复杂地质条件下高陡边坡预裂开挖施工控制技术

高辉 殷本林

摘要：锦屏一级水电站是在建世界第一高拱坝，其高陡边坡开挖方法和开挖质量控制也属世界性难题。在左岸坝肩边坡开挖中采用优化爆破设计、分级预裂、改进钻架设施、精确定位、超欠挖平衡等控制方法，取得了很好的效果，被评为锦屏水电站A级样板工程。本文主要回顾了我局在锦屏一级水电站大坝左岸工程边坡开挖的关键工序--预裂开挖质量控制方法。

关键词：锦屏一级水电站；大坝左岸边坡；预裂孔钻孔；预裂爆破；预裂面开挖

中图分类号： TM622 文献标识码： A 文章编号：

1 前言

锦屏一级水电站左岸复杂的地质条件给边坡开挖带来了前所未有的难度和挑战，其地质条件之差、工程复杂程度之高为国内外水电工程所罕见。锦屏左岸边坡岩体受地质构造作用影响强烈，岩体内断层、层间挤压错动带、节理裂隙发育，左坝肩及抗力体范围内发育有f5、f8、f42-9断层及煌斑岩脉，深部裂缝。如何保证复杂地质条件下高陡边坡开挖成型质量，是工程面临的最大难题之一。

通过采用针对性爆破设计、分级预裂、改进钻架设施、精确定位、超欠挖平衡等一系列控制方法，并将预裂开挖施工工艺和施工过程控制形成程序，标准化指导现场施工，通过以上技术管理措施的运用，得到了优质的复杂地质条件下的边坡。

2 工程概况

锦屏一级水电站拱坝坝高305m，为世界第一高拱坝，坝址区为典型的深切河谷，左岸坝肩自然边坡坡高超过1000m，开挖后坝肩从2120m高程，至1580m高程，形成540m的高边坡，开挖方量达550万m³。左岸开挖边坡主要为大理岩，断层、裂缝发育，地质条件复杂，是目前水电工程开挖高度最高、开挖规模最大、稳定条件最差的边坡工程之一。

左岸边坡开挖平面布置图 左岸边坡剖面图

图1锦屏一级水电站左岸边坡开挖设计图

2.1 地质条件

锦屏一级水电站左岸边坡开挖区域山体雄厚，基岩裸露，多为反向坡面，且地形完整性较差呈山梁与浅沟相同的微地貌特征。左岸边坡中上部由砂板岩组成，中下部由大理岩组成，以厚层～块状结构为主，局部镶嵌结构，边坡岩体内发育有f2、f5、f8、f13、f14等断层和绿片岩及煌斑岩等软岩，以及左岸深部拉裂松弛岩体等不良地质构造岩体。总体上左岸边坡具有卸荷深度大，卸荷裂隙张开宽，卸荷类型较复杂的特点，既有浅表常规卸荷，又有深部卸荷，其中强卸荷带水平深度在大理岩中一般约为10m～20m，砂板岩中可达50m～90m；弱卸荷带下限水平深度在大理岩中一般约为50m～70m，砂板岩中可达100m～160m，最深约200m；深卸荷带下限水平深度在大理岩中一般约为150m～200m。

2.2 预裂开挖质量控制难点

（1）边坡地质条件复杂，容易造成钻孔偏离、塌孔等现象，影响预裂孔钻孔质量；

（2）上下交叉作业，边坡上部来水、吊物等影响对预裂孔造孔质量的影响；

（3）边坡允许超欠挖偏差小，其中坝肩槽允许超欠偏差±15cm；

（4）边坡结构复杂，拐点、折角及渐变坡较多，预裂钻孔及爆破成型困难；

（5）边坡应力卸荷影响预裂爆破后半孔成型质量。

3 边坡预裂开挖质量控制方法

3.1 预裂孔钻孔质量控制

左岸边坡预裂孔钻孔深度上、下游边坡为15m，坝肩槽及断层破碎带处为7.5m。预裂孔间距坝肩槽及断层破碎带处为60cm,其余边坡为75cm，采用XZ-30型／QJ-100B型潜孔钻造孔，孔径φ90mm 。对于左岸边坡坝肩槽等部位无马道、且无法一次性预裂到底，为满足钻孔设备操作技术要求，相邻两级坡面按一超一欠相结合方式（即超欠平衡法）形成钻架平台。

（1）开钻平台清理和平整

预裂孔钻孔前首先对钻孔部位和架钻的平台进行清理，局部不平整的用手风钻进行处理。预裂孔钻孔部位平台不平整度控制范围±20cm。尽量保证预裂线附近处于同一平面上，以利于测量放线、钻机固定及钻机开孔。

（2）孔位确定

预裂孔孔位采用AUTO702全站仪进行放样，预裂面直线段的预裂孔每隔5孔放点并放出后视方向点；折线和圆弧段预裂面进行逐孔放样，每个孔必须放出后视方向点。测量放样预裂孔孔位允许偏差±2cm。

（3）钻架平台搭建

钻架平台的结构严格按照设计图纸进行搭建，钻平台的位置、刚度和稳定性要满足钻孔精度要求。钻架平台采用三角形结构时，底脚设置Φ22mm插筋，插筋深入岩石50cm，外露30cm，插筋间距5m，插筋与钻架平台用10＃铅丝绑扎牢固；钻架平台采用单层结构时，边坡上设置三层Φ22mm插筋，插筋深入岩石50cm，外露30cm，插筋间距5m，插筋与钻架平台用10＃铅丝绑扎牢固，插筋孔采用Y28手风钻钻孔，锚固剂灌注。钻架平台搭设过程中用水平尺检测，确保临近预裂孔侧水平连接杆的水平度。钻架平台搭设完成后测量使用全站仪校核钻架工作面竖向倾角和水平连接杆的水平度，微调处理后加固连接扣件，在上、下两排水平杆上测量放出钻机固定点位。

（4）预裂钻机固定

钻架平台搭设稳固后方可摆放钻机，钻机摆放位置由钻工用吊锤将中心点放于下排水平杆上。钻机与钻架平台之间采用扣件连接固定，每台钻与钻架平台之间的连接扣件数不少于4个，局部该加固的部位必须进行加固。钻机固定前调整好钻孔孔位、孔斜、孔向应与测量所放孔位、孔向和开挖坡比相一致。固定过程中采用罗盘和量角器进行角度控制，确保孔斜和孔向准确无误。

图2 边坡马道预裂孔钻架和钻机固定结构图

图3 坝肩槽预裂孔钻架和钻机固定结构图

（5）预裂钻孔

钻机架设完毕后，测量检查、校核，确保钻机开孔方向、点位与爆破设计一致。根据现场基岩面情况，个别开孔部位基岩面不平整，采用人工凿孔。钻机开孔前，需进行详细的技术交底，每个孔的孔深、孔斜及钻孔责任人实行挂牌标示。另外，在钻进过程中，钻杆容易发生偏移，经现场试验，在钻机上增加限位挡板和加装孔内扶正器等能有效缩小钻杆偏移幅度。

（6）孔斜、孔向的检测控制

预裂孔孔斜可采用地质罗盘、两角器配合垂球等进行量测控制，同一开挖坡比的钻孔倾角要求保持一致，孔底应落在同一平面上。孔口的开口位置必须准确，开口完成后在造孔过程中按设计钻孔要求对钻孔角度进行校核和调整。

（7）预裂孔钻孔施工质量控制流程：

3.2 预裂孔爆破质量控制

（1）根据围岩状况进行详细的预裂爆破设计，结合已爆破面的质量及时优化调整爆破参数和爆破网络。对于局部岩层较差部位预裂孔线装药采用按正常装药量的10%减弱装药量以改善预裂面成型质量。在装药过程中，为避免预裂孔装药出现错装，在每个孔位树立标示牌，并注明孔号、孔深及线装药密度等内容。

（2）装药前检查预裂孔内是否有塌孔、堵孔现象，装药过程需进行记录，装药完毕后逐孔进行检查，排查漏装、漏堵孔。

（3）预裂孔应采用间隔不耦合装药结构，不耦合系数范围2～5，药卷可采用φ32mm／φ25mm岩石乳化炸药，导爆索串联、竹片固定药卷。预裂药卷采用现场绑扎，为保证药卷的线装药密度与孔位一一对应，在竹片上同样标注其孔号、线装药密度等内容。

（4）预裂炮孔和梯段炮孔若在同一爆破网络中起爆，预裂炮孔应先于相邻梯段炮孔起爆时间，不应小于75ms。预裂孔孔间延时一般采用MS2低段位雷管，主爆破孔孔内延时一般采用MS7以上段位雷管，特别注意防止预裂爆破与主爆破孔重段。

3.3 预裂面开挖质量控制

（1）加密缓冲孔间排距，降低单响药量，减小预裂面外缓冲孔爆破区的爆破块度。

（2）预裂缝要贯通且在地表有一定开裂宽度，对于中等坚硬岩石，缝宽不宜小于1.0cm；坚硬岩石缝宽应达到0.5cm左右。

（3）预裂面外侧爆破石渣开挖过程中选派技术好、责任心强的反铲操作手，并安排专人进行监督控制，并在预裂面预留10cm～30cm后保护层，严禁反铲斗牙接触破坏预裂面。预留保护层采用人工配合高压水枪进行清除。

（4）预裂面上的炮孔附近岩石不出现严重的爆破裂隙。

4 预裂开挖效果

根据边坡预裂面成型效果看，边坡岩体完整、节理裂隙不发育的区域预裂半孔率达90%以上，孔位偏差在3cm以内，坡面不平整度在8cm以内。在软弱夹层或层间结合带区域半孔率偏低约60%以上，孔位偏差最大为10cm，不平整度最大为15cm。 根据爆破振动检测结果看，左岸边坡开挖导致的保留边坡岩体爆破影响深度在70cm范围以内，且多数情况下岩体爆后波速变化率较小，爆破满足国家标准《爆破安全规程》GB 6722-2003和有关技术条款所允许的范围，边坡预裂开挖质量优良。

5 结语

锦屏一级水电站大坝左岸工程边坡预裂开挖施工过程中，通过对边坡预裂钻孔、预裂孔爆破及预裂面开挖质量控制方法进行积极探索、创新和优化，成功实施了跨边坡f2、f5、f8、f13、f14等断层和绿片岩、煌斑岩等软岩地带等复杂地质条件下的预裂爆破。因此，锦屏一级水电站大坝左岸边坡复杂地质条件下预裂开挖质量控制方法合理可行，可为以后同类工程借鉴。

参考文献：

[1]《水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范》（SL47-94）

[2]《水工建筑物地下开挖工程施工技术规范》（DL/T5099-1999）

[3]《水电水利工程爆破施工技术规范》（DL/T5135-2001）

[4]《爆破安全规程》（GB 6722-2003）

作者简介：

高辉(1977 - ) ，男，四川郫县人，工程师，从事水利工程技术与管理工作。