地质条件复杂区水电站厂房施工方法

张慧昌

（五华县水利水电工程质量监督站，广东 五华 514400）

1 工程概况

该发电厂房位于梅州市琴江流域大岭岗地区，该地区降雨量大，土壤含水量较高且覆盖层相对较后，地质条件复杂，开挖难度相对较大，故此项目在施工组织设计阶段需要对工程复杂程度进行详细分析并给出具有针对性的施工方案，以保障项目进度、质量及安全等。文章案例为抽水蓄能电站厂房，电站厂房轴线与TL冲沟相邻，厂房布置在冲沟右侧，即厂房左侧靠近坡底。主厂房主要开挖量在冲沟右侧，厂区最低处开挖深度约为30.00 m。施工中存在的主要问题为深基坑开挖施工期间的支护、排水与防洪问题，同时土石方的弃渣场处于相对较高且路程较远的部位，开挖渣料拉运强度保障困难较大，安全问题突出。水电站厂房整体布局如图1所示。

图1 水电站厂房布局示意图

由于该厂房位于河流沿岸同时有冲沟相邻，该地区土体含水量较高，地下水位约在1.00～2.50 m范围，同时，丰水期、枯水期水位变化会对地下埋设结构造成冲刷，冲沟潜水所含硫酸盐离子具有一定腐蚀性，对钢筋、混凝土等支护、衬砌结构影响较大。但丰水期暴雨季节来临时，该地区厂房左侧原有冲沟将有大量有洪水通过，须根据不同河段的过流能力、边坡情况、防洪需求等采取适当的防洪措施。该厂房尾水渠渠道挖深6.50～13.00 m，渠身主要处于冲洪积含土碎石层内，结构密实，抗冲能力弱，须采取护坡措施，并考虑潜水顶托力的影响。

2 施工方法

2.1 分区分层开挖

根据上述分析，该工程开挖难度相对较大，故文章提出采取分区分层的方式进行土石方开挖。考虑电站厂房、尾水渠和泄洪渠部位开挖区相对集中，且右侧边坡开挖量较大，上下游方向长度和左右方向宽度较大，不利于大面同时开挖，但为了保证较高的施工强度。将此部位开挖设为4个施工区，分区分段分层开挖。Ⅰ区为厂区右侧边坡及泄洪渠；Ⅱ区为压力管道开挖段；Ⅲ区为厂房基坑区；Ⅳ区为尾水反坡及停车场部位。开挖分区情况示意图如图2所示。

图2 施工分区示意图

该项目开挖区域内开挖深度在77.00 ～30.00 m之间，按照自上而下分层开挖的原则，结合马道合理布置高程和开挖设备的能力，该工程初步分6～7 层开挖至建基面。开挖层高控制在10.00 m左右。

2.2 导流与排水

此工程河谷狭窄，且地质条件较差，束窄河床段的允许流速较低，不宜采用分段围堰法导流，故设计采用全段围堰法导流。由于此工程需要具备放空上游水库的放空洞，故可将施工导流时的导流隧洞与放空洞相结合，故可排除明渠导流方案，因此，此工程采用导流隧洞方案。在工程建设完成后，可按需将导流隧洞升级改造为上游水库的放空洞，断面形式为圆形以减少应力集中。根据该项目地质情况，运用Ansys 18.0软件对导流洞围堰主应力差与微型盾构机单轴抗压强度比进行了数值模拟，结果如图3所示。

图3 导流洞有限元分析图

根据有限元分析可知，虽然该地区地质条件相对复杂，但隧洞围岩大部分属于Ⅲ类岩体，少部分为Ⅳ或Ⅴ类岩体，且没有明显断裂带，在施工开挖过程中除盾构机前端围堰主应力差与盾构机单轴抗压强度比较大，其余位置应力分布相对均匀。故在导流洞施工过程中，采用混凝土衬砌洞壁以防止洞内碎石脱落。但是，在开挖面前前沿需要临时支撑，以保证微型盾构机在全断面盾构过程中不对其附近洞体岩壁造成过大扰动。

由于该工程为抽水蓄能电站厂房，其施工导流构筑物与电站排水放空隧洞相结合，隧洞轴线应依据抽水蓄能电站运行需要结合地形地质条件选定，尽可能布置成直线，长度尽可能短，同时需要考虑进出口与上下游围堰之间保持20.00～50.00 m的距离，防止水流冲刷围堰。进、出口段设置为U型明渠，隧洞进口段预留闸墩，以便后期改成放空洞。

施工排水方面，由于该地区降雨量大、植被茂密、水源丰富，厂房所在区域土体含水率相对较高，为保证工程施工安全、工程进度可持续，在土石方开挖的同时需要做好施工排水，在坡顶做好截水，避免雨水冲刷影响；在边坡做好排水，防止坡脚倾覆；在基坑处做好排水，为坑底施工营造良好条件。

2.3 土石方开挖

由于此工程开挖范围较大，边坡高度较高，为保证施工进度可控，文章提出根据分区情况采用顺层方案、立体方案相结合的开挖方式进行施工。在文中所述四个施工区中，Ⅲ区厂房基坑区开挖深度最大、难度系数最高，但开挖量相对较小，该区域采用顺层开挖方式进行开挖；Ⅳ区尾水反坡及停车场开挖段地势平缓，但开挖深度受河床高程影响，且该区域土体含水率较高，故根据区域实际情况对开挖强度进行优化控制，故采用人工立体开挖方案进行开挖（立体开挖方案一）；Ⅰ区厂区右侧边坡及泄洪渠开挖段和Ⅱ区压力管道开挖段高程跨度大，开挖量较大，为保证施工进度，根据开挖区段高程分布情况采用人工与机械相结合的立体开挖方案进行开挖（立体开挖方案二）。按土石方开挖方案进行施工，可使各开挖方案同步进行，并在22个月内完成全部开挖任务具体开挖进度及开挖强度情况如图4所示。

图4 土石方开挖强度——时间分布图

为保障上述方案的顺利推进，在土石方开挖前应进行场地清理、确认开挖边线，清理开挖边线内覆盖层，并做好截水、排水设置。土石方开挖过程中，开挖边坡还需要用锚杆配合钢筋挂网喷混凝土的方式进行支护，同时需要注意留设排水孔。针对Ⅲ区厂房基坑区开挖应自两岸岸坡从上而下进行，并可与其他区域开挖同步开始，在导流工程完成能投入使用时，两岸的岸坡部分开挖均应已全部完成，以免在基坑抽干后因岸坡上尚需开挖而影响基坑内的施工。对岩石开挖可适当使用炸药配合，但应防止因爆破而影响开挖面以下的岩石稳定。对厂房下方的地基开挖宜采用预裂爆破，这样既可以减少超挖，又保护基岩减少其磨损程度。厂房下方的地基应连续平顺，避免任何突变，更不允许开挖成台阶状。

2.4 高边坡保护

为保证石方开挖边坡的质量，确保施工过程中施工人员及机械设备的安全，开挖过程中须采取相应的边坡保护及加固措施。对于边坡较高、土级配不良等情况，应做好表面喷浆及边坡锚固处理。选取高程跨度较大处任意高边坡断面进行分析说明，该高边坡断面应力分布情况如图5所示。

图5 高边坡断面应力场分布图

根据图5 可知，在边坡地表附近应力相对较小，边坡顶部土体固结力相对较低，若土体表面或边坡内部发生扰动可能在成顶部土体沿边坡滑落、坍落等风险，固需要对高边坡表面衬砌或使用防护网进行加固。文章所研究案例为抽水蓄能电站厂房区域高边坡防护问题，边坡相对陡峭，且引水发电及水库防控等工作运行会对周边岩体造成扰动，固选用表面衬砌的方式进行表坡顶部加固，为不影响该区域原有生态风貌，衬砌材料选用生态混凝土。高边坡断面应力场分布图中，随着高程的降低土体压应力逐渐增大，同时锚杆周边会发生应力重分布，从而使锚杆上下部土体应力增大，形成应力集中，起到较好的锚固作用，从而降低边坡土地垮塌、跌落等现象的发生。因此，对于高边坡保护采用表面衬砌与锚杆加固这类纵横结合的保护措施相对可靠，可以有效地将高边坡防护单元变成多个稳定的连续整体，从而保证边坡稳定。

3 结论与展望

通过上述施工方法即可有效解决地质条件复杂区水电站厂房开挖难度大、风险高的问题。首先，分区分层开挖可以避免地质条件恶劣区域对周边区域的影响，降低部分施工分区、分层之间的扰动，同时有利于施工进度控制；其次顶坡、边坡、基坑分别排水一方面能有效降低施工期间降雨、径流等对工程的影响，另一方面能够根据边坡、基坑的不同排水特点有针对性地采取排水措施，提高排水效率，降低渗流、管涌、水力顶托等对工程安全的影响；再次，在开挖支护阶段，根据工程特点合理选择开挖方式、择优选定爆破方案、灵活配置支护组合措施，以保证土石方开挖期间及施工后的现场整体稳定和安全；最后，高边坡保护是开挖施工阶段的工程重点，尤其是地址情况复杂地区不可控因素相对较多，工程措施与非工程措施并用，监督与监测并重的施工思路可以有效提高工程质量、保障施工安全，为地质条件复杂区水电站厂房开挖工作奠定坚实基础。