高地应力地区砼双曲高拱坝坝基开挖施工技术的研究

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 推荐单位 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拱坝坝基基础开

2、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，从而有效的预防了大坝基础二次处理的可能，增加了

3、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）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，而谷底产生应力集中。（2）峡谷的ew向切割和高陡岸坡一方

4、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

5、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

6、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2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

7、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g石方梯段钻爆开挖g保护层开挖g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

8、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

9、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

10、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el22

11、15el2212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、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

12、筋桩深入岩石0.3m。坝基保护层开挖平面布置第一阶段：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

13、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

14、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

15、时锚固是减小坝基基础回弹最有效的途径。2.4.4 加强坝基物探声波监测。为了掌握坝基岩体的力学参数及综合质量，测定坝基开挖后建基面岩体卸荷松弛带范围界限和厚度，确定坝基建基面实际要开挖的设计高程，物探监测的方法采用声波弹性波测试法。拉西瓦水电站混凝土双曲拱坝基础验收技术要求达到的标准：坝肩2400高程以上，要求每一坝段测内试孔表层1.52.0m处岩体声波波速vp大于3800m/s的测点不应低于85%，对于左岸2415m以上低波速带区域按要求做表面清理，深部进行加密高压固结灌浆处理。el2400高程以下，要求每一坝段测内试孔表层1.5m2.0m处岩体声波波速vp大于4200m/s的测点不应低于8

16、5%。拉西瓦双曲拱坝坝基开挖至2220高程时，在12坝段14坝段布置了9组物探孔，每组三个孔，孔距3.0m，孔深10.0m。物探声波检测采用单孔法和跨孔法检测。1#6#孔二组孔的声波弹性波的测试，单孔测试曲线基本为锯齿型或凹凸型，表明该部位岩体完整性较差，6.0m以下岩体单孔波速在21405620m/s之间，平均波速为4770m/s。跨孔穿透波速在48505600m/s之间，平均波速为5220m/s。19#24#孔单孔声波测试，6.0m以下的波速在22205880m/s之间，平均波速为4250m/s。穿透波速在28105560m/s之间，平均波速为4340m/s。单孔波速测试的波速段分布位置最

17、低高程为19#孔（孔深8米）2212.3m2215.3m，20#孔（孔深14.4米）2210.2m2212.6m，21#孔（孔深9.4米）2209.8m2212.8m，22#孔（孔深14.0米）2207.9m2210.9m，23#孔（孔深9.0米）2210.6m2212.8m，24#孔（孔深15.2米）2212.5m2213.3m。大量的其它坝段的物探数据表明，坝基2212m高程以下的岩体声波波速达到或超过4200m/s的技术要求，最后将坝基建基面原设计高程2210m抬高至2212.0m，坝基建基面设置间排距3.0*3.0m、长9.0m的32锚杆进行锚固，锚杆伸入孔口以下30cm。同时，在12

18、#、13#坝段四个物探孔内进行了摄像，摄像资料与声波监测数据基本一致，验证了声波监测的准确性和可靠性。 2.5技术经济分析技术分析2.5.1方案对比 与常规开挖方案对比：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随时调整，不能随意划分。 与锚固方案对比：在坝基开挖前期，曾提出坝基范围预留保护层，对保护层进行锚筋桩预锚的施工方法，此方案中预锚若按设计要求完成能有效的预防坝基基础的回弹，但锚筋桩安装质量要求高，难

19、度大，同时因预锚时首先要挖除顶部全部岩石层，然后在保护层表面进行预锚，最后才开挖保护层，施工工期长。如果预锚的锚筋桩质量不能完全保证，保护层爆破开挖时将会破坏预锚的锚筋桩，同时对坝基基础将产生扰动作用。因此预锚方案的特征是：预锚若按设计要求完成能有效的预防坝基基础的回弹；锚筋桩安装质量要求高，难度大；因预锚时首先要挖除顶部岩石层，然后再保护层表面进行预锚，最后才开挖保护层，因此施工工期长。2.5.2 施工优点灵活性强。坝基开挖。拉西瓦坝基开挖时安排了坝基回弹检测项目，因此在每一层以及每一阶段的开挖时共完成之后，根据坝基检测掌握的情况随时调整施工方法，具有将强的灵活性。施工工艺简单，工期短。坝基

20、开挖施工从宏观上看与常规的开挖没有太大的出入，容易被施工厂队理解和接受，在施工工艺上和技术难度上能够保证施工的顺利进行，另外能够充分的利用施工局现有的设备，发挥机械效率，加快施工进度。能充分结合设计意图，减小坝基开挖的风险。拉西瓦坝基基础为了防止因高应力而造成的坝基基础回弹，在进行设计修改时采用反拱形状，即底部为圆弧形状，坝基开挖施工时，为了尽量减小应力集中，达到设计的要求， el2215el2210保护层开挖时采用下游拉槽，建基面预裂爆破的施工方法，确保建基面的圆弧形状。经济分析经济指标优越。拉西瓦属高地应力地区，在坝基开挖时对地应力的释放必须采取针对性的预防措施，才能有效预防坝基基础的回弹

21、，否则将对工期及大坝的正常运行产生安全隐患，经济损失是无法估量的；另外，开挖施工时坝基的预锚不仅增加施工难度，而且增加施工工期；坝基底部保护层中间拉槽向上、下游推进的施工方法，不仅避免了从上到下开挖时而形成错台后出现的应力集中，而且也预防了大量超挖的可能，经济指标可观。2.6施工工艺研究经验总结：2.6.1解决在高地应力区砼双曲拱坝坝基基础开挖后出现回弹全国性的难题；2.6.2解决如何利用现有设备，提高设备利用率；2.6.3通过工艺实验室实现了边施工边观测边改进的设计思路，极大的缩短了施工工期，提高了经济效益。2.6.4增加了坝基基础的稳定性，提高了大坝运行期间的安全系数。 (纸面不敷，可另增

22、页)3发现、发明及创新点：3.1解决在高地应力区砼双曲拱坝坝基基础开挖后出现回弹是国内水工建筑物普遍存在的难题；3.2解决如何利用现有设备，提高设备利用率；3.3通过工艺实验可实现边施工、边观测、边改进的设计思路，可极大的缩短施工工期，提高经济效益。3.4增加了坝基基础的稳定性，提高了大坝运行期间的安全系数。（不超过400个汉字）4保密要点：研究技术成果可在全局范围中公开推广、应用。（不超过100个汉字）5与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较当前国内对高应力地区砼双曲拱坝坝基开挖没有成熟的施工技术，一般所采用的开挖方法主要有两种：预留保护层：其特点是能有效预防岩体卸荷带来的坝基基础回弹，但

23、在预留保护层后保护层的开挖无法充分发挥大型机械的施工优势，施工工期长。边坡一次性预裂到位，前沿梯段跟进大规模爆破施工方法：其特点是施工规模大，进度快。但不讲究分区及梯段的划分，加上爆破震动影响，无法有效限制岩体的卸荷。云南小湾水电站由于河谷狭窄，谷坡高陡，高地应力，加之开挖规模较大、开挖体型复杂，开挖引起的岩体卸荷问题十分突出。综上所述，与普通施工工艺相比，拉西瓦坝基开挖施工方法更讲究实效，根据地应力的分布来划分梯段高度和每一层的分区大小，同时为了减小超挖量和避免应力集中现象，采用坝基基础下游边线以外左右岸拉槽，然后下上游推进开挖保护层的方法，满足了设计要求，缩短开挖后与锚固的时间，有效的解决

24、了开挖引起的岩体卸荷问题。（不超过800个汉字）6应用情况通过针对高地应区砼双曲拱坝坝基开挖施工方法及工艺的研究，有效的解决了开挖引起的岩体卸荷问题，加快了电站建设的施工进度。通过与同类工程施工进度及经济效果相比，可以得出该项研究成果的推广应用，对电站整体工程而言，其工程意义及经济效益巨大。成果转化、推广或产业化方面还需帮助解决的问题7经济、社会效益单位：万元人民币项目总投资额130万元回收期 经济效益额的计算依据：在高地应力地区砼双曲拱坝坝基开挖施工工艺的研究中监测系统的累计增加投资为30万元，在高应力分布地带减小梯段高度，增加钻孔设备等累计增加投入100万。但拉西瓦坝基开挖对坝基基础的回弹

25、预防成功，不仅直接缩短电站建设的直线工期，而且避免坝基出现回弹后的二次处理，经济指标相当可观。社会效益：通过针对高地应区砼双曲拱坝坝基开挖施工方法及工艺的研究，有效的解决了开挖引起的岩体卸荷问题，加快了电站建设的施工进度。通过与同类工程施工进度及经济效果相比，可以得出该项研究成果的推广应用，对电站整体工程而言，其工程意义及经济效益巨大。四、本项目曾获科技奖励情况获奖时间奖 励 名 称奖励等级授奖部门本表所填科技奖励是指曾获得以下单位的科技进步奖： 1.经国家科技管理部门认定的有关单位； 2.业主、建设单位等单位。五、申请、获得专利情况表国 别申 请 号专 利 号项 目 名 称六、主要研究人员名单序号姓名性别技术职称文化程度工 作 单 位对成果创造性贡献1党存文男高级工程师本科水电四局第一施工局总负责人2汪文生男高级工程师本科水电四局第一施工局课题总负责人3王裕彪男工程师本科水电四局第一施工局技术指导4董 彬男工程师本科水电四局第一施工局技术主要负责5李益宁男工程师本科水电四局第一施工局技术负责6孙伟全男工程师本科水电四局第一施工局技术负责7申维彪男助理工程师本科水电四局第一施工局技术负责8祁得成男工程师本科水电四局第一施工局质量负责9谢绍泽男工程师本科水电四局第一施工局现场生产管理1011121