李賀林，王毅鳴，林健勇

（中國水電顧問集團北京勘測設計研究院，北京 100024）

1 工程概況

天花板水電站位于云南省昭通市境內(nèi)的金沙江右岸一級支流牛欄江下游河段上，電站總裝機容量為180 MW，為三等中型工程。樞紐工程的主要建筑物由碾壓混凝土雙曲拱壩、引水發(fā)電隧洞和地面式廠房等組成。碾壓混凝土雙曲拱壩，壩頂高程1 076.80 m，最大壩高107 m，壩頂弧長159.87 m，拱冠壩頂寬度6 m，拱冠梁底厚度22.64 m，拱端最大厚度24.09 m，厚高比0.212。

2 壩址區(qū)地形地質(zhì)條件

2.1 地形條件

天花板水電站壩址河谷為典型的峽谷河段，兩岸地形陡峻，岸坡平均坡度在60°～80°，河谷整體斷面為 “V”形，基本對稱，河床高程為989～991 m，河床寬30～40 m，河谷底寬約60 m。水庫正常蓄水位1 071 m處寬110 m，河谷寬高比為1.34左右。

2.2 左岸壩基地質(zhì)條件

左岸巖性為東龍?zhí)督M中厚～厚層富藻粉晶白云巖，厚層狀結(jié)構(gòu)，弱～微風化，層理不發(fā)育，層理產(chǎn)狀為走向 NE40°～60°， 傾向 SE， 傾角 10°～18°， 中硬巖，巖質(zhì)較堅硬，單軸飽和抗壓強度40～60 MPa，為中硬巖，大部分巖體完整或較完整。受結(jié)構(gòu)面切割及影響，不同高程壩基巖體存在差異，經(jīng)綜合分析判定：高程1 077～1 021 m、1 017～993 m主要為Ⅱ類巖體；1 021～1 007 m高程Ⅱ類巖體占88%，Ⅲ1類巖體占12%；993～979 m高程Ⅱ類巖體占67%，Ⅲ1類巖體占33%。Ⅱ類巖體縱波波速Vp5 000～5 500 m/s，局部受爆破影響波速Vp3 500～4 000 m/s，Ⅲ1類巖體縱波波速Vp3 200～4 000 m/s。

左岸邊坡受f14等緩傾角結(jié)構(gòu)面切穿了L15、L16等NW向長大裂隙，形成了不利于穩(wěn)定的塊體，壩肩巖體結(jié)構(gòu)相對不完整。拱壩軸向力作用方向近垂直于L15、L16等結(jié)構(gòu)面，以上結(jié)構(gòu)面及其組合對壩肩巖體的變形及巖體穩(wěn)定均有一定的影響。

3 壩肩開挖方案研究

3.1 拱壩壩肩開挖形式一般概況

天花板水電站壩肩開挖設計過程中，對兩岸壩肩地形地質(zhì)條件進行了分析，在總結(jié)國內(nèi)外拱壩壩肩開挖型式經(jīng)驗的基礎上，主要研究了開槽明挖和窯洞式開挖兩種形式。

開槽明挖是工程邊坡開挖的常見形式。一般邊坡開挖范圍相對較大、邊坡高度高、開挖和支護工程量大、施工工期長及投資多，對拱壩而言，下游側(cè)巖體做為壩肩持力體，明挖會影響壩肩穩(wěn)定。

窯洞作為地下建筑物的一種，在工民建、公路等土木工程領域應用較廣泛。在水電工程中，在地形地質(zhì)條件滿足要求的條件下，水工建筑物設計也考慮利用部分窯洞來進行建筑物的布置，如龍羊峽水電站的水電站安裝間就是布置在左岸山體窯洞內(nèi)，還有一些電站廠房就布置設計成窯洞式電站地下廠房。

拱壩一般建在河谷狹窄、邊坡陡峻、地質(zhì)條件較好的壩址區(qū)，在巖體的強度、構(gòu)造等滿足要求的條件下，具有窯洞式開挖的條件。拱壩窯洞式開挖是指在拱壩壩肩、壩頂高程位置的高陡邊坡上預先設置施工洞，再利用施工洞按壩肩體形輪廓從施工洞內(nèi)向下分層開挖形成拱壩壩基面的開挖形式。該種開挖形式主要開挖壩體輪廓范圍內(nèi)的巖體，開挖范圍相對較小，從而降低了支護工作量和施工難度、減少了邊坡開挖范圍和高度，同時施工洞也可作為交通洞永久保留，不會造成浪費。對于拱壩壩型，該開挖形式對壩肩穩(wěn)定也較為有利。天花板水電站左壩肩最終采取窯洞式開挖形式，示意見圖1。

3.2 左壩肩開挖方式研究

3.2.1 地形地質(zhì)條件分析

從左岸壩肩地形地質(zhì)條件分析，上游側(cè)地形高陡，且壩肩嵌入山體位置較深，下游側(cè)呈倒喇叭形，山體相對單薄，下游側(cè)壩肩嵌深較淺，而下游側(cè)巖體做為壩肩持力體，應考慮盡可能的減少開挖，對壩肩穩(wěn)定有利。由于壩肩巖石以粉晶白云巖為主，巖石風化程度淺，拱肩槽巖體除了1 021 m高程左右受L13裂隙影響局部發(fā)育Ⅲ1類巖體外，基本都是Ⅱ類巖體；建基面巖層層面產(chǎn)狀平緩、層間結(jié)合較好，主要結(jié)構(gòu)面及巖層層面對施工期邊坡穩(wěn)定基本不會造成影響，基本滿足邊坡穩(wěn)定的要求。若采用開槽明挖方式，勢必造成壩頂以上邊坡開挖范圍擴大、邊坡高度增大、而左岸壩頂高程以上無條件布置機械施工道路，僅能采取人工開挖的方式，施工作業(yè)面狹窄、開挖難度大、工程安全隱患增多、開挖和支護工程量增大、投資增多且對壩肩穩(wěn)定不利?？傊?，左岸巖體條件基本滿足窯洞式開挖的條件，且可以減少明挖等一些不利因素。

圖1 天花板水電站左壩肩窯洞式開挖形式示意 （單位：m）

3.2.2 拱壩體形分析

從拱壩體形分析，拱壩體形設計的壩體厚高比為0.212，屬較薄拱壩，壩體斷面較小，上部開挖寬度僅8 m，底部最大開挖寬度約為26 m；壩肩上部及上游側(cè)嵌深較大，下部及下游側(cè)嵌深較?。簧舷掠蝹?cè)開挖面較平順、曲率較小，適合自上而下進行窯洞式開挖。

3.2.3 壩肩工作條件分析

拱壩拱座開挖一般要求開挖成徑向，以利于壩肩的應力和穩(wěn)定，開挖深度要與壩肩地形地質(zhì)條件相適應，滿足壩肩30°傳力要求和壩肩的 “肩寬”要求。所謂30°傳力要求就是拱圈內(nèi)弧面與該高程可利用巖體等高線間的夾角宜大于等于30°，使拱壩推力在基礎巖體中安全擴散傳遞，以求得穩(wěn)定和較好的工作條件。所謂壩肩 “肩寬”要求是指拱端下游側(cè)要有一定厚度，由于拱壩受力后拱端下游是應力最大部位，如果厚度很小或沒有，則拱端下游附件巖體容易發(fā)生較大面積的屈服，惡化壩肩工作條件甚至難以正常運行。

天花板水電站左岸壩肩地形呈倒喇叭口形，壩肩巖體相對單薄，采取窯洞式開挖，可較多保留拱端下游側(cè)巖體，在盡可能較少壩端開挖深度的同時，能滿足壩肩30°傳力要求和壩肩的 “肩寬”要求，獲得較好的壩肩工作條件。

3.2.4 開挖體形分析

進行開挖設計時，可根據(jù)上下游開挖面的地質(zhì)條件特點區(qū)別對待：由于巖層層面傾向上游，有利于上游側(cè)邊坡的穩(wěn)定，設計為上游側(cè)開挖面全部為倒懸，且倒懸度總體稍大，最大倒懸度為1∶0.4；下游側(cè)開挖面基本為倒懸，考慮巖層層面對臨時邊坡穩(wěn)定的影響，控制其倒懸度最大不超過1∶0.15。經(jīng)計算分析，按此方式開挖，加之及時跟進的支護措施，可保證基坑內(nèi)上下游邊坡的穩(wěn)定和安全。

3.2.5 左壩肩兩種開挖方式工程量、投資對比分析

（1）開挖邊坡范圍、高度參數(shù)分析。開槽明挖和窯洞式開挖壩頂以上邊坡坡高、邊坡長度范圍、邊坡形式分別為130、80 m、超高邊坡，63、48 m、高邊坡；開槽明挖和窯洞式開挖壩頂以下邊坡坡高、邊坡長度范圍、邊坡形式分別為107、180 m、正坡，107、61 m、倒懸式。由此可見，窯洞式開挖邊坡坡高和范圍較開槽明挖形式小很多，且邊坡規(guī)模較低，對環(huán)境保護有利。

（2）開挖工程量、投資分析。左壩肩采用開槽明挖型式，土石方明挖工程量為16.1萬m3，噴混凝土1 460 m3，掛鋼筋網(wǎng)36.2 t，錨桿1 050根，錨索118束；采用窯洞式開挖土石方明挖工程量4.9萬m3，噴混凝土 450 m3，掛鋼筋網(wǎng) 11.6 t，錨桿 335根，錨索28束。窯洞式開挖及支護工程量明顯較少，節(jié)省直接投資約480萬元。

3.2.6 開挖施工難度分析

天花板水電站左岸采用窯洞式開挖，右岸采用開槽明挖，在施工過程中，施工單位最先開始右岸的開挖，滯后數(shù)月才開始左岸的開挖，最終還是左岸開挖順利并提前完成，且滿足壩體混凝土澆筑條件。另外在施工過程中右岸開挖經(jīng)常出現(xiàn)突發(fā)情況，需要進一步加大噴錨支護或錨索支護，實踐證明，右岸開槽明挖的施工難度較大。而窯洞式開挖開挖工程量較小，該方法在進行壩頂以上上游側(cè)邊坡開挖支護的同時，利用壩肩的先期開挖的施工洞進行壩頂以下拱肩槽的開挖支護工作，可進行交叉作業(yè)，降低了開挖支護難度，又大大節(jié)省了施工工期。

綜合以上分析，天花板水電站左岸壩肩采用了窯洞式開挖，利用左岸壩頂交通洞兼灌漿洞進行壩頂以下壩肩開挖，開挖型式根據(jù)上下游開挖面的地形地質(zhì)條件區(qū)別對待，同時根據(jù)揭示的地質(zhì)情況不斷對爆破參數(shù)和支護參數(shù)進行調(diào)整，采用自上而下、邊坡預裂、小梯段臺階爆破、邊開挖邊支護、支護與開挖同步進行的施工方法，同時加強施工期邊坡巡視及監(jiān)測，隨時反饋施工信息，整個開挖工作進展順利，實現(xiàn)了設計的開挖方案。

4 結(jié)語

通過對天花板水電站左岸壩肩窯洞式開挖的設計和研究，主要有以下幾點體會：

（1）拱壩壩肩的開挖深度設計與拱壩的穩(wěn)定、壩體應力密切相關，需要綜合分析研究確定。從設計理念的原則分析，確定開挖深度以后，減少壩肩的開挖范圍和開挖量，有利于拱壩壩體應力和拱壩壩肩的穩(wěn)定，壩基窯洞式開挖方式的實踐是拱壩基礎處理和壩肩邊坡穩(wěn)定的要求與拱壩壩體體形和地形地質(zhì)條件的巧妙結(jié)合，促成了拱壩整體建設的完美和順利。天花板水電站不論是左岸的窯洞式開挖，還是右岸的槽挖都努力減少壩肩的開挖范圍及壩肩卸荷松動，從而使高陡地形的開挖得以順利進行。

（2）采用窯洞式開挖，必須掌握壩肩地形地質(zhì)條件、巖層產(chǎn)狀、斷層或裂隙的構(gòu)造，分析巖體裂隙、構(gòu)造對開挖邊坡整體穩(wěn)定的影響，同時在施工過程中根據(jù)揭示的地質(zhì)情況及時對表面的不穩(wěn)定塊體進行支護，確保開挖安全。

（3）拱壩壩肩采用窯洞式開挖與開槽明挖相比較，可減小拱壩壩肩邊坡的開挖高度和范圍，降低工程邊坡安全風險，減少工程量、節(jié)省投資、縮短工期、有利壩肩穩(wěn)定，具有較好的綜合經(jīng)濟和社會效益，值得在高山峽谷地形水電站設計中借鑒推廣。

（4）窯洞式開挖施工過程中，必須嚴格控制爆破參數(shù)，精細開挖，及時支護，同時注重開挖窯洞洞臉一定范圍外的邊坡支護，避免巖體構(gòu)造裂隙影響邊坡和洞臉的穩(wěn)定。天花板拱壩窯洞式開挖能夠成功實施，與施工單位水電十四局精細開挖、及時施工支護是密不可分的。