罗坡坝水电站拱坝坝肩开挖设计与施工

保庆顺，杨仕志，刘安宇

(1.湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北 武汉 430070；2.湖北大禹建设股份有限公司，湖北 武汉 430061)

罗坡坝水电站工程位于恩施市南部冷水河流域中下游。主要建筑物由碾压混凝土双曲拱坝、坝身泄洪表孔、发电引水隧洞、电站厂房和开关站等组成，为三等中型工程。水库正常蓄水位为750.00 m(黄海高程)，校核洪水位753.29 m，总库容为8 705万m3，电站总装机容量为30 MW，年发电量为7 850万kWh，最大坝高111 m。大坝坝顶高程754 m，建基面高程643 m，最大坝高111 m，最大中心角89.7254°,上游面坝顶弧长177.535 m，坝底宽17.5 m。拱坝参考面方位角为NE216°，与坝址区河段流向基本一致。

1 工程地质条件

罗坡坝水电站坝址河谷狭窄，河床宽只有30 m左右，坝址下游左岸约150 m处有一条小冲沟切割，右岸岸坡完整。两岸基岩裸露，具备修建拱坝的地形地貌条件。坝基及两岸坝肩出露地层为三叠系嘉陵江组第四段第四层(T1j4-4)、第五层(T1j4-5)、第六层(T1j4-6)、第七层(T1j4-7)、第八层(T1j4-8)、第九层(T1j4-9)中厚层、厚层灰岩、薄层白云质灰岩及溶崩角砾岩。坝址两岸以岩质边坡为主，左岸为顺向坡，自然边坡60°左右，谷坡岩层倾角60°左右，与坡角一致，不存在层面临空，天然边坡稳定性好。右岸亦为顺向坡，650～695 m呈陡崖地貌，基岩裸露，695 m谷顶呈陡坡，岩层近直立，自然边坡总体稳定性好。

2 基础开挖设计

2.1 初步设计阶段

罗坡坝水电站坝址左、右岸均为顺向坡，边坡稳定至关重要。天然边坡坡角与岩层倾角一致或略缓，不存在岩层层脚临空现象，故自然边坡一般处于稳定状态。坝肩开挖后，坝顶高程754.00 m以上形成顺向人工边坡，拟按顺层原则开挖，并用随机锚杆和喷聚丙烯纤维混凝土支护，确保边坡稳定。由于拱坝两岸基槽弯向下游，故坝顶高程以下两端抽槽开挖后，下游槽壁对岩层而言是“崭头”，人工边坡基本稳定无大碍；而上游槽壁对其顶部岩层而言则是“切脚”，将会形成极不稳定的“三角岩体区”，左岸情况更加严重。因此，必须慎重对待并妥善处理上述“三角岩体区”[1]。则该项目的难点在于选择既要安全适用，又要经济合理的开挖设计方案。据此进行了以下方案分析和比较：采用“洞挖”并留若干岩拱支撑或人工加撑、后随坝上升逐步去撑的方案，但由于洞挖跨度有限，难以适应坝厚要求且支撑工程量较大，虽然安全可控，但是技术上难以控制且投资较大，不够经济。第二种方案为：从开挖形成的坝顶高程平台开始，逐梯段向下：先在下游槽壁至上游、包括基槽和上游“三角区(适当超宽，避免最下部形成尖角而有一定宽度)”[2]的坝肩范围内进行表层削坡，下游槽壁适当超宽放1∶0.25陡边坡开挖；上游开挖底口线相较于基槽底口线最上游处也适当超宽，并在平面上平行于岩层倾向，削坡的上游壁同样放1∶0.25陡边坡(实为岩层之侧向坡)开挖；横河向削坡坡比基本平行基槽底坡，此坡接近或缓于层面坡。削坡以后，各方向边坡稳定，预留岩石厚度，下游端约4.0 m，上游端稍厚。削坡后，即对该梯段基槽上游壁以上的三角区岩体用预应力锚索锚固，保证其掏脚后能保证稳定，再进行剩余部分岩体的基槽开挖。对下游槽壁，离削坡底口适当距离向基槽底口放1∶0.25的陡坡开挖；上游槽壁则预留喷层厚度(约7 cm)，也放1∶0.25的陡边坡向基槽底口开挖，深度直至拱端基面。削坡上、下游壁、岩槽壁，拱端基面和削坡面(尤其是三角区面)都要进行预裂，确保岩面完整。本梯段基槽开挖后，用厚度为7 cm的C20聚丙烯纤维混凝土喷护削坡上、下游壁面、上游三角区岩面和基槽上、下游壁面，喷层下部可比梯段底部提高约0.8～1.0 m。必要时，对上游基槽壁面挂φ6钢筋网(15 cm×15 cm的网格间距)再喷，钢筋网可适当折向三角区面和拱端岩面。三角区锚固采用1 000 kN级预应力锚索，长25 m，间排距4～6 m，估算用索108根。该方案虽然设计上相对较为繁琐，但是合理的分区、分层，可以形成工作面固定流水作业，安全、技术、质量上均可规范控制，工期能够得到保证，投资可控。故采用第二方案。

2.2 施工图设计阶段

施工图设计阶段需根据初步设计阶段确定的基本原则进行细化设计，并考虑锚索施工难度和难以及时张拉以及锚固效果等因素，将锚索调整为锚筋桩，锚筋桩采取现场焊接方式送入孔内。现场灌浆后可以在短时间内形成抗剪效果。锚桩采用3根DN32 mm钢筋焊接而成，锚桩长度根据倒悬体厚度的不同，分别采用9～20 m。

从左岸748.0 m开始，按照间、排距4 m布设锚桩，锚桩在上游二期开挖开口线上游1 m开始布置，前两根间距2 m，以后间距均为4 m。右岸749～725 m排距2 m，725 m以下排距4 m。锚桩在上游二期开挖开口线上游1m开始布置，前两根间距1.5 m，第三根间距2 m，以后间距均为3 m。两岸坝肩754.0 m以下必须遵循以下开挖、锚固顺序：首先将上游卸荷岩体挖除(一期开挖),再进行边坡锚固施工，然后挖到设计嵌深(二期开挖)，开挖锚固平面布置如图1所示，坡面图如图2所示。

图1 坝体开挖锚固平面布置图

图2 大坝开挖锚桩沿拱坝基础上游底口线剖面图

3 现场开挖与支护施工

根据左、右坝肩实际地形，充分考虑到开挖安全和工期安排，为此不仅开挖时进行了分层作业，还对上下游进行了分区作业布置，使钻爆与出渣穿插进行，充分发挥人力和设备资源效率，既保证了施工的安全、质量以及连续性，又加快了施工进度。两岸均采用100B型钻机“自上而下”三面深孔预裂梯段爆破一次成型开挖，局部采用手风钻光面爆破配合开挖。梯段高度12～16 m，采取周边预裂和非电毫秒雷管孔内外延时微差起爆网络法爆破施工。主炮孔与水平面垂直，边坡预裂孔骑线布置，倾角与设计坡比相同[3]。达到了半孔率和边坡平整度高、施工进度快的效果，从而有效保证了边坡的安全稳定。另由于两岸山高坡陡，当中部不能开挖避炮平台时，采用同一梯段分上下游两次开挖的方法避炮，开挖梯段8 m，上下游错开4 m，便于爆破后机械设备上下。罗坡坝水电站碾压混凝土双曲拱坝左坝肩及右坝肩开挖图如图3所示。

图3 罗坡坝水电站碾压混凝土双曲拱坝坝肩开挖图

坝肩开挖支护工程采用双排脚手架，立杆间距2 m，横杆间距1.5～1.8 m。754～739段脚手架在739平台生根，下部边坡支护采用悬空脚手架，减少与坝肩开挖施工相互干扰。锚桩采用100B钻机造孔，将加工好的锚桩进行现场人工拼装、焊接，直至锚桩全部插入孔内[4]。其后在孔口60 cm范围内采用砂浆封孔，待砂浆待龄24 h后，采用水泥浆灌注[5]。经检测，锚桩长度均满足设计要求，砂浆检测强度最大值30.2 MPa，最小值25.2 MPa，平均值26.9 MPa，满足设计要求的M25强度等级。

4 结 语

高山峡谷地区，边坡工程设计、施工难度大，不少工程均在开挖期发生了不可预见的滑坡或其他安全事故。罗坡坝水电站天然边坡坡角与岩层倾角一致或略缓，不存在岩层层脚临空现象，自然边坡一般处于稳定状态。坝肩开挖后，坝顶高程754.00 m以上形成顺向人工边坡，使得边坡稳定性受到不利影响。

罗坡坝水电站在设计初期就考虑到了拱坝坝肩开挖的顺向坡“切脚”问题，在设计阶段采取挖除表面强风化岩体并对深部切脚岩体采取分层加固再切脚开挖的方式来解决上述问题。施工阶段坝肩开挖支护工程采用双排脚手架，下部边坡支护采用悬空脚手架，减少与坝肩开挖施工相互干扰。在现场实现焊接锚筋桩与入孔的并行，降低了长锚筋桩在高边坡吊装入孔的难度，增加了施工安全保障。罗坡坝水电站坝肩开挖期间工期合理，无安全生产事故发生，施工质量满足设计要求，经实践证明设计方案选择是正确的，施工方案是合理的，可供类似工程参考、借鉴。