地下工程

白鶴灘水電站右岸壩基柱狀節理玄武巖開挖施工技術

劉建程 陳勇

（中國水利水電第八工程局有限公司）

關鍵詞：柱狀節理玄武巖　壩基　雙保護層　基礎處理　復合消能爆破

1 工程概況

1.1 樞紐介紹

白鶴灘水電站位于四川省寧南縣和云南省巧家縣境內，是金沙江下游干流河段梯級開發的第二個梯級電站。開發任務以發電為主，兼顧防洪，并有攔沙、發展庫區航運和改善下游通航條件等綜合效益，是西電東送骨干電源點之一。水庫總庫容206.27億m³，正常蓄水位825.00m，電站裝機容量16000MW，多年平均發電量625.21億kW·h。本工程為Ⅰ等大（1）型工程，樞紐工程由攔河壩、泄洪消能建筑物和引水發電系統等主要建筑物組成。攔河壩為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程834.00m，最大壩高289.00m，壩下設水墊塘和二道壩。地下廠房對稱布置在左、右兩岸，廠房內各安裝8臺單機容量為1000MW的水輪發電機組。電站建成后，將成為僅次于三峽水電站的世界第二大水電站。

1.2 壩址地質條件及巖體特性

白鶴灘水電站右岸壩基高程590.00~545.00m出露巖體為P₂β³巖流層中第一類柱狀節理玄武巖。巖體以微新為主，局部斷層發育部位下段弱風化，無卸荷。柱狀節理玄武巖為柱狀鑲嵌結構，變形模量呈各向異性，整體性差。在原生狀態未受擾動時力學參數較高，壩基開挖后其應力狀態改變，巖體向臨空方向卸荷松弛，松弛厚度一般2~3m，松弛后巖體的聲波波速3500~4000m/s，開挖揭露初期卸荷松弛較快，隨著時間延長，松弛巖體波速略有下降；未松弛巖體的聲波波速4750~5100m/s。若存在順向層內錯動帶或軟弱夾層，還可能出現卸荷剪切變形。

2 開挖施工流程和方案

2.1 開挖施工流程

為保持壩基柱狀節理玄武巖的力學性能及巖體完整性，盡量減弱爆破開挖對柱狀節理玄武巖建基面的擾動，控制柱狀節理玄武巖壩基開挖后的卸荷松弛，按照設計要求，對右岸大壩高程590.00m以下壩基采用雙保護層方式開挖，預留保護層厚度5m。保護層表面先參照大壩建基面要求實施預裂爆破技術開挖，然后利用保護層作為巖石蓋重進行壩基固結灌漿，并利用灌漿孔下設錨筋樁對壩基保留巖體進行預錨。同時，根據右岸大壩高程590.00m以下壩基上陡下緩的結構體型特點，對預留保護層上部陡坡段采用常規預裂爆破技術開挖，對預留保護層下部緩坡段和水平段采用復合消能爆破技術開挖。建基面開挖施工工藝流程見圖1。

2.2 開挖施工方案

右岸大壩壩基柱狀節理玄武巖開挖質量要求高、工序復雜、施工工期緊張，按照常規的施工程序逐項順序施工難以滿足工程進度要求，為確保首倉混凝土開澆的工期目標，實現右岸壩基快速開挖，需要壩基固結灌漿和開挖作業同步實施，即：在壩基保護層頂面自上而下開挖至高程565.00m以后，上部壩基固結灌漿開始施工，在壩基固結灌漿自上而下進展到高程555.00m以后，開始進行壩基預留保護層開挖。為確保壩基灌漿質量和安全，根據規范要求，壩基開挖和固結灌漿之間的安全距離不小于30m。本階段施工工藝流程見圖2、圖3。

右岸大壩壩基固結灌漿及錨筋樁施工完成后，全面展開柱狀節理玄武巖保護層開挖施工，具體見圖4。為滿足工程進度要求，根據右岸壩基上陡下緩的特點，將右岸壩基保護層開挖在空間上劃分為陡坡段、緩坡段和水平段三個區段，在時間上劃分為兩個時段施工，在壩基高程563.00m以上固結灌漿結束后，立刻啟動右岸壩基陡坡段（高程590.00～570.00m）保護層開挖施工，并按照“自上而下、分層梯段開挖” 原則組織實施；在緩坡段和水平段固結灌漿施工完成后，開始在緩坡段坡腳進行壩基水平段抽槽開挖，形成爆破臨空面后，同步展開壩基緩坡段保護層和水平段保護層開挖施工。由于壩基保護層開挖上、下多個工作面同步作業，工程進度大大提高，最終提前19天完成了壩基保護層開挖。

3 開挖施工方法

3.1 保護層頂面開挖（預留5m保護層）

為避免保護層頂面開挖對柱狀節理玄武巖建基面的直接影響，保護層頂面開挖時采用預留5m厚保護層的方式來對建基面表層進行保護。根據設計要求，對保護層頂面開挖要參照壩基建基面質量標準實施控制；要求保護層頂面開挖時距爆破梯段頂面10m處振速不大于10cm/s，爆前、爆后第一次測試壩基巖體距孔口1.0m處的聲波波速值的衰減率不得大于10%。為最大限度減小保護層頂面開挖對建基面的振動損傷，在地質條件相近部位進行多次爆破試驗，以選取合適的保護層頂面開挖爆破參數。根據爆破試驗結果，當采用預裂孔孔徑76mm，孔距60cm，線狀藥密度220g/m，最大段單響藥量控制在15kg以內（四個預裂孔一響），主爆孔最大單響藥量控制在30kg以內時，可將爆破振動速度和聲波損傷控制在設計要求范圍內。同時，在開挖過程中對每個梯段的爆破振動和聲波損傷進行監測，并根據監測數據優化下一梯段的爆破參數。

3.2 巖石蓋重固結灌漿

在保護層頂面開挖結束后，利用預留5m保護層巖體作為巖石蓋重進行固結灌漿。固結灌漿孔深25～30m，孔排距2m×2m。固結灌漿采用循環式灌漿法，按分排分序加密的原則進行，灌漿一般分三個次序，按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ次序依次施工，如灌漿部位存在臨空面，則先進行周邊灌漿。Ⅰ、Ⅱ序孔采用自上而下分段灌漿方法施工，Ⅲ序孔采用綜合灌漿法施工。固結灌漿采用分級加壓的方式使灌漿壓力逐步達到設計值，預留5m保護層部位灌漿壓力為0.5MPa，建基面以下第一段灌漿壓力為0.8～1.0MPa，最大灌漿壓力為3.0MPa。固結灌漿原則上采用單孔灌注，當發生串孔且設備能滿足施工要求時，可采用并聯灌注，且孔數不得多于3個。當采用串通孔 （組）灌漿或多孔并聯灌漿時，應嚴格控制灌漿壓力，同時加強抬動監測，防止建基面發生抬動破壞。為確保灌漿質量，保護層段巖體采用低壓灌漿優先灌注。

3.3 錨筋樁錨固

為盡量控制柱狀節理玄武巖建基面開挖后淺層卸荷松弛，在固結灌漿完成后，利用灌漿孔掃孔下錨筋樁對建基面進行預錨。錨筋樁長度9～12m，按照設計要求提前在鋼筋加工廠進行加工制作，利用汽車運輸至現場，在固結灌漿完成后逐孔進行掃孔安裝并注漿。為避免對保護層開挖鉆孔造成影響，錨筋樁下裝深度控制在建基面以下10cm。為確保錨筋樁安裝質量和錨固效果，錨筋樁下裝過程中利用對中環在孔內居中放置，并保證樁體注漿管和排氣管通暢。

3.4 保護層開挖

3.4.1 預裂爆破技術

為減小保護層開挖爆破對建基面保留巖體的振動影響，右岸大壩柱狀節理玄武巖壩基保護層頂面和高程590.00～555.00m保護層均采用預裂爆破技術開挖，開挖梯段陡坡段高度5m，緩坡段2～3m。

為確保建基面開挖成型質量，在保護層頂面進行預裂爆破試驗，優化調整爆破參數，具體見表1。施工過程中，對鉆孔、裝藥及聯網爆破等工序進行精細化控制，每次爆破后進行總結，根據監測數據和爆破效果對下一層開挖爆破參數進行調整。

3.4.2 復合消能爆破技術

（1）復合消能爆破機理。根據應力波作用的透射與反射理論，當一束一維彈性波從一種介質傳入另一種介質時，將在兩種介質的分界面上發生波的反射和透射。在爆生氣體與消能鐵球界面，炸藥起爆引發的沖擊波從氣體介質中傳播到消能鐵球介質中，由于爆生氣體小于消能鐵球波阻抗，在交界面上將發生反射和透射。復合消能爆破作用機理見圖5。由于反射波的方向整體向上，對于孔底巖體相當于消能，減小爆破對孔底的損傷，同時，向上反射的能量可以加強炮孔間巖體的破碎效果，減少開挖后留下的巖石根坎，保證建基面的平整；透射入消能鐵球的能量由于墊層的波阻抗較小，在消能鐵球與墊層界面上發生強烈的二次反射。

（2）復合消能爆破技術應用。為加快壩基保護層開挖進度，根據前期在河床壩段保護層頂面及水墊塘部位進行的復合消能爆破技術試驗成果和“白鶴灘水電站河床壩基保護層開挖方案專家咨詢會”意見，壩基高程555.00m以下緩坡段和水平段柱狀節理玄武巖保護層采用垂直密炮孔復合消能爆破技術進行一次開挖。

復合消能爆破技術利用孔底設置的鐵球進行反射消能，炮孔垂直建基面布置，主要采用CM-351高風壓鉆孔造孔，孔徑90mm，孔排距平均1.5m×1.5m，具體裝藥結構見圖6，具體爆破參數見表2。

3.4.3 爆破監測成果

通過對壩基保護層預裂爆破及復合消能爆破的質點振動速度監測，垂直孔復合消能爆破最大振動速度為4.76~5.12cm/s，預裂爆破最大振動速度為7.32~8.2cm/s，均滿足設計技術要求的小于10cm/s振速指標；通過爆前爆后聲波檢測，垂直孔復合消能爆破巖體損傷深度約為0.68~0.79m，預裂爆破的巖體損傷深度為0.86~0.87m，均能滿足影響深度不大于1.0m的設計指標要求。復合消能及預裂爆破聲波影響深度和最大爆破振動速度對比見表3。

4 結束語

白鶴灘水電站右岸大壩柱狀節理玄武巖壩基通過采用預留雙保護層開挖和固結灌漿等基礎處理施工技術，提高了建基面巖體的完整性；同時，通過對預留保護層采用預裂爆破、復合消能爆破精細化施工技術開挖，不僅保證了大壩柱狀節理玄武巖建基面的開挖質量，而且較原計劃工期提前了19天，確保了大壩首倉混凝土的順利澆筑，具有良好的社會和經濟效益。