。坝基开挖的具体分层分区情况参见图1。
图1水库坝基开挖分层分区示意图
河床坝基采用CM351露天液压钻机和YQ100B潜孔钻造孔, 边坡预裂孔也采用YQ100B潜孔钻造孔, 然后用并预留保护层的施工方法开挖。采用水平光面爆破, 手风钻造孔, 自下游向上游方向推进, 并预留下基坑道路的施工顺序。
3．4重力坝边坡及基础开挖方案
左岸重力坝边坡开挖时, 800 ～845 m高程梯段高度按15 m控制(与边坡马道高度结合布置) ;顺坝轴线方向按20～30 m进行分区, 共分为3个区。最外侧分区作为一个工作面, 与内侧分区平行作业, 该分区开挖至801.5m高程以后, 留1个10m宽的集渣平台, 作为重力坝内侧开挖的集渣平台。根据重力坝的特点, 顺水流方向每个开挖区按30～50 m长度再行分区。
左坝肩801.5 m高程以下开挖分2个区进行,施工程序为靠河侧分区开挖至761.5 m高程后, 再进行第2个区开挖, 梯段高度按15 m控制。为了减少工作面的清渣工作量, 开挖面向河床倾斜, 与水平面夹角为35°～45°, 最大钻孔深度约25 m ( Z2- 3及Z2- 6外侧) 。
重力坝覆盖层开挖, 利用推土机配合挖掘机自上而下分层出渣。两岸岩基开挖均采取自上而下分层的施工程序。根据地质情况及马道高程合理地布置开挖台阶, 左岸重力坝845 m高程以上相临马道之间分2个梯段进行爆破, 钻爆梯段高度一般为7.5～8m, 最大垂直梯段高度一般不超过10 m。
4、坝基开挖控制措施
大坝坝基开挖程序采用自上而下逐层进行。根据大坝地形条件、施工布置及工期特点, 前期大坝开挖必须多个工作面同时施工, 即: 右坝肩开1个工作面, 重力墩开1个工作面, 重力坝外侧及左坝肩800 m以下作为1个工作面。具体分区见图2。
图2某水库坝基分区分层开挖示意图
4.1边坡开挖控制
钻孔孔位、角度和孔深应符合爆破设计的规定。钻孔偏差一般不得大于1°, 开孔误差不应大于15 cm; 已完成的钻孔, 孔内岩粉应予清除, 孔口加以保护; 对于因堵塞无法装药的钻孔, 应重新扫孔, 并经检查合格后才可装药。预裂爆破、光面爆破、梯段爆破的钻孔不得进入预留保护层内; 高边坡开挖设置有马道时, 所有钻孔均不得超过马道路面高程。布孔时, 在开挖线转角处或预裂面两端至少应布置1个导向孔, 以避免爆破裂缝进入两侧保留岩体内。
边坡采取深孔梯段、预裂爆破法施工, 以保证边坡的开挖质量。特别对有水平马道建基面的要预留保护层(保护层厚度为1.5 m, 在进行下一级马道主爆之前对上一级保护层一次爆除)进行光面爆破; 主爆区则采用孔间微差控制爆破技术; 槽挖采用单孔火花起爆。
4.2基础开挖控制
某水库为双曲拱坝, 拱坝的基础面为逐层变化的曲面, 并且每一层开挖钻孔的方向及角度都在变化, 因此施工控制难度较大, 必须按照设计要求认真做好每一层的开挖布孔主放样图纸, 以指导现场施工。
4.2.1施工测量控制
为了保证大坝开挖轮廓的准确性, 在基础开挖前、开挖过程中和开挖成形后, 均应按照监理工程师的指示和设计图纸要求进行测量放样, 并严格控制放样精度。
现场爆破孔测量放样严格按照设计钻孔布置图进行, 并根据现场实际地形和孔口实际高程, 以及钻孔角度要求进行准确推算。钻孔放样记录要及时发放到现场施工和质量控制人员种, 以便于施工和过程检查。
4.2.2爆破参数控制
施工前, 根据现场工程地质情况和岩体条件,认真进行爆破设计, 合理选择和控制爆破参数, 并在施工中不断进行优化。
爆破参数的控制主要包括钻孔参数控制(孔排距、倾角、方向和深度等)和装药参数控制(装药结构、线装药密度、单孔装药量、堵塞长度以及炸药单耗等) 。根据以往在同类地区的开挖爆破施工经验和多次进行的爆破试验, 推荐参数见表1。
表1某水库坝基开挖深孔梯段爆破参数
炮孔
类别 爆破参数
梯段高度/m 炮孔直径/mm 炮孔间距/m 炮孔排距/m 抵抗线/m 炮孔深度/m 药卷直径/mm 装药长度/mm 堵塞长度/m 装药量/kg 装药方式
除对开挖采用预裂爆破减少爆破轰波对开挖边坡的影响及梯段爆破控制单响药量等控制爆破措施外, 还需对新浇混凝土、新喷混凝土、锚杆施工邻近开挖施工进行控制爆破, 根据质点安全振动速度严格控制单响药量, 通过控制单响药量将爆破震动控制在设计允许的安全范围内(见表2) 。
表2安全距离与控制最大单响药量关系
安全距离/m 允许最大单响药量关系/kg
10 3．41
15 11．50
20 27．30
30 53．30
按表2的要求, 安全距离为10 m时可采用手风钻造孔小梯段爆破; 安全距离为15 m时, 梯段高度要不大于5m; 安全距离为25m时的允许单响药量已大于梯段高度10 m时的单孔装药量50 kg,此时爆破网络采用孔间微差顺序爆破可满足要求。
5、质量控制
5.1基础面质量控制
为确保边坡开挖质量, 开挖施工时对钻孔、装药和连网爆破各个环节均应严格控制, 尽量减少超挖量, 杜绝欠挖等情况。主要控制措施为:
(1) 坝建基面实际开挖轮廊必须符合设计文件所示或监理工程师指定的开口线、坡比、水平尺寸、高程和控制点坐标的要求。
(2) 凡与结构接触的界面不得欠挖; 超挖量不应超过15 cm, 开挖面应严格控制平整度, 建基面起伏差不大于20 cm; 为确保坝体的稳定, 建基面不允许开挖成向下游倾斜的顺坡。
(3) 开挖后的建基面应干净、粗糙; 建基面上不得有积水或流水, 不得有反坡、倒悬坡、陡坎尖角; 结构面上的泥土、锈斑、粉尘、破碎和松动岩块以及不符合质量要求的岩体等, 均要求采用人工清除或处理。
(4) 为保持开挖后基岩的完整性和开挖面的平整度,要求采用预裂或光面爆破技术; 开挖施工前, 要详细了解坝肩工程地质结构、地形地貌和水文地质情况, 要根据岩体条件严格控制爆破参数,确保岩体的稳定和安全; 对不良地质地段应采取有效的预防性保护措施。
5.2爆破质量的控制措施
爆破质量的主要控制措施有:
(1) 严格控制钻孔的孔径、孔位、孔深、方向和角度。梯段爆破孔孔径不得大于90 mm, 预裂爆破孔孔径不得大于90mm, 保护层爆破孔孔径不得大于50 mm; 钻孔偏差不大于1度; 开孔误差不应大于15 cm。
(2) 施工预裂爆破钻孔不得进入预留保护层内; 预裂爆破时, 在预裂面两端各布置1 个导向孔, 避免预裂裂缝进入两侧保护岩体内; 任何爆破孔不得进入建基面内。
(3) 采用间隔装药和不偶合装药, 降低对岩石的挤压破坏作用。
(4) 严格控制爆破规模和最大段单响药量。
6、结束语
某水库右岸开挖20 m高梯段边坡成形技术的研究和左岸马道一次成形问题的解决, 是对常规边坡预裂爆破和光面爆破技术应用的一次提高, 不仅对本工程有意义, 而且对其他同类工程施工有一定的借鉴和指导作用。
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