溪洛渡拱坝坝肩开挖及支护设计

尹 华 安

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 工程概况

溪洛渡水电站位于四川省雷波县和云南省永善县交界的金沙江干流上，坝址位于豆沙溪沟口至溪洛渡沟口全长约4km的峡谷中段，拱坝坝底高程324.50m，坝顶高程610.00m，最大坝高285.50m。坝肩相邻区建筑物布置关系如图1所示，在坝基及坝肩附近布置有左右岸缆机平台、左右岸施工供料线、左右岸泄洪洞进口、上游施工围堰及下游水垫塘等建筑物，各建筑物不仅在平面上相互毗邻，还在高程上错落衔接，空间布局极为紧凑。大坝坝肩2006年5月开始开挖，2009年2月底完成，经过近7年时间的安全监测和巡视，边坡整体安全稳定，未发现局部块体问题，变形亦在合理范围之内。

图1 坝基及坝肩区域相关建筑物布置示意

2 工程地质及稳定评价

2.1 工程地质

溪洛渡拱坝坝址区河道顺直，谷坡陡峻，地形完整，无沟谷切割，河谷断面呈较对称的“U”型，谷底较宽阔平缓，两岸山体陡峻雄厚，两岸420m高程以下总体呈25°～40°的缓坡，420m高程以上为受层状地层控制的各级陡坡、陡壁，坡度50°～80°，两岸谷肩高程680～860m以上为第四纪堆积缓坡平台，地形宽阔平缓，缓倾下游。坝区基岩及两岸谷坡由14个岩流层的二叠系上统峨眉山玄武岩(P2β)组成，地层为缓倾单斜地层，无断层分布，岩流层面略有起伏，微倾下游偏左岸。

坝区主要结构面为层间错动带(C)、层内错动带(Lc)、挤压带(g)和基体裂隙(L)，其中：层间错动带(C)发育于岩流层界面或靠近界面附近，总体产状与岩流层近于一致，有构造错动破碎现象，部分工程地质性状较差；层内错动带(Lc)发育于各岩流层内部，倾角较缓、分布广、数量多、长度较大，发育间距一般约5m，局部地段集中成带发育，间距小于1.5m，部分工程地质性状较差；挤压带(g)各岩流层均有发育，以陡倾为主，长度5～10m，工程类型为裂隙岩块型，弱风化；基体裂隙(L)在岩体内部发育，为刚性结构面，陡裂为主，缓裂次之，长度短小，连通性差，受层间、层内错动带限制，分布不均。

拱坝建基面上的地质缺陷主要分为两大类：

(1)规模较大、性状较差的层间、层内错动带和错动带集中发育的风化夹层；

(2)受一定规模的缓倾角错动带和陡倾角挤压带、卸荷裂隙切割的弱风化、弱卸荷岩体。

上述两类地质缺陷所构成的岩体为Ⅲ2和Ⅳ1级岩体，主要分布于建基面的下游坝趾附近。

2.2 稳定评价

坝肩部位自然边坡岩体坚硬完整，宏观上呈块状、次块状结构为主，部分镶嵌碎裂结构，岩体质量较好，水平深度150m以外，岩体质量以Ⅱ级岩体为主。层间、层内错动带是边坡岩体中的主要控制性结构面，根据地质资料分析，受倾角、产状影响，无构成稳定问题的大规模不利组合体。岩体中裂隙、挤压带多较短小、粗糙，且受限于层间、层内错动带发育，仅在自然斜坡陡壁的表浅部可见，由此影响形成滑移～拉裂、滑移～压致拉裂和冒落式滑塌迹象，但影响深度有限。综合分析，坝肩边坡岩体强度高，质量好，风化卸荷不强烈，无大规模的滑移控制面存在，自然边坡坡型完整，未见大规模的变形体，设计开挖边坡与自然边坡接近，坝肩边坡整体均处于稳定状态。

工程边坡部分处于卸荷带内，岩体结构较松驰，边坡岩体中发育有层间错动带、层内错动带、挤压带和随机裂隙等各类结构面。这些结构面在边坡开挖形成临空面后，由于其相互切割组合可能构成不稳定块体或潜在不稳定块体，施工中应针对这些不稳定块体进行必要的工程处理措施，主要包括：柱状节理受卸荷作用发育成卸荷结构面，开口线附近的中倾角裂隙组合形成滑移拉裂式变形体；拱肩上游边坡受层间、层内错动带控制，在开口线、马道边缘易受挤压带、裂隙及边坡临空面组合形成欠稳定随机块体。

3 拱坝建基面

溪洛渡可行性研究设计阶段，两岸坝基主要利用微风化～新鲜岩体，局部利用弱风化下段岩体，河床坝基置于332m高程。优化技施阶段，通过进一步的地质勘探工作和在体形优化及整体稳定方面的科研工作，参照国内外大型拱坝选择建基面的设计经验，对溪洛渡拱坝建基面进行了优化，提出了Ⅱ级岩体为主，适当利用Ⅲ级岩体的拱坝建基面方案，建基面各级岩体所占面积的百分比见表1，岩体质量分布见图2。

表1 建基面各级岩体所占面积的百分比

图2 拱坝建基面岩体质量分布

溪洛渡拱坝坝高285.50m，承受约1 300万t的巨大水推力，要求基础具有相应的承载能力、稳定性、抗渗性和适宜的基面形态。为提高基础岩体的整体性和坝基稳定性，要求对建基面分布的不可用岩体进行必要处理，处理主要对象是规模较大的层间层内错动带和强风化夹层、河床坝基332m高程以下风化岩体、建基面560m高程以下的Ⅲ2和Ⅳ1级岩体以及560m高程出露的Ⅳ1级岩体等。地基处理的对象和主要措施见表2。

表2 拱坝基础处理的主要对象及措施

4 坝肩开挖及支护设计

4.1 设计要点

溪洛渡坝肩人工开挖边坡最大高度395.50m，高边坡开挖布置和支护设计方案对施工安全和永久运行安全至关重要。为较好解决溪洛渡拱坝坝肩开挖高边坡和相邻建筑物协调问题，设计主要按照开挖、支护及施工控制三方面要点进行，见表3～5。

4.2 开挖设计

根据施工总体布置，两岸610m高程布置大坝混凝土浇筑施工供料线，两岸坝顶上部P2β13岩流层顶天然台地之上布置平移式缆机，左右岸平台高程分别为700m、720m。由于缆机平台基础和拱端距离较近，同时需要考虑施工供料线布置，坝肩610m以上开挖设计主要应考虑相邻建筑布置协调问题。左右岸610m以上坝肩开挖布置示意见图3～4。

表3 拱坝坝肩开挖设计要点

表4 拱坝坝肩支护设计要点

表5 拱坝坝肩开挖施工控制要点

根据地质情况，设计以缆机平台、施工供料线为边界进行坝肩开挖布置设计，左岸按边坡地质情况，采用稳定坡比进行开挖，控制剖面开挖坡比1∶0.3～0.45，右岸按缆机平台和供料线确定的位置设计开挖边坡，控制剖面开挖坡比提高到1∶0.2～0.25，施工马道基本宽度3m，高差20～30m。右岸610m供料线负责混凝土转运，基本宽度为13m，受坝头位置控制，在供料线穿越坝头部位架设栈桥等临时设施，实现上下游的供料线连接，并顺畅的跨越坝头。左岸610m供料线负责材料转运，基本宽度为12m，坝头设7m宽马道与上游及坝顶交通洞连接。

图3 左岸610m以上坝肩开挖布置示意 图4 右岸610m以上坝肩开挖布置示意

610m高程以下坝基开挖布置见图5，对上游边坡相邻的泄洪洞进口、上游施工围堰，采用布置和坡比调整予以避让，对下游水垫塘，则采用自然衔接布置。大坝建基面以Ⅱ、Ⅲ1级岩体为主，自身稳定，上下游拱肩槽边坡大部份为Ⅲ2和Ⅳ1级岩体，边坡开挖控制坡比1∶0.1～0.45，河床覆盖层开挖控制坡比1∶1.25。施工马道基本宽度3m，上游边坡梯

图5 610m高程以下坝肩开挖布置示意

段高差30m，下游边坡考虑交通便利，梯段高程和抗力体排水洞底板高程一致，梯段高差40～60m。

拱坝建基面采用预裂控制爆破开挖，为便于质量控制，设计要求开挖梯段高度为10m，并按此高度设计开挖建基面。考虑到拱坝建基面分布有一定数量的地质缺陷需要进行置换处理，为避免二次开挖对上下游边坡造成破坏，根据前期地质资料，对左岸560m高程以下、右岸580m高程以下的下游拱端及左岸400～440m上游拱端进行了扩大开挖设计，下游拱端扩大区进行坝后贴坡，兼做下游通道及坝趾加固平台。此外，为通过减少坝基嵌深实现减少坝体及开挖工程量的目的，设计在分析坝基岩体特点及论证拱坝结构可行性的基础上，对400m以上的上游拱端进行非径向开挖设计，拱端切角5°～15°，减少上游端开挖深度3～6m。拱端切角及扩大开挖示意见图6。

图6 拱端切角及扩大开挖示意

坝肩上游边坡临近大坝上游坝面区域，在大坝混凝土浇筑时，一般需在上游增加小贴角解决相接部位施工立模困难问题。为确保增加小贴角后不对坝体局部结构应力造成不利影响，除在混凝土浇筑时采用1cm厚土工布进行脱开隔离外，还对拱肩槽上游侧坡距坝面较近区域的施工马道进行必要的尖灭设计，如图7所示，以使相接部位坡面尽量平顺，以利于拱坝局部应力状态均化。

4.3 支护设计

(1)建基面。溪洛渡大坝建基面以Ⅱ、Ⅲ1级岩体为主，岩体强度高，质量好，风化卸荷不强烈，坝址地应力不高，总体判断开挖松弛问题不显著，也无优势结构面形成潜在的局部滑块，设计对建基面边坡不要求进行支护处理。

(2)拱肩槽。设计开挖方案坝肩稳定分析表明，坝肩边坡无大规模的滑移控制面存在，坝肩边坡整体均处于稳定状态，不需针对整体稳定采取特别的加固措施，边坡支护主要针对局部稳定问题。

坝肩开挖边坡出露多条一定规模的层间层内错动带，计算分析表明，开挖卸荷后随边坡应力调整，在错动出露区域会产生一定程度的边坡变形，不加限制，有可能影响边坡安全。为限制此类局部变形影响，设计采用了预应力锚索进行加固处理。根据加固位置不同，设计制定了4种不同规格的锚索，长度20～50m，设计吨位60～200t，锚固段长度6～8m，锚索间距5m，错动带区域锚索要求穿错动带，锚固段位于下层岩体之内。

图7 施工马道尖灭设计示意

坝基边坡岩体大部分为Ⅲ2级及以上的区域，处于卸荷带内的岩体结构较松驰，边坡岩体中发育有层间错动带、层内错动带、挤压带和随机裂隙等各类结构面，地质结构面和边坡开挖组合可能构成不稳定块体或潜在不稳定块体，设计采用系统锚杆支护予以处理，支护措施包括挂网喷混、系统锚杆、坡面排水等，锚杆长度4.5～9m。

地表区域岩体中的柱状节理受卸荷作用，发育成卸荷结构面，易在开口线附近的中倾角裂隙组合形成滑移拉裂式变形体；拱肩上游边坡受层间、层内错动带控制，在开口线、马道边缘易受挤压带、裂隙及边坡临空面组合形成欠稳定随机块体。对这类问题，设计采用锁口支护予以处理，锁口支护措施包括系统锁口锚杆、超前锚杆和锚筋桩等。锁口锚杆在开口线区域外侧布置，开挖前实施，锚杆长度6～9m；超前锚杆和锚筋桩主要布置在施工马道外侧，下层梯段开挖前先实施超前锚杆锁口，开挖后根据裂隙发育情况再实施锚筋桩，超前锚杆和锚筋桩方向要求斜倾坡内，和坡面大角度相交，长度9～12m。

(3)覆盖层。两岸岸坡台地上的覆盖层多为堆积形成，要求进行清坡处理，河床坝基上游的覆盖层边坡，主要物质为砂砾石层，要求坡面稳定排水良好，主要采用挂网喷混和加强坡面排水处理措施，排水深度要求不小于5m。

4.4 施工控制

(1)作业流程控制。为保证开挖边坡稳定、施工安全和施工进度要求，开挖爆破后，要求对每层工作面出现的危石及时清除干净，对不稳定体进行随机支护，然后进行出渣，并进行系统锚喷支护、锚索作业。

(2)进度控制。为减轻卸荷变形对边坡局部稳定安全的影响，边坡支护施工与坝肩开挖平行作业时，要求边坡浅层支护(锚喷)不落后开挖工作面20m，锚索施工不落后开挖工作面30m，且在下一梯段开挖前，必须完成马道锁口支护。

(3)爆破方式。为确保建基面质量，对拱坝建基面上的垂直、斜坡和河床部位的水平建基面除要求必须采用预裂爆破外，还应控制爆破震动对坝基岩体损伤，要求建基面及边坡上的安全质点振动速度≤10cm/s，开挖后建基面以下1m范围声波降低率小于10%。

(4)安全控制。为保证边坡开挖开口线以外的边坡稳定和以下的施工安全，开挖前要求对开口线以外的天然边坡进行危石和松动岩体清除，平顺坡面，对开口线进行锁口支护，必要还可浆砌石挡护、柔性防护网等。

(5)质量控制。为使开挖面符合施工详图所示开挖线，保持开挖后基岩的完整性和开挖面的平整度，以及减少对边坡和临近建筑物的破坏及影响，采用不预留保护层、梯段高度不大于10m的预裂爆破、自上而下一次开挖成型的施工方法进行坝基开挖。建基面欠挖控制为10cm，超挖控制为20cm，平整度控制为15。

5 结 语

溪洛渡拱坝坝肩开挖范围包括拱肩槽及坝顶上部至缆机平台区域，开挖除需满足拱坝建基面布置要求外，还应避免影响缆机平台、上游围堰、泄洪洞进口，两岸需预留施工供料线。坝肩开挖支护设计主要以开挖、支护及施工控制三方面重点问题为主线进行，设计特点大致可归结为如下几点：

(1)根据拱坝建基面要求，结合地质、地形特点及相邻建筑物进行开挖总体布置，610m高程以上采用了加大坡度和增加支护方式确保了缆机平台和左右岸施工供料线顺利形成。610m高程以下开挖不触及泄洪洞进口、上游围堰，按稳定坡比进行开挖布置，建基面采取了拱端切角和置换预扩挖处理，减少了开挖和混凝土工程量，对上游坡面马道进行尖灭处理，实现了上游拱端施工贴角基面的平顺，对改善拱坝基础区局部结构应力有利。

(2)坝肩边坡整体均处于稳定状态，支护设计的对象主要为局部的变形和稳定问题，对坝肩开挖边坡处有一定规模的层间层内错动带，采用了锚索加固提高变形稳定，对马道、开口线区域，采用了锁口锚杆支护防止变形破坏和局部失稳，对边坡节理、裂隙发育的坡面，采用了系统锚杆和随机锚杆进行支护，防止局部失稳。

(3)结合坝基及边坡开挖特点，在爆破方式和质量控制方面，要求采用合理的爆破方式并限制爆破震动质点速度，以确保建基面及边坡开挖质量，在作业流程、进度控制方面，要求限制开挖支护梯段高差，做好开挖前的马道锁口支护，加强局部变形、危险块体的及时支护。

通过对开挖、支护及施工控制方面的重点问题的设计，在确保稳定安全、相互协调、经济合理的原则下，提出了较为合理的开挖支护方式及施工要求，达到了提供满足要求的拱坝建基面的目的。