涔天河水库扩建工程坝区两岸高边坡开挖与支护技术

李颂章 湖南省水利水电勘测设计规划研究总院有限公司

1.工程概述

涔天河水库扩建工程位于湖南省永州市江华瑶族自治县境内的湘江支流潇水上游涔天河峡谷出口处，系潇水流域开发的第一个梯级。工程以灌溉、防洪、下游补水和发电为主，兼顾航运等。水库总库容15.1亿m，水库正常蓄水位313m，坝顶高程324m，最大坝高114m，电站装机容量200MW，灌溉面积111.46万亩。枢纽工程由钢筋混凝土面板堆石坝、泄洪洞、放空洞、发电引水洞、电站厂房、升船机和左右岸灌溉渠首工程等主要建筑物组成，为Ⅰ等大（1）型工程。

枢纽布置受地形地质条件制约，需开挖左右岸山体，以满足大坝面板及泄洪洞等布置条件。本工程左岸趾板开挖边坡高约169m，右岸趾板开挖边坡高约176m，右岸泄洪兼导流洞开挖边坡高约144m。坝区两岸边坡受地质构造影响，两岸岩石较破碎、节理裂隙发育、层间泥化夹层或破碎夹层较多，而且右岸岩层倾向坡外，岩体易沿层面或结构面产生滑塌。本文针对涔天河水库坝区左右岸特殊地质条件下高边坡的开挖与支护施工技术进行总结。

2.地质条件

坝址处于对称的北西向“V”型峡谷中，地形陡峻，基岩大多裸露。坝址区地层为泥盆系中、下统（D～D）的砂岩、石英砂岩、粉砂岩、页岩和第四系松散堆积物等。岩石中普遍发育泥化夹层、破碎夹泥层和破碎夹层。坝址区总体表现为单斜构造，岩层产状为N5°～45°E·NW∠15°～35°，局部构造扭曲部位变陡，达50°～62°，倾向下游偏左岸。

坝址区断层较发育，出露的断层达数十条之多，但规模一般较小，破碎带宽一般为0.1～2.5m，少数可达到3.0～5.0m，断层破碎带多由砂岩碎块夹泥充填，泥质胶结或未胶结。断层走向以NNE和NE向为主。坝址区节理裂隙发育，主要有5组，其中以NNE组、NW组最发育，NEE组NWW组和缓倾角节理次之。坝址区由于地形陡峻，沿节理卸荷作用强烈，尤其是右岸坝肩岩体卸荷带深度较大，强卸荷带底界埋深10～27m，弱卸荷带底界埋深19～38m，对开挖边坡的稳定影响较大。坝址区岩体风化程度主要受岩性、构造及地形等因素影响，其中强风化带埋深左岸15～38m，右岸23～41m。根据结构面组合分析，右岸边坡由破碎夹泥层和卸荷裂隙组合构成的楔形体交线倾向坡外，倾角20°～25°，存在由夹层控制的滑动问题。左岸由破碎夹泥层和F、F、F、F等断层组合构成的不稳定楔形体，其交线倾向坡外，倾角20°～24°，亦存在由夹层控制的滑动问题。

3.边坡开挖主要施工技术难点

涔天河水库坝址区两岸开挖边坡断层及节理裂隙较发育，层间泥化夹层或破碎夹层较多，抗剪强度低，尤其右岸岩层倾向坡外，岩体易沿层面产生剪切滑塌，边坡开挖施工难度较大。因此，要实现上述地质条件下边坡的快速施工，必须解决如下技术难题：

（1）由于坝址区左右岸交通条件限制，造成大坝边坡施工时限短，同时边坡施工工序较多（开挖、预应力锚索加固、锚筋支护、系统喷锚支护等），需解决好开挖与支护工序的衔接问题。

（2）两岸边坡开挖高程高，边坡陡，施工场地布置难度较大。

（3）两岸边坡受断层、节理切割影响，坝肩强风化岩体破碎，在施工过程中，沿坡面存在局部掉块和崩塌问题，施工期的安全问题突出。

4.边坡开挖与支护施工技术

4.1 边坡开挖

1）施工道路布置。边坡开挖与支护工作的首要环节为施工道路的修筑，其为施工机械、材料运输、出渣运输提供快捷运输条件，其布置的好坏直接影响边坡开挖及支护的施工效率。施工道路布置主要受地形条件的制约，主要分为分层式和集中式。分层式适用于边坡相对平缓或高边坡厚层开挖，施工道路沿开挖高程分层布置，各层施工道路均为出渣道路；集中式适用于边坡陡峻、场地狭窄或高边坡薄层开挖，施工道路沿开挖高程布置相对稀疏，一般每隔50m～100m高差布置出渣道路。

涔天河水库坝址区两岸边坡较陡，场地狭窄，宜用集中式布置。结合现场实际地形及永久道路，左岸开挖边坡分别在高程220m（坡底）、260m（现有道路）及324m（新建坝顶永久道路）布置施工道路，其中高程260m及220m施工道路作为左岸出碴平台；右岸开挖边坡分别在高程220m（坡底）及324m（新建坝顶永久道路）布置施工道路，其中高程220m作为出碴平台。各级平台间开挖进行分层错台开挖，交叉下降至出碴高程，渣料依坡势溜至出碴平台。

2）边坡开挖方法。高边坡开挖一般遵循自上而下分层的原则进行开挖施工，其具体开挖方法又需根据岩土性状及开挖深度等而定。涔天河水库坝址区两岸高边坡开挖主要为大坝岸坡清基及趾板基础开挖。

大坝岸坡清基主要为大坝堆石体岸坡范围内的覆盖层、全风化岩层、松动岩体及局部倒悬岩体的清除。两岸岸坡清基厚度不厚，开挖采用2.0m液压挖掘机清挖向下甩运，较陡部位覆盖层采用人工直接清除，所有渣料由岸坡溜渣至出渣平台出渣。岸坡清基施工程序为：开挖施工前准备工作→场地清理→测量放样→土方施工机械推、挖、装、运→边坡修整→基础验收→转入下道工序。

大坝趾板开挖主要为石方开挖，趾板基础开挖较深，采用浅孔爆破、梯段微差爆破和斜面边坡预裂一次爆破成型相结合的钻爆施工方法。其中趾板边坡较陡部位石方开挖采用YT28型气动凿岩机钻垂直主爆孔和边坡光面爆破孔，爆破石碴采用人工向溜碴至出碴平台出碴。趾板边坡开挖台阶较宽且推、挖、装设备能顺利进入开挖工作面的石方开挖采用英格索兰CDH831C钻机和YQ-100B型潜孔钻机钻垂直主爆孔，YQ-100B型潜孔钻机钻边坡预裂孔。同时，趾板建基面以上预留2.0m厚作为保护层开挖，保护层开挖采用YT28型气动凿岩机钻孔，浅孔爆破。趾板石方开挖施工程序为：开挖施工前准备工作→场地清理→测量放样→钻孔爆破→爆破石碴推、装、运→边坡安全处理和防护→基础验收→转入下道工序。

4.2 边坡支护[3]

大坝边坡支护施工与开挖是平行跟进的交叉作业，各工序间交替流水作业。边坡支护工程随着边坡开挖自上而下滞后一个梯段同步进行。一个坡段的边坡开挖、修整完成并经验收之后即进行边坡支护施工。

1）锚筋桩支护。

①支护参数。左岸趾板基础边坡锚筋支护：锚筋桩排距4m，每级边坡坡脚设置一排锁脚锚筋桩，锁脚锚筋桩间距2m，其它排锚筋桩间距3m。锚筋由3根φ28螺纹钢焊接而成，长12m。

右岸趾板基础边坡锚杆及锚筋支护：高程255m以上采用锚筋桩支护，锚筋桩排距按土质边坡2.5m及岩质边坡4m的间隔布置，每级边坡坡脚设置一排锁脚锚筋桩，锁脚锚筋桩间距2m，其它排锚筋桩间距3m，锚筋由3根φ28螺纹钢焊接而成，长12m；高程255m以下采用系统锚杆支护，锚杆间排距3m×4m，锚杆长3m，锚杆为φ20螺纹钢筋。

②施工工艺。采用YT28型手风钻或英格索兰CDH831C型潜孔钻钻机钻孔，钻孔孔径42～100mm。钻孔完成后，用高压风将孔内残碴和水吹净。砂浆锚杆和锚桩按以下方式进行：长度大于6m上仰锚杆、锚桩及成孔困难地段的锚杆，采用“先插锚杆后注浆”的施工工艺；其他锚杆（桩）采用“先注浆后插筋”的施工工艺。锚杆注浆均采用MEYCO锚杆注浆机注浆。锚杆及锚筋桩施工程序为：施工准备→钻孔、清孔→注浆及插筋→拉拔试验。

2）预应力锚索支护。

①支护参数。右岸趾板基础边坡在356m、336m、312.5m及287.5m高程共分4层布置了39根200t级预应力锚索，锚索间距5 m，锚索长35m～45m，锚索方位角N60°E，俯角20°布置。各预应力锚索通过C25砼锚固梁相连，砼锚固梁与基岩之间设两排Φ25锚筋，锚筋长3m，间距1m。

②施工工艺。锚索施工程序为：施工准备→锚索制作及造孔→锚索安装→锚索灌浆→锚墩浇筑→锚索张拉→封孔回填→外锚头施工。

锚索钻孔采用MPL-135G型电空潜孔锚索钻机钻孔，钻机倾角采用水平仪控制定位，确保钻孔孔位偏差不大于100mm；钻进采用粗径钻杆加设平衡器和扶正器等控制斜度，并在施工过程中，用BUZ-D型测斜仪及时测斜、纠偏，确孔斜小于孔深的2%，方位角偏差小于2°；同时要求孔深误差小于40cm，孔径误差小于10mm。

锚索锚固段灌浆采用纯水泥浆进行灌注，灌浆压力为0.3Mpa。采用水泥砂浆灌注M35，水灰比为0.45，流动度为120mm～170mm，3h泌水率不大于2%。当实际灌浆量大于理论吃浆量、进浆比重与回浆比重相同及吸浆量小于1L/s，方可进行屏浆，屏浆压力为0.3Mpa，屏浆30min，方可结束灌浆。

预应力锚索的张拉分5 级施加，锚索张拉分级为预紧（30KN）→700KN→1200KN→1600KN→2000KN→2200KN。每级荷载施加后，稳定5min后方可进行下一级张拉，最后一级张拉稳压30min后，即可进行锁定。张拉采用“双控法”进行质量控制，即以张拉力控制（千斤顶油表读数）为准，用伸长量进行校核。

3）挂网喷混凝土。

①支护参数。喷混凝土强度等级为C20，厚10cm。

②施工工艺。涔天河水库坝区两岸边坡喷混凝土采用湿喷工艺作业。边坡喷混凝土在脚手架平台上人工手持喷射机头施喷，按分层分段分片依次进行，喷射顺序由下而上，对不平整部位先喷凹处，最后找平。喷混凝土采用PE-30型混凝土喷射机分二层施喷，第一层喷厚3～5cm，第二层喷至设计厚度，喷层厚度以埋设的铁钉进行控制，采用钻孔法检查其喷射厚度。

4.3 边坡排水

为减少地表水对边坡造成的冲刷破坏及地下水水压力对边坡稳定的影响，边坡常设置有多位一体的排水系统，包括坡顶截水沟、坡脚排水沟及边坡排水孔等。

为保障边坡施工期排水正常及坝顶以上永久边坡的长期正常排水，涔天河水库大坝两岸边坡开口线外围设置坡顶截水沟；高程300m以上每级边坡坡脚设排水沟；开挖边坡设表层系统排水孔，孔深4m，间距3m；坝顶324m高程及344m高程分别设一排深层排水孔，孔深15m，间距10m。所有排水形成连通的排水网，同时，由于两岸边坡陡峭，垂直方向截水沟每5m设置一道齿坎消能、每20m设置一消能井消能，防止水流的冲刷破坏。

5.结语

涔天河水库坝区两岸高边坡岩石较破碎、节理裂隙发育、层间泥化夹层或破碎夹层较多，而且右岸岩层倾向坡外，岩体易沿层面或结构面产生滑塌。复杂的工程地质条件严重制约了边坡施工进度，同时增加了工程投资。

两岸边坡于2014 年3月开始施工，至2014年9月底完成开挖支护，历时7个月。2014年11月大坝开始填筑施工，左右岸高边坡临时变形监测成果表明，截止至变形点被压覆前，水平位移（河床方向及上下游方向）在10mm以内，垂直方向沉降变形在20mm以内。通过合理的施工道路布置，采用分层错台交叉下降的开挖支护方式，有效解决了高陡边坡开挖与支护的施工干扰问题，及时地遏制了边坡塌方的发生，加快了开挖速度，为后续大坝填筑工程的施工争取创造了有利的施工条件。