地下工程

白鹤滩水电站右岸坝基柱状节理玄武岩开挖施工技术

刘建程 陈勇

（中国水利水电第八工程局有限公司）

关键词：柱状节理玄武岩　坝基　双保护层　基础处理　复合消能爆破

1 工程概况

1.1 枢纽介绍

白鹤滩水电站位于四川省宁南县和云南省巧家县境内，是金沙江下游干流河段梯级开发的第二个梯级电站。开发任务以发电为主，兼顾防洪，并有拦沙、发展库区航运和改善下游通航条件等综合效益，是西电东送骨干电源点之一。水库总库容206.27亿m³，正常蓄水位825.00m，电站装机容量16000MW，多年平均发电量625.21亿kW·h。本工程为Ⅰ等大（1）型工程，枢纽工程由拦河坝、泄洪消能建筑物和引水发电系统等主要建筑物组成。拦河坝为混凝土双曲拱坝，坝顶高程834.00m，最大坝高289.00m，坝下设水垫塘和二道坝。地下厂房对称布置在左、右两岸，厂房内各安装8台单机容量为1000MW的水轮发电机组。电站建成后，将成为仅次于三峡水电站的世界第二大水电站。

1.2 坝址地质条件及岩体特性

白鹤滩水电站右岸坝基高程590.00~545.00m出露岩体为P₂β³岩流层中第一类柱状节理玄武岩。岩体以微新为主，局部断层发育部位下段弱风化，无卸荷。柱状节理玄武岩为柱状镶嵌结构，变形模量呈各向异性，整体性差。在原生状态未受扰动时力学参数较高，坝基开挖后其应力状态改变，岩体向临空方向卸荷松弛，松弛厚度一般2~3m，松弛后岩体的声波波速3500~4000m/s，开挖揭露初期卸荷松弛较快，随着时间延长，松弛岩体波速略有下降；未松弛岩体的声波波速4750~5100m/s。若存在顺向层内错动带或软弱夹层，还可能出现卸荷剪切变形。

2 开挖施工流程和方案

2.1 开挖施工流程

为保持坝基柱状节理玄武岩的力学性能及岩体完整性，尽量减弱爆破开挖对柱状节理玄武岩建基面的扰动，控制柱状节理玄武岩坝基开挖后的卸荷松弛，按照设计要求，对右岸大坝高程590.00m以下坝基采用双保护层方式开挖，预留保护层厚度5m。保护层表面先参照大坝建基面要求实施预裂爆破技术开挖，然后利用保护层作为岩石盖重进行坝基固结灌浆，并利用灌浆孔下设锚筋桩对坝基保留岩体进行预锚。同时，根据右岸大坝高程590.00m以下坝基上陡下缓的结构体型特点，对预留保护层上部陡坡段采用常规预裂爆破技术开挖，对预留保护层下部缓坡段和水平段采用复合消能爆破技术开挖。建基面开挖施工工艺流程见图1。

2.2 开挖施工方案

右岸大坝坝基柱状节理玄武岩开挖质量要求高、工序复杂、施工工期紧张，按照常规的施工程序逐项顺序施工难以满足工程进度要求，为确保首仓混凝土开浇的工期目标，实现右岸坝基快速开挖，需要坝基固结灌浆和开挖作业同步实施，即：在坝基保护层顶面自上而下开挖至高程565.00m以后，上部坝基固结灌浆开始施工，在坝基固结灌浆自上而下进展到高程555.00m以后，开始进行坝基预留保护层开挖。为确保坝基灌浆质量和安全，根据规范要求，坝基开挖和固结灌浆之间的安全距离不小于30m。本阶段施工工艺流程见图2、图3。

右岸大坝坝基固结灌浆及锚筋桩施工完成后，全面展开柱状节理玄武岩保护层开挖施工，具体见图4。为满足工程进度要求，根据右岸坝基上陡下缓的特点，将右岸坝基保护层开挖在空间上划分为陡坡段、缓坡段和水平段三个区段，在时间上划分为两个时段施工，在坝基高程563.00m以上固结灌浆结束后，立刻启动右岸坝基陡坡段（高程590.00～570.00m）保护层开挖施工，并按照“自上而下、分层梯段开挖” 原则组织实施；在缓坡段和水平段固结灌浆施工完成后，开始在缓坡段坡脚进行坝基水平段抽槽开挖，形成爆破临空面后，同步展开坝基缓坡段保护层和水平段保护层开挖施工。由于坝基保护层开挖上、下多个工作面同步作业，工程进度大大提高，最终提前19天完成了坝基保护层开挖。

3 开挖施工方法

3.1 保护层顶面开挖（预留5m保护层）

为避免保护层顶面开挖对柱状节理玄武岩建基面的直接影响，保护层顶面开挖时采用预留5m厚保护层的方式来对建基面表层进行保护。根据设计要求，对保护层顶面开挖要参照坝基建基面质量标准实施控制；要求保护层顶面开挖时距爆破梯段顶面10m处振速不大于10cm/s，爆前、爆后第一次测试坝基岩体距孔口1.0m处的声波波速值的衰减率不得大于10%。为最大限度减小保护层顶面开挖对建基面的振动损伤，在地质条件相近部位进行多次爆破试验，以选取合适的保护层顶面开挖爆破参数。根据爆破试验结果，当采用预裂孔孔径76mm，孔距60cm，线状药密度220g/m，最大段单响药量控制在15kg以内（四个预裂孔一响），主爆孔最大单响药量控制在30kg以内时，可将爆破振动速度和声波损伤控制在设计要求范围内。同时，在开挖过程中对每个梯段的爆破振动和声波损伤进行监测，并根据监测数据优化下一梯段的爆破参数。

3.2 岩石盖重固结灌浆

在保护层顶面开挖结束后，利用预留5m保护层岩体作为岩石盖重进行固结灌浆。固结灌浆孔深25～30m，孔排距2m×2m。固结灌浆采用循环式灌浆法，按分排分序加密的原则进行，灌浆一般分三个次序，按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ次序依次施工，如灌浆部位存在临空面，则先进行周边灌浆。Ⅰ、Ⅱ序孔采用自上而下分段灌浆方法施工，Ⅲ序孔采用综合灌浆法施工。固结灌浆采用分级加压的方式使灌浆压力逐步达到设计值，预留5m保护层部位灌浆压力为0.5MPa，建基面以下第一段灌浆压力为0.8～1.0MPa，最大灌浆压力为3.0MPa。固结灌浆原则上采用单孔灌注，当发生串孔且设备能满足施工要求时，可采用并联灌注，且孔数不得多于3个。当采用串通孔 （组）灌浆或多孔并联灌浆时，应严格控制灌浆压力，同时加强抬动监测，防止建基面发生抬动破坏。为确保灌浆质量，保护层段岩体采用低压灌浆优先灌注。

3.3 锚筋桩锚固

为尽量控制柱状节理玄武岩建基面开挖后浅层卸荷松弛，在固结灌浆完成后，利用灌浆孔扫孔下锚筋桩对建基面进行预锚。锚筋桩长度9～12m，按照设计要求提前在钢筋加工厂进行加工制作，利用汽车运输至现场，在固结灌浆完成后逐孔进行扫孔安装并注浆。为避免对保护层开挖钻孔造成影响，锚筋桩下装深度控制在建基面以下10cm。为确保锚筋桩安装质量和锚固效果，锚筋桩下装过程中利用对中环在孔内居中放置，并保证桩体注浆管和排气管通畅。

3.4 保护层开挖

3.4.1 预裂爆破技术

为减小保护层开挖爆破对建基面保留岩体的振动影响，右岸大坝柱状节理玄武岩坝基保护层顶面和高程590.00～555.00m保护层均采用预裂爆破技术开挖，开挖梯段陡坡段高度5m，缓坡段2～3m。

为确保建基面开挖成型质量，在保护层顶面进行预裂爆破试验，优化调整爆破参数，具体见表1。施工过程中，对钻孔、装药及联网爆破等工序进行精细化控制，每次爆破后进行总结，根据监测数据和爆破效果对下一层开挖爆破参数进行调整。

3.4.2 复合消能爆破技术

（1）复合消能爆破机理。根据应力波作用的透射与反射理论，当一束一维弹性波从一种介质传入另一种介质时，将在两种介质的分界面上发生波的反射和透射。在爆生气体与消能铁球界面，炸药起爆引发的冲击波从气体介质中传播到消能铁球介质中，由于爆生气体小于消能铁球波阻抗，在交界面上将发生反射和透射。复合消能爆破作用机理见图5。由于反射波的方向整体向上，对于孔底岩体相当于消能，减小爆破对孔底的损伤，同时，向上反射的能量可以加强炮孔间岩体的破碎效果，减少开挖后留下的岩石根坎，保证建基面的平整；透射入消能铁球的能量由于垫层的波阻抗较小，在消能铁球与垫层界面上发生强烈的二次反射。

（2）复合消能爆破技术应用。为加快坝基保护层开挖进度，根据前期在河床坝段保护层顶面及水垫塘部位进行的复合消能爆破技术试验成果和“白鹤滩水电站河床坝基保护层开挖方案专家咨询会”意见，坝基高程555.00m以下缓坡段和水平段柱状节理玄武岩保护层采用垂直密炮孔复合消能爆破技术进行一次开挖。

复合消能爆破技术利用孔底设置的铁球进行反射消能，炮孔垂直建基面布置，主要采用CM-351高风压钻孔造孔，孔径90mm，孔排距平均1.5m×1.5m，具体装药结构见图6，具体爆破参数见表2。

3.4.3 爆破监测成果

通过对坝基保护层预裂爆破及复合消能爆破的质点振动速度监测，垂直孔复合消能爆破最大振动速度为4.76~5.12cm/s，预裂爆破最大振动速度为7.32~8.2cm/s，均满足设计技术要求的小于10cm/s振速指标；通过爆前爆后声波检测，垂直孔复合消能爆破岩体损伤深度约为0.68~0.79m，预裂爆破的岩体损伤深度为0.86~0.87m，均能满足影响深度不大于1.0m的设计指标要求。复合消能及预裂爆破声波影响深度和最大爆破振动速度对比见表3。

4 结束语

白鹤滩水电站右岸大坝柱状节理玄武岩坝基通过采用预留双保护层开挖和固结灌浆等基础处理施工技术，提高了建基面岩体的完整性；同时，通过对预留保护层采用预裂爆破、复合消能爆破精细化施工技术开挖，不仅保证了大坝柱状节理玄武岩建基面的开挖质量，而且较原计划工期提前了19天，确保了大坝首仓混凝土的顺利浇筑，具有良好的社会和经济效益。