CN115262500A - 一种窑洞式坝肩槽螺旋式开挖结构和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种窑洞式坝肩槽螺旋式开挖结构和方法，一种窑洞式坝肩槽螺旋式开挖结构，其特征在于：所述坝肩槽沿深度方向分为若干个开挖分层，每个开挖分层包括内区和外区，所述外区沿着开挖分层的每条外周边设置，所述外区从开挖分层顶部螺旋向下至开挖分层底部，所述外区的每条边都包括倾斜段和水平平台，所述外区形成的包围区域为内区。采用本发明提供的开挖结构和方法，外区保留的岩体可以用于开挖机械到达工作面的通道，亦可作为坝基岩体的保护层；开挖机械可以环绕外区进行避炮，不需要通过在洞顶架设吊机上下提升达到工作面进行避炮，坝肩槽开挖的高度不受吊机的提升高度影响；开挖过程能够更加精细化，保证坝肩槽开挖的施工质量。

Description

一种窑洞式坝肩槽螺旋式开挖结构和方法

技术领域

本发明属于水电站坝肩槽技术领域，具体为一种窑洞式坝肩槽螺旋式开挖结构和方法。

背景技术

水电站坝肩槽位于大坝两侧山体边坡之上，是支撑大坝抵挡上游库水的重要工程。而我国近2/3的水能资源分布在西南川、滇、藏三省的高山深谷地区，然而西南地区地质条件复杂、生态环境脆弱，对水电站坝肩槽的开挖稳定性与开挖体量控制提出新的挑战。一方面，西南深切河谷地区，天然边坡陡峭、地应力水平高、岩体卸荷强烈、深层裂隙发育；另一方面，随着大坝高度不断刷新纪录，坝肩槽开挖工程的规模越也不断增大。

窑洞式坝肩槽，是指在承载拱坝坝肩荷载的两岸山体之中开挖“窑洞”，其顶部高程略大于拱坝坝顶高程，不同高程的宽度则略大于拱坝厚度，从而将大坝与山体的连接部位整个布置于“窑洞”之中。这种坝肩布置方式，在满足拱坝基础处理和坝肩边坡稳定要求的同时，将拱坝坝体体形和两岸高陡地形加以巧妙的结合，可显著降低开挖工程量，保护两岸山体表面植被。

然而，随着窑洞式坝肩槽开挖规模的不断增大，常规的分层分区爆破开挖方式具有很大的局限性，这种开挖方式通常需要在拱顶位置架设提升装置，用来提升机械设备进行避炮和到达开挖工作面，而提升装置的提升高度通常有限，且频繁将机械设备进行长距离提升具有很大的安全隐患。同时，由于开挖工作面比较狭小，炮孔钻孔装药、爆破出渣、坝肩槽支护等工序通常需要逐步进行。因此，很大程度上加大了施工组织的难度和延长了坝肩槽开挖工期。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种窑洞式坝肩槽螺旋式开挖结构和方法，解决了以上所述的技术问题。

本发明的第一目的是提供一种窑洞式坝肩槽螺旋式开挖结构：

一种窑洞式坝肩槽螺旋式开挖结构，其特征在于：所述坝肩槽沿深度方向分为若干个开挖分层，每个开挖分层包括内区和外区，所述外区沿着开挖分层的每条外周边设置，所述外区从开挖分层顶部螺旋向下至开挖分层底部，所述外区的每条边都包括倾斜段和水平平台，所述外区形成的包围区域为内区。

进一步的，每层所述外区的每条边向下倾斜角度θ一致，倾斜角度θ满足如下关系式：

θ＝arctan[h/(L1+L2+…Lm)]

其中，h＝H/n，H为坝肩槽垂直高度，n为开挖分层数；L1、L2、Lm为外区第1、2、m条边的倾斜段水平长度，m为外区的总边数。

进一步的，所述外区最高边靠近临空面。

进一步的，所述外区相邻两条边连接处设置有水平平台，所述水平平台的尺寸由相邻两条边尺寸决定。

本发明的第二目的是提供一种窑洞式坝肩槽螺旋式开挖方法：

一种窑洞式坝肩槽螺旋式开挖方法，包括以下步骤：

S1：根据所述窑洞式坝肩槽螺旋式开挖结构，对坝肩槽的开挖参数进行设计；

S2：确定坝肩槽第一分层开挖区的开挖参数，根据开挖参数将第一分层开挖区的内区和外区分别划分为若干个开挖分区，首先对内区各个分区进行逐步开挖，开挖高度为开挖分层的高度；

内区开挖完成后，沿着外区各个边开挖，外区开挖高度沿开挖方向从0m开始，以等差数列的方式进行递增，直至其开挖高度等于h，坝肩槽第一分层开挖区开挖完成；

S3：第一分层开挖完成后，从上至下依次确定第二分层开挖区，首先确定内区的开挖面积，并将其划分为若干个分区进行逐步开挖，开挖高度为开挖分层的高度；

内区开挖完成后，首先对外区最高边进行开挖，参考开挖方量将每条边划分为若干个开挖分区，依次对开挖分区的炮孔进行装药，开挖高度为开挖分层的高度，外区最高边开挖完成后，沿着开挖方向对外区剩余的各个边以及水平平台进行开挖，直至开挖形成窑洞式坝肩槽螺旋式开挖结构，第二分层开挖完成；

S4：重复步骤S3，对剩余分层进行爆破开挖，直挖至坝肩槽底部。

进一步的，上述步骤S1中，开挖参数包括外区每条边的倾斜段水平长度和宽度、开挖分层数n、开挖分区、坝肩槽垂直高度H、坝肩槽跨度D、坝肩槽嵌深d，其中外区每条边的倾斜段水平长度和宽度、坝肩槽垂直高度H、坝肩槽跨度D和坝肩槽嵌深d通过前期地质勘察与坝肩槽设计方案获得，开挖分层数n及开挖分区划分则由施工人员根据开挖方量进行提前确定。

进一步的，上述步骤S3中，当外区靠近临空面的边开挖完成后，之前内区爆破粉碎后的碎石出露，此时便可以对内区爆破碎石进行局部出渣，外区剩余各条边以及水平平台依次开挖的同时，对内区的爆破碎石进行出渣，直至内区全部碎石清理完成。

进一步的，在所述水平平台上布置避炮防护装置。

进一步的，当坝肩边坡存在坡度变化，对坝肩槽嵌深进行调整。

进一步的，当坝肩槽的跨度随着高程变化，对坝肩槽跨度进行调整。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益的效果：

1.坝肩槽每层开挖主要分为内外两区，外区保留的岩体可以用于开挖机械到达工作面的通道，亦可作为坝基岩体的保护层。

2.开挖机械可以环绕外区进行避炮，不需要通过在洞顶架设吊机上下提升达到工作面进行避炮，坝肩槽开挖的高度不受吊机的提升高度影响。

3.将开挖废渣从临空面翻入河床的同时可以进行坝肩槽支护施工以及进行炮孔布置，很大程度上提高了坝肩槽开挖效率。

4.纵向上分层开挖，每层分内区、外区开挖，内区和外区进一步细分开挖，开挖过程能够更加精细化，保证坝肩槽开挖的施工质量。

附图说明

图1为本发明实施例窑洞式坝肩槽开挖示意图。

图2为本发明实施例第一分层开挖区示意图。

图3为本发明实施例其他分层开挖区示意图。

图4为本发明实施例内区出渣示意图。

图5为本发明实施例内区外区划分示意图。

其中：1-锁口衬砌，2-施工洞，3-上游侧边坡，4-下游侧边坡，5-坝肩槽开挖轮廓线，6-开挖分层线，7-坝肩槽未开挖区域，8-第一分层开挖区，9-其他分层开挖区，10-临空边，11-上游边，12-拱端边，13-下游边，14-内区，15-外区，16-水平平台，17-拱端坝基。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参照图1至图5，一种窑洞式坝肩槽螺旋式开挖结构，其特征在于：所述坝肩槽沿深度方向分为若干个开挖分层，每个开挖分层包括内区14和外区15，所述外区15沿着开挖分层的每条外周边设置，所述外区15从开挖分层顶部螺旋向下至开挖分层底部，所述外区15的每条边都包括倾斜段和水平平台16，所述外区15形成的包围区域为内区14。

本发明的一种实施例，介绍了一种窑洞式坝肩槽螺旋式开挖方法，其包括以下步骤：

在坝顶高程处开挖一条通往外部道路的施工洞2，并对其进行锁口衬砌1支护。

本实施例中将坝肩边坡视为垂直边坡，开挖分层水平截面为矩形。

窑洞式坝肩槽螺旋式开挖方法将坝肩槽开挖分为若干个分层，根据其开挖尺寸的不同将其分为两种，即第一分层开挖区8和其他分层开挖区9。每个分层分为内区14和外区15。将外区15分为四个边，根据坝肩方位进行区分，临空面的为临空边10，靠近拱端坝基17的为拱端边12，靠近上游侧边坡3的为上游边11，靠近下游侧边坡4的为下游边13。

S1：首先对坝肩槽的开挖参数进行设计：

开挖参数包括临空边10倾斜段水平长度L1和宽度D1、上游边11倾斜段水平长度L2和宽度D2、拱端边12倾斜段水平长度L3和宽度D3、下游边13倾斜段水平长度L4和宽度D4、开挖分层数n、开挖分区、坝肩槽垂直高度H、坝肩槽跨度D、坝肩槽嵌深d，其中坝肩槽垂直高度H、坝肩槽跨度D和坝肩槽嵌深d通过前期地质勘察与坝肩槽设计方案获得，开挖分层数n及开挖分区划分则由施工人员根据开挖方量进行提前确定。

坝肩槽跨度：D＝(L1+D2+D4+L3+D2+D4)/2

坝肩槽嵌深：d＝(L2+D1+D3+L4+D1+D3)/2

计算开挖高度，开挖高度包括首层开挖高度、其它分层开挖高度，首层开挖高度沿开挖方向递增，其它分层开挖高度则按关系式h＝H/n计算，其中，h为开挖分层高度，H为坝肩槽垂直高度、n为开挖分层数。

进一步地，确定外区15四条边的倾斜角度，所有开挖分层的每条边的倾斜角度均保持一致，即向下开挖的倾斜角度θ满足如下关系式：

θ＝arctan[h/(L1+L2+L3+L4)]

进一步地，外区15每两条边连接处，即外区拐角处设置水平平台16，可用于临时堆放物资和机械设备停留，其尺寸受相邻两条边影响，例如临空边10与上游边11连接的水平平台尺寸为D1*D2*h。

S2：确定坝肩槽第一分层开挖区8，根据开挖参数将第一分层开挖区8的内区14和外区15分别划分为若干个开挖分区，首先对内区14的各个开挖分区进行逐步爆破，内区14爆破粉碎完成后，在外区15的各开挖区钻取炮孔，沿着外区15四个边的开挖方向，利用导爆索连接各炮孔起爆，直至开挖形成所述窑洞式坝肩槽螺旋式开挖结构。

坝肩槽第一分层开挖区8进行开挖时便确定外区各条边倾斜角度θ，之后其他分层开挖倾角将保持一致。

S3：坝肩槽第一分层开挖区8开挖完成后，便从上至下依次确定第二分层开始的其他分层开挖区9，并逐步爆破开挖至坝肩槽底部。

如图5所示，对于其他分层开挖区9，首先确定内区14的开挖面积，开挖高度确定为h，并将其划分为若干个分区进行逐步开挖，内区14爆破粉碎完成后暂时无法出渣。

坝肩槽窑洞式开挖的碎石废渣主要由边坡临空面倾倒至下部河床，然后由下部道路运出。

内区14进行爆破时根据具体方量划分若干个小的分区进行精细爆破，每个小的分区按方位逐步爆破，而机械设备可用环绕外区尽量远离爆破区域进行避炮。

如图3所示，将内区14爆破粉碎完成后，首先对外区临空边进行开挖，先参考开挖方量将每条边划分为若干个开挖分区，依次对开挖分区的炮孔进行装药，临空边10开挖完成后，然后沿着开挖方向对外区剩余的三个边以及水平平台16进行开挖。

外区开挖方向只能由最高边向最低边方向螺旋开挖，以保证外区的联通性，装载机可以环绕外区到达爆破区域进行出渣以及避炮。倘若改变方向，即最低边向最高边开挖，外区不会环形联通，装载机无法对爆炸区域进行出渣。

如图4所示，当临空边开挖完成后，之前内区爆破粉碎后的碎石出露，此时便可以对内区爆破碎石进行局部出渣，剩余三条边以及水平平台依次开挖的同时，对内区的爆破碎石进行出渣，直至内区全部碎石清理完成。

此窑洞式坝肩槽螺旋式开挖方法，同一工况下除第一分层的开挖高度与其它分层开挖高度有所区别外，其他参数保持统一，故对其它分层进行开挖时，可以采用同一套爆破开挖装置，而无需重新拆卸组装新的一套爆破开挖装置，能够有效节约时间及成本，很大程度上降低了爆破开挖的操作复杂程度和施工难度。

随着外区每条边的逐步开挖，内区的出露面积不断增大，在每条边上可以同时对内区的碎石进行出渣，通过外区形成的联通通道将碎石运至临空面进行倾倒，极大地提高了坝肩槽开挖的出渣效率。

由于外区的存在，每条边可以形成一个甚至多个独立的工作面，钻孔、出渣、支护施工等多个施工程序可以同时展开，极大提高了坝肩槽开挖及支护施工的效率。

本开挖方法无须由提升装置将进行开挖机械设备上下提升进行避炮和运至工作面，机械设备环绕外区进行灵活避炮，避免了提升装置提升距离的限制以及机械设备上下提升的安全隐患。在水平平台可以布置可靠的避炮防护装置，使机械设备避炮更加安全。

具体地，在本实施例的步骤S2中，第一分层开挖区8外区开挖高度沿开挖方向从0m开始，在四条边上以等差数列的方式进行递增，直至其开挖高度等于h。

进一步地，在步骤S2中，位于第一分层开挖区8的炮孔长度等于与其对应的开挖分区的开挖高度；沿开挖方向，炮孔的长度逐渐由短变长。为保证其成型质量，亦可对第一分层开挖区进行机械开挖。

作为优选地，本实施例所采用的炸药为爆炸性能较好，安全性较高且机械感度低的优质乳化炸药。

本实施例的步骤S3中，其它分层开挖区内的炮孔长度与其它分层开挖高度相等，即第二层至以下各分层炮孔的深度均一致。

第一分层开挖完成后，将开挖所需的机械设备以及各类支护装置移至外区上，进行下一步的钻孔爆破开挖，沿外区呈类似螺旋状向下继续推进，形成统一程序化的开挖方式，降低了坝肩槽爆破开挖施工的复杂性，提高开挖效率。

进一步需要说明的，在某些实施例中，坝肩边坡通常并非完全垂直，存在一定的坡度变化，则可以对上游边和下游边的水平长度或者临空边的宽度进行调整，本开挖方法亦可满足不同坡度的高陡坝肩开挖。

进一步需要说明的，在某些实施例中，由于拱坝的设计需要，坝肩槽的跨度会随着高程进行变化，则可以对临空边和拱端边的水平长度进行调整，本开挖方法亦可满足不同形状的高陡坝肩槽开挖。

当然，本发明的设计创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种窑洞式坝肩槽螺旋式开挖结构，其特征在于：所述坝肩槽沿深度方向分为若干个开挖分层，每个开挖分层包括内区(14)和外区(15)，所述外区(15)沿着开挖分层的每条外周边设置，所述外区(15)从开挖分层顶部螺旋向下至开挖分层底部，所述外区(15)的每条边都包括倾斜段和水平平台(16)，所述外区(15)形成的包围区域为内区(14)。

2.根据权利要求1所述的一种窑洞式坝肩槽螺旋式开挖结构，其特征在于：每层所述外区(15)的每条边向下倾斜角度θ一致，倾斜角度θ满足如下关系式：

θ＝arctan[h/(L1+L2+…Lm)]

其中，h＝H/n，H为坝肩槽垂直高度，n为开挖分层数；L1、L2、Lm为外区第1、2、m条边的倾斜段水平长度，m为外区的总边数。

3.根据权利要求1所述的一种窑洞式坝肩槽螺旋式开挖结构，其特征在于：所述外区(15)最高边靠近临空面。

4.根据权利要求1所述的一种窑洞式坝肩槽螺旋式开挖结构，其特征在于：所述外区(15)相邻两条边连接处设置有水平平台(16)，所述水平平台(16)的尺寸由相邻两条边尺寸决定。

5.采用上述权利要求1-4中任一所述的一种窑洞式坝肩槽螺旋式开挖结构的开挖方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：根据所述窑洞式坝肩槽螺旋式开挖结构，对坝肩槽的开挖参数进行设计；

S2：确定坝肩槽第一分层开挖区(8)的开挖参数，根据开挖参数将第一分层开挖区(8)的内区(14)和外区(15)分别划分为若干个开挖分区，首先对内区(14)各个分区进行逐步开挖，开挖高度为开挖分层的高度；

内区(14)开挖完成后，沿着外区(15)各个边开挖，外区(15)开挖高度沿开挖方向从0m开始，以等差数列的方式进行递增，直至其开挖高度等于h，坝肩槽第一分层开挖区(8)开挖完成；

S3：第一分层开挖完成后，从上至下依次确定第二分层开挖区，首先确定内区(14)的开挖面积，并将其划分为若干个分区进行逐步开挖，开挖高度为开挖分层的高度；

内区(14)开挖完成后，首先对外区(15)最高边进行开挖，参考开挖方量将每条边划分为若干个开挖分区，依次对开挖分区的炮孔进行装药，开挖高度为开挖分层的高度，外区(15)最高边开挖完成后，沿着开挖方向对外区剩余的各个边以及水平平台(16)进行开挖，直至开挖形成窑洞式坝肩槽螺旋式开挖结构，第二分层开挖完成；

S4：重复步骤S3，对剩余分层进行爆破开挖，直挖至坝肩槽底部。

6.根据权利要求5所述的一种窑洞式坝肩槽螺旋式开挖的方法，其特征在于：上述步骤S1中，开挖参数包括外区(15)每条边的倾斜段水平长度和宽度、开挖分层数n、开挖分区、坝肩槽垂直高度H、坝肩槽跨度D、坝肩槽嵌深d，其中外区(15)每条边的倾斜段水平长度和宽度、坝肩槽垂直高度H、坝肩槽跨度D和坝肩槽嵌深d通过前期地质勘察与坝肩槽设计方案获得，开挖分层数n及开挖分区划分则由施工人员根据开挖方量进行提前确定。

7.根据权利要求5所述的一种窑洞式坝肩槽螺旋式开挖的方法，其特征在于：上述步骤S3中，当外区靠近临空面的边开挖完成后，之前内区爆破粉碎后的碎石出露，此时便可以对内区爆破碎石进行局部出渣，外区剩余各条边以及水平平台依次开挖的同时，对内区的爆破碎石进行出渣，直至内区全部碎石清理完成。

8.根据权利要求5所述的一种窑洞式坝肩槽螺旋式开挖的方法，其特征在于：在所述水平平台(16)上布置避炮防护装置。

9.根据权利要求6所述的一种窑洞式坝肩槽螺旋式开挖的方法，其特征在于：当坝肩边坡存在坡度变化，对坝肩槽嵌深进行调整。

10.根据权利要求6所述的一种窑洞式坝肩槽螺旋式开挖的方法，其特征在于：当坝肩槽的跨度随着高程变化，对坝肩槽跨度进行调整。

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