胜利水电站新建取水口高边坡窑洞开挖施工技术

仵 凌 丰, 李 亮

(中国水利水电第十工程局有限公司,四川 成都 610072)

1 概 述

胜利水电站位于四川省天全县境内，新建电站为原胜利水电站扩机改造工程，增加了2×20 MW机组。新建电站取水口位于已建胜利电站坝左岸老进水闸上游附近，采用“正向泄洪冲沙，侧向取水”的布置型式。新建取水口分为拦污栅段、反坡段、进水闸段和渐变段，其中进水闸孔口净宽7 m，顺水流长度为7 m，设置一道事故门及相应的排架等上部结构，底板高程为710.2 m，闸墩顶高程为735.8 m，排架顶高程为739.5 m。

受“4·20”芦山地震影响，老胜利电站排架受损严重，加之电站后边坡自然坡度较陡且其表面有较厚的崩积堆积体，边坡自稳性差，随时都有落石发生，为保证新建电站运行期的安全，将新建取水口进水闸由开敞式优化为窑洞式，且进水闸启闭机房及其他重要结构均布置在窑洞内(图1)。

调整后的窑洞顶部高程为741.3 m，闸墩顶高程为735.8 m，底板高程为710.2 m；窑洞穹顶开挖尺寸为13 m×5.5 m，顺水流方向长11 m；窑洞洞身开挖尺寸为11 m×5.5 m，顺水流方向长9 m。

2 施工方案研究

2.1 施工特点与难点

(1)新建取水口位于坝址左岸，坝址两岸山体雄厚，谷坡陡峻，河谷型态呈左陡右缓不对称“V”型谷。左岸临河地形为基岩陡崖，地形坡度一般为55°～80°，洞脸边坡有5～6 m厚的坡崩积堆积块碎石土，边坡稳定性差；

(2)应业主要求，为不影响原电站正常发电，新建取水口正常蓄水位以下的开挖和混凝土结构施工以及闸门安装等仅在一个枯期(5个月)内完成，施工工期紧，任务重；

图1 新建取水口纵剖面布置示意图

(3)新建取水口进水闸由开敞式调整为窑洞式，洞室开挖断面尺寸较大，岩石较为破碎，安全威胁较大；

(4)随着取水口洞身逐层下挖形成较大的深基坑，其最大开挖深度高达31.1 m，安全威胁越来越大，特别是窑洞洞身上下游墙所承受的山体压力不平衡，易发生位移及变形。

2.2 施工方案

根据该工程施工特点，新建取水口位于老电站上游侧，为不影响老电站正常发电，取水口的施工主要在两个枯期内进行，其中“一枯”在不影响原电站正常发电的条件下完成正常蓄水位高程724.2 m以上的开挖施工；“二枯”主要完成正常蓄水位高程724.2 m 以下的开挖及混凝土结构施工，正常蓄水位高程724.2 m 以上的混凝土结构施工在老电站恢复发电且采取安全措施后进行。

新建取水口的施工通道主要由1#施工道路进入，沿老电站库区左岸至边坡位置。由于取水口自然坡度较陡且场地狭窄，先修筑临时挖机道路，采用自上而下的甩渣型式修筑道路至725 m高程，形成集渣及装渣施工平台。当边坡开挖至窑洞洞口高程时，先进行锁口锚筋束的施工，再进行窑洞穹顶的施工。由于取水口整体地质条件较差，围岩强度低，加之窑洞为大断面开挖，自稳能力较差，施工采取了先窑洞外侧开挖、再窑洞内的开挖方式，自上而下分层错台法进行。

3 所采用的主要施工方法

3.1 高程741.3 m以上边坡的施工

受施工条件限制，施工道路不能修至开口线附近，需在725 m高程设置集渣平台，开挖主要利用1.6 m3挖掘机采用自上而下甩渣的方式将石渣甩至725 m高程集渣平台，再由1.6 m3挖掘机装15 t自卸汽车运至渣场。坡面的修整由1 m3小型挖掘机配合人工进行。

窑洞741.3 m高程以上的边坡较陡且植被较为茂盛。为不破坏原自然边坡结构、尽量不扰动自然边坡结构的安全稳定，仅对以上边坡植被进行清理，喷5～8 cm厚的素混凝土封闭岩面，局部布置Φ22，L=3 m的随机锚杆。

3.2 洞脸边坡(高程741.3～735.8 m)的施工

当取水口边坡施工至窑洞洞脸高程时，洞脸上下游边坡在741.3 m高程按1∶0.75坡度自上向下削坡，在洞顶上部一定距离位置开始垂直向下开挖至窑洞穹顶底部735.8 m高程，洞脸锁口锚杆根据边坡施工进度及时实施。窑洞开挖分层高度为2～2.5 m，实施浅孔光面爆破，基底预留保护层人工配合机械设备修整。

窑洞洞口边坡开挖成型后，立即素喷5～8 cm厚混凝土封闭岩面，再进行锚杆、挂网及喷混凝土等系统支护。根据设计图纸要求，洞脸采用1排3Φ28，L=12 m的锚筋束锁口。鉴于窑洞跨度较大且以上岩石较为破碎，经现场协商新增加了1排3Φ28，L=12 m的锚筋束，两排锚筋束交叉布置。

3.3 窑洞(高程741.3～710.2 m)的施工

窑洞开挖采用自上而下分层错台法进行，分三大层开挖施工，其中第一层(高程741.3～734.3 m)为窑洞穹顶开挖，将穹顶开挖的高度控制在拱脚岩台以下1.5 m。开挖施工主要分三部分进行：先中部导洞领进，后两边跟进扩挖，最后岩台开挖成型。开挖钻孔利用人工持YT-28手风钻造孔，周边施行光面爆破。

第二大层(高程734.3～711.7 m)主要为窑洞洞身的开挖，洞身开挖采用自上而下依次进行(先洞外土石方明挖，再进行窑洞洞身开挖，洞内外形成台阶)，将洞身的每层高度控制在2～2.5 m。洞身开挖采用手风钻钻孔，分两部分进行，先中部拉槽，再两侧跟进扩挖，周边光面爆破。

第三层(高程711.7～710.2 m)主要为底板保护层的开挖。洞身开挖至底板后，先预留1～1.5 m厚的保护层，开挖主要利用手风钻水平造孔，周边光面爆破，局部采用人工持风镐清除，避免过多超挖。

出渣采用甩渣转运和直接装运两种方式，其中725 m高程以上的出渣采用1.6 m3挖掘机甩渣至集渣平台，再由1.6 m3挖掘机装15 t自卸汽车；725 m高程以下的出渣直接采用1.6 m3挖掘机装15 t自卸汽车运至渣场，每层开挖完成后临时支护及时跟进。

窑洞支护紧跟开挖及时进行，开挖前采用Φ25，L=4.5 m的超前锚杆支护洞顶围岩；开挖爆破安全处理后再进行临时支护：喷5 cm厚混凝土封闭岩面；布置I20、间距为0.6 m的钢支撑，榀间设Φ22@0.6 m连接筋，拱架四周交叉布置Φ25，L=4.5 m和L=6 m的锁脚锚杆；挂设Φ6.5@15 cm×15 cm钢筋网；喷10～15 cm厚混凝土。

3.4 窑洞不良地质条件段的施工

3.4.1 穹顶破碎围岩段的处理措施

(1)窑洞洞顶部分洞段的岩石较为破碎，裂隙较为发育。在窑洞穹顶开挖过程中，采取“短进尺、弱爆破，强支护”的方式进行，优化了部分施工方案，加强了部分支护方式。特别是在穹顶施工中，按先导洞、再扩挖的方式施工其中的导洞后，先素喷3～5 cm厚混凝土，再布置Φ22，L=3 m的随机锚杆并挂Φ6.5@15 cm×15 cm钢筋网进行初期支护。

(2)穹顶两侧的扩挖在中导洞初期支护完成后按先后错距法进行，两侧扩挖支护紧跟开挖及时进行，当窑洞穹顶开挖及初期支护完成后再进行永久支护的施工。

(3)鉴于窑洞穹顶开挖成型后顶拱及后端墙渗水量较大，项目部经与设计人员现场沟通，加强了穹顶永久支护方式，采用I20工字钢钢拱架+I14工字钢水平连接梁+局部增加挂Φ16钢筋网+增加的Φ25，L=9 m的深孔锚杆等措施进行穹顶的永久支护加强。

(4)施工过程中，为了确保窑洞下部的施工安全以及穹顶的整体稳定，经与设计人员现场协商，在窑洞穹顶开挖支护完成后，先进行边顶拱结构混凝土的施工，待混凝土达到龄期后再进行窑洞洞身的开挖支护施工。

3.4.2 窑洞岩台施工采取的加固措施。

受裂隙发育和断层影响，窑洞上游侧岩台成型效果较差。在窑洞岩台施工过程中，经多次方案优化、调整方案，采取加密周边光爆孔、减少装药量以及增大光面爆破凌空面的方式后，岩台成型仍然没有达到预期效果。于是，在岩台开挖完成后，为确保两侧边墙的稳定以及下部洞身开挖的安全，对岩台边墙采取了Φ25，L=9 m的深孔锚杆和C25钢筋混凝土等方式进行了加强支护，最终保证了下部洞身的开挖安全。

3.4.3 窑洞洞身采取的加固措施

在窑洞洞身施工过程中，随着窑洞洞身逐层下挖，窑洞形成了较大的深基坑，最大的开挖深度高达31.1 m，安全威胁越来越大。随着洞身逐层下降，上下游墙所承受的山体压力不平衡，不能形成有效的对称受力点，上下游端墙易发生位移及变形现象，为确保窑洞整体稳定以及下部施工安全，经过多次方案优化，在洞身下挖时隔段增加了水平支撑梁，其中在窑洞735.8 m高程岩台位置采用2Φ150钢管焊接成整体平放于上下游端墙岩台台面上并用插筋固定牢固形成水平支撑梁；在上下游端墙735.8 m高程以下，每隔2～3 m采用双榀I18、L=4.5 m工字钢交叉布置形成横向腰梁，并采用4Φ25,L=6 m和2Φ28,L=9 m的锚杆交叉锁定；对于窑洞洞身上下游及左端墙728 m高程以下，将系统锚杆由原设计的Φ25,L=4.5 m调整为Φ25,L=6 m，钢筋网采用Φ16螺纹钢，间距15 cm，喷混凝土采用15 cm厚C20混凝土(图2)。

图2 新建取水口窑洞不良地质段支护示意图

4 结 语

项目部通过对新建取水口高边坡窑洞开挖及支护方案进行创新与优化，取得了较好的效果，从实际开挖及支护情况看，调整后的窑洞开挖效果较为理想，在确保安全的前提下，既保证了窑洞结构的整体性，又节约了取水口施工工期。调整后的窑洞施工技术方案对业主而言，节约了投资，降低了后期运行风险；对施工而言，虽然增大了施工难度，但在多次方案调整优化后，不仅保证了施工安全，缩短了施工工期，而且也为后续“二枯”正常蓄水位以下的施工创造了更为有利的条件，值得类似环境条件部位的施工借鉴。