陳 闖 張 冰 陳 鐸

(北京市密云水庫管理處，北京 101500)

第一溢洪道是密云水庫主要的泄洪建筑物，1960年建成，擔(dān)負著密云水庫的防洪任務(wù)[1]。2017年，密云水庫開展安全評價工作，第一溢洪道評價結(jié)果為存在嚴重的安全隱患，建議拆除重建[2]。密云水庫第一溢洪道位于潮河黃各莊南山單薄山脊上，溢洪道位于自西向東的單薄山脊的最西部埡口中，高程為160～170m。出露地層大多為太古界密云群沙廠組片麻巖，其次為中生代燕山期侵入巖脈和第四系覆蓋層。閘基巖性以弱風(fēng)化花崗片麻巖為主[3]。工程開挖高度最高達50m，開挖總量達11萬m3，泄槽地處山體埡口部位，巖石堅硬，兩側(cè)為陡峭山體，破碎帶較多，共發(fā)現(xiàn)8處不穩(wěn)定體，開挖難度較大，防護措施復(fù)雜，技術(shù)含量高。高邊坡穩(wěn)定控制成為水電工程建設(shè)成敗的關(guān)鍵技術(shù)問題之一[4]。

為了做好第一溢洪道改建工程中高邊坡開挖和支護的施工，建設(shè)單位在施工過程中先后組織了5次專家技術(shù)咨詢和論證。

1 項目背景

1.1 項目簡介

密云水庫第一溢洪道改建工程是重大消隱工程，工程總投資2.3億元，工期2年。工程主要包括兩岸山體開挖及防護、利用原閘做圍堰、在原閘下游建新閘、泄槽拆除重建和改建交通橋五大部分。該工程的實施，對消除密云水庫的安全隱患、確保北京的供水安全和京津冀的防洪安全具有重大意義。

1.2 工程及地質(zhì)情況

第一溢洪道于1960年建成，底板高程140.00m，設(shè)5扇10m×6m弧形閘門，最大泄量4490m3/s，是三座溢洪道中高程最低的溢洪道，為密云水庫主要的泄洪建筑物。第一溢洪道區(qū)域的巖石主要為花崗片麻巖和角閃石斜長片麻巖兩種。左岸原開挖坡比約1∶0.75，右岸約1∶0.80，局部緩至1∶1，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。第一溢洪道位于潮河黃各莊南山單薄山脊，閘基巖性以花崗片麻巖為主，呈弱風(fēng)化狀態(tài)，致密堅硬，不存在傾向下游的不利結(jié)構(gòu)面，整體穩(wěn)定性較好，局部受破碎帶影響節(jié)理裂隙發(fā)育，壓水試驗測得巖體透水率2.45～5.08Lu，具弱透水性，但受破碎帶影響局部巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育[5]，為使新溢洪道泄量不低于原設(shè)計標準，新建泄槽將梯形變底寬斷面調(diào)整為矩形等寬斷面，需對原山體進行開挖，將打破山體現(xiàn)有平衡狀態(tài)。泄槽兩岸山體的開挖和防護為該工程五大建設(shè)內(nèi)容之首，施工期和運行期安全性要求非常高，是保障其他4項內(nèi)容實施的必要條件，在保障老閘安全運行的前提下，山體開挖至穩(wěn)定山體。施工期間堅持動態(tài)設(shè)計，以3m為一層，邊開挖邊防護，選取典型部位進行靜態(tài)破碎與機械配合開挖工藝性試驗施工，由于地質(zhì)情況相對復(fù)雜，針對不同部位的地質(zhì)情況采取不同支護方式，之后全面開展大規(guī)模施工，確保絕對安全。

2 開挖與支護施工

2.1 高邊坡開挖

為保護密云水庫水環(huán)境和原溢洪道的運行安全，避免擾民，采用靜態(tài)破碎與機械配合開挖相結(jié)合的方式開挖邊坡。施工期和運行期安全性要求非常之高，按要求需開挖至穩(wěn)定山體，開挖總高度約25～50m，開挖總量達11萬m3。泄槽地處山體埡口部位，巖石堅硬，兩側(cè)為陡峭山體，破碎帶較多，共發(fā)現(xiàn)8處不穩(wěn)定體，開挖難度較大，防護措施復(fù)雜，技術(shù)含量高。開挖施工以3m為一層，邊開挖邊防護，選取典型部位進行靜態(tài)破碎與機械配合開挖工藝性試驗施工，合理確定本工程靜態(tài)破碎施工參數(shù)。邊墻以上永久邊坡1∶0.75，邊墻頂部以下邊坡1∶0.5，局部潛在不穩(wěn)定部位適當(dāng)放緩邊坡或采取錨固措施。

2.1.1 開挖施工前準備

在施工準備過程中，首先自泄槽末端挑流坎處分別修筑臨時施工道路至泄槽邊墻頂部，坡比為1∶4，然后沿開挖線開挖修建不小于4m寬施工平臺。以此平臺為基礎(chǔ)，分別沿兩側(cè)邊坡開挖坡頂線方向采用進占法在山體內(nèi)側(cè)開挖石方，形成不小于4m寬的臨時施工道路。隨后對邊坡進行試驗性開挖，開挖邊坡顯示上部強風(fēng)化巖體較厚，為確保施工安全，在試驗性開挖過程中對開挖頂部采取了局部適當(dāng)放緩邊坡和卸載措施，最終形成初始施工平臺，順接至新建閘室段兩側(cè)石方開挖區(qū)域。

2.1.2 試驗性施工

進場施工后，分別在兩岸邊坡石方開挖區(qū)域選取典型部位進行靜態(tài)破碎試驗施工，根據(jù)破碎效果及時調(diào)整確定各項施工參數(shù)。通過對比分析各種試驗參數(shù)下試驗效果，合理確定本工程靜態(tài)破碎施工參數(shù)，最大限度地實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效，經(jīng)濟合理。

2.1.3 復(fù)雜地質(zhì)段開挖

在邊坡開挖過程中有受斷層破碎帶影響巖體破碎穩(wěn)定性差的情況發(fā)生，經(jīng)地質(zhì)工程師及監(jiān)理工程師確認對邊坡局部地質(zhì)情況較差部位坡比放緩調(diào)整。石方開挖采取靜態(tài)破碎配合機械開挖方式施工，表面風(fēng)化巖石首先用機械清除，待揭露至新鮮巖石后，采用靜態(tài)破碎與機械配合開挖。邊坡開挖、防護遵循“分級開挖、分級防護、及時防護”的原則，開挖一級防護一級，在下一級開挖時，上一級做好防護措施。每開挖至一級臺階后，及時復(fù)測，及時修整邊坡。

2.2 復(fù)雜地質(zhì)條件下高邊坡支護

在水利工程項目施工中，開挖必定會造成對巖體結(jié)構(gòu)的破壞，若沒有合理的支護技術(shù)作為支撐，則會造成邊坡承載力降低，導(dǎo)致邊坡沉降量增加，不僅會對施工質(zhì)量造成影響，也會對施工安全造成一定影響[6]。故支護工程對于溢洪道邊坡的穩(wěn)定，阻止結(jié)構(gòu)裂縫、滲水和塌陷問題具有較大的作用。由于地質(zhì)情況相對復(fù)雜，針對不同部位的地質(zhì)情況開展試驗性施工，采取不同支護方式后，全面開展大規(guī)模施工，確保絕對安全。

局部潛在不穩(wěn)定部位適當(dāng)放緩邊坡或采取錨固措施。針對不同部位的地質(zhì)情況采取不同支護方式，原設(shè)計兩側(cè)邊坡采用植錨桿與掛SNS柔性防護網(wǎng)的方式進行支護，但在施工開挖過程中，通過揭露的圍巖發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)狀開挖邊坡巖石風(fēng)化嚴重，局部開挖邊坡存在受斷層和節(jié)理裂隙切割形成的不穩(wěn)定體，或受邊坡巖體破碎裂隙發(fā)育影響，故將局部地質(zhì)條件較差部位的支護方式進行調(diào)整，改用加長、加密注漿錨桿、自鉆式錨桿，設(shè)鋼筋網(wǎng)片結(jié)合噴射混凝土，設(shè)置排水平臺、邊坡排水孔，掛SNS柔性防護網(wǎng)的方式支護。

3 開挖及支護綜合應(yīng)用

3.1 靜態(tài)破碎在高邊坡開挖中的運用

3.1.1 布置鉆孔及靜態(tài)破碎劑的使用

首先將邊坡表面風(fēng)化巖石用機械清除，待揭露至新鮮巖石后，按孔距a=40cm、排距b=36cm、孔徑D=42mm進行布孔，多采用立孔，多排孔則采用梅花形布置，用風(fēng)動鉆機在巖石上進行鉆孔作業(yè)。根據(jù)施工期間的氣溫或工作環(huán)境溫度選擇無聲破碎劑型號(見表1)。

表1 無聲破碎劑型號和使用范圍

當(dāng)氣溫超過35℃時，在下午5—6時或早上6—7時灌孔。結(jié)合本工程主要施工季節(jié)，選用無聲破碎劑I型，破碎劑膨脹時效為8～12h。

3.1.2 靜態(tài)破碎的施工

將破碎劑直接倒入垂直孔內(nèi)，孔口留2cm空隙，將孔口堵實。梅花形布置孔灌漿時，留有一定的時差，即先灌一、二排孔，1～3h后，再灌三、四排孔，以此類推，以創(chuàng)造更多的自由面，保證其開裂效果。藥劑反應(yīng)的快慢與氣溫有直接的關(guān)系，溫度越高，反應(yīng)時間越快，反之則慢。氣溫較低，藥劑反應(yīng)時間會很長，反應(yīng)時間太長會給施工帶來不便，使工程進度受到影響。解決辦法是加入保溫劑和提高拌和水溫度。保溫劑加入過多，也會降低藥劑膨脹力。拌和水溫可根據(jù)實際情況適當(dāng)提高，但最高不超過40℃，否則可能沖孔。條件較好的施工現(xiàn)場可根據(jù)實際情況縮短反應(yīng)時間，以利于施工。藥劑反應(yīng)時間過快易發(fā)生沖孔傷人事故，可使用延緩反應(yīng)時間的抑制劑。

3.2 機械破碎解小及清渣

待無聲破碎劑完全膨脹后，使用液壓破碎錘對巖石破碎解小，開挖渣料沿開挖邊坡自然下落至泄槽內(nèi)。自卸汽車沿施工作業(yè)平臺分別將開挖渣料裝車外運。

3.3 高邊坡防護

由于地質(zhì)條件相對復(fù)雜，本工程動態(tài)設(shè)計，除原設(shè)計錨桿支護與掛SNS防護網(wǎng)的方式外，增加使用注漿錨桿，設(shè)鋼筋網(wǎng)片結(jié)合噴射混凝土，設(shè)邊坡排水孔的方式進行邊坡支護。根據(jù)開挖地質(zhì)情況分別采用相應(yīng)措施。

3.3.1 注漿錨桿

注漿錨桿用于裂隙破碎帶和節(jié)理密集區(qū)域的淺表層坡面加固，錨桿采用HRB400鋼筋，錨筋長度根據(jù)地質(zhì)情況現(xiàn)場確定。鉆孔孔徑、灌漿管管徑、排氣管管徑可根據(jù)施工工藝進行適當(dāng)調(diào)整，鉆孔孔徑需保證錨桿保護層厚度不小于2cm。錨桿宜使用整根鋼筋，若需多段連接，連接形式應(yīng)采用機械連接，且接頭性能指標達到A級接頭的標準，錨桿安裝過程中灌漿管和排氣管必須隨錨筋一起安裝，錨桿安裝后立即進行注漿。

錨桿注漿采用水灰比為1∶0.5～1∶0.55的水泥漿，強度不低于30MPa，水泥采用不低于42.5等級的普通硅酸鹽水泥，水泥漿添加早強劑、減水劑和膨脹劑。錨桿就位后，孔口用麻絲和M30速凝水泥砂漿封堵。錨筋樁灌漿壓力采用0.2～0.4MPa，灌漿開始時敞開排氣管，以排出氣體、水和稀漿，當(dāng)排氣管排漿比重和進漿比重相同時，封堵排氣管。繼續(xù)灌注至注漿泵壓力為0.2MPa時穩(wěn)壓3min后可結(jié)束灌漿，灌漿結(jié)束后應(yīng)閉漿120min。錨筋樁注漿后，在砂漿凝固前，不得敲擊、碰撞和拉拔錨筋樁。若孔內(nèi)漿體回縮量較大，應(yīng)進行補灌。

3.3.2 鋼筋網(wǎng)片結(jié)合噴射混凝土

邊坡節(jié)理發(fā)育或受斷層破碎帶影響巖體破碎穩(wěn)定性差的部位可設(shè)鋼筋網(wǎng)片，結(jié)合噴射混凝土可以將邊坡封閉，從而降低基面所受的環(huán)境影響，并且鋼筋網(wǎng)片與噴射混凝土相結(jié)合的支護方式可提高邊坡的整體性，可以有效地防止邊坡塌滑塌方等事故，從而使邊坡安全可靠。本工程采用φ6鋼筋網(wǎng)片，鋼筋網(wǎng)間距20cm×20cm，隨錨桿布置位置，每3～5m橫向設(shè)置壓筋與錨桿焊接，施工時首先在坡面素噴3cm厚C25混凝土，以提升地質(zhì)情況較差部位的邊坡穩(wěn)定性，然后不同部位按要求進行錨桿施工。錨桿施工完成后掛鋼筋網(wǎng)片，要求間距噴錨面5cm，最后噴射7cm厚C25混凝土。

3.3.3 排水孔

為防止山體內(nèi)水壓對邊坡造成損害，常在邊坡設(shè)置排水孔。在噴射混凝土坡面設(shè)置永久排水孔也較為廣泛。本工程設(shè)置的坡面排水孔孔深4m，間距3m，孔徑90mm，排水孔內(nèi)設(shè)置φ50HDPE硬式透水管，開孔率大于70%，環(huán)剛度大于1.0kPa。

3.3.4 SNS防護網(wǎng)

針對運行期兩岸邊坡曾發(fā)生落石現(xiàn)象，應(yīng)加強邊坡支護措施，SNS防護網(wǎng)可提高表層巖體的穩(wěn)定性，防止崩塌落石的發(fā)生。本工程采用的是4m×4m的DO/08/300型鋼繩網(wǎng)和SO/2.2/2.25×10.2鋼格柵網(wǎng)。在每張鋼繩網(wǎng)與四周支撐繩間用φ8鋼絲繩縫合連接，并進行張拉，使柔性防護系統(tǒng)對破面施以一定的預(yù)緊壓力。最后張拉緊后兩端各用兩個繩卡與錨桿外露環(huán)套固定連接。

4 施工技術(shù)創(chuàng)新點

4.1 施工圍堰方案選取

采用“雙閘方案”[7]利用老閘做圍堰，老閘下建新閘，在不影響老閘正常運行的條件下，進行溢洪道泄槽兩側(cè)山體靜態(tài)破碎開挖和防護，確保老閘運行安全和兩岸山體穩(wěn)定安全，同時，確保老閘及密云水庫的度汛安全和在建工程的施工安全，安全性要求極高。

4.2 開展山體開挖及防護的工藝性試驗施工

采用靜態(tài)破碎和機械開挖相結(jié)合的方式進行邊坡開挖，最大限度地保護水庫周邊生態(tài)環(huán)境，降低施工成本，提高開挖效率，為之后全面大規(guī)模施工提供了經(jīng)驗和數(shù)據(jù)支持，最高處山體開挖高度達50m，高度較高，難度較大。

4.3 確定防護措施

山體地質(zhì)情況復(fù)雜，共發(fā)現(xiàn)8處破碎帶，采取了補充勘探，地質(zhì)工程師現(xiàn)場勘查，聘請行業(yè)專家會同參建各方研討應(yīng)對措施。采用先清理卸載，后加長錨桿(最深達8m)，錨桿壓力注漿，噴錨支護，SNS防護網(wǎng)等方式，解決了復(fù)雜地質(zhì)條件下山體防護問題。堅持動態(tài)設(shè)計、永臨結(jié)合，設(shè)置排水平臺，以3m為一層，分級開挖，分級防護，開挖一層防護一層。

5 效益分析

密云水庫是一座以防洪、供水為主，綜合利用的大型水利工程，是華北地區(qū)最大的水庫，是北京唯一的地表飲用水源地，其安全運行對首都北京至關(guān)重要。復(fù)雜地質(zhì)條件下高邊坡開挖及支護是第一溢洪道改建工程的首要建設(shè)內(nèi)容，為老溢洪道正常運行、兩岸山體的整體穩(wěn)定、新閘主體工程建設(shè)提供了安全保障。該工程的實施，對消除密云水庫的安全隱患、確保北京的供水安全和京津冀的防洪安全具有重大意義。

6 結(jié) 語

本工程采用了靜態(tài)破碎配合機械開挖的山體施工方式，永、臨結(jié)合的山體防護措施，分級開挖和分級支護方式，施工期及運行期邊坡情況正常。工程竣工至今已3年，目前，山體整體穩(wěn)定，為后續(xù)新閘建設(shè)提供了安全保障，也為類似復(fù)雜地質(zhì)條件下的高邊坡施工提供了經(jīng)驗和思路。