易 丹
(中國安能第三工程局成都分公司,四川 成都 611135)
葉巴灘水電站位于四川與西藏的界河——金沙江上游河段,壩址位于金沙江支流降曲河口下游600 m的四川甘孜白玉縣與西藏昌都貢覺縣交界處,總裝機容量為2 240 MW,系金沙江上游13個梯級水電站開發(fā)中最大的水電站。
電站采用長尾水布置型式,大機組尾水洞為兩條平行布置的圓型隧洞,1號尾水主洞長度為3 172.39 m, 2號尾水主洞長度為3 099.22 m,末端接尾水出口,主要為高程2 791.92~2 683.5 m邊坡的開挖及尾水渠開挖,開挖的最大高度為108.42 m。出口邊坡基巖巖性為華力西期花崗閃長巖(γδ43),巖石致密堅硬,風(fēng)化較弱,淺表部呈強卸荷。尾水洞出口邊坡無區(qū)域性斷裂通過,構(gòu)造以小斷層與節(jié)理裂隙發(fā)育為主。前期勘探揭示尾水洞出口邊坡巖體內(nèi)發(fā)育 6 條小斷層,節(jié)理裂隙優(yōu)勢方向主要發(fā)育 4 組:J1(N60°~80°W/SW∠30°~55°);J5(N60°~70°E/SE∠23°~30°);J6(N0°~20°E/NW∠40°~77°);J10(N45°~60°W/SW∠85~90°)[1]。
尾水出口邊坡2 715.5 m高程以上分為三個臺階,設(shè)置了三級馬道,馬道高程分別為2 765 m、2 740 m和2 715.5 m,其中高程2 791.92~2 765 m、2 765~2 740 m兩級邊坡坡比為1∶0.5,高程2 740~2 715.5 m邊坡坡比為1∶0.3;高程2 715.5 m以下為渠道開挖。設(shè)計方案中的支護及防護類型主要有淺層錨噴支護、深層錨索支護、馬道鎖口錨桿、邊坡開口線鎖口錨桿束、坡頂截排水溝、柔性防護網(wǎng)等。
尾水出口右側(cè)高程2 740 m山體內(nèi)建有炸藥庫,炸藥庫值班房距離下游開挖邊界約50 m左右,且炸藥庫唯一的進出道路通過尾水出口邊坡開挖區(qū)域下部,對尾水出口邊坡的開挖施工造成了嚴重影響:一是施工過程中炸藥庫值班房極有可能被爆破飛石砸中,需做好防護工作;二是炸藥的供應(yīng)必然會因爆破渣料中斷,因此,在施工過程中需要考慮保通,進而影響到施工效率[2,3],尾水出口邊坡開挖平面布置情況見圖1。
圖1 尾水出口邊坡開挖平面布置圖
根據(jù)現(xiàn)場實際情況,僅有尾水檢修路從開挖區(qū)域2 735~2 740 m高程通過,上部區(qū)域無施工通道。根據(jù)實際施工需要,為方便尾水洞出口邊坡(含環(huán)境邊坡)的開挖與支護施工,增設(shè)了L1、L2兩條施工道路。
L1道路:位于尾水出口邊坡開挖范圍內(nèi),自2號路(尾水檢修公路)接入尾水出口邊坡2 740 m高程,“之”字形布置,道路寬6 m,長308 m,最大縱坡為11%。
L2道路:位于尾水出口邊坡開挖范圍上游,自2號路(尾水檢修公路)接入尾水出口邊坡2 780 m高程并延開口線延伸至下游側(cè)沖溝處,呈“之”字形布置,道路寬4 m,長約800 m,最大縱坡40%。主要用于尾水渠出口邊坡2 715.2 m高程以上開挖支護施工所需人員設(shè)備的通行及材料運輸。在便道2 750 m高程處設(shè)置臨建場地,主要布置施工用的空壓機房、箱式變壓器,用于施工所需設(shè)備和必要的風(fēng)水電布置等。
2.2 土方開挖
(1)施工程序。根據(jù)施工開挖的基本要求,所采用的施工程序為:施工準(zhǔn)備→測量放樣→場地清理→土方分層開挖→開挖邊坡修整→階段驗收。出口明挖采用分段分區(qū)、自上而下臺階式分層作業(yè)的方法組織施工。
(2)施工方法及要求。開挖前,首先進行測量放樣,標(biāo)識出開挖范圍和位置,然后采用人工清理開挖區(qū)域內(nèi)的樹木和有礙雜物,清理范圍延伸至開挖線外側(cè)3 m的距離。覆蓋層開挖采用1 m3反鏟削坡,人工配合修整邊坡。按照測量放樣的開口線沿馬道方向形成邊坡開口,然后自上而下分層開挖。同一層面的開挖施工按照“先土方開挖,后石方開挖,再邊坡支護”的順序進行,使開挖面同步下降。
該工程尾水出口邊坡的最大特點是巖石相當(dāng)破碎。該邊坡位于金沙江右岸,峽谷深度達1 000 m以上,在橫斷山脈形成過程中,峽谷岸坡經(jīng)常年河流切削、風(fēng)化和化學(xué)侵蝕,加之藏區(qū)極端溫度和溫差影響形成了獨特的高原地質(zhì)條件。邊坡物理地質(zhì)現(xiàn)象主要表現(xiàn)為巖體風(fēng)化、卸荷和局部崩塌,表層有零星卸荷巖體發(fā)生小規(guī)模崩塌現(xiàn)象,2 758 m高程處的巖體強卸荷水平深度達15~25 m,弱卸荷水平深度為50~60 m,弱風(fēng)化上段水平深度為15~25 m,弱風(fēng)化下段水平深度為15~25 m。尾水洞出口邊坡多位于強卸荷、弱風(fēng)化帶內(nèi),裂隙多張開、銹染。設(shè)計圖紙顯示:出口邊坡以Ⅳ、Ⅴ類圍巖為主,最大開挖厚度約50 m,開挖后揭露的永久邊坡除極少數(shù)坡面為Ⅲ2類圍巖外,其余絕大多數(shù)為Ⅳ類圍巖。
在開挖過程中,由于巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜,給鉆孔和爆破施工造成了較大困難:一是裂隙發(fā)育。通過孔內(nèi)電視觀測發(fā)現(xiàn)巖體裂隙的寬度最大達到70 cm,容易造成100B鉆頭卡鉆,進而影響鉆進速度;二是受軟弱夾層影響容易造成鉆孔方向和角度偏差,尤其是預(yù)裂孔的造孔質(zhì)量容易受到影響;三是裂隙大多穿透巖層,使孔內(nèi)與外界的大氣串通,在鉆進過程中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)邊坡出現(xiàn)“冒氣”(大量灰塵隨高壓風(fēng)從裂隙吹出)現(xiàn)象,造成爆破孔氣密性不足而影響到爆破效果。
(1)施工程序。測量放樣→場地清理→清除浮渣→第一層梯段開挖→第一層支護→最后一層梯段開挖→最后一層支護→建基面保護層開挖。
為控制爆破對邊坡巖體和周邊建筑物的影響,同時降低下方炸藥庫道路的保通難度,必須合理分配每次開挖爆破的方量,控制炸藥單耗,降低單次爆破藥量。因此,對尾水出口邊坡高程2 715.2 m以上部分采取分層、分區(qū)的開挖方式,高度方向按照設(shè)計高程分六層開挖,水平方向按水流方向分①、②、③區(qū)三個區(qū)域開挖,以便于設(shè)備的調(diào)配。各區(qū)開挖分層高度一般為10~15 m,最大為16 m,采用液壓鉆鉆機造主爆孔,QZJ-100B、YT-28型氣腿鉆造預(yù)裂孔,松動爆破,渣料采用3臺1.6 m3反鏟挖裝,2臺1 m3反鏟配合,采用20 t自卸汽車運至降曲河棄渣。馬道及2 715.2 m高程平臺底板保護層厚3 m,采用水平光爆方式開挖。水平區(qū)域劃分情況見圖2。
圖2 施工開挖水平區(qū)域劃分示意圖
(2)施工方法及要求。對 出口明挖段上部緊鄰邊坡部位先進行預(yù)裂,設(shè)置緩沖爆破區(qū)以減少爆破振動對保留巖體的影響。采用液壓履帶鉆或100B潛孔鉆鉆孔,非電毫秒雷管聯(lián)網(wǎng)、微差控制爆破[4,5]。
①鉆孔。以液壓鉆機造孔為主,QZJ-100B支架式鉆機為輔,鉆孔孔徑為80~115 mm。
為提高爆破效率、降低成本,梯段爆破孔采用寬孔距、小排距的布孔方式,布孔時盡可能地避開軟弱夾層;采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)和孔間微差爆破,使爆破出的石渣粒徑均勻,解炮量少。鉆孔施工過程中,由專人檢查鉆孔質(zhì)量及孔網(wǎng)參數(shù),發(fā)現(xiàn)不合格時立即要求返工。
鉆機樣架必須搭設(shè)牢固,經(jīng)測量復(fù)核后方能投入使用。鉆進過程中,經(jīng)常性地對樣架進行檢查和加固;開鉆前2 m內(nèi)鉆工必須進行三次校鉆,即采用水平靠尺、角度尺等角度測量工具分別在鉆進至0.5 m、1 m和2 m時對鉆頭方向和角度進行復(fù)核,待其滿足設(shè)計角度方能繼續(xù)鉆進,否則必須重新開孔;開鉆前2 m內(nèi)采用低風(fēng)壓、低速鉆進,第三次校鉆合格后,方能采用高風(fēng)壓鉆進。施工過程中必須加強一線鉆工的培訓(xùn)和實踐,固化鉆進工藝,確保鉆孔質(zhì)量。
②裝藥與聯(lián)網(wǎng)爆破。采取人工裝填乳化炸藥的方式,主爆孔柱狀連續(xù)裝藥,緩沖孔及預(yù)裂孔采用柱狀分段空氣間隔不耦合裝藥結(jié)構(gòu),巖石爆破單位耗藥量為0.25~0.55 kg/m3,預(yù)裂孔線裝藥密度為300~350 g/m,根據(jù)鉆孔過程中反映出的不同圍巖條件取不同的單耗和線裝藥密度。根據(jù)現(xiàn)場試驗成果,進一步優(yōu)化了裝藥參數(shù),將單耗確定為0.35 kg/m3,預(yù)裂孔線裝藥密度確定為300 g/m。主爆孔和緩沖孔選用φ70 mm藥卷;預(yù)裂孔選用φ32 mm藥卷,孔內(nèi)導(dǎo)爆索傳爆,孔外電雷管或?qū)П芷鸨?,同時,預(yù)裂孔起爆時間應(yīng)超前主爆孔50 ms以上。
梯段爆破采用微差爆破網(wǎng)絡(luò),采用1~15段毫秒非電雷管聯(lián)網(wǎng),電雷管起爆,最大一段的起爆藥量不大于250 kg。
根據(jù)現(xiàn)場爆破試驗得出的梯段爆破參數(shù)如下:
a. 梯段高度H=10~15 m;
b. 孔距a=3~4 m;
c. 排距b=2~3 m;
d. 超深L=0.9 m;
e. 炸藥單耗q=0.25~0.5 kg/m3;
預(yù)裂孔孔距為0.8~1 m。
典型爆破多段微差接力網(wǎng)絡(luò)見圖3。
圖3 典型爆破多段微差接力網(wǎng)絡(luò)圖
③預(yù)裂孔裝藥結(jié)構(gòu)。預(yù)裂孔使用間隔不耦合裝藥。由于預(yù)裂孔較深導(dǎo)致底部夾制嚴重,其底部線裝藥密度加大為正常段的2~3倍,底部0.6 m為加強段;由于開挖區(qū)巖石較堅硬且馬道留有2 m的保護層,故堵塞長度取為1.2~1.5 m。
④水平保護層開挖。根據(jù)建基面地形條件和以往的施工經(jīng)驗,保護層的開挖采取了淺孔松動爆破配合水平預(yù)裂的施工方案,快速開挖保護層。
⑤破碎巖體的鉆孔及爆破應(yīng)對措施。一是采用黏土固壁以減少卡鉆的幾率,加快施工效率。由于邊坡巖體裂隙較多,若采用固結(jié)灌漿會存在工期較長、吃漿量大等問題,極大程度地增加了施工成本,因此,采用黏土固壁的方式較為合適,同時有利于改善鉆孔氣密性,確保爆破效果;二是加強鉆工的培訓(xùn)與交底,通過孔口返渣和鉆進速度變化情況判斷巖層的變化,及時調(diào)整鉆進的力度和速度,嚴格控制預(yù)裂孔的造孔質(zhì)量。
(1)為控制爆破后的塊徑和飛石,達到控制爆破的效果,梯段爆破孔采用寬孔距、小排距的布孔方式,布孔時盡可能地避開軟弱夾層;采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)和孔間微差,使爆破出來的石渣粒徑均勻,解炮量少;多鉆孔、少裝藥、孔內(nèi)不偶合裝藥以達到弱松動的效果,嚴格控制爆破振動對邊坡的不利影響,確保高邊坡開挖的穩(wěn)定和施工安全;減少爆破飛石,避免對附近炸藥庫值班房造成損壞;在開挖的同時進行爆破震動監(jiān)測,通過爆破震動的監(jiān)測數(shù)據(jù)優(yōu)化爆破參數(shù)[6,7]。
(2)在炸藥庫值班房外側(cè)搭設(shè)包裹式防護棚(采用鋼管架+竹跳板搭設(shè)),外層再張拉一道柔性被動防護網(wǎng),對值班房形成全包圍防護。
(3)爆破后,位于開挖區(qū)域下部的炸藥庫通行道路斷道。在現(xiàn)場實際條件限制下,投入了大量的推土機、裝載機、挖掘機等大型土石方機械,采用在開挖爆破渣堆外緣快速修筑便道的方式實現(xiàn)爆破作業(yè)后12 h內(nèi)恢復(fù)開挖區(qū)域下部重要道路通行的目標(biāo);同時,建立完善了溝通協(xié)調(diào)機制,爆破作業(yè)前提醒友鄰單位提前申領(lǐng)火工品;修建臨時火工品庫房,儲存一定數(shù)量的火工品,盡量減小炸藥庫斷道造成的影響。
葉巴灘水電站尾水出口高邊坡經(jīng)過一年時間的施工,目前已開挖至2 740 m高程,坡面大面平整,炮孔間距均勻,局部不平整度最大為11 cm,合格率大于80%;半孔率平均為72.3%,遠高于Ⅳ類巖體應(yīng)不低于50%的目標(biāo);平均超挖僅14 cm,局部超欠挖檢測點的合格比例大于80%。最大梯段高度嚴格控制在16 m以下,同時,根據(jù)巖層變化及時調(diào)整了鉆進力度和速度,避免了孔深過大和巖體破碎帶來的飄鉆、八字孔、剪刀孔等問題,有力確保了開挖質(zhì)量。
通過增加防護措施、采用控制爆破技術(shù),有效控制了對鄰近重要建筑物的影響,至今未發(fā)生爆破飛石擊中炸藥庫值班房的事故;通過合理安排,積極協(xié)調(diào)溝通、及時恢復(fù)便道、建臨時火工品庫等措施,有效解決了炸藥庫通道保通問題,未對工區(qū)火工品供應(yīng)造成影響,同時也保證了施工效率。
葉巴灘水電站尾水出口高邊坡在Ⅳ類圍巖巖石條件較差的情況下,通過合理設(shè)置梯段高度、固化鉆孔工藝、黏土固壁、調(diào)整鉆進力度和速度、優(yōu)化裝藥參數(shù)、采用微差起爆等一系列措施,有效地保證了開挖質(zhì)量,使得半孔率、超欠挖、不平整度等指標(biāo)均達到了較高水平,并將對周邊鄰近重要建筑物和對開挖區(qū)域內(nèi)重要道路的影響降到最低。經(jīng)檢驗得知:破碎圍巖條件下高邊坡開挖技術(shù)達到了預(yù)期效果, 所取得的經(jīng)驗對同類工程施工具有一定的參考價值[8]。