高地應力區(qū)砼雙曲拱壩壩基開挖施工工藝研究

中國水利水電第四工程局科學技術進步獎申報書項目名稱：高地應力地區(qū)砼雙曲高拱壩壩基開挖施工技術的研究申報單位：水電四局第一施工局申報等級：一級申報時間：2007年1月28日一、 項目基本情況項目編號：成果分類項目名稱高地應力地區(qū)砼雙曲高拱壩壩基開挖施工技術的研究主要完成人黨存文汪文生王裕彪董彬李益寧孫偉全申維彪祁得成謝紹澤主要完成單位水電四局第一施工局推薦單位水電四局第一施工局項目名稱可否公布可以公布推薦等級一級主題詞高地應力區(qū)砼雙高曲拱壩壩基開挖施工技術研究創(chuàng)新學科專業(yè)分類名稱代碼所屬國民經濟行業(yè)土木工程任務來源拉西瓦水電站砼雙曲拱壩壩基基礎開挖工程計劃（基金）名稱和編號項目起止時間起始2005年完成200二、項目簡介（項目所屬科學技術領域、主要內容、特點及應用推廣情況）所屬科學技術領域：高地應力區(qū)砼雙高曲拱壩壩基基礎開挖施工方法的研究屬土木工程建筑技術領域。主要內容及特點：通過在高地應力地區(qū)對不同的地層巖性、地質構造的分析研究，具有針對性的從施工工藝、施工方法入手，并結合設計意圖形成高地應力地區(qū)壩基基礎開挖施工的綜合技術。應用推廣情況：針對高地應力地區(qū)砼雙曲高拱壩壩基開挖施工工藝的研究，有效的解決了壩基基礎在開挖后因高地應力突然釋放，壩基基礎出現較大的回彈，從而有效的預防了大壩基礎二次處理的可能，增加了大壩在運行期間的安全性，加快了整個工程的施工進度。通過拉西瓦砼雙曲高拱壩壩基開挖施工新工藝的效果分析，其工程意義巨大。（不超過800個漢字）三、項目詳細內容立項背景拉西瓦壩址區(qū)屬高地應力地區(qū)，壩址區(qū)出露地層主要為三疊系下統(tǒng)龍羊峽群下亞群淺變質巖系及侵入其中的中生代印支期花崗巖，以及第四系堆積物，其河谷應力場的基本特征分布是（見圖）：（1）根據地質資料，黃河未下切形成河谷前，2230m高程處的最大主應力為20MPa～24MPa，隨著黃河的開始下切和不斷切深，不同高程部位的應力值和方向均開始發(fā)生較大變化，總體特征是岸坡一定范圍內應力降低，而谷底產生應力集中。（2）峽谷的EW向切割和高陡岸坡一方面使NE向的區(qū)域應力場偏轉為近SN向，另一方面造成應力場的分異現象，表現為：最大主應力傾角隨距岸坡的距離變化，近岸坡處σ1及岸坡平行，向岸里變緩，河床下約60m最大主應力為水平。因此河谷應力場是一個在區(qū)域應力場的基礎上迭加了斜坡自重應力場而形成的局部應力場，最大主壓應力主導方向NE18.67°。（3）現代河谷底部存在應力集中區(qū)，最大主應力達33MPa以上，局部達42MPa～56MPa，最大剪應力7MPa，局部達16MPa。應力集中帶寬300m～350m，深約150m（2230m～2160m），沿河自石門溝以下至1＃吊橋逐漸消失。（4）兩岸2290m高程以上應力分布正常，表現為隨距岸坡距離增大，應力增高直至平穩(wěn)；2290m高程以下應力分布不均勻，表現為由應力較低－增高－平穩(wěn)的變化，即存在局部的增高段，分布范圍為距岸邊100m～250m。正常應力范圍σ1為15MPa～23MPa，局部增高段σ1近30MPa；其中岸坡表部附近為應力松弛帶，深度范圍15～50m，最大主壓應力量值最高可達23MPa。由于拉西瓦壩址谷深坡陡，在黃河下切兩岸山體臨空后，岸坡淺表部形成了量級較高的剪應力集中區(qū)，隨著時間推移和應力場進一步調整，岸坡巖體發(fā)生卸荷回彈，形成了大量的卸荷裂隙。為了預防施工期間卸荷裂隙的進一步擴散和壩基開挖后壩基基礎因卸荷出現的回彈，根據拉西瓦實際情況，確定在拉西瓦壩基基礎開挖施工過程中通過壩基開挖施工工藝的研究，探索、總結出了一套有針對性的施工方法及施工工藝，確保了拉西瓦壩基基礎開挖后的穩(wěn)定，對以后類似地質條件下的壩基開挖施工提供技術依據。拉西瓦壩址區(qū)地應力分布圖2．詳細科學技術內容拉西瓦地區(qū)屬高地應力地區(qū)，通過對壩址區(qū)地應力分布特征及地質條件的分析、研究，總結出了一套較為完整和成熟的壩基開挖施工方法及施工工藝，它是高應力地區(qū)砼雙曲高拱壩壩基基礎開挖的一套綜合技術。2.1壩基開挖施工程序及方法拉西瓦大壩壩基開挖范圍為壩上0-40m左右~壩下0+45m左右，其中，河床內EL2240m~EL2220m為砂礫石覆蓋層，壩基底部最低開挖高程EL2212m；覆蓋層開挖量為5.2萬m3，石方開挖14.6萬m3。各部位開挖施工時，除保護層開挖外，均按自上而下、自中間向兩側的原則進行，開挖順序為：覆蓋層開挖石方梯段鉆爆開挖保護層開挖建基面斷層處理、驗收2.2覆蓋層開挖EL2240~EL2230壩基河床范圍覆蓋層開挖分層高度為10.0m，一次開挖到EL2230高程，河床范圍EL2230高程以下覆蓋層開挖分層高度為5.0m，在河床EL2220基巖面以上覆蓋層開挖時為了更好的形成臨空面及施工道路，覆蓋層開挖采用自上而下、分層開挖的方式，施工機械經施工道路進入工作面，直接挖裝，機械無法施工的部位采用人工開挖。2.3石方開挖根據分區(qū)、分層布置并結合施工道路情況，石方開挖采用中間拉槽、自上而下、從河床中間到兩岸的順序進行施工，各區(qū)、層的開挖按鉆孔、爆破、出碴等各道工序依次進行，形成多工作面流水作業(yè)。壩基左、右岸石方開挖均采用微差爆破、周邊預裂的方法，爆破時巖石的拋擲方向指向黃河中間。各分區(qū)之間增加施工預裂防震孔，靠近建基面增加一排緩沖孔；每一區(qū)的前排增加主爆孔加密拋擲爆破，同時采用大孔距小排距的科學布孔方式，以增強爆破效果。2.3.1壩基EL2240～EL2230層開挖及支護：在左、右岸壩基EL2240～EL2230層的梯段開挖分層高度為10.0m，施工時左岸分左共分2個區(qū)，其中2區(qū)緊靠建基面，寬度控制在20.0～25.0m左右，2區(qū)至河床砂礫石段為1區(qū)；由于河床靠左岸，因此右岸共分3個區(qū)，第3區(qū)緊靠建基面，寬度控制在10.0m～15.0m左右，其余的根據施工情況劃分為1區(qū)和2區(qū)壩基建基面及上、下游邊坡系統(tǒng)支護不僅是高邊坡穩(wěn)定的需要，也是為預防壩基范圍開挖后出現巖體卸荷的措施之一，在壩基建基面開挖巖體出露后，為了減緩巖體的卸荷，壩肩槽建基面錨固在開挖后1～3天之內完成，上下游邊坡錨固在3～5天之內完成。2.3.2由于在2230m高程處，壩基EL2220～EL2212層的開挖：由于壩址區(qū)河谷底部存在應力集中區(qū)，最大主應力達33MPa以上，局部達42MPa～56MPa，最大剪應力7MPa，局部達16MPa。根據以上地質資料，受地應力的影響，此區(qū)域開挖后出現巖體較大的卸荷現象。延續(xù)時間可自開挖后起至1月～2月內均可產生，以后逐漸減小并消失，因此在壩基EL2230～EL2215層的梯段開挖分層高度為5.0m。由于壩基范圍EL2220以下河床部位巖石已出露，因此在EL2220～EL2215層開挖施工時，首先在河床中部按上下游方向爆破拉槽，為了滿足車輛出碴，先鋒槽寬度約為15.0m左右，上下游方向貫通壩基范圍，左岸分2個區(qū)，其中Ⅱ區(qū)緊靠建基面；右岸共分3個區(qū)，同左岸相同右岸Ⅲ區(qū)緊靠建基面，靠建基面兩個分區(qū)寬度為5.0m～10.0m左右。左右岸兩個區(qū)距建基面預留3.0m2.3.3保護層開挖：根據壩基開挖施工進度和壩基保護層部位施工特性，壩基保護層EL2215～EL2212石方開挖按所劃分的分區(qū)共分兩個階段進行，分區(qū)時在壩中心線按左右岸方向中間開先鋒槽，先鋒槽底部高程控制在EL2211.5m，開槽部位及壩中心線將壩基保護層分為開槽區(qū)、A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)、D區(qū)及左右岸斜坡區(qū)共7個分區(qū)，除先鋒槽區(qū)以外，上游A區(qū)、C區(qū)及下游B區(qū)、D區(qū)寬度為180.0～20.0m為盡快達到預錨的目的，壩基保護層爆破開挖之后立即進行錨固，邊坡的錨固根據保護層循環(huán)進尺進行，要求滯后開挖掌子面不大于5.0m，時間不超過36h；壩基A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)、D區(qū)范圍的錨筋樁錨固在石碴清除完之后進行，時間不超過36h，并要求錨筋樁深入巖石0.3m。壩基保護層開挖平面布置第一階段：首先進行掏槽區(qū)的爆破施工，掏槽區(qū)上下游及左右岸約為10.0m左右，然后按左右岸方向進行擴槽，共分3個小區(qū)按梯段開挖方法施工，擴槽按照大壩體型布置在壩基中間。第二階段：主要是左右岸各分區(qū)部位壩基保護層開挖以及建基面斷層的處理等。A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)和D區(qū)的開挖預裂孔水平布置，爆破孔垂直布置，鉆爆時向上下游同時推進，以加快施工進度。2.4壩基開挖技術特點及常規(guī)開挖方案比較，拉西瓦水電站壩基開挖方案主要有以下特點：2.4.1壩基基礎開挖時靠近建基面爆破分區(qū)的大小直接影響建基面荷載的大小，當靠近建基面的爆破分區(qū)較大時，首先爆破對建基面的爆破震動和震動時間較長，另外建基面表面的較大荷載在瞬間突然消失，造成巖體內的地應力在瞬間釋放。因此壩基基礎開挖時分區(qū)根據地應力的分布可隨時調整。2.4.2拉西瓦水電站壩基開挖施工中，采用先進的孔內外延時爆破網絡。根據不同的地質條件和爆破規(guī)模，嚴格控制主爆孔單響最大起爆藥量——壩基2240以下最大裝藥量控制在8t以內，爆破孔最大單響控制在100kg之內，預裂孔最大單響控制在50kg之內。根據壩基施工期爆破振動檢測成果，壩基開挖每次爆破安全振動速度都控制在5cm/s以內，完全滿足最大振速不超過15cm/s的標準，確保了壩肩高邊坡及壩基基礎的穩(wěn)定。2.4.3拉西瓦水電站壩基開挖在高地應力區(qū)范圍，壩基建基面及上、下游邊坡系統(tǒng)支護不僅是高邊坡穩(wěn)定的需要，也是為預防壩基范圍開挖后出現巖體卸荷的措施之一，在壩基建基面開挖巖體出露后，為了減緩巖體的卸荷，建基面開挖后1～3天之內完成錨固，上下游邊坡的系統(tǒng)錨固在3～5天之內全部完成，達到了巖體在卸荷之前對其進行錨固目的。根據壩基兩岸邊坡安裝的滑動測位計測試數據來看，開挖后的壩基巖體整體比較穩(wěn)定，測檢位移量變化很小，均在±10mm以內。多點變位計監(jiān)測數也表明在0——40m區(qū)間位移從0.14mm變化為0.04mm/d之間，變化率很小，巖體穩(wěn)定。事實證明，拉西瓦水電站防止卸荷回彈和巖體變形，在嚴格控制單響藥量的基礎上及時錨固是減小壩基基礎回彈最有效的途徑。2.4.4為了掌握壩基巖體的力學參數及綜合質量，測定壩基開挖后建基面巖體卸荷松弛帶范圍界限和厚度，確定壩基建基面實際要開挖的設計高程，物探監(jiān)測的方法采用聲波彈性波測試法?！独魍咚娬净炷岭p曲拱壩基礎驗收技術要求》達到的標準：壩肩2400高程以上，要求每一壩段測內試孔表層1.5——2.0m處巖體聲波波速vp大于3800m/s的測點不應低于85%，對于左岸2415m以上低波速帶區(qū)域按要求做表面清理，深部進行加密高壓固結灌漿處理。EL2400高程以下，要求每一壩段測內試孔表層1.5m——2.0m處巖體聲波波速vp大于4200m/s的測點不應低于85%。拉西瓦雙曲拱壩壩基開挖至2220高程時，在12壩段——14壩段布置了9組物探孔，每組三個孔，孔距3.0m，孔深10.0m。物探聲波檢測采用單孔法和跨孔法檢測。1#——6#孔二組孔的聲波彈性波的測試，單孔測試曲線基本為鋸齒型或凹凸型，表明該部位巖體完整性較差，6.0m以下巖體單孔波速在2140——5620m/s之間，平均波速為4770m/s?？缈状┩覆ㄋ僭?850——5600m/s之間，平均波速為5220m/s。19#——24#孔單孔聲波測試，6.0m以下的波速在2220——5880m/s之間，平均波速為4250m/s。穿透波速在2810——5560m/s之間，平均波速為4340m/s。單孔波速測試的波速段分布位置最低高程為19#孔（孔深8米）2212.3m——2215.3m，20#孔（孔深14.4米）2210.2m——2212.6m，21#孔（孔深9.4米）2209.8m——2212.8m，22#孔（孔深14.0米）2207.9m——2210.9m，23#孔（孔深9.0米）2210.6m——2212.8m，24#孔（孔深15.2米）2212.5m——2213.3m。大量的其它壩段的物探數據表明，壩基2212m高程以下的巖體聲波波速達到或超過4200m/s的技術要求，最后將壩基建基面原設計高程2210m抬高至2212.0m，壩基建基面設置間排距3.0*3.0m、長9.0m的Φ32錨桿進行錨固，錨桿伸入孔口以下30cm。同時，在12#、13#壩段四個物探孔內進行了攝像，攝像資料及聲波監(jiān)測數據基本一致，驗證了聲波監(jiān)測的準確性和可靠性。2.5技術經濟分析技術分析2.5.1方案對比①及常規(guī)開挖方案對比：靠近建基面爆破分區(qū)的大小直接影響建基面荷載的大小，當靠近建基面的爆破分區(qū)較大時，首先爆破對建基面的爆破震動和震動時間較長，另外建基面表面的較大荷載在瞬間突然消失，造成巖體內的地應力在瞬間釋放。因此壩基基礎開挖時分區(qū)根據地應力的分布隨時調整，不能隨意劃分。②及錨固方案對比：在壩基開挖前期，曾提出壩基范圍預留保護層，對保護層進行錨筋樁預錨的施工方法，此方案中預錨若按設計要求完成能有效的預防壩基基礎的回彈，但錨筋樁安裝質量要求高，難度大，同時因預錨時首先要挖除頂部全部巖石層，然后在保護層表面進行預錨，最后才開挖保護層，施工工期長。如果預錨的錨筋樁質量不能完全保證，保護層爆破開挖時將會破壞預錨的錨筋樁，同時對壩基基礎將產生擾動作用。因此預錨方案的特征是①：預錨若按設計要求完成能有效的預防壩基基礎的回彈；②錨筋樁安裝質量要求高，難度大；③因預錨時首先要挖除頂部巖石層，然后再保護層表面進行預錨，最后才開挖保護層，因此施工工期長。2.5.2施工優(yōu)點①靈活性強。壩基開挖。拉西瓦壩基開挖時安排了壩基回彈檢測項目，因此在每一層以及每一階段的開挖時共完成之后，根據壩基檢測掌握的情況隨時調整施工方法，具有將強的靈活性。②施工工藝簡單，工期短。壩基開挖施工從宏觀上看及常規(guī)的開挖沒有太大的出入，容易被施工廠隊理解和接受，在施工工藝上和技術難度上能夠保證施工的順利進行，另外能夠充分的利用施工局現有的設備，發(fā)揮機械效率，加快施工進度。③能充分結合設計意圖，減小壩基開挖的風險。拉西瓦壩基基礎為了防止因高應力而造成的壩基基礎回彈，在進行設計修改時采用反拱形狀，即底部為圓弧形狀，壩基開挖施工時，為了盡量減小應力集中，達到設計的要求，EL2215～EL2210保護層開挖時采用下游拉槽，建基面預裂爆破的施工方法，確保建基面的圓弧形狀。經濟分析經濟指標優(yōu)越。拉西瓦屬高地應力地區(qū)，在壩基開挖時對地應力的釋放必須采取針對性的預防措施，才能有效預防壩基基礎的回彈，否則將對工期及大壩的正常運行產生安全隱患，經濟損失是無法估量的；另外，開挖施工時壩基的預錨不僅增加施工難度，而且增加施工工期；壩基底部保護層中間拉槽向上、下游推進的施工方法，不僅避免了從上到下開挖時而形成錯臺后出現的應力集中，而且也預防了大量超挖的可能，經濟指標可觀。2.6施工工藝研究經驗總結：2.6.1解決在高地應力區(qū)砼雙曲拱壩壩基基礎開挖后出現回彈全國性的難題；2.6.2解決如何利用現有設備，提高設備利用率；2.6.3通過工藝實驗室實現了邊施工邊觀測邊改進的設計思路，極大的縮短了施工工期，提高了經濟效益。2.6.4增加了壩基基礎的穩(wěn)定性，提高了大壩運行期間的安全系數。(紙面不敷，可另增頁)3．發(fā)現、發(fā)明及創(chuàng)新點：3.1解決在高地應力區(qū)砼雙曲拱壩壩基基礎開挖后出現回彈是國內水工建筑物普遍存在的難題；3.2解決如何利用現有設備，提高設備利用率；3.3通過工藝實驗可實現邊施工、邊觀測、邊改進的設計思路，可極大的縮短施工工期，提高經濟效益。3.4增加了壩基基礎的穩(wěn)定性，提高了大壩運行期間的安全系數。（不超過400個漢字）4．保密要點： 研究技術成果可在全局范圍中公開推廣、應用。（不超過100個漢字）5．及當前國內外同類研究、同類技術的綜合比較當前國內對高應力地區(qū)砼雙曲拱壩壩基開挖沒有成熟的施工技術，一般所采用的開挖方法主要有兩種：①預留保護層：其特點是能有效預防巖體卸荷帶來的壩基基礎回彈，但在預留保護層后保護層的開挖無法充分發(fā)揮大型機械的施工優(yōu)勢，施工工期長。②邊坡一次性預裂到位，前沿梯段跟進大規(guī)模爆破施工方法：其特點是施工規(guī)模大，進度快。但不講究分區(qū)及梯段的劃分，加上爆破震動影響，無法有效限制巖體的卸荷。云南小灣水電站由于河谷狹窄，谷坡高陡，高地應力，加之開挖規(guī)模較大、開挖體型復雜，開挖引起的巖體卸荷問題十分突出。綜上所述，及普通施工工藝相比，拉西瓦壩基開挖施工方法更講究實效，根據地應力的分布來劃分梯段高度和每一層的分區(qū)大小，同時為了減小超挖量和避免應力集中現象，采用壩基基礎下游邊線以外左右岸拉槽，然后下上游推進開挖保護層的方法，滿足了設計要求，縮短開挖后及錨固的時間，有效的解決了開挖引起的巖體卸荷問題。（不超過800個漢字）6．應用情況通過針對高地應區(qū)砼雙曲拱壩壩基開挖施工方法及工藝的研究，有效的解決了開挖引起的巖體卸荷問題，加快了電站建設的施工進度。通過及同類工程施工進度及經濟效果相比，可以得出該項研究成果的推廣應用，對電站整體工程而言，其工程意義及經濟效益巨大。成果轉化、推廣或產業(yè)化方面還需幫助解決的問題

7．經濟、社會效益 單位：萬元人民幣項目總投資額130萬元回收期經濟效益額的計算依據：在高地應力地區(qū)砼雙曲拱壩壩基開挖施工工藝的研究中監(jiān)測系統(tǒng)的累計增加投資為30萬元，在高應力分布地帶減小梯段高度，增加鉆孔設備等累計增加投入100萬。但拉西瓦壩基開挖對壩基基礎的回彈預防成功，不僅直接縮短電站建設的直線工期，而且避免壩基出現回彈后的二次處理，經濟指標相當可觀。社會效益：通過針對高地應區(qū)砼雙曲拱壩壩基開挖施工方法及工藝的研究，有效的解決了開挖引起的巖體卸荷問題，加快了電站建設的施工進度。通過及同類工程施工進度及經濟效果相比，可以得出該項研究成果的推廣應用，對電站整體工程而言，其工程意義及經濟效益巨大。四、本項目曾獲科技獎勵情況獲獎時間獎勵名稱獎勵等級授獎部門本表所填科技獎勵是指曾獲得以下單位的科技進步獎：1.經國家科技管理部門認定的有關單位；2.業(yè)主、建設單位等單位。五、申請、獲得專利情況表國別申請?zhí)枌＠栱椖棵Q六、主要研究人員名單序號姓名性別技術職稱文化程度工作單位對成果創(chuàng)造性貢獻1黨存文男高級工程師本科水電四局第一施工局總負責人2汪文生男高級工程師本科水電四局第一施工局課題總負責人3王裕彪男工程師本科水電四局第一施工局技術指導4董彬男工程師本科水電四局第一施工局技術主要負責5李益寧男工程師本科水電四局第一施工局技術負責6孫偉全男工程師本科水電四局第一施工局技術負責7申維彪男助理工程師本科水電四局第一施工局技術負責8祁得成男工程師本科水電四局第一施工局質量負責9謝紹澤男工程師本科水電四局第一施工局現場生產管理101112131415（人數限制：一等獎不超過15人，二等獎不超過10人，三等獎不超過7人）七、主要完成單位及協(xié)作單位情況表單位名稱第完成單位水電四局第一施工局主要貢獻通過針對高地應區(qū)砼雙曲拱壩壩基開挖施工工藝的研究，有效的解決了開挖引起的巖體卸荷問題，加快了電站建設的施工進度。單位蓋章年月日協(xié)作完成單位主要貢獻單位蓋章年月日（完成單位應對項目的主要貢獻、完成人員排名等進行核準）八推薦、評審意見申報意見申報單位、項目、部門意見及申報等級：公章年月日推薦意見二級單位推薦意見、推薦等級：公章年月日局科技評審委員會意見公章