断层蚀变带弱刻槽开挖与回填固结处理关键技术

刘立强

（雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都，610051）

拱坝一般地处高山峡谷，地质条件及地理环境复杂，加上高拱坝规模大，因此对基础条件、结构安全等有严格要求，尤其对承受水平推力的两岸山体基岩稳定性要求高。然而，因各种复杂的结构面如断层、软弱带、节理裂隙等切割和岩体开挖卸荷作用，地质问题复杂。因此，如何有效控制坝基岩体变形，选择合理的开挖控制技术和加固处理方案是工程建设各方关注的核心问题。

1 断层蚀变带基本情况

杨房沟水电站坝址区断层发育，共发育3条Ⅱ级结构面，59条Ⅲ级结构面，465条Ⅳ级结构面，以中陡倾角为主，缓倾角结构面较少发育，面多见擦痕及褐黄色铁锰质渲染。左岸共统计到12 665条节理，右岸统计到10 873条节理，产状均以陡倾角发育为主，缓倾角较少发育。拱肩槽边坡断层、挤压带和裂隙发育，以左岸坝肩槽上游侧边坡为例，仅2 101.85～2 000.00 m段就发育有45条断层、56条挤压带和1条裂隙。其中f27大规模断层自上游侧边坡贯穿整个坝肩槽，且断层走向与工程边坡小角度相交，断层倾角55°~65°，宽10~15 cm，最大达20 cm，带内为碎块岩、蚀变岩、岩屑充填，面平直光滑。沿断层面两侧分布蚀变岩体，上盘蚀变岩体厚0.2～1.5 m，下盘蚀变岩体厚0.6～2.6 m[1-3]，见图1。

图1 断层f27出露位置建基面地质缺陷范围Fig.1 Geological defect area of exposed foundation surface at fault 27

2 变形监测情况

2.1 变形监测数据变化情况

左岸拱肩槽上游侧边坡开挖以来，多点位移计位移累计增量、位移速率表现为集中爆破后3~4 d内有较明显增长[4]。随着f27断层逐渐出露，多点位移计最大位移速率达到0.61 mm/d，日均速率0.25 mm/d。

2.2 原因分析

开挖爆破是左岸拱肩槽上游侧边坡变形监测数据变化较大的主要原因。随着边坡下挖，f27断层逐渐出露，下部岩体厚度变薄，对上部岩体支撑作用减弱；同时，边坡高度增大，岩体卸荷亦比较明显，施工用水和降雨的入渗降低了结构面的力学强度，对边坡岩体的卸荷、松弛产生促进作用[4]，这也是导致变形监测数据近期变化较大的另一重要原因。

3 变形控制标准及要求

据DL/T 5353—2006《水电水利工程边坡设计规范》[5]，杨房沟工程边坡设计安全系数均取上限值，持久工况取1.30，短暂工况取1.20，偶然工况取1.10[6-8]。施工期设计安全系数取短暂工况下限值1.15。

据现场实际情况，建立边坡安全警戒等级和变形管理标准（见表1）。一级即已经发现并确认边坡变形异常，个别加固结构发生破坏；二级即边坡变形不收敛或进入加速变形，局部区域加固结构破坏，确认边坡已进入渐进破坏过程，可能发生滑动[5-9]。

表1 边坡位移速率、累积变形量与警戒要求管理标准[6]Table 1 Management standards for slope displacement rate,cumulative deformation and warning requirements

4 开挖与回填固结工作安排及要求

（1）根据目前变形监测情况，调整左岸拱肩槽及上游侧边坡的开挖加固方案。先完成拱肩槽上游侧边坡高程1 970~2 000 m浅层支护后进行拱肩槽下游部位的开挖，拱肩槽下游部位的开挖要减小爆破梯段高度及缩小爆破范围，减小爆破对拱肩槽上游侧坡地f27断层的影响。完成拱肩槽上游侧边坡高程1 970~2 000 m三排锚索后才可进行拱肩槽上游部位开挖。

（2）按照设计要求做好边坡地表截水和排水系统，避免施工用水、降雨入渗等对左岸拱肩槽上游侧边坡产生不利影响。

（3）继续做好安全监测工作，在高程2 000 m以下边坡适当增加安全监测仪器，以便为下部边坡开挖设计及施工提供依据。

5 断层蚀变带开挖与回填固结的特点和难点

5.1 地质构造复杂，开挖安全风险大，开挖体型较难控制

坝址区断层发育，且产状均以陡倾角发育为主，缓倾角较少发育。复杂的地质构造在开挖爆破时会对爆破应力波起到不利的导向作用，使预裂爆破不沿着设计预定方向发展，而沿着裂隙面发展，导致开挖体型和开挖质量较难控制。左岸坝基边坡开挖过程中，曾因边坡出现裂缝两次暂停开挖施工，其裂缝主要是由于左岸上游侧边坡出露f27断层及其蚀变带，随着边坡开挖，边坡岩体应力调整，逐渐出现卸荷松弛变形。陡倾角发育的岩石层面在预裂孔钻孔时容易飘钻，使钻孔方向偏离设计角度，爆破应力波沿节理层面滑塌，从而影响钻孔及爆破质量，开挖体型较难控制。

5.2 控制爆破质量要求高

根据拱坝基础开挖施工技术要求，坝基建基面开挖爆破距离爆破梯段顶面10 m处的质点振动速度要不大于10 cm/s，在f27大规模断层附近坝基开挖爆破时，距离爆破梯段顶面10 m处的质点振动速度控制在不大于5 cm/s。坝肩作为拱坝的抗力体，是拱坝坝体能否稳定的关键，坝肩槽的开挖质量要求很高，只有保证坝肩槽的成型才能确保坝肩的受力符合设计要求。

5.3 确保高边坡岩体稳定是开挖施工的关键

高边坡岩体开挖时局部地应力的释放和调整可能引起高边坡岩体的卸荷回弹松弛破坏。岩体崩塌的突发性难以预测，施工中须高度重视，采取多种综合性防范措施。加强高边坡岩体施工安全监测，对边坡进行及时支护，必要时采取加强支护。

5.4 环保施工要求高

开挖过程中，须采取多台喷雾机喷雾、洒水降尘，修建挡渣墙拦渣等措施，严格控制爆破规模和翻渣高度，防止对工程施工区附近的居民造成污染。

6 国内类似问题解决方案

目前断层蚀变带的常规处理方式是：对规模较小的地质缺陷，一般采取坝基清基局部刻槽、顺倾向带掏挖和高压水冲洗清除破碎岩体及软弱充填物、两侧松动岩块清撬等常规方法，处理深度为断层出露宽度的2倍且不小于50 cm，并结合建基面固结灌浆，加密灌浆；针对规模较大的地质缺陷，采取刻槽开挖、高压水冲洗灌浆、混凝土回填、系统固结灌浆及化学灌浆等，需要进行专门处理[10]。

拱坝不良坝基的加固处理方案主要包括刻槽置换和灌浆加固等方法。本项目创新提出了局部不良地质的小药量多分区弱刻槽开挖关键技术。

7 断层蚀变带开挖与回填固结技术

7.1 坝肩总体开挖工艺方法

拱坝建基面开挖前，开展了爆破器材试验和现场生产性试验，并进行了试验总结与评审。在左、右岸坝肩槽上部共进行了5次1∶1坝肩槽开挖生产性爆破开挖试验，验证了爆破器材性能参数；初步确定了不同围岩类别（Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅲ级、Ⅳ级）情况下的爆破方法、爆破分区及爆破参数，优选钻孔机具，配置了地质罗盘测斜仪、钻孔纠偏器等工器具。拱坝坝基建基面左、右岸高程1 947.00~2 101.85 m爆破开挖，在经生产性试验取得爆破参数结果下，采用“先瘦身、坝基预留保护区开挖[11]”的施工方法。河床坝段预留3 m保护层建基面开挖，采取先拉先锋槽、再沿设计高程造水平预裂、竖向造主爆孔方式完成爆破开挖，先锋槽采取楔形掏槽方式。

拱肩槽开挖采用临近槽坡面部位预留保护区方式，预留保护区厚度按10 m（1排预裂孔、1排缓冲孔、2～3排主爆孔）左右控制。瘦身炮的爆破规模，单次按5排爆破孔控制，临近保护区内侧的1排爆破孔，其造孔、装药按照近似于光面爆破控制。坝基预裂孔主要采用QJZ-100B潜孔钻，缓冲孔和主爆孔主要采用JK590液压钻机造孔。预裂孔采用ϕ25或ϕ32乳化炸药间隔装药，缓冲孔及主爆孔一般采用ϕ70连续装药[11]，非电雷管网络爆破。

在坝基开挖施工过程中，提高预裂孔钻孔质量，减小预裂孔偏斜率和飘钻情况，每茬炮在清渣后由地质工程师根据出露的建基面岩石情况对下梯段爆破区地质情况进行分析预判，同时质量员在钻孔过程中旁站值班，与钻孔人员一起记录岩层地质情况，爆破技术人员根据钻孔地质情况、地质预报、爆破质点振动监测数据、爆破后效果进行动态爆破设计。同时开展“一炮一总结”，每茬炮后及时召开爆破效果评审会，总结经验，分析解决现场钻孔、爆破过程中遇到的问题，根据上茬炮的预裂面残孔率、平整度、超欠挖情况、爆破质点振动数据、声波检测情况，及时优化调整爆破参数，特别是对预裂孔采用单孔个性化设计，指导下茬炮的施工。

7.2 小药量多分区弱刻槽开挖

高程1 947~1 990 m断层f27及蚀变岩体在建基面出露部位刻槽，蚀变岩体厚度1.5~3.9 m，刻槽深度按1~1.5倍蚀变岩体带宽度控制，详见表2。刻槽宽度为断层f27及两侧分布蚀变岩体，刻槽开口宽度2.40~10.84 m。槽挖应采用小药量爆破，并严格控制单段药量，减少爆破对基础岩体的损伤，爆破质点振动速度按文中5.2节要求进行控制，近区存在固结灌浆和新浇混凝土时，按照相关规范严格控制爆破振动对灌浆和新浇混凝土的影响，爆破质点振动速度不大于0.5～2.0 cm/s。

表2 大坝建基面沿断层f27蚀变岩体厚度及刻槽深度Table 2 Altered rock mass thickness and groove depth on dam foundation surface along fault 27

为控制爆破振动，采用高精度工业电子雷管，断层蚀变带分为4个区域，共计分段数为159，总炮孔数为287，总装药量893.3 kg，最大单段药量5.6 kg，进行小药量多分区弱刻槽开挖，详见表3。

表3 断层蚀变带刻槽爆破参数Table 3 Groove blasting parameters in fault-altered zones

Ⅰ区：8个预裂孔+18个主爆孔，总药量72.0 kg；Ⅱ区：12个预裂孔+40个主爆孔，总药量189.6 kg；Ⅲ区：12个预裂孔+40个主爆孔，总药量242.4 kg；Ⅳ区：12个预裂孔+29个主爆孔，总药量174.9 kg。

7.3 刻槽内铺设基础钢筋及回填混凝土

刻槽内沿槽两侧壁交错布置插筋ϕ28，L=3 m@1.5 m×1.5 m，入岩2 m；刻槽底面布置插筋ϕ28，L=4.5 m@1.5 m×1.5 m，入岩3.5 m。

刻槽基础面须验收合格后，方可进行回填混凝土浇筑施工。回填混凝土宜采用C18030W10F200，也可采用C30W10F200，宜采用三级配，也可采用二级配，相应部位大坝混凝土应在回填混凝土温度降至15℃后再进行浇筑，回填混凝土与坝体混凝土接触面需冲毛或凿毛处理。回填混凝土外表面与大坝设计建基面齐平，一般浇筑层厚为3 m（可根据现场实际情况适当调整），最小层间间歇时间5 d，最大层间间歇时间14 d，浇筑层面需进行冲毛或凿毛处理。沿f27断层刻槽长度方向布置若干施工临时缝，缝间距最大12 m，施工临时缝与拱坝横缝间距不小于1.5 m，施工临时缝与刻槽基础底面夹角60°～90°，施工临时缝需进行凿毛处理，并布置插筋ϕ28，L=3 m@1.5 m×1.5 m，缝两侧各1.5 m。

回填混凝土温控技术要求：混凝土出机口温度、浇筑温度、最高温度分别按不超过9℃、15℃和29℃控制。回填混凝土需进行通水冷却，冷却水管采用焊接钢管或HDPE管，按1.5 m（竖向）×1.5 m（水平）布置，通水冷却目标温度为15℃。混凝土日最大降温不超过1℃，冷却降温过程应连续平顺，防止由于通水不足及通水中断等原因造成温度回升[12-15]。冷却水温为8℃~10℃，一期通水冷却时间不宜少于10 d，控温至相应坝段第一层混凝土浇筑完成。自开始通水至混凝土最高温度出现后2 d，通水流量宜为1.2~2.0 m3/h[13]；最高温度出现2 d后，通水流量不宜超过1.2 m3/h，具体可根据现场实际情况适度调整。

7.4 断层蚀变带加强固结灌浆

（1）加强固结灌浆范围内，槽挖回填混凝土部位采用混凝土盖重灌浆+系统引管灌浆，回填混凝土部位外采用无盖重灌浆并对检查结果不满足灌浆质量要求的部位采用引管灌浆。

（2）加强固结灌浆范围内混凝土盖重灌浆及无盖重灌浆孔位布置，在拱坝坝基固结灌浆的Ⅰ、Ⅱ序基础上系统布置Ⅲ序孔，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序灌浆过程中及完成后应及时分析灌浆效果，进一步研究后续处理措施。

（3）8号坝段Ⅰ、Ⅱ序孔已按原设计孔深15 m基本完成，故8号坝段Ⅰ、Ⅱ序孔不调整，对Ⅲ序孔加深为20 m；其余坝段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔深均为20 m。

（4）混凝土盖重引管灌浆孔间排距为1.5 m（顺河向）×3 m（横河向），孔深入岩2 m，引管灌浆采用循环式[2]。

（5）灌浆材料采用湿磨细水泥。

（6）固结灌浆压力设计参考值见表4，灌浆压力以确保灌浆质量和混凝土、岩面不发生有害抬动为原则[14]，基岩段累计抬动变形值不允许超过200μm，混凝土累计抬动变形值不允许超过100μm[15]。

表4 固结灌浆压力设计参考值Table 4 Design reference value of consolidation grouting pressure

（7）施工顺序为：①对加强固结灌浆范围槽挖回填混凝土部位外0～20 m段（8号坝段Ⅰ、Ⅱ序孔深为15 m）进行无盖重固结灌浆，同步进行槽挖施工，爆破时机及药量需考虑对固结灌浆的影响，质点振动速度应满足要求；②刻槽基础面验收合格后，浇筑回填混凝土，固结灌浆孔位预埋ϕ65钢管；③回填混凝土达到设计强度的50%后，对槽挖回填混凝土部位0～20 m段进行混凝土盖重固结灌浆；④对槽挖回填混凝土部位基岩面0～2 m段，在混凝土盖重固结灌浆孔间重新钻孔布置引管至坝后贴角或监理工程师指示其他部位；⑤在上部大坝混凝土浇筑高度达到30 m且相应坝段的横缝接缝灌浆结束3 d后，进行混凝土盖重引管灌浆。

8 处理效果评价

从边坡测缝计、多点位移计及锚索测力计变形监测结果分析，断层蚀变带在采用弱刻槽开挖与回填固结处理关键技术后，坝体位移变化很小，边坡变形逐步趋于稳定[1-2]。

根据《四川省雅砻江杨房沟水电站拱坝基础固结灌浆施工技术要求》（A版），固结灌浆质量检查以声波测试岩体波速为主，钻孔压水试验和钻孔全景图像为辅，并结合灌浆前后物探结果、有关灌浆施工资料及钻孔取芯资料等综合评定。检测单位对断层蚀变带固结灌浆质量进行检测，声波测试、钻孔压水试验、钻孔全景图像、灌浆前后物探结果、有关灌浆施工资料及钻孔取芯资料等表明，灌浆质量受控，压水透水率、单位注灰量等指标满足设计及规范要求。断层发育带采取槽挖回填灌浆处理方案合适，处理后建基岩体满足拱坝建基要求[3]。

9 结语

高拱坝对坝基岩体质量要求甚高，坝基岩体的稳定性是拱坝建设的重点和难点，而岩体的不连续性往往发育有局部不良地质体甚至整体地质条件差，前期地质勘探不全面，地质条件的复杂性，坝址选择的多方考量，往往导致地质处理问题。本项目采用小药量多分区弱刻槽开挖，刻槽内铺设基础钢筋回填混凝土，以及采用混凝土盖重灌浆、系统循环引管灌浆、加序、加深灌浆，使用湿磨细水泥和控制灌浆压力等加强固结灌浆手段，成功解决了断层蚀变带不良地质问题，坝基岩体开挖质量得到大幅提升，边坡岩体稳定。该断层蚀变带开挖及回填加固处理关键技术具有显著应用和推广价值。