劉立強

（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都，610051）

拱壩一般地處高山峽谷，地質(zhì)條件及地理環(huán)境復雜，加上高拱壩規(guī)模大，因此對基礎條件、結(jié)構(gòu)安全等有嚴格要求，尤其對承受水平推力的兩岸山體基巖穩(wěn)定性要求高。然而，因各種復雜的結(jié)構(gòu)面如斷層、軟弱帶、節(jié)理裂隙等切割和巖體開挖卸荷作用，地質(zhì)問題復雜。因此，如何有效控制壩基巖體變形，選擇合理的開挖控制技術和加固處理方案是工程建設各方關注的核心問題。

1 斷層蝕變帶基本情況

楊房溝水電站壩址區(qū)斷層發(fā)育，共發(fā)育3條Ⅱ級結(jié)構(gòu)面，59條Ⅲ級結(jié)構(gòu)面，465條Ⅳ級結(jié)構(gòu)面，以中陡傾角為主，緩傾角結(jié)構(gòu)面較少發(fā)育，面多見擦痕及褐黃色鐵錳質(zhì)渲染。左岸共統(tǒng)計到12 665條節(jié)理，右岸統(tǒng)計到10 873條節(jié)理，產(chǎn)狀均以陡傾角發(fā)育為主，緩傾角較少發(fā)育。拱肩槽邊坡斷層、擠壓帶和裂隙發(fā)育，以左岸壩肩槽上游側(cè)邊坡為例，僅2 101.85～2 000.00 m段就發(fā)育有45條斷層、56條擠壓帶和1條裂隙。其中f27大規(guī)模斷層自上游側(cè)邊坡貫穿整個壩肩槽，且斷層走向與工程邊坡小角度相交，斷層傾角55°~65°，寬10~15 cm，最大達20 cm，帶內(nèi)為碎塊巖、蝕變巖、巖屑充填，面平直光滑。沿斷層面兩側(cè)分布蝕變巖體，上盤蝕變巖體厚0.2～1.5 m，下盤蝕變巖體厚0.6～2.6 m[1-3]，見圖1。

圖1 斷層f27出露位置建基面地質(zhì)缺陷范圍Fig.1 Geological defect area of exposed foundation surface at fault 27

2 變形監(jiān)測情況

2.1 變形監(jiān)測數(shù)據(jù)變化情況

左岸拱肩槽上游側(cè)邊坡開挖以來，多點位移計位移累計增量、位移速率表現(xiàn)為集中爆破后3~4 d內(nèi)有較明顯增長[4]。隨著f27斷層逐漸出露，多點位移計最大位移速率達到0.61 mm/d，日均速率0.25 mm/d。

2.2 原因分析

開挖爆破是左岸拱肩槽上游側(cè)邊坡變形監(jiān)測數(shù)據(jù)變化較大的主要原因。隨著邊坡下挖，f27斷層逐漸出露，下部巖體厚度變薄，對上部巖體支撐作用減弱；同時，邊坡高度增大，巖體卸荷亦比較明顯，施工用水和降雨的入滲降低了結(jié)構(gòu)面的力學強度，對邊坡巖體的卸荷、松弛產(chǎn)生促進作用[4]，這也是導致變形監(jiān)測數(shù)據(jù)近期變化較大的另一重要原因。

3 變形控制標準及要求

據(jù)DL/T 5353—2006《水電水利工程邊坡設計規(guī)范》[5]，楊房溝工程邊坡設計安全系數(shù)均取上限值，持久工況取1.30，短暫工況取1.20，偶然工況取1.10[6-8]。施工期設計安全系數(shù)取短暫工況下限值1.15。

據(jù)現(xiàn)場實際情況，建立邊坡安全警戒等級和變形管理標準（見表1）。一級即已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并確認邊坡變形異常，個別加固結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞；二級即邊坡變形不收斂或進入加速變形，局部區(qū)域加固結(jié)構(gòu)破壞，確認邊坡已進入漸進破壞過程，可能發(fā)生滑動[5-9]。

表1 邊坡位移速率、累積變形量與警戒要求管理標準[6]Table 1 Management standards for slope displacement rate,cumulative deformation and warning requirements

4 開挖與回填固結(jié)工作安排及要求

（1）根據(jù)目前變形監(jiān)測情況，調(diào)整左岸拱肩槽及上游側(cè)邊坡的開挖加固方案。先完成拱肩槽上游側(cè)邊坡高程1 970~2 000 m淺層支護后進行拱肩槽下游部位的開挖，拱肩槽下游部位的開挖要減小爆破梯段高度及縮小爆破范圍，減小爆破對拱肩槽上游側(cè)坡地f27斷層的影響。完成拱肩槽上游側(cè)邊坡高程1 970~2 000 m三排錨索后才可進行拱肩槽上游部位開挖。

（2）按照設計要求做好邊坡地表截水和排水系統(tǒng)，避免施工用水、降雨入滲等對左岸拱肩槽上游側(cè)邊坡產(chǎn)生不利影響。

（3）繼續(xù)做好安全監(jiān)測工作，在高程2 000 m以下邊坡適當增加安全監(jiān)測儀器，以便為下部邊坡開挖設計及施工提供依據(jù)。

5 斷層蝕變帶開挖與回填固結(jié)的特點和難點

5.1 地質(zhì)構(gòu)造復雜，開挖安全風險大，開挖體型較難控制

壩址區(qū)斷層發(fā)育，且產(chǎn)狀均以陡傾角發(fā)育為主，緩傾角較少發(fā)育。復雜的地質(zhì)構(gòu)造在開挖爆破時會對爆破應力波起到不利的導向作用，使預裂爆破不沿著設計預定方向發(fā)展，而沿著裂隙面發(fā)展，導致開挖體型和開挖質(zhì)量較難控制。左岸壩基邊坡開挖過程中，曾因邊坡出現(xiàn)裂縫兩次暫停開挖施工，其裂縫主要是由于左岸上游側(cè)邊坡出露f27斷層及其蝕變帶，隨著邊坡開挖，邊坡巖體應力調(diào)整，逐漸出現(xiàn)卸荷松弛變形。陡傾角發(fā)育的巖石層面在預裂孔鉆孔時容易飄鉆，使鉆孔方向偏離設計角度，爆破應力波沿節(jié)理層面滑塌，從而影響鉆孔及爆破質(zhì)量，開挖體型較難控制。

5.2 控制爆破質(zhì)量要求高

根據(jù)拱壩基礎開挖施工技術要求，壩基建基面開挖爆破距離爆破梯段頂面10 m處的質(zhì)點振動速度要不大于10 cm/s，在f27大規(guī)模斷層附近壩基開挖爆破時，距離爆破梯段頂面10 m處的質(zhì)點振動速度控制在不大于5 cm/s。壩肩作為拱壩的抗力體，是拱壩壩體能否穩(wěn)定的關鍵，壩肩槽的開挖質(zhì)量要求很高，只有保證壩肩槽的成型才能確保壩肩的受力符合設計要求。

5.3 確保高邊坡巖體穩(wěn)定是開挖施工的關鍵

高邊坡巖體開挖時局部地應力的釋放和調(diào)整可能引起高邊坡巖體的卸荷回彈松弛破壞。巖體崩塌的突發(fā)性難以預測，施工中須高度重視，采取多種綜合性防范措施。加強高邊坡巖體施工安全監(jiān)測，對邊坡進行及時支護，必要時采取加強支護。

5.4 環(huán)保施工要求高

開挖過程中，須采取多臺噴霧機噴霧、灑水降塵，修建擋渣墻攔渣等措施，嚴格控制爆破規(guī)模和翻渣高度，防止對工程施工區(qū)附近的居民造成污染。

6 國內(nèi)類似問題解決方案

目前斷層蝕變帶的常規(guī)處理方式是：對規(guī)模較小的地質(zhì)缺陷，一般采取壩基清基局部刻槽、順傾向帶掏挖和高壓水沖洗清除破碎巖體及軟弱充填物、兩側(cè)松動巖塊清撬等常規(guī)方法，處理深度為斷層出露寬度的2倍且不小于50 cm，并結(jié)合建基面固結(jié)灌漿，加密灌漿；針對規(guī)模較大的地質(zhì)缺陷，采取刻槽開挖、高壓水沖洗灌漿、混凝土回填、系統(tǒng)固結(jié)灌漿及化學灌漿等，需要進行專門處理[10]。

拱壩不良壩基的加固處理方案主要包括刻槽置換和灌漿加固等方法。本項目創(chuàng)新提出了局部不良地質(zhì)的小藥量多分區(qū)弱刻槽開挖關鍵技術。

7 斷層蝕變帶開挖與回填固結(jié)技術

7.1 壩肩總體開挖工藝方法

拱壩建基面開挖前，開展了爆破器材試驗和現(xiàn)場生產(chǎn)性試驗，并進行了試驗總結(jié)與評審。在左、右岸壩肩槽上部共進行了5次1∶1壩肩槽開挖生產(chǎn)性爆破開挖試驗，驗證了爆破器材性能參數(shù)；初步確定了不同圍巖類別（Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅲ級、Ⅳ級）情況下的爆破方法、爆破分區(qū)及爆破參數(shù)，優(yōu)選鉆孔機具，配置了地質(zhì)羅盤測斜儀、鉆孔糾偏器等工器具。拱壩壩基建基面左、右岸高程1 947.00~2 101.85 m爆破開挖，在經(jīng)生產(chǎn)性試驗取得爆破參數(shù)結(jié)果下，采用“先瘦身、壩基預留保護區(qū)開挖[11]”的施工方法。河床壩段預留3 m保護層建基面開挖，采取先拉先鋒槽、再沿設計高程造水平預裂、豎向造主爆孔方式完成爆破開挖，先鋒槽采取楔形掏槽方式。

拱肩槽開挖采用臨近槽坡面部位預留保護區(qū)方式，預留保護區(qū)厚度按10 m（1排預裂孔、1排緩沖孔、2～3排主爆孔）左右控制。瘦身炮的爆破規(guī)模，單次按5排爆破孔控制，臨近保護區(qū)內(nèi)側(cè)的1排爆破孔，其造孔、裝藥按照近似于光面爆破控制。壩基預裂孔主要采用QJZ-100B潛孔鉆，緩沖孔和主爆孔主要采用JK590液壓鉆機造孔。預裂孔采用?25或?32乳化炸藥間隔裝藥，緩沖孔及主爆孔一般采用?70連續(xù)裝藥[11]，非電雷管網(wǎng)絡爆破。

在壩基開挖施工過程中，提高預裂孔鉆孔質(zhì)量，減小預裂孔偏斜率和飄鉆情況，每茬炮在清渣后由地質(zhì)工程師根據(jù)出露的建基面巖石情況對下梯段爆破區(qū)地質(zhì)情況進行分析預判，同時質(zhì)量員在鉆孔過程中旁站值班，與鉆孔人員一起記錄巖層地質(zhì)情況，爆破技術人員根據(jù)鉆孔地質(zhì)情況、地質(zhì)預報、爆破質(zhì)點振動監(jiān)測數(shù)據(jù)、爆破后效果進行動態(tài)爆破設計。同時開展“一炮一總結(jié)”，每茬炮后及時召開爆破效果評審會，總結(jié)經(jīng)驗，分析解決現(xiàn)場鉆孔、爆破過程中遇到的問題，根據(jù)上茬炮的預裂面殘孔率、平整度、超欠挖情況、爆破質(zhì)點振動數(shù)據(jù)、聲波檢測情況，及時優(yōu)化調(diào)整爆破參數(shù)，特別是對預裂孔采用單孔個性化設計，指導下茬炮的施工。

7.2 小藥量多分區(qū)弱刻槽開挖

高程1 947~1 990 m斷層f27及蝕變巖體在建基面出露部位刻槽，蝕變巖體厚度1.5~3.9 m，刻槽深度按1~1.5倍蝕變巖體帶寬度控制，詳見表2?？滩蹖挾葹閿鄬觙27及兩側(cè)分布蝕變巖體，刻槽開口寬度2.40~10.84 m。槽挖應采用小藥量爆破，并嚴格控制單段藥量，減少爆破對基礎巖體的損傷，爆破質(zhì)點振動速度按文中5.2節(jié)要求進行控制，近區(qū)存在固結(jié)灌漿和新澆混凝土時，按照相關規(guī)范嚴格控制爆破振動對灌漿和新澆混凝土的影響，爆破質(zhì)點振動速度不大于0.5～2.0 cm/s。

表2 大壩建基面沿斷層f27蝕變巖體厚度及刻槽深度Table 2 Altered rock mass thickness and groove depth on dam foundation surface along fault 27

為控制爆破振動，采用高精度工業(yè)電子雷管，斷層蝕變帶分為4個區(qū)域，共計分段數(shù)為159，總炮孔數(shù)為287，總裝藥量893.3 kg，最大單段藥量5.6 kg，進行小藥量多分區(qū)弱刻槽開挖，詳見表3。

表3 斷層蝕變帶刻槽爆破參數(shù)Table 3 Groove blasting parameters in fault-altered zones

Ⅰ區(qū)：8個預裂孔+18個主爆孔，總藥量72.0 kg；Ⅱ區(qū)：12個預裂孔+40個主爆孔，總藥量189.6 kg；Ⅲ區(qū)：12個預裂孔+40個主爆孔，總藥量242.4 kg；Ⅳ區(qū)：12個預裂孔+29個主爆孔，總藥量174.9 kg。

7.3 刻槽內(nèi)鋪設基礎鋼筋及回填混凝土

刻槽內(nèi)沿槽兩側(cè)壁交錯布置插筋?28，L=3 m@1.5 m×1.5 m，入巖2 m；刻槽底面布置插筋?28，L=4.5 m@1.5 m×1.5 m，入巖3.5 m。

刻槽基礎面須驗收合格后，方可進行回填混凝土澆筑施工?；靥罨炷烈瞬捎肅18030W10F200，也可采用C30W10F200，宜采用三級配，也可采用二級配，相應部位大壩混凝土應在回填混凝土溫度降至15℃后再進行澆筑，回填混凝土與壩體混凝土接觸面需沖毛或鑿毛處理。回填混凝土外表面與大壩設計建基面齊平，一般澆筑層厚為3 m（可根據(jù)現(xiàn)場實際情況適當調(diào)整），最小層間間歇時間5 d，最大層間間歇時間14 d，澆筑層面需進行沖毛或鑿毛處理。沿f27斷層刻槽長度方向布置若干施工臨時縫，縫間距最大12 m，施工臨時縫與拱壩橫縫間距不小于1.5 m，施工臨時縫與刻槽基礎底面夾角60°～90°，施工臨時縫需進行鑿毛處理，并布置插筋?28，L=3 m@1.5 m×1.5 m，縫兩側(cè)各1.5 m。

回填混凝土溫控技術要求：混凝土出機口溫度、澆筑溫度、最高溫度分別按不超過9℃、15℃和29℃控制?；靥罨炷列柽M行通水冷卻，冷卻水管采用焊接鋼管或HDPE管，按1.5 m（豎向）×1.5 m（水平）布置，通水冷卻目標溫度為15℃。混凝土日最大降溫不超過1℃，冷卻降溫過程應連續(xù)平順，防止由于通水不足及通水中斷等原因造成溫度回升[12-15]。冷卻水溫為8℃~10℃，一期通水冷卻時間不宜少于10 d，控溫至相應壩段第一層混凝土澆筑完成。自開始通水至混凝土最高溫度出現(xiàn)后2 d，通水流量宜為1.2~2.0 m3/h[13]；最高溫度出現(xiàn)2 d后，通水流量不宜超過1.2 m3/h，具體可根據(jù)現(xiàn)場實際情況適度調(diào)整。

7.4 斷層蝕變帶加強固結(jié)灌漿

（1）加強固結(jié)灌漿范圍內(nèi)，槽挖回填混凝土部位采用混凝土蓋重灌漿+系統(tǒng)引管灌漿，回填混凝土部位外采用無蓋重灌漿并對檢查結(jié)果不滿足灌漿質(zhì)量要求的部位采用引管灌漿。

（2）加強固結(jié)灌漿范圍內(nèi)混凝土蓋重灌漿及無蓋重灌漿孔位布置，在拱壩壩基固結(jié)灌漿的Ⅰ、Ⅱ序基礎上系統(tǒng)布置Ⅲ序孔，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序灌漿過程中及完成后應及時分析灌漿效果，進一步研究后續(xù)處理措施。

（3）8號壩段Ⅰ、Ⅱ序孔已按原設計孔深15 m基本完成，故8號壩段Ⅰ、Ⅱ序孔不調(diào)整，對Ⅲ序孔加深為20 m；其余壩段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔深均為20 m。

（4）混凝土蓋重引管灌漿孔間排距為1.5 m（順河向）×3 m（橫河向），孔深入巖2 m，引管灌漿采用循環(huán)式[2]。

（5）灌漿材料采用濕磨細水泥。

（6）固結(jié)灌漿壓力設計參考值見表4，灌漿壓力以確保灌漿質(zhì)量和混凝土、巖面不發(fā)生有害抬動為原則[14]，基巖段累計抬動變形值不允許超過200μm，混凝土累計抬動變形值不允許超過100μm[15]。

表4 固結(jié)灌漿壓力設計參考值Table 4 Design reference value of consolidation grouting pressure

（7）施工順序為：①對加強固結(jié)灌漿范圍槽挖回填混凝土部位外0～20 m段（8號壩段Ⅰ、Ⅱ序孔深為15 m）進行無蓋重固結(jié)灌漿，同步進行槽挖施工，爆破時機及藥量需考慮對固結(jié)灌漿的影響，質(zhì)點振動速度應滿足要求；②刻槽基礎面驗收合格后，澆筑回填混凝土，固結(jié)灌漿孔位預埋?65鋼管；③回填混凝土達到設計強度的50%后，對槽挖回填混凝土部位0～20 m段進行混凝土蓋重固結(jié)灌漿；④對槽挖回填混凝土部位基巖面0～2 m段，在混凝土蓋重固結(jié)灌漿孔間重新鉆孔布置引管至壩后貼角或監(jiān)理工程師指示其他部位；⑤在上部大壩混凝土澆筑高度達到30 m且相應壩段的橫縫接縫灌漿結(jié)束3 d后，進行混凝土蓋重引管灌漿。

8 處理效果評價

從邊坡測縫計、多點位移計及錨索測力計變形監(jiān)測結(jié)果分析，斷層蝕變帶在采用弱刻槽開挖與回填固結(jié)處理關鍵技術后，壩體位移變化很小，邊坡變形逐步趨于穩(wěn)定[1-2]。

根據(jù)《四川省雅礱江楊房溝水電站拱壩基礎固結(jié)灌漿施工技術要求》（A版），固結(jié)灌漿質(zhì)量檢查以聲波測試巖體波速為主，鉆孔壓水試驗和鉆孔全景圖像為輔，并結(jié)合灌漿前后物探結(jié)果、有關灌漿施工資料及鉆孔取芯資料等綜合評定。檢測單位對斷層蝕變帶固結(jié)灌漿質(zhì)量進行檢測，聲波測試、鉆孔壓水試驗、鉆孔全景圖像、灌漿前后物探結(jié)果、有關灌漿施工資料及鉆孔取芯資料等表明，灌漿質(zhì)量受控，壓水透水率、單位注灰量等指標滿足設計及規(guī)范要求。斷層發(fā)育帶采取槽挖回填灌漿處理方案合適，處理后建基巖體滿足拱壩建基要求[3]。

9 結(jié)語

高拱壩對壩基巖體質(zhì)量要求甚高，壩基巖體的穩(wěn)定性是拱壩建設的重點和難點，而巖體的不連續(xù)性往往發(fā)育有局部不良地質(zhì)體甚至整體地質(zhì)條件差，前期地質(zhì)勘探不全面，地質(zhì)條件的復雜性，壩址選擇的多方考量，往往導致地質(zhì)處理問題。本項目采用小藥量多分區(qū)弱刻槽開挖，刻槽內(nèi)鋪設基礎鋼筋回填混凝土，以及采用混凝土蓋重灌漿、系統(tǒng)循環(huán)引管灌漿、加序、加深灌漿，使用濕磨細水泥和控制灌漿壓力等加強固結(jié)灌漿手段，成功解決了斷層蝕變帶不良地質(zhì)問題，壩基巖體開挖質(zhì)量得到大幅提升，邊坡巖體穩(wěn)定。該斷層蝕變帶開挖及回填加固處理關鍵技術具有顯著應用和推廣價值。