高地应力地区砼双曲高拱坝坝基开挖施工技术的研究

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1、1中国水利水电第四工程局科学技术进步奖申报书项目名称：高地应力地区砼双曲高拱坝坝基开挖施工技术的研究申报单位：水电四局第一施工局申报等级：一级申报时间： 2007 年 1 月 28 日2一、 项目基本情况项目编号： 成果分类项目名称高地应力地区砼双曲高拱坝坝基开挖施工技术的研究主要完成人党存文 汪文生 王裕彪 董彬 李益宁 孙伟全 申维彪 祁得成 谢绍泽 主要完成单位 水电四局第一施工局 项目名称可否公布 可以公布推荐单位 水电四局第一施工局 推荐等级 一级主题词 高地应力区 砼双高曲拱坝 坝基开挖 施工技术 研究 创新学科专业分类名称代码所属国民经济行业 土木工程任务来源 拉西瓦水电站砼双曲

2、拱坝坝基基础开挖工程计划（基金）名称和编号项目起止时间 起始 2005 年 11 月 1 日 完成 2006 年 4 月 15 日3二、项目简介（项目所属科学技术领域、主要内容、特点及应用推广情况）所属科学技术领域：高地应力区砼双高曲拱坝坝基基础开挖施工方法的研究属土木工程建筑技术领域。主要内容及特点：通过在高地应力地区对不同的地层岩性、地质构造的分析研究，具有针对性的从施工工艺、施工方法入手，并结合设计意图形成高地应力地区坝基基础开挖施工的综合技术。应用推广情况：针对高地应力地区砼双曲高拱坝坝基开挖施工工艺的研究，有效的解决了坝基基础在开挖后因高地应力突然释放，坝基基础出现较大的回弹，从而有

3、效的预防了大坝基础二次处理的可能，增加了大坝在运行期间的安全性，加快了整个工程的施工进度。通过拉西瓦砼双曲高拱坝坝基开挖施工新工艺的效果分析，其工程意义巨大。（不超过 800 个汉字）4三、项目详细内容1 立项背景拉西瓦坝址区属高地应力地区，坝址区出露地层主要为三叠系下统龙羊峡群下亚群浅变质岩系与侵入其中的中生代印支期花岗岩，以及第四系堆积物，其河谷应力场的基本特征分布是（见图）：（1）根据地质资料，黄河未下切形成河谷前，2230m 高程处的最大主应力为 20 MPa24MPa，随着黄河的开始下切和不断切深，不同高程部位的应力值和方向均开始发生较大变化，总体特征是岸坡一定范围内应力降低，而谷底

4、产生应力集中。（2）峡谷的 EW 向切割和高陡岸坡一方面使 NE 向的区域应力场偏转为近 SN 向，另一方面造成应力场的分异现象，表现为：最大主应力倾角随距岸坡的距离变化，近岸坡处 1 与岸坡平行，向岸里变缓，河床下约 60m 最大主应力为水平。因此河谷应力场是一个在区域应力场的基础上迭加了斜坡自重应力场而形成的局部应力场，最大主压应力主导方向 NE18.67。（3）现代河谷底部存在应力集中区，最大主应力达 33MPa 以上，局部达 42 MPa56MPa，最大剪应力 7MPa，局部达 16MPa。应力集中带宽 300m350m，深约 150m（2230m2160m） ，沿河自石门沟以下至 1

5、吊桥逐渐消失。（4）两岸 2290m 高程以上应力分布正常，表现为随距岸坡距离增大，应力增高直至平稳；2290m高程以下应力分布不均匀，表现为由应力较低增高平稳的变化，即存在局部的增高段，分布范围为距岸边 100m250m。正常应力范围 1 为 15 MPa23MPa，局部增高段 1 近 30MPa；其中岸坡表部附近为应力松弛带，深度范围 1550m ， 最 大 主 压 应 力 量 值 最 高 可 达 23 MPa。由于拉西瓦坝址谷深坡陡，在黄河下切两岸山体临空后，岸坡浅表部形成了量级较高的剪应力集中区，随着时间推移和应力场进一步调整，岸坡岩体发生卸荷回弹，形成了大量的卸荷裂隙。为了预防施工期

6、间卸荷裂隙的进一步扩散和坝基开挖后坝基基础因卸荷出现的回弹，根据拉西瓦实际情况，确定在拉西瓦坝基基础开挖施工过程中通过坝 基 开 挖 施 工 工 艺 的 研 究 ， 探索、总结出了一套有针对性的施工方法及施工工艺，确保了拉西瓦坝基基础开挖后的稳定，对以后类似地质条件下的坝基开挖施工提供技术依据。拉西瓦坝址区地应力分布图52详细科学技术内容拉西瓦地区属高地应力地区，通过对坝址区地应力分布特征及地质条件的分析、研究，总结出了一套较为完整和成熟的坝基开挖施工方法及施工工艺，它是高应力地区砼双曲高拱坝坝基基础开挖的一套综合技术。2.1 坝基开挖施工程序及方法拉西瓦大坝坝基开挖范围为坝上 0-40m 左

7、右坝下 0+45m 左右，其中，河床内 EL2240mEL2220m为砂砾石覆盖层，坝基底部最低开挖高程 EL2212m；覆盖层开挖量为 5.2 万 m3，石方开挖 14.6 万m3。各部位开挖施工时，除保护层开挖外，均按自上而下、自中间向两侧的原则进行，开挖顺序为：覆盖层开挖 石方梯段钻爆开挖 保护层开挖建基面断层处理、验收。2.2 覆盖层开挖EL2240 EL2230 坝基河床范围覆盖层开挖分层高度为 10.0m，一次开挖到 EL2230 高程，河床范围 EL2230 高程以下覆盖层开挖分层高度为 5.0m，在河床 EL2220 基岩面以上覆盖层开挖时为了更好的形成临空面及施工道路，覆盖层

8、开挖采用自上而下、分层开挖的方式，施工机械经施工道路进入工作面，直接挖装，机械无法施工的部位采用人工开挖。2.3 石方开挖根据分区、分层布置并结合施工道路情况，石方开挖采用中间拉槽、自上而下、从河床中间到两岸的顺序进行施工，各区、层的开挖按钻孔、爆破、出碴等各道工序依次进行，形成多工作面流水作业。坝基左、右岸石方开挖均采用微差爆破、周边预裂的方法，爆破时岩石的抛掷方向指向黄河中间。各分区之间增加施工预裂防震孔，靠近建基面增加一排缓冲孔；每一区的前排增加主爆孔加密抛掷爆破，同时采用大孔距小排距的科学布孔方式，以增强爆破效果。2.3.1 坝基 EL2240EL2230 层开挖及支护：在左、右岸坝基

9、 EL2240EL2230 层的梯段开挖分层高度为 10.0m，施工时左岸分左共分 2 个区，其中 2 区紧靠建基面，宽度控制在 20.025.0m 左右，2 区至河床砂砾石段为 1 区；由于河床靠左岸，因此右岸共分 3 个区，第 3 区紧靠建基面，宽度控制在10.0m15.0m 左右，其余的根据施工情况划分为 1 区和 2 区。坝基建基面及上、下游边坡系统支护不仅是高边坡稳定的需要，也是为预防坝基范围开挖后出现岩体卸荷的措施之一，在坝基建基面开挖岩体出露后，为了减缓岩体的卸荷，坝肩槽建基面锚固在开挖后 13 天之内完成，上下游边坡锚固在 35 天之内完成。2.3.2 由于在 2230m 高程

10、处，坝基 EL2220EL2212 层的开挖：由于坝址区河谷底部存在应力集中区，最大主应力达 33MPa 以上，局部达 42 MPa56MPa，最大剪应力 7MPa，局部达 16MPa。根据以上地质资料，受地应力的影响，此区域开挖后出现岩体较大的卸荷现象。延续时间可自开挖后起至 1 月2 月内均可产生，以后逐渐减小并消失，因此在坝基 EL2230EL2215 层的梯段开挖分层高度为 5.0m。由于坝基范围 EL2220 以下河床部位岩石已出露，因此在 EL2220EL2215 层开挖施工6时，首先在河床中部按上下游方向爆破拉槽，为了满足车辆出碴，先锋槽宽度约为 15.0m 左右，上下游方向贯通

11、坝基范围，左岸分 2 个区，其中区紧靠建基面；右岸共分 3 个区，同左岸相同右岸区紧靠建基面，靠建基面两个分区宽度为 5.0m10.0m 左右。左右岸两个区距建基面预留 3.0m 保护层，施工时先进行前沿区的爆破开挖，最后进行保护层的开挖。2.3.3 保护层开挖：根据坝基开挖施工进度和坝基保护层部位施工特性，坝基保护层EL2215EL2212 石方开挖按所划分的分区共分两个阶段进行，分区时在坝中心线按左右岸方向中间开先锋槽，先锋槽底部高程控制在 EL2211.5m，开槽部位与坝中心线将坝基保护层分为开槽区、A 区、B区、C 区、D 区及左右岸斜坡区共 7 个分区，除先锋槽区以外，上游 A 区、

12、C 区及下游 B 区、D 区宽度为 180.020.0m 之间；左右岸斜坡区范围为从边坡至 EL2212 底板之间的保护层开挖。为尽快达到预锚的目的，坝基保护层爆破开挖之后立即进行锚固，边坡的锚固根据保护层循环进尺进行，要求滞后开挖掌子面不大于 5.0m，时间不超过 36h；坝基 A 区、B 区、C 区、D 区范围的锚筋桩锚固在石碴清除完之后进行，时间不超过 36h，并要求锚筋桩深入岩石 0.3m。坝基保护层开挖平面布置 掏 槽 区第一阶段：首先进行掏槽区的爆破施工，掏槽区上下游及左右岸约为 10.0m 左右，然后按左右岸方向进行扩槽，共分 3 个小区按梯段开挖方法施工，扩槽按照大坝体型布置在

13、坝基中间。第二阶段：主要是左右岸各分区部位坝基保护层开挖以及建基面断层的处理等。A 区、B 区、C 区和 D 区的开挖预裂孔水平布置，爆破孔垂直布置，钻爆时向上下游同时推进，以加快施工进度。2.4 坝基开挖技术特点与常规开挖方案比较，拉西瓦水电站坝基开挖方案主要有以下特点：2.4.1 爆破分区随时调整坝基基础开挖时靠近建基面爆破分区的大小直接影响建基面荷载的大小，当靠近建基面的爆破分区较大时，首先爆破对建基面的爆破震动和震动时间较长，另外建基面表面的较大荷载在瞬间突然消7失，造成岩体内的地应力在瞬间释放。因此坝基基础开挖时分区根据地应力的分布可随时调整。2.4.2 严格控制爆破单响药量拉西瓦水

14、电站坝基开挖施工中，采用先进的孔内外延时爆破网络。根据不同的地质条件和爆破规模，严格控制主爆孔单响最大起爆药量坝基 2240 以下最大装药量控制在 8t 以内，爆破孔最大单响控制在 100kg 之内，预裂孔最大单响控制在 50kg 之内。根据坝基施工期爆破振动检测成果，坝基开挖每次爆破安全振动速度都控制在 5cm/s 以内，完全满足最大振速不超过 15cm/s 的标准，确保了坝肩高边坡及坝基基础的稳定。2.4.3 开挖后建基面、边坡锚固及时跟进拉西瓦水电站坝基开挖在高地应力区范围，坝基建基面及上、下游边坡系统支护不仅是高边坡稳定的需要，也是为预防坝基范围开挖后出现岩体卸荷的措施之一，在坝基建基面开挖岩体出露后，为了减缓岩体的卸荷，建基面开挖后 13 天之内完成锚固，上下游边坡的系统锚固在 35 天之内全部完成，达到了岩体在卸荷之前对其进行锚固目的。根据坝基两岸边坡安装的滑动测位计测试数据来看，开挖后的坝基岩体整体比较稳定，测检位移量变化很小，均在10mm 以内。多点变位计监测数也表明在 040m 区间位移从 0.14mm 变化为0.04mm/d 之间，变化率很小，岩体稳定。事实证明，拉西瓦水电站防止卸荷回弹和岩体变形，在严格控制单响药量的基础上及时锚固是减小坝基基础回弹最有效的途径