趾板开挖与防渗体系协同施工技术在抽蓄电站中的实践

一、引言

抽水蓄能电站作为电网调峰填谷的核心设施，其上下水库的防渗性能直接决定工程运行效率与安全。趾板作为坝体与基岩之间的过渡结构，既是坝体荷载的传递载体，又是防渗体系的重要组成部分，其施工质量需同时满足结构强度与防渗性能双重要求。传统施工中，趾板开挖与防渗体系施工往往分步进行，存在开挖扰动导致基岩完整性破坏、工序衔接滞后引发边坡失稳、防渗结构与趾板混凝土结合不良等问题，据统计，此类问题导致的防渗体系修复率高达 30% ，严重影响工程进度与投资效益。

近年来，随着抽蓄电站向高水头、复杂地质条件发展，趾板所处地质环境日趋复杂（如断层破碎带、高地应力区），对开挖与防渗协同施工提出更高要求。本文以某抽水蓄能电站上水库趾板工程为依托，系统研究趾板开挖与防渗体系协同施工的关键技术，通过优化施工工序、创新工艺方法，实现开挖扰动最小化与防渗效果最大化的有机统一，为抽蓄电站关键结构施工提供技术支撑。

二、工程概况与技术难点

2.1 工程概况

某抽水蓄能电站总装机容量达 1200MW，在电力系统中承担着重要的调峰填谷任务。该电站上水库正常蓄水位为 890m ，死水位为 850m ，库盆采用混凝土面板堆石坝进行挡水。趾板沿坝轴线连续布置，全长 1260m ，最大宽度为 6.5m ，其混凝土设计强度等级为 C30W8F150，这意味着混凝土不仅要达到 30MPa 的抗压强度，还要具备 8MPa 的抗渗等级和150 次的抗冻等级，以适应水库的工作环境。

趾板区的基岩主要以花岗岩为主，花岗岩岩体整体强度较高，但局部发育有F1、F2 两条断层破碎带。通过地质勘察得知，该区域岩石的饱和抗压强度在60-80MPa 之间，岩体完整性系数为 。这种地质条件为趾板的开挖和防渗施工带来了一定的复杂性。

防渗体系是确保水库安全运行的关键，该工程的防渗体系由多个部分协同组成：趾板混凝土自身具备一定的防渗功能；基岩帷幕灌浆形成深层防渗屏障；周边缝采用铜片与 PVC 止水带组合的止水结构；底部连接板则起到连接和辅助防渗的作用。整个防渗体系的设计渗漏量控制标准为 ⩽0.15L/(m⋅d) ，以保证水库的水资源不发生过多流失，维持水库的正常运行水位和效益。

2.2 技术难点

地质条件复杂：断层破碎带处的岩体由于受到地质构造运动的影响，完整性极差，岩体破碎，在开挖过程中极易引发塌方事故，这就要求施工过程中必须兼顾开挖成型的质量和围岩的稳定性。同时，花岗岩体中存在的卸荷裂隙，若在施工过程中处理不当，这些裂隙可能成为雨水和库水渗入的通道，形成渗漏隐患，影响工程的防渗效果。

协同施工矛盾：趾板开挖需要严格保证建基面的平整度，因为这直接关系到后续防渗结构与基岩的紧密结合，进而影响整体防渗效果。然而，防渗体系中的帷幕灌浆施工需要进行大量钻孔作业，这些钻孔可能会破坏已开挖成型的建基面完整性。此外，传统工序中“开挖完成后再施工防渗”的模式，使得边坡在开挖完成后长时间暴露，随着暴露时间的增加，边坡岩体在风化、雨水冲刷等自然因素作用下，其稳定性逐渐降低，增加了失稳的风险。

结构精度要求高：趾板建基面设计坡度为 1:0.3，平整度允许误差必须控制在 5cm 以内，如此高的精度要求给开挖施工带来了极大的挑战。周边缝止水铜片的安装精度要求更为严苛，其安装偏差需控制在 3mm 内，因为止水铜片的安装质量直接决定了周边缝的止水效果，任何微小的偏差都可能导致渗漏。

环境制约严格：该工程位于生态保护区内，施工过程中的爆破振动必须严格控制在 1.5cm/s 以内，以避免爆破振动引发地质灾害，同时防止对周边的生态环境造成破坏，保护区域内的动植物生存环境。

三、协同施工技术体系构建

3.1 地质适应性开挖技术

3.1.1 分层分段开挖方案

根据趾板轴线的走向以及沿线的地形地质条件，经过详细的勘察和论证，采用“沿轴线分段、垂直轴线分层”的开挖方式，以确保开挖过程的安全和高效。

分段划分：以断层破碎带为天然分界，将全长 1260m 的趾板划分为 5 个施工段，每段长度在 200-300m 之间。为避免各施工段之间的交叉作业干扰，保证施工安全和质量，在各段之间设置 10m 宽的过渡区。过渡区采用严格的支护措施，确保其稳定性，同时也作为各段施工材料运输和人员通行的通道。

分层高度：自上而下将开挖过程分为 3 层。第一层主要开挖覆盖层与强风化层，开挖高度为 3m ，这一层的岩体风化程度较高，强度较低，采用常规的机械开挖即可。第二层开挖中风化层上部，开挖高度为 2m ，该层岩体风化程度相对较低，需要结合爆破和机械开挖的方式进行。第三层开挖中风化层下部，也就是建基岩层，开挖高度为 1-2m ，这一层的岩体完整性和强度较高，是趾板的直接基础，开挖过程必须严格控制，确保建基面的质量。每层开挖完成后，立即进行边坡支护，以防止边坡失稳。

开挖顺序：为提高施工效率，降低施工风险，采用“跳段开挖”模式。先施工地质条件较好的Ⅱ、Ⅳ段，在这些段的施工过程中积累经验，优化施工参数，然后再施工含有断层破碎带的Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ段。同时，利用已施工完成的段落作为材料运输和人员通行的通道，减少临时道路的修建，节约成本，提高施工的连贯性。

3.1.2 预裂爆破参数优化

针对基岩开挖过程中的振动控制和平整度要求，经过多次试验和优化，采用预裂爆破与光面爆破相结合的组合工艺，以达到理想的开挖效果。

预裂爆破：沿趾板建基面的轮廓线精确布置预裂孔，孔距严格控制在 50cm 孔径为 90mm 。装药集中度根据岩体性质进行调整，一般区域为 0.35⋅0.45kg/m ，在断层带区域，由于岩体破碎，为保证预裂效果，装药集中度提高至 0.5kg/m 采用导爆索起爆方式，确保预裂面的平整度 ⩽15cm ，为后续的防渗施工提供良好的基础面。

主爆区参数：主炮孔采用梅花形布孔方式，这种布孔方式能够使炸药能量分布更为均匀，提高爆破效果。孔距为 2.5m ，排距为 2m ，单响药量严格控制在30kg 以内，最大段药量不超过 50kg 。通过萨道夫斯基公式计算可知，这样的爆破参数能够将爆破振动速度控制在 1.2cm/s 以内，满足环境和结构安全的要求。

断层带处理：对于F1、F2 断层破碎带，采用“先固结灌浆后开挖”的特殊处理方法。在开挖前，沿断层带布置灌浆孔，孔间距为 1.5m ，灌浆压力控制在2⋅3MPa ，通过灌浆使破碎岩体胶结在一起，待岩体完整性系数提高至0.8 以上再进行开挖。开挖过程中，采用机械破碎与小药量爆破相结合的方式，避免对断层带造成过大扰动，确保开挖过程的安全。

5.1 结论

针对抽蓄电站趾板施工的协同难题，构建的“地质适应性开挖-防渗体系协 同施工-工序衔接管控”技术体系，实现了开挖扰动控制与防渗性能提升的双重 目标。

预裂爆破参数优化（孔距 50cm 、装药集中度 0.35⋅0.45kg/m ）与三维激光扫描检测技术，可确保趾板建基面平整度误差 ⩽5cm ，为防渗体系施工奠定基础。

“超前灌浆 ⁺ 平行作业”模式将帷幕灌浆与开挖工序搭接时间缩短 50% ，复合止水系统（铜片+PVC 止水带）使渗漏量控制在 0.1L/(m⋅d) 以下，显著提升工程质量。

工程实践表明，协同施工技术可缩短工期 25% 以上，节约成本 10%-15% ，具有良好的技术经济性。

参考文献：

[1]周建平，刘宁，张国新。抽水蓄能电站工程建设关键技术进展[J].水利学报，2021,52(5):529-540.

[2]王仁坤，马洪琪，涂扬举。高混凝土面板堆石坝趾板设计与施工技术[J].水力发电学报，2020,39(8):62-71.