摘要 黄丰水电站泄洪闸和厂房粘土岩开挖根据粘土岩岩质软弱，强度低，开挖爆破过程中易受到扰动，在水的作用下引起软化、泥化、膨胀、崩解、收缩干裂等工程特性，选用合理的施工方法与合适爆破参数最大限度避免开挖爆破对基岩的扰动破坏、以及有效的建基面保护措施，为类似工程粘土岩施工提供参考与借鉴。
关键词 黄丰水电站 粘土岩开挖 建基面保护
1工程概况
黄丰水电站位于青海省循化县境内的黄河干流上，是黄河上游龙羊峡—刘家峡河段中的第十个梯级。电站枢纽工程主体由电站厂房、泄洪闸、土石坝、开关站等建筑物组成，枢纽布置由左至右依次为河床式电站厂房、泄洪闸、右岸土工膜防渗砂砾石坝等建筑物。枢纽前沿总长度556.60m，坝顶高程1883.50m。工程主要任务是发电，兼顾下游少量灌溉、供水等综合利用效益。电站等别为三等中型工程，主要建筑物级别为3级。水库正常蓄水位1880.5m，库容5900万m3，具有日调节性能。电站总装机容量225MW，多年平均发电量8.654亿kWh，5台灯泡贯流式机组，额定水头16.00m。
坝址区各建筑物基础及边坡的岩石均属强度低，易软化，易泥化的岩石。岩性主要为含粉砂质泥岩，其次为含粉砂粘土质石膏岩夹层。右岸土坝坝段河床覆盖层厚度4.9～6m，基底岩石为含粉砂质泥岩，基岩顶板高程1854～1858m。土石坝坝基工程地质条件较好。厂房及泄洪闸坝段坝基岩石均为弱～微风化含粉砂质泥岩，其中发育顺层裂隙及层间石膏膜，且发育少量陡倾角裂隙，局部陡缓相交呈网格状发育。裂隙一般充填石膏细脉。相对较差的含粉砂粘土质石膏岩在闸（坝）建基面下埋藏深度2.0～2.5m以上，弱～微风化岩体均为相对隔水层。
尼那水电站粘土岩开挖与黄河康扬水电站粘土岩的开挖，均采用预留保护层、梯段爆破开挖方法，基坑大面积开挖前先进行爆破实验，并在爆破前后进行了声波监测和对比分析。
2爆破试验
黄丰水电站为取得与粘土岩开挖相适应的爆破参数以及检测爆破震动对建基面的影响程度，在开挖初期进行了爆破试验。
爆破试验选在在电站厂房左岸临近岸坡台地位置（桩号：坝下0+040.0～坝下0+070.0、坝右0+060.0～坝右0+80.0），分两个试验块进行。
2.1钻爆设计
参照类似工程经验，初拟钻爆试验参数如下：
爆破试验Ⅰ区钻孔采用Atlas D7钻车钻孔，孔径100mm，孔深3.0mm，孔距3m×2.6m，炸药采用乳化炸药，药卷直径70mm，单孔装药量9.5kg；
爆破试验Ⅱ区钻孔采用YT－28手风钻钻孔，孔径45mm，孔深1.5m，孔距1.5m×2m，炸药采用乳化炸药，药卷直径32mm，单孔装药量为0.60kg。
2.2爆破观测
2.2.1观测仪器设备与技术标准
爆破破坏范围观测仪器使用RS—ST01C型声波仪，爆破地震效应观测仪器使用Idts3850型爆破检测仪。工作前、后对所用仪器设备进行了常规检查，检查结果表明所使用仪器设备性能稳定，满足有关要求。
物探观测执行《水利水电工程物探规程》(DLS010 92)中的有关技术要求和标准。
2.2.2观测孔的布置与测试
爆破破坏范围观测共布孔15个，孔径100mm，每3孔一组，试验Ⅰ区布置3组，分组编号为：4#～6#、7#～9#、10#～12#，孔深6m；Ⅱ区布置2组，分组编号为：13#～15#、16#～18#，孔深3m。
观测方法采用声波穿透法，分爆前、爆后，两次进行，且要求爆前与爆后均在同一孔中进行。
爆破地震效应观测工作分4次进行，每次布置两个测点，每个测点安置3个速度传感器，分别接收垂向、径向和切向等三个方向爆破震动速度。
2.2.3爆破地震效应观测
爆破地震效应的观测是为了研究爆破地震效应的规律，找出减小爆破振动的措施和确定爆破安全距离或确定最大允许药量，以爆破周边保证建（构）筑物安全。
目前国内外爆破工程多以建筑物所在地表的最大质点振动速度作为判别爆破振动对建筑物的破坏标准。通常采用的经验公式为：
V=K（Q1/3/R）a
式中：
V一质点最大振动速度，cm／s；
Q一炸药量，kg；
R一测点与炮点距离，m；
k一与震源、岩土等因素有关的系数；
a一衰减系数。
本次测试通过4次各2个点的观测，针对不同药量和不同收发距离所对应的三个方向(垂直、径向和切向)最大质点速度，采用最小二乘法进行回归，得出上式中的k和a值：
①垂向：K=93.2,a=1.437
②径向：k=22.7,a=1.028
⑧切向：K=68.0,a=1.285
根据上述结果得出黄丰水电站坝址区爆破震动的传播规律为：
①垂向：V＝93.2（Q1/3/R）1.437
②径向：V＝22.7（Q1/3/R）1.028
③切向：V＝68.0（Q1/3/R）1.285
2.2.4爆破破坏范围声波测试成果分析
根据典型孔组声波测试成果分析：7#～8#、8#～9#孔组Vp－H曲线自爆破面以下80cm与爆前波速值重合，以及实际超挖0.4cm，确定7#～8#、8#～9#孔组间岩体爆破扰动破坏深度为1.2m。
10#～11#、11#～12#孔组Vp－H曲线也是自爆破面以下80cm与爆前波速值重合，以及实际超挖1.2m，确定10#～11#、11#～12#孔组间岩体爆破扰动破坏深度为2.0m。
同理，根据4#～6#、13#～15#、16#～18#孔组声波跨孔测试成果，确定4#～6#、13#～15#、16#～18#孔组间岩体爆破扰动破坏深度分别为：2.0m、0.6m、0.8m。
2.5小结
通过黄丰水电站粘土岩开挖爆破试验和爆破观测成果分析，主要结论如下：
（1）粘土岩的开挖应采用浅孔梯段爆破、预留保护层开挖方法。
（2）采用爆破试验所用爆破参数，岩体最大爆破扰动破坏深度为2.0m，确定基岩保护层厚度为2.5m。当然，需要说明的是由于试验区域的局限性和岩层岩性分布的不均一性，施工中还要进一步验证。
（3）根据试验Ⅱ区爆破破坏范围声波测试成果：岩体爆破扰动破坏深度0.6m～0.8m，保护层的开挖可采用预留30cm左右人工撬挖层后，一次爆除。
（4）实施爆破作业前，先要根据爆破地震效应规律，测算爆破安全距离；若不满足安全要求时，须采取相应减震和安全防护措施。
3.粘土岩开挖施工
3.1基坑开挖
3.1.1基坑粘土岩梯段爆破开挖
基坑粘土岩开挖采用分区、分层自上而下逐层、钻爆开挖方法，建基面以上预留2.5m作为底部水平保护层，保护层以上粘土岩采用浅孔梯段爆破法开挖，梯段高度3m，开挖钻孔机具采用Atlas D7液压钻车，炸药采用2#岩石乳化炸药，先开先锋槽，然后向两侧扩大开挖。
梯段钻爆参数见下表2：
表2 梯段爆破参数表
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参 数
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孔 径
（mm）
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孔 深
（m）
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间排距
（m×m）
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孔 数
（个）
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倾 角
（º）
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单 耗（kg/m3）
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药 径
（mm）
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单 孔 药 量
（kg）
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爆破孔
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100
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2.8
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2.0×2.5
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65
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0.36
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70
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4.8
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缓冲孔
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100
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2.8
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2.0×1.5
|
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0.26
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32
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1.2
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3.1.2水平建基面粘土岩保护层开挖
水平建基面保护层厚度2.5m，开挖采用孔底加柔性垫层的小梯段一次爆除法。钻孔采用煤电钻钻孔，孔深1.5m，孔径45mm，炮孔间排距1.5m×1.2m，2#岩石乳化炸药，药卷直径32mm，火花起爆。
3.1.3人工撬挖层开挖
粘土岩人工撬挖层的开挖设计要求原则上采用人工铺以小型机具（风镐、铁锹等）进行，主要是为防止大型机械轮压对建基面粘土岩可能造成的破坏和扰动。实施过程中，由于进度十分缓慢，新开挖敞露出来的建基面不能及时采用混凝土覆盖，表层很快出现龟裂和风化现象。
黄丰水电站粘土岩人工撬挖层的开挖过程中，采用了小型液压反铲先站位于撬挖层作业板块外一端，薄层开挖两侧撬挖层粘土岩，弃土摊铺在中间撬挖层上，摊铺厚度至少在50cm以上，然后反铲进占蹲位其上，进行撬挖层作业板块中间部分开挖，依次循环，由作业板块的一端至另一端进行开挖。液压反铲作业时，严格控制开挖深度，预留5cm～10cm人工清面。
3.2边坡预裂爆破开挖
边坡开挖采用自上而下分台阶开挖方法，主体石方开挖采用Atlas D7和YQ100型潜孔钻钻孔、深孔梯段微差爆破；设计坡面开挖采取预裂爆破技术，预裂爆破钻孔采用煤电钻钻孔。开挖边坡岩体较厚时，坡面3～5m以外主体开挖可采取大孔径炮孔进行正常的爆破作业；坡面3m以内即保护层范围采取“梯段－预裂爆破法”一次开挖，。
边坡预裂爆破参数见下表：
表3 边坡预裂爆破参数表
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参 数
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孔 径
（mm）
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孔 深
（m）
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孔 距
（m）
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孔 数
（个）
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倾 角
（º）
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线装药量（kg/m）
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药 径
（mm）
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单 孔 药 量
（g）
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预裂孔
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45
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0.75
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0.40
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32
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600
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4建基面保护
根据类似地质条件工程研究成果资料和现场观察：新开挖敞露出来的岩面，随含水量损失快慢程度，一般6～8小时左右就有微裂隙产生，开始风化。因而，除做好粘土岩建基面不受重压或扰动保护外；还须做好粘土岩开挖周边与岩体内部层间排水，以及混凝土覆盖前建基面天然含水量的保持工作。
4.1作业面截排水
撬挖层施工前须先进行作业面周边地表水和出露裂隙水的截排。周边地表水采用截水沟、拦水埂截排；边坡岩层裂隙渗水采用安插导管或沿坡面架设集水管槽外排；工作面局部岩体渗水采用前期设临时工作坑外排、或前期在出水点安插导管引排，后期封堵。
4.2建基面混凝土覆盖前的保护
建基面混凝土覆盖前的保护包括：撬挖层施工过程中的保护、以及地震波波速测试、基岩面验收、地质素描等、覆盖混凝土浇筑前后等过程保护。
为保持建基面天然含水量，避免基岩出现干缩龟裂、风化和表层裂隙的产生，撬挖层的开挖应根据结构混凝土浇筑分仓分块，由短边开始顺长边方向进行，每撬挖一段（段长按1小时左右撬挖层撬挖长度）即用塑料薄膜和彩条布覆盖，随后再行撬挖、跟进覆盖，依次进行。
建基面的清理由始端开始，揭开覆盖一块、清理一块，清理一块、覆盖一块。同理，地震波波速测试时也要揭开覆盖一块、测一块，测一块、覆盖一块，先横向后纵向。地震波波速测试合格后，即按验收程序组织验仓、地质素描，并同时进行垫层混凝土覆盖浇筑准备工作。
验仓结束和混凝土未入仓前，建基面仍要全面覆盖，混凝土浇筑时逐块揭膜、逐块浇筑。
5结语
通过黄丰水电站粘土岩开挖全过程的实践、总结和分析，得出以下主要结论：
（1）粘土岩是属变形大、强度低、赋存环境效应和时间效应强烈软岩中性状极差的一类岩体，对工程建设施工开挖的进度、质量、成败起关键控制作用。因此，在进行工程建设施工时必须加以高度重视和慎重。
（2）粘土岩开挖爆破参数、建基面保护层厚度的确定，应根据爆破试验确定。
预裂（光）爆破和建基面保护层开挖钻孔机具，易采用42mm直径的煤电钻（实际成孔直径45mm）钻孔。
（3）粉砂质粘土岩含有膨胀矿物成分，有遇水膨胀、干燥收缩的特点，受水浸泡、或敞露的岩面、以及干湿状态下的粘土岩，易于崩解，抗压强度降低。施工排水与新开挖敞露建基面含水量保持，至关重要。
新开挖敞露出来的粘土岩建基面必须及早进行覆盖保护。一般在混凝土覆盖前，采用两层覆盖，一层塑料地膜贴岩面保水覆盖、一层彩条布遮阳覆盖；混凝土覆盖：水平建基面采用混凝土垫层覆盖，边坡采用喷射混凝土覆盖。
最早覆盖时间应以粘土岩出现微风化、干缩前为限。
（4）水平建基面人工撬挖层的施工，在有保证建基面粘土岩岩体不扰动破坏的条件下，应优先以机械设备开挖为主、人工清理为辅，以加快施工进度，缩短粘土岩建基面敞露时间。
参考文献
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