不良地质条件下石坝趾板基础开挖施工技术分析

(水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 工程概况

阿尔塔什水利枢纽工程位于新疆叶尔羌河干流，是一座具有防洪、灌溉、发电及生态环境条件等综合功能的大(1)型水利枢纽工程。阿尔塔什水利枢纽总库容为22.49亿m3，设计电站装机容量可以达到755MW。该水利枢纽工程拦河坝设计采用混凝土面板砂砾堆石坝，坝高和坝长分别为164.8m、795m，石坝坝顶宽度为12m。石坝坝趾基础开挖长度为1082.88m，宽度为8.0～10.0m，开挖边坡比控制在1∶0.35。地质勘查得到，石坝坝趾基础岩层岩性较软，节理裂隙较为发育，岩石破碎程度较高，基础开挖成形难度非常大。降低地质及技术超挖风险，对高效率完成石坝坝趾开挖施工具有重要意义。

2 工程地质条件

阿尔塔什水利枢纽拦河坝右岸趾板沿线基础岩石呈裸露状态，岩性主要为厚白云灰岩和灰岩交互层，岩层产状为353°SW∠70°。右岸裸露岩石风化程度比较严重，强风化层和弱风化层厚度分别为2～3m、15m。风化剥蚀岩层破碎带宽度在1.0～5.0m，岩石主要为角砾岩和胶结糜棱岩。右岸坝趾以上岸坡坡度较陡，边坡岩体较为稳定，但岩体中有卸荷裂隙，层面及其他结构面穿插组合发育，导致右岸坝趾以上岸坡形成多个不稳定岩体。左岸基岩大部分也呈裸露状态，岩性为中厚层灰岩、薄层灰岩、泥灰岩等，并有顺向河流断层F16出露，断层间充填有破碎带岩石。F16断层出露高程在1668.8m，沿断层带有绕坝渗漏威胁。左岸高程1830m和1820m两处分布有滑坡体，但其规模较小，坝趾开挖施工中需要提前做好预防处理。

3 坝址基础开挖施工难点

结合地质勘察结果以及基础开挖施工设计方案，本次坝趾基础开挖施工难点主要有三个方面：一是基础开挖后难成形，石坝基础岩性较弱，风化程度较高，破碎程度高，承载能力不佳。同时，岩体中有断层、裂隙发育，施工中容易出现卡钻、漏气等情况，影响基础爆破开挖效果。二是施工道路不易布置，左右岸边坡高度分别为410m、600m，自然坡度均超过60°，局部坡度接近90°。施工中须在高边坡上修建施工道路，以满足机械设备通行需求。三是高边坡安全隐患较大，右岸边坡基岩裸露风化严重，岩性差，遇水容易出现软化和崩解情况。历年地质气象资料显示，施工月中降雪可能性非常大，可能导致边坡浅层岩体软化崩解，出现落石、掉块情况，对下部施工安全造成影响。

4 趾板基础开挖施工技术

4.1 施工布置

施工布置除正常施工准备作业之外，重点在于施工道路布置以及高边坡安全防护。在两岸自下而上修建一条“之”字形道路，道路长度400m左右，宽度控制在4.0～4.5m，纵坡为30°～40°。右岸道路修建过程中可充分利用岸坡2-2号交通洞。对于不满足道路宽度的地段，需要在外侧安置竖向锚杆+码砌钢筋石笼，内侧采用安设锚杆+填块石渣料方式进行处理[1-3]。高坡防护主要通过设置被动防护网，以边坡坡形为基础，分别在边坡高程2060m、1940m、1760～1850m处设置三道被动防护网，防护网选用RXI-100，预防出现高空落石情况。

4.2 爆破施工设计

为有效控制爆炸效果，减少不必要的岩体扰动破坏，设计对坝趾基础面和边坡采用不同的爆破形式。基础面采用深浅孔爆破，边坡选择预裂爆破形式。

a.装药结构及参数。根据爆破需要，坝趾爆破梯段高度设置为13m。爆破开挖采用松动爆破形式，可有效控制爆破产生的抛石和飞石[4-5]。主爆孔装药结构采用连续装药方式，炸药选用2号岩石乳化炸药，孔径80mm，孔深14.1m，间排距分别为3.24m、2.82m，药卷直径和装药长度分别为80mm、9.16～10.03m，主爆孔堵塞长度控制在5.03～4.16m，装药结构如图1(a)所示。同时，装药量需要根据岩石强度进行调整，强风化岩石强度较低，其梯段装药单耗控制在0.30～0.40kg/m3，其他强度较高岩石炸药单耗控制在0.42～0.46kg/m3。

边坡预裂孔装药结构采用间隔装药方式，梯段高度设置为14.19m。炸药同样选用2号岩石乳化炸药，孔径80mm，孔深15m，间距为0.8m，药卷直径和线装药长度分别为32mm、177.95g/m，装药结构如图1(b)所示。预裂孔起爆选择导爆索联合药卷起爆方式，用竹片将药卷及导爆索送入爆孔中心，实行分段并联起爆。坡角等关键部位预裂面采用孔底加强装药方式，加强装药药卷直径和线装药密度分别为80mm、355.9～533.85g/m，以有效避免特殊部位出现欠挖的情况。

图1 不同爆炸孔装药结构示意图(单位：m)

b.起爆网络。主爆孔之间传爆采用导爆索，引爆采用电雷管。起爆网络采用矩形布孔方式，“V”形微差起爆，采用MS3～MS9段非电毫秒延期起爆，起爆网络如图2所示。为确保预裂爆炸效果，预裂孔应在第一排主爆孔引爆前起爆，超前起爆时间控制在85～100ms[6]。临边主爆孔首先起爆，并依次向坡角方向进行起爆，缓冲孔最后起爆。

图2 坝趾基础开挖起爆网络示意图(单位：m)

4.3 爆破开挖施工

结合大坝岸坡地质条件及施工交通情况，对两岸坝坡采用不同的开挖方式。左岸坝坡整体稳定性较好，采取自下而上一次开挖成形的方式。右岸危险岩体较多且下部大坝填筑分区，右岸坝趾基础开挖采用分区开挖方式，施工开挖区域分别为趾0+694.000～趾0+820.000段和趾0+820.000～趾1+052.000。具体施工过程中，如果坝趾边坡高度超过15m，采用平行于马道15m方式分层开挖。坝址高度不超过15m时，采用一次开挖成形的方式施工，坝趾开挖分层方式如图3所示。同时，为减少基础面开挖爆破施工对坝趾基础面的扰动，开挖基础底部时须预留2.5m岩石保护层。大面开挖结束后，预留保护层采用手持风钻钻孔，减少爆破装药量爆破，并用液压破碎锤辅助开挖剩余部分[7]。坝趾基础石方爆破之后，运用液压反铲施工出一机械操作平台，按照自下而上方式进行分层开挖，由内向外甩料倒运到可装卸区域，直至松散渣料全部清除。

图3 石坝趾板开挖分层示意图(单位：m)

5 施工注意事项

a.大坝两岸边坡高度均较大，且有断层、裂隙等地质构造分布，边坡稳定性较差。边坡开挖过程会造成岩体减载，引起岩体载荷的重新分布调整，会对整体边坡稳定性造成影响。因此，需要在断层和破碎带附近埋设钢筋观测点，对边坡稳定性情况进行监测。一般情况下，埋设初期每3天观测一次，如果变形较为稳定，则可适当延长观测周期，但爆破施工前后必须进行观测，分析前后数据变化情况。如若观测有特殊情况出现，则需进行复测或增加观测频率，确保两岸边坡始终处于受控状态。

b.断层及破碎带岩石强度比较低，基础承载能力较差，如不进行处理则会对后期浇筑混凝土造成影响，出现基础混凝土不均匀沉陷、趾板混凝土开裂，甚至造成大坝渗漏和管涌的情况出现。对于坝趾基础断层及其破碎带须进行加固处理，处理方式选用加密固结灌浆和混凝土塞置换方式。坝趾基础断层宽度不超过30cm的，采用加密固结灌浆进行处理，宽度超过30cm则采用混凝土塞置换。混凝土塞置换处理中，其上、下游置换长度一般为1.0m、4.0m。

6 工程实施效果

阿尔塔什水利枢纽工程拦河坝坝址基础岩性较差，风化程度高，岩体中断层、裂隙较为发育，岩石破碎程度较高，坝趾基础开挖成形难度非常大。同时，大坝两岸边坡坡度较高，道路布置难度大，高边坡安全隐患高，需要结合地形条件，确定合理的基础开挖方案。在工程施工过程中，坝趾开挖通过做好施工布置、合理设定爆破参数及开挖施工方式，有效保证了趾板开挖施工的有效进行。同时，通过综合采取一系列措施，最大限度地降低了地质和基础超挖的风险，阿尔塔什水利枢纽石坝趾板基础开挖高效完成，基础开挖质量高、成形好，相较设定工期提前10天完成。

7 结 语

阿尔塔什水利枢纽工程拦河坝采用混凝土面板砂砾堆石坝，石坝坝趾基础岩性软、破碎程度高，基础开挖成形和工程施工难度均较大。对于此类高边坡、软基础的开挖工程，一是要充分结合地形和地质条件，合理布置施工道路，同时做好高边坡安全防护工作。二是合理设定爆破施工工艺，优化装药结构及参数，对不同地质条件基础采取分区爆破方式，各区域均设计对应的爆破参数，最大程度控制爆破效果。三是对于断层、岩层破碎程度高等特殊区域须采取针对性的解决措施，断层附近设置钢筋观测点，保证两岸边坡稳定；同时，运用加密固结灌浆和混凝土塞置换方式对基础岩层进行加固，提升基础岩层承载能力。