徐 林，羅洪波，陳毅峰，邱煥峰

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

水電水利工程大壩邊坡開挖會造成生態(tài)破壞和水土流失，即使后期進行生態(tài)修復，效果也不甚理想。窯洞式拱肩槽技術可以從源頭避免產生高陡的永久人工邊坡，使建筑物與自然和諧相處，是一項適用于峽谷地區(qū)拱壩的生態(tài)開挖技術。與傳統(tǒng)的開槽明挖相比，窯洞式拱肩槽的優(yōu)點主要有：開挖創(chuàng)面小，最大程度減小對環(huán)境的影響，拱壩建筑物與環(huán)境渾然一體，自然美觀；減少了拱壩壩肩邊坡的開挖高度和范圍，降低工程邊坡的安全風險和施工難度，減少開挖支護量，從而縮短工期，節(jié)省投資；最大程度地保留壩肩下游的山體，利于拱壩壩肩穩(wěn)定。目前，國內窯洞式拱肩槽在招徠河、天花板、云口、蓋下壩等水電工程均有采用[1-3]。其中，跨度最大的為蓋下壩拱壩，為16.61 m，高度最大的為天花板拱壩，為67 m。

本文介紹了該技術成果在善泥坡水電站的成功應用經驗，實現了大規(guī)模的窯洞式拱肩槽開挖。拱壩左岸窯洞壩頂洞深33.30 m，設計底高程為828 m，設計最大高度66.6 m，最大跨度18 m；右岸窯洞壩頂洞深46.01 m，窯洞底高程為783 m，最大高度達111.60 m，最大跨度23 m。

1 窯洞式拱肩槽適用條件

1.1 地形地質條件適應性

窯洞式拱肩槽對地形地質條件要求較高，主要需具備以下特點，才可考慮采用窯洞式拱肩槽：

(1)兩岸山體高陡。善泥坡水電站壩址河谷為“U”形谷，左右岸均為高聳陡壁，坡度接近鉛直，左右岸陡壁頂高程在1 200 m和960 m左右，均遠超過壩頂高程，如果采取傳統(tǒng)的開槽明挖方式，將形成極高的開挖邊坡，有必要采取窯洞式拱肩槽。

(2)平緩、厚層、堅硬的巖石，無大的地質構造缺陷。善泥坡水電站大壩兩岸地層為單斜構造，地層單一，均為厚層灰?guī)r，濕抗壓強度為67 MPa，屬堅硬巖，巖層傾角平緩10°～15°，進行壩址壩線選擇時，避開了斷層、褶皺等大規(guī)模的地質缺陷，具備采用窯洞式拱肩槽的基本條件。

1.2 拱壩體形適應性

與傳統(tǒng)的開槽明挖不同，窯洞式拱肩槽適宜小嵌深、小正倒懸度、小厚高比、小中心角的拱壩體型，以減小窯洞開挖的規(guī)模和開挖倒懸度。通過對比多種曲線線形，拋物線靠近兩岸愈發(fā)趨于扁平，特別適合窯洞式拱肩槽。對窯洞式拱肩槽范圍內的拱壩體型，應盡量減小體型正懸度，以減小開挖倒懸度。

善泥坡水電站雙曲拱壩基本體形為：壩頂高程888 m，壩底高程778 m，最大壩高110 m，壩頂寬6.0 m，壩底厚23.5 m，厚高比0.214，壩頂中心弧長204.29 m，最大中心角86.573°，最小中心角62.505°，拱壩最大倒懸度0.14，兩岸窯洞范圍內拱壩最大倒懸度0.11，最大正懸度0.20。

1.3 拱壩嵌深的確定

拱壩對兩拱肩槽和河床基礎巖體要求均較高，需要一定的嵌深才能滿足要求。而窯洞式拱肩槽則要求盡量減小兩岸嵌深和河床開挖深度，降低窯洞的規(guī)模。為把握這個矛盾體之間的平衡，需要一個可量化的控制指標確定拱壩嵌深。巖石的聲波CT可直接反應巖石的完整程度，并與巖石的彈性模量具有一一對應的關系，可作為嵌深量化的控制指標參與拱壩應力計算。

通過對善泥坡水電站壩基巖石進行的聲波CT和變形模量選點測試，建立起兩者的理論關系，經過回歸計算得出兩者的相關方程為

E0=aVpb

式中，E0為巖體變形模量；Vp為巖體聲波速度；a、b為相關系數，a=8.35×10-10，b=2.75。

計算表明，基巖變形模量E0為11 GPa時，壩體拉壓應力均可滿足設計要求，嵌深最小，其相應的聲波波速Vp為4 650 m/s，故以基巖聲波波速Vp≥4 650 m/s為拱壩基巖質量基本控制指標。最終，確定善泥坡水電站拱壩左岸嵌深21～28 m，右岸嵌深39～44 m，河床壩基高程778 m，建基面均坐落在微風化巖石上部。

2 窯洞式拱肩槽設計方法

2.1 拱肩窯洞穩(wěn)定分析

窯洞式拱肩槽窯洞主要有掉塊和滑動2種可能的破壞模式，兩者的滑動塊體均為楔體，楔體是由2條或2條以上的結構面對巖體切割而形成的，分為定位楔體和隨機楔體。定位楔體系指由大規(guī)模斷層或可確定位置的結構面組合形成的楔體，滑體具有確定的出露位置；由隨機結構面組合形成的楔體稱之為隨機楔體，位置具有不確定性[4]。

由于窯洞從地表掛口，地質結構面具有密度高、連通性好、隨機性強等特點，決定了隨機楔體的計算方法更加適用，一般可考慮2～3組構造組合。

善泥坡水電站壩址兩岸地層為二疊系下統(tǒng)棲霞組第二段(P1q2)厚層灰?guī)r，巖層產狀為N10°W，SW∠10°～15°，緩傾上游偏左岸。兩岸水平卸荷深度18～25 m，其中強卸荷帶水平深度6 m左右。裂隙物理力學參數f′=0.35，c′=0.03 Mpa。各組裂隙特征見表1。

表1 壩址區(qū)裂隙統(tǒng)計

通過隨機組合搜索，得到最小穩(wěn)定安全系數(見表2)。從表2可知，各種破壞模式下穩(wěn)定安全系數都可以滿足要求。

表2 隨機楔體穩(wěn)定安全系數成果

2.2 窯洞開挖與支護設計

2.2.1 窯洞的開挖設計

(1)洞身。兩岸上壩交通洞施工到拱端后，以上壩交通洞為平臺，緊貼拱壩外形輪廓，向下逐步分層開挖形成拱壩澆筑空間，成為上窄下寬、上下游洞壁具備一定倒懸的窯洞，上下游洞壁開挖邊界超出大壩體形結構線的外緣一定距離，以滿足支護需要和壩體變形要求。善泥坡水電站考慮支護厚度10 cm、混凝土澆注壓縮彈性墊層2 cm、拱壩向下游變形2.13 cm、開挖后巖體回彈變形約2～3 cm，最終確定上游開挖面預留15 cm、下游開挖面預留20 cm的距離。善泥坡水電站大壩開挖平面見圖1。

圖1 善泥坡水電站大壩開挖平面(高程：m)

(2)洞臉。洞臉部位受地表強卸荷裂隙的影響，邊坡穩(wěn)定性極差，是制約窯洞開挖安全的關鍵因素。隨著窯洞的倒懸開挖下切，會對上部高程的巖體形成切腳，且一旦開挖至低高程，上部高程即失去了支護施工通道。因此，洞臉開挖支護設計應具備超前意識，及時清除強卸荷巖體或支護，并盡早形成洞臉，為向下開挖創(chuàng)造條件。善泥坡水電站拱壩右岸開挖至860 m高程時為窯洞開挖的關鍵時期，此時開挖面貌見圖2。A、C區(qū)為已經開挖形成的洞臉邊坡，需對不穩(wěn)定塊體進行清除，并對洞臉進行系統(tǒng)的支護施工。B、D區(qū)為下一步的開挖洞臉邊坡，裂隙極為發(fā)育，此時如果仍按拱壩輪廓下挖，由于上下游倒懸勢必會形成難以處理的危巖體，所以應在高程860 m開始逐步形成上下游的洞臉開挖邊坡，清除B、D區(qū)的危巖體。

圖2 窯洞開挖至860 m高程時情況

2.2.2 窯洞的支護設計

除了傳統(tǒng)的噴錨掛網支護外，應考慮采取的特殊的支護措施有：①洞壁錨索支護。在上下游洞壁布置一定的錨索。②洞頂支護設計。主要支護措施有鋼支撐臨時支護、鋼筋混凝土永久襯砌、洞壁錨索和洞臉鎖口錨索等。③巖石主次錨索。垂直洞臉邊坡布置主錨索，會產生垂直于錨索方向的法向變形，可在開挖洞壁和下游巖面之間布置對穿次錨索予以抵消。

3 窯洞式拱肩槽細部結構設計

(1)上下游壩面彈性墊層兼模板。窯洞開挖完成后，開挖面緊靠上下游壩面，如果直接填筑壩體混凝土，壩體和上下游山體澆筑成整體，大壩受荷變形后部分荷載將傳遞到山體淺表，造成山體邊坡失穩(wěn)。根據拱壩受力特點，應將拱壩推力盡量傳遞至山體深處，所以壩面應和上下游開挖面脫開，但壩肩槽開挖緊靠壩面，無法采用常規(guī)立模澆筑方法。利用上下游窯洞壁，以聚乙烯泡沫板代替常規(guī)模板，使用后不予拆除，使拱壩有一定的變形空間。根據善泥坡水電站拱壩的變形計算結果，壩體上下游面鋪設聚乙烯泡沫板厚度為5 cm和10 cm。

(2)壩肩邊坡內嵌錨墩式錨索。傳統(tǒng)的錨索保護墩一般采用的外凸式，但對窯洞式開挖，開挖面和結構面緊緊相靠，如采用外凸式錨墩，勢必會侵占拱壩壩體，影響拱壩受力。為保證壩體結構的完整，窯洞洞壁上的錨索采內嵌式錨墩(見圖3)。

圖3 內嵌式錨墩

(3)壩肩明洞被動防護。窯洞拱肩槽兩岸壩頂以上為原始邊坡，在長期風化作用下會形成危石，若進行系統(tǒng)的支護施工，需架設大量的腳手排架和施工道路，如此便失去了窯洞開挖的意義。為確保大壩壩頂特別是洞口處的安全，采取明洞防護方式進行被動防護。

(4)施工交通布置。窯洞拱肩槽一般適用于兩岸山體高陡之處，施工道路及永久交通布置困難。對窯洞開挖，兩岸的上壩交通一般為交通洞，可兼顧作為拱壩開挖施工交通，在下游設置施工臨時索橋連接左右岸，通過壩頂永久交通連接左右岸。

4 窯洞式拱肩槽施工關鍵技術

(1)水平光面爆破技術。大壩開挖一般采取垂直梯段預裂爆破技術開挖，經過在善泥坡水電站實踐，整體開挖半孔率約為60%，平整度最大達到40 cm，爆破質點最大震動速度達到18.4 cm/s，均無法滿足設計要求。經多次研究調整，將原來的垂直梯段爆破改變?yōu)樗蕉赐诜绞?，將每層開挖分為3個區(qū)，壩肩岸坡5 m內為Ⅰ區(qū)；靠近拱端3 m內為Ⅲ區(qū)；其他部分為Ⅱ區(qū)。首先，對Ⅰ區(qū)采用豎向鉆孔周邊預裂的爆破方式開挖，為Ⅱ區(qū)的開挖形成施工平臺；Ⅱ區(qū)采用光面爆破，采取單循環(huán)隧洞開挖方式，進尺按4～5 m控制；Ⅱ區(qū)開挖完成后，進行Ⅲ區(qū)拱肩段的施工，拱肩段是拱壩受力的關鍵部位，采用垂直向預裂爆破方式進行。善泥坡水電站最終開挖的平整度小于10 cm，噴混凝土后平整度小于5 cm，爆破質點最大震動速度為4.30 cm/s，爆破效果良好[5]。

(2)避炮安全措施。窯洞式拱肩槽無法布置坡面上的施工道路，開挖工作面狹窄，放炮期間施工設備避炮困難。可采取起吊的避炮方式，在壩肩拱端交通洞內布置1臺卷揚機，窯洞頂拱布置吊點和滑輪組，每次開挖爆破前將開挖設備吊離爆破施工面，實現安全避炮。

5 變形監(jiān)測

善泥坡水電站2011年6月開始壩肩窯洞開挖，2012年12月開挖完成，開始大壩混凝土澆筑，2014年11月29日順利實現下閘蓄水，至今工程已安全運行3年多。為監(jiān)測窯洞施工及運行期的變形情況，在左右岸窯洞洞壁上布置了10套2點式多點位移計，除了1套測值較大外，其他變形值均小于2 mm，且運行期測值已趨于穩(wěn)定，測值較大的位于右岸洞頂處，其過程曲線見圖4。從圖4可知，變形過程可以分為3個階段：第1階段是開挖過程中變形快速增長期；第2階段是開挖完成后的變形收斂期；第3階段是所有變形完成后的平穩(wěn)運行期。變形符合規(guī)律，邊坡安全穩(wěn)定。

圖4 多點位移計變化量過程

6 結 語

本文從設計原理方法、細部結構設計和施工措施等方面，系統(tǒng)介紹了窯洞式拱肩槽開挖設計方案，通過在善泥坡水電站的工程實踐，得到了以下結論：

(1)窯洞式拱肩槽對地質條件要求較高，盡量選取巖層較厚、傾角平緩、構造不發(fā)育之處。應盡量采用小嵌深、小正倒懸度、小厚高比、小中心角的拱壩體型，合理確定拱壩嵌深，既滿足拱壩建基面要求，又盡量減小窯洞規(guī)模。

(2)窯洞穩(wěn)定性分析方法可采用隨機楔體分析方法，應充分重視窯洞洞頂、洞臉的開挖支護設計，是窯洞穩(wěn)定性的關鍵因素。

(3)提出了彈性墊層兼顧模板、內嵌式錨墩、明洞防護技術等細部結構解決方案。水平光面爆破和起吊法避炮施工措施解決了窯洞開挖施工的關鍵技術。