中国水利水电第四工程局有限公司 青海 西宁 810007
摘要：窑洞式坝肩开挖是近年来应用在边坡陡峻的拱坝坝肩开挖的一种形式，该工程具有上部开挖小下部开挖大的倒悬体结构，坝肩槽开挖后出现“八”字形的倒悬结构。拦河大坝为抛物线双曲薄拱坝，最大坝高119.4m，坝顶宽6m，坝底宽24m，分别在坝体内布置4层灌浆和观测廊道，坝体设置两个中孔泄水道和三个溢流表孔建筑物，枢纽结构复杂，加上特殊的地形条件，施工组织难度大。文章就峡谷拱坝开挖及碾压混凝土施工进行系统介绍。
关键词：窑洞式坝肩开挖；碾压双曲薄拱坝
1 工程概况
善泥坡水电站位于北盘江干流中游河段贵州省六盘水市水城县顺场乡境内，距水城118km,距贵阳市362km，地处六盘水腹地。工程以发电为主，电站水库正常蓄水位885m，总库容0.850亿m3，是日调节水库，电站装机容量185.5MW，保证出力20.78MW，多年平均发电量6.78亿KW.H。
工程为三等工程，规模为中型，建筑物主要由碾压混凝土双曲拱坝，坝身泄洪系统，左岸引水系统及地下厂房和小机组引水发电系统等组成。混凝土拱坝按100年一遇洪水标准设计，设计洪水位885m高程，相应下泄流量4640 m3/s；1000年一遇洪水校核，校核洪水位887.65m，相应下泄流量6294 m3/s。建筑物由溢流表孔、中孔及下游消能防冲建筑物等组成。溢流表孔及中孔均布置在拱坝坝身。三个溢流表孔沿拱坝中心线对称布置，孔口尺寸14x10m(宽X高)。两个中孔布置在825m高程，相间布置在三个表孔中间。出口尺寸6 x 7.5m(宽x高)。
拦河大坝为抛物线双曲拱坝，拱坝坝顶高程888.0m，坝底高程768.6m，最大坝高119.4m，坝顶宽6m，坝底宽24m，厚高比0.201，坝顶中心弧长212m，最大中心角90.85°，最小中心角45.17°，大坝常态混凝土14.36万m3，碾压混凝土25.64万m3。
2 工程施工特点
2.1 善泥坡电站坝址位于该峡谷出口段，河谷为“U”河谷，左岸为一高耸的陡壁，陡壁顶高程1200m左右，形成相对高差为400m，右岸830m以下为40~50°的陡坡，830~960m为陡壁。善泥坡大坝为双曲面拱坝，最大坝高119m，按设计型体，两岸坝肩均嵌入岩体。左岸深入岩体21.47m，右岸深入岩体44.18m，形成目前国内最大的窑洞式坝肩开挖。
2.2善泥坡水电站最大坝高119m，为双曲面薄型拱坝，底宽24m，顶宽6m，坝顶最大长度212m，坝身布置三孔溢流表孔和两个中孔等泄水建筑物，结构紧凑和密集，具有技术复杂，施工面狭小，影响因素多，常态混凝土比例较大的特点，无法充分体现碾压混凝土快速施工的优越性。
2.3坝体内部纵向设有五道诱导缝，诱导缝采用预制混凝土诱导块形成，在坝体内沿拱圈径向布置，每隔一碾压层布置一层诱导块，在诱导缝中埋设灌浆系统，以确保拱坝的整体性。
2.4善泥坡电站坝址以上流域属于亚热带高原季风气候，四季变化明显，年降水量变化大，分布不均，昼夜温差大。
2.5工期紧，电站开工后，由于地质原因和两岸山体的不稳定因素，造成工期紧张，形成工程的赶工施工。
3 开挖支护施工
3.1 坝肩开挖施工
3.1.1善泥坡水电站大坝坝肩根据设计要求采用坝肩窑洞式开挖施工，开挖高程为888m~810m高程，设计开挖结构比较特殊，上部开挖小下部开挖大的倒悬体结构，坝肩槽开挖后出现“八”字形的倒悬结构，使坝肩上下游岩体不稳定性急剧增大。由于两岸坝肩边坡陡峻，岩石地质条件比较差，岩石破碎，强卸荷带密集发育且大多张开，在开挖边界以外上下游侧存在多处卸荷岩体，岸坡裂隙局部张拉扩大，岩体受卸荷裂隙、构造裂隙及层面相互组合切割，形成板块状体塌落，在施工期间多次发生自然塌方现象，对大坝施工构成较大威胁，原坝肩开挖方案采用垂直孔预裂爆破的开挖方式，受坝肩槽内的地质影响较大，爆破后岩面岩体破碎，半孔率小，平整度差，同时垂直一层开挖下去后才能对上下游面边坡进行支护，支护相对不及时，容易造成在出渣过程中边坡岩体坍塌。因此先前制定的垂直钻孔梯段爆破的开挖方式不适合岩石地质条件，对大坝坝肩的开挖方案必须进行必要的调整和修改。
3.1.2根据坝肩开挖初期出现的实际情况，决定将垂直孔预裂爆破方案改为水平钻孔爆破，上下游面光面爆破，分层高度按3m控制，单循环进尺按4m控制，在每一层开挖前将第一段5m采用竖向钻孔爆破反铲扒渣后开挖出施工掌子面，采用手风钻钻孔将坝肩进行爆破开挖处理，一个开挖循环爆破完成后及时进行锚杆及喷混凝土支护等施工，支护施工后紧跟开挖循环进行，当开挖施工至有锚索支护施工的高程时，适当延长时间完成锚索钻孔及锚索穿束、内锚固段注浆及锚墩混凝土浇筑后进行下一层开挖施工。
大坝坝肩开挖采用洞挖方式后，采用短进尺小药量方式，开挖质量得到有效提高，减少了对坝肩裂隙发育岩体爆破振动影响，形成比较规整的开挖壁面，平整度、半孔率得到有效提高，对坝肩地质较差部位的超挖可以进一步的控制，满足设计对坝肩开挖的质量要求，加快了开挖进度，坝肩采用短进尺循环，使各施工工序的衔接更加紧密，形成支护施工在出渣后进行，开挖完成一个进尺支护也跟进一个进尺的循环施工。
3.2 坝肩支护施工
坝肩边坡开挖支护施工的主要内容有锚杆、喷射混凝土，预应力锚索。支护施工在开挖一层完成后立即进行，遇到锚索布置高程时将锚索钻孔完成，并将锚索穿束及内锚固墩浇筑完成后进行下一层的开挖施工，在没有锚索支护的开挖高程 ，先将锚杆支护和挂网混凝土喷护等支护工作完成后进行下一层的开挖施工，做到边开挖边支护施工以保证大坝坝肩边坡的稳定。
3.2.1锚杆施工为∮25和∮28两种，长度分别4.5m和9.0m，外漏0.1m，3.0 m× 3.0m梅花形布置。布孔：在边坡开挖成型验收合格后，将边坡上的浮石撬除，将岩面青龙干净，按施工图纸测量定位布置钻孔位置，控制孔位偏差不大于100mm，图纸未作规定的，系统锚杆的孔轴方向垂直于开挖面。长度9m的砂浆锚杆钻孔采用潜孔钻机钻孔，一般为先安装锚杆后注浆方式，长度4.5m的砂浆锚杆采用YT-28手风钻钻孔，一般为先注浆后安装锚杆。“先注浆后安装锚杆”钻头直径大于锚杆直径15mm以上，“先安装锚杆后注浆”钻头直径大于锚杆直径25mm以上。砂浆按配合比拌制，注浆机注浆。
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3.2.2喷射混凝土的标号为C20厚度10㎝，主要为钢筋混凝土，挂网钢筋在后方加工厂制作，采用6.5mm圆钢加工成2.0 ×2.0m钢筋网片，网格尺寸根据设计要求为20 × 20cm，人工挂网，网片与插筋用铅丝牢固绑扎，网片搭接长度20cm，铅丝连接，网片距基岩面5cm。喷射混凝土前，在岩石表面插入钢筋，间距不大于5m，钢筋伸出部分的长度为喷射混凝土的厚度，在混凝土喷射完成后钢筋全部被喷射混凝土覆盖。
3.2.3锚索施工采用潜孔钻进行造孔，锚索设计吨位1500KN,张拉吨位1500KN，长度40米。锚索注浆采用水泥砂浆，强度等级M35，锚索安插全部由人工完成，完成后对内锚固段进行注浆，注浆结束后进行锚墩浇筑施工，以及锚索张拉施工、张拉段注浆施工、和外锚头混凝土浇筑。
4 坝基开挖施工
善泥坡电站大坝开挖施工有坝基、两岸边坡、坝肩窑洞式开挖、下游护坦护坡、上游危岩体开挖及临时施工道路等范围的土石方开挖工程，土石方开挖工程量为37.12万m3。根据工程总体规划，考虑各个施工部位施工干扰和施工连续性，坝基868m~808m的开挖，按部位、高程、交面工期和相互工期分为6个区进行，在每个区为若干个爆破区，使开挖钻爆、支护与机械出渣协调进行，形成流水作业。各区开挖施工时，按自上而下分层开挖的方式进行，覆盖土方开挖机械设备有效作业高度确定，分层高度5m，石方开挖分层高度根据招标文件要求或设计型体确定，坝基及护坡开挖采用分层开挖方式，坝基分层厚度为10m，采用QZJ-100B潜孔钻和D7液压钻机进行造孔，挖掘机配合20T自卸汽车出渣，河床覆盖层采用反铲直接开挖装20T自卸出渣。
工程开工后，形成了右岸高程815m集渣平台，右岸815m以上的开挖料全部从集渣平台运走，左岸无交通道路，从基坑运走。坝基及护坡底板建基面预留约3.0m保护层，光爆(预留)开挖。
5 大坝碾压混凝土施工
善泥坡水电站挡水坝段由左右岸非溢流坝段和中间溢流坝段组成。混凝土总量40万m3，常态混凝土14.4万m3；岸坡坝基、下游面其他不便碾压部位变态混凝土2.18万m3，大坝上游面防渗碾压混凝土7.18万m3，坝体内部碾压混凝土16.44万m3。诱导缝模块10149块。根据施工总体规划、总进度计划和坝体防汛要求，以及施工厂区交通条件，碾压混凝土垂直运输主要采取箱式满管溜槽的方式进行碾压混凝土施工，局部采用M900塔机补充。满管溜槽分两期布置，前期高程805m以下主要利用导流洞施工支洞和右岸高程820m灌浆洞布置满管溜槽施工，820m以上部位的碾压混凝土施工靠左右岸888m高程的溜槽完成。
5.1善泥坡水电站大坝碾压混凝土分为四区，上游迎水面0.5m范围为CbⅠ(C20)二级料变态混凝土；下游面0.5m范围为CbⅡ(C20)三级料变态混凝土；坝体内部碾压混凝土上游为RⅠ（C20）二级配混凝土；下游为RⅡ（C20）三级配混凝土。大坝上游迎水面主要采用防渗混凝土和防渗涂层进行防渗设计。泄洪建筑物溢流面常态混凝土。
5.2善泥坡电站双曲拱坝除两岸坡周边缝外，设计有5道诱导缝，诱导缝采用预制混凝土块形成，在诱导缝埋设灌浆系统进行水泥灌浆。拱坝两段周边缝的混凝土有键槽和灌浆系统及止水片型钢及过缝钢筋等埋件。周边缝靠岸侧止浆梗由常态混凝土预先浇筑，横缝止水、冷却水管等埋设件均按设计要求安装埋设。在坝段分缝处及基础部位均有止水布置，上下游均有两道止水铜片。大坝坝体内部785m高程布置一条基础灌浆廊道，对大坝进行帷幕灌浆施工，在左岸830m高程、右岸820m高程均设有观测和灌浆廊道。
5.3善泥坡水电站大坝混凝土总量约为40万m3，其中碾压混凝土为25.65万m3，常态混凝土14.4万m3。混凝土生产系统能力按满足月最高浇筑强度4.8万m3/月设计。骨料由人工开采破碎而成，由其他标段承包商提供，采用胶带机运输到混凝土生产系统。混凝土拌合系统布置于坝址右岸下游2#公路侧880m高程，拌合系统由一座1×4强制式拌合站（150 m3/h）、一座1×2.5强制式拌合站（90 m3/h）,及水泥、粉煤灰储料灌，骨料输送及称量系统构成，为了保证高温季节混凝土的出机温度,系统配置制冷车间,采用冷水拌合方式,保证高温季节出机口温度,混凝土的水平运输采用20T自卸车和6 m3搅拌车运输。
5.4根据工程所处的地形、地质，及枢纽布置条件，大坝入仓方案是汽车直接入仓；“汽车＋满管溜槽＋仓面汽车”方式；大坝碾压混凝土施工790m高程以下利用下游基坑和护坡进行垫渣直接入仓，790m高程以上利用右岸820m高程灌浆交通洞布置满管溜槽下料入仓；820m~888m高程混凝土在左右岸各布置一条大倾角高度达66m的满管溜槽人仓，入仓强度满足大坝施工要求。
5.5善泥坡大坝碾压混凝土的仓面运输由20T自卸汽车完成，由于大坝为双曲拱坝，坝顶最小宽度仅有6m，施工面过于狭小，施工时根据大坝仓面的实际情况采用了平层法和斜层法两种方法作业施工；铺料采用两点叠压式退铺法卸料串链摊铺作业法。摊铺用平板式履带平仓机平仓，均匀摊铺。铺层厚度34cm，压实厚度30cm。碾压施工由两台BW202AD振动碾完成，碾压参数：为无振2遍＋有振8遍＋无振2遍；碾压按条带进行，搭接法作业，条带间的搭接宽度20cm，端头部位搭接宽度按不小于100cm控制，混凝土压实度用核子密度仪检测，未达到压实度标准的，振动碾补压。大坝上下游,靠岸坡部位，止水埋设处，廊道周围变态混凝土的施工，与碾压混凝土同步进行，变态混凝土通过碾压混凝土摊铺层面注入适量水泥浆，用强力插入式130型振捣器振捣密实，水泥浆由设置的制浆站灰浆搅拌机拌制，通过专用输浆胶管送至仓面。
5.6善泥坡水电站大坝由于施工面过于狭小，各种施工设备和机具都必须同时配置在坝面上，大坝施工主要采用平推法斜层碾压，斜层碾压的坡度控制在1:10~1：12范围，升程高度4.0m，由于斜层面积相对控制面积较小，摊铺面积较好控制，利于层间结合和仓面喷雾保湿和保温。
5.7碾压混凝土的施工特点和优势是快速施工；现场的质量控制非常关键，应严格控制出机VC值；铺料厚度，碾压遍数；及时碾压保证层间结合尤为重要，是现场施工质量控制的重点，大坝的通水冷却要及时跟进，做好温控防裂工作，保证大坝运行安全。
6 结束语
6.1善泥坡水电站两岸坝肩开挖按设计要求为窑洞式开挖，最大入岩深度44.4m，然后按设计型体下挖深度达88m，相当于是在两岸山体内上游面沿切线方向，下游面沿割线掏出一个双曲拱坝模型，由于山体岩石风化破碎，和设计要求的倒悬体形态，是国内目前开挖难度最大的形体之一，开挖成果得到国内许多专家的好评。
6.2善泥坡水电站拦河大坝最高119m，820m高程以上；888m高程以下的碾压混凝土垂直运输全部由两岸坡架设的箱式满管溜槽完成，高差大（68m）、效率高、速度快、VC值损失小、能够满足碾压混凝土垂直运输的要求，而且还可以用作常态混凝土输送通道。
6.3善泥坡水电站大坝为双曲面薄拱坝，混凝土总量40万m3，其中碾压混凝土24万m3 ；常态混凝土16万m3，在同类型工程中规模不大。但分别在坝体内785m、813m、820m、830 m 高程布置有4层灌浆和观测廊道，在825m高程和865m 高程分别布置两个中孔泄水道和三个溢流表孔建筑物，枢纽结构复杂，加上特殊的地形条件，施工组织难度大，碾压混凝土的快速施工优势，机械化高效工作的优势，都无法有效的发挥出来，影响了整个工程的施工进度，这应该是各方面认真考虑和总结的问题。
参考文献：
[1]苗孝哲，刘先斌.高气温环境下碾压混凝土铺筑施工技术研究[J].科技资讯，2010（5）:96-97
论文作者:唐成良
论文发表刊物:《防护工程》2017年第28期
论文发表时间:2018/2/1
标签：混凝土论文; 高程论文; 大坝论文; 下游论文; 溜槽论文; 水电站论文; 钻孔论文; 《防护工程》2017年第28期论文;