一种窑洞式坝肩槽并行开挖结构和方法
1.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并行开挖结构和方法。
背景技术：
2.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。
3.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。
4.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。
技术实现要素：
5.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并行开挖结构和方法，解决了以上所述的技术问题。
6.本发明的第一目的是提供一种窑洞式坝肩槽并行开挖结构：
7.一种窑洞式坝肩槽并行开挖结构，其特征在于：所述坝肩槽沿深度方向分为若干个分层，每个所述分层沿坝肩槽嵌深方向划分为若干个条状体，所述条状体包括相向向下倾斜的内倾体和外倾体，所述内倾体和外倾体交叉分布，所述内倾体由分层顶部高度向下倾斜，所述外倾体由内倾体底部高度向下倾斜至分层底部，每个条状体的两端都设有水平平台。
8.进一步的，所述内倾体和外倾体的宽度一致，其宽度应满足开挖机械设备的通行条件，条状体的宽度d1按关系式d1＝d/n1计算，其中，d为坝肩槽跨度、n1为条状体数量。
9.进一步的，所述条状体两端的水平平台联通之后分别形成上避炮通道和下避炮通道，所述上避炮通道和下避炮通道的宽度应满足开挖机械设备的通行条件，条状体的水平长度l1和避炮通道的宽度d2应满足关系式d＝l1+2*d2计算，其中，d为坝肩槽嵌深。
10.进一步的，所述内倾体和外倾体的倾斜角度θ一致，倾斜角度为θ满足如下关系式：
11.θ＝arctan(h/2/l1)
12.h＝h/n
13.其中，h为分层开挖高度，l1为条状体的水平长度，h为坝肩槽垂直高度，n为开挖分层数。
14.本发明的第二目的是提供一种窑洞式坝肩槽并行开挖方法：
15.一种窑洞式坝肩槽并行开挖的方法，其特征在于，包括以下步骤：
16.s1：根据所述窑洞式坝肩槽并行开挖结构，对坝肩槽的开挖参数进行设计；
17.s2：确定坝肩槽第一分层开挖区，根据开挖参数将第一分层开挖区的内倾体和外倾体分别细分为若干个小的开挖分区，首先对内倾体和其两端的水平平台的各个分区进行精细爆破，所有内倾体爆破粉碎完成后便及时进行出渣，同时外倾体和其两端的水平平台的各开挖分区进行精细爆破，直至开挖形成上述窑洞式坝肩槽并行开挖结构，坝肩槽第一分层开挖区开挖完成；
18.s3：从上至下依次确定第二分层开挖区，对所有位于内倾体高侧的水平平台进行逐步开挖，开挖高度皆为分层开挖高度；将内倾体和位于内倾体低侧的水平平台划分若干个分区进行精细爆破，所有内倾体爆破完成后可同时进行出渣；
19.将剩余的外倾体和水平平台逐步爆破开挖，直至开挖形成窑洞式坝肩槽并行开挖结构，第二分层开挖完成；
20.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。
21.进一步的，开挖参数包括条状体的宽度d1、条状体的水平长度l1、避炮通道的宽度d2、条状体数量n1、开挖分层数n、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。
22.进一步的，所述内倾体和外倾体爆破时采用按顺序逐条爆破方式。
23.进一步的，坝肩槽窑洞式开挖的碎石废渣由边坡临空面倾倒至下部河床，然后由下部道路运出。
24.进一步的，位于第一分层开挖区的炮孔长度等于与其对应的首层开挖高度，沿开挖方向，炮孔的长度逐渐由短变长；第二层至以下各分层炮孔的深度均为h。
25.进一步的，当坝肩边坡存在一定的坡度变化时，则可以对条状体的水平长度和避炮通道的宽度进行调整；当坝肩槽的跨度随着高程进行变化时，则可以对条状体的数量以及宽度进行调整。
26.与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益的效果：
27.1.开挖机械可以由避炮通道到达任意工作面进行避炮，不需要通过在洞顶架设吊机上下提升达到工作面和进行避炮，坝肩槽开挖的高度不受吊机的提升高度影响。
28.2.坝肩槽每层分为多个相对独立的工作面进行开挖施工，坝肩槽爆破开挖效率以及出渣效率极高。
29.3.炮孔钻孔装药、爆破出渣、坝肩槽支护等工序可以同时进行，很大程度上提高了坝肩槽开挖效率。
30.4.坝肩槽爆破开挖过程可以更加精细化，肩槽开挖成型的质量更佳。
附图说明
31.图1为本发明实施例窑洞式坝肩槽开挖示意图。
32.图2为本发明实施例第一分层开挖区示意图。
33.图3为本发明实施例其他分层开挖区示意图。
34.图4为本发明实施例避炮通道示意图。
35.图5为本发明实施例内倾体开挖完成示意图。
36.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，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-临空面，11-内倾体，12-外倾体，13-临空侧避炮通道，14-拱端坝基侧避炮通道，15-拱端坝基，16-水平平台。
具体实施方式
37.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。
38.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。
39.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。
40.参照图1至图5，本发明的一种实施例，一种窑洞式坝肩槽并行开挖结构，其特征在于：所述坝肩槽沿深度方向分为若干个分层，每个所述分层沿坝肩槽嵌深方向划分为若干个条状体，所述条状体包括相向向下倾斜的内倾体11和外倾体12，所述内倾体11和外倾体12交叉分布，所述内倾体11由分层顶部高度向下倾斜，所述外倾体12由内倾体11底部高度向下倾斜至分层底部，每个条状体的两端都设有水平平台16。
41.本发明介绍了一种窑洞式坝肩槽并行开挖方法，其包括以下步骤：
42.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。
43.窑洞式坝肩槽并行式开挖方法首先将坝肩槽开挖分为若干个分层，根据其开挖样式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。每个分层从上游侧边坡3至下游侧边坡4划分为若干个条状体。而条状体根据其倾向和开挖方向的不同分为两种，一种是倾向拱端坝基15，开挖方向由临空边10至拱端坝基15定义为内倾体11；另一种是倾向临空边10，开挖方向由拱端坝基15至临空边10定义为外倾体12。
44.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。
45.s1：首先对坝肩槽的开挖参数进行设计，开挖参数包括条状体的宽度d1、条状体的水平长度l1、避炮通道的宽度d2、条状体数量n1、开挖分层数n、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。
46.计算条状体的宽度d1，在本实施例中，将内倾体11和外倾体12的宽度均设为一致，其宽度应满足开挖机械设备的通行条件，条状体的宽度按关系式d1＝d/n1计算，其中，d为坝肩槽跨度、n1为条状体数量。
47.内倾体11和外倾体12交叉分布，为实现工作面的相互联通，条状体数量需满足n1》2。
48.计算条状体的水平长度l1和避炮通道的宽度d2，每个条状体的两端都设有一个水平平台16，两端的水平平台分别联通之后便形成上避炮通道13和下避炮通道14，所有避炮通道的宽度应满足开挖机械设备的通行条件，条状体的水平长度l1和避炮通道的宽度d2应满足关系式d＝l1+2*d2计算，其中，d为坝肩槽嵌深。
49.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为分层开挖高度，h为坝肩槽垂直高度、n为开挖分层数。
50.进一步地，确定条状体的倾斜角度，在本实施例中，所有条状体的倾斜角度均保持一致，即向下开挖的倾斜角度为θ满足如下关系式：
51.θ＝arctan(h/2/l1)
52.进一步地，水平平台16可用于临时堆放物资和机械设备停留，其尺寸受避炮通道的宽度d2和条状体的宽度d1影响，水平平台尺寸为d1*d2*h。
53.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的内倾体11和外倾体12分别细分为若干个小的开挖分区，首先对内倾体11和其两端的水平平台16的各个分区进行精细爆破，所有内倾体11爆破粉碎完成后便及时进行出渣，同时外倾体12和其两端的水平平台16的各开挖分区进行钻孔装药，利用连接各炮孔起爆，直至开挖形成上述窑洞式坝肩槽并行开挖结构，坝肩槽第一分层开挖区8开挖完成。
54.坝肩槽第一分层开挖区8进行开挖时便确定条形体倾斜角度θ，之后其他分层开挖倾角将保持一致。
55.为满足机械设备的避炮安全，所有内倾体11并非同时爆破，而是从上游侧至下游侧逐条爆破，外倾体12爆破开挖同理。
56.坝肩槽窑洞式开挖的碎石废渣主要由边坡临空面10倾倒至下部河床，然后由下部道路运出。
57.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挖区。
58.如图3所示，对于其他分层开挖区9，首先对所有内倾体11靠近临空面侧的水平平台进行逐步开挖，开挖高度皆为h。
59.如图4所示，当水平平台爆破移除后，下避炮通道连接贯通，并与上避炮通道以及各条状体形成一个闭合连接的通道，机械设备可以到达任何工作面进行钻孔、出渣、支护等作业。
60.将内倾体11和靠近拱端坝基的水平平台划分若干个分区进行精细爆破，内倾体11爆破开挖从上游侧至下游侧逐条爆破，所有内倾体11爆破完成后可同时进行出渣。
61.如图5所示，内倾体11和靠近拱端坝基的水平平台爆破移除后，此时上爆破通道失效，但下爆破通道仍可以正常运行，本开挖方法可以保证两条爆破通道无论何时至少有一
条可以使用，保证机械设备可以到达任意工作面。
62.将剩余的外倾体12和水平平台逐步爆破后，一个分层开挖完成。
63.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。
64.此窑洞式坝肩槽并行式开挖方法，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。
65.可以实现多个工作面同时出渣，极大地提高了坝肩槽开挖的出渣效率。
66.避炮通道的连接作用，机械设备可用到达坝肩槽内的任意工作面，钻孔、出渣、支护施工等多个施工程序可以在多个工作面同时展开，极大提高了坝肩槽开挖及支护施工的效率。
67.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，机械设备可以通过避炮通道尽量远离爆破区域进行灵活避炮；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。
68.具体地，在本实施例的步骤s2中，第一分层开挖区8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。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首层开挖高度；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。
69.作为优选地，本实施例所采用的为爆炸性能较好，安全性较高且机械感度低的优质。
70.由于下避炮通道靠近临空面，为了保证机械设备移动时的安全，下避炮通道的宽度可以进行加宽。
71.本实施例的步骤s3中，其它分层开挖区内的炮孔长度与其他分层开挖高度相等，即第二分层至以下各分层炮孔的深度均一致。
72.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条状体，进行下一分层的钻孔爆破开挖，沿条状体逐步向下继续推进，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。
73.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，则可以对条状体的水平长度和避炮通道的宽度进行调整，本开挖方法亦可满足不同坡度的高陡坝肩开挖。
74.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，则可以对条状体的数量以及宽度进行调整，本开挖方法亦可满足不同形状的高陡坝肩槽开挖。
75.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技术权利要求所限定的范围内。
技术特征：
1.一种窑洞式坝肩槽并行开挖结构，其特征在于：所述坝肩槽沿深度方向分为若干个分层，每个所述分层沿坝肩槽嵌深方向划分为若干个条状体，所述条状体包括相向向下倾斜的内倾体(11)和外倾体(12)，所述内倾体(11)和外倾体(12)交叉分布，所述内倾体(11)由分层顶部高度向下倾斜，所述外倾体(12)由内倾体(11)底部高度向下倾斜至分层底部，每个条状体的两端都设有水平平台(16)。2.根据权利要求1所述的一种窑洞式坝肩槽并行开挖结构，其特征在于：所述内倾体(11)和外倾体(12)的宽度一致，其宽度应满足开挖机械设备的通行条件，条状体的宽度d1按关系式d1＝d/n1计算，其中，d为坝肩槽跨度、n1为条状体数量。3.根据权利要求1所述的一种窑洞式坝肩槽并行开挖结构，其特征在于：所述条状体两端的水平平台(16)联通之后分别形成上避炮通道(13)和下避炮通道(14)，所述上避炮通道(13)和下避炮通道(14)的宽度应满足开挖机械设备的通行条件，条状体的水平长度l1和避炮通道的宽度d2应满足关系式d＝l1+2*d2计算，其中，d为坝肩槽嵌深。4.根据权利要求1所述的一种窑洞式坝肩槽并行开挖结构，其特征在于：所述内倾体(11)和外倾体(12)的倾斜角度θ一致，倾斜角度为θ满足如下关系式：θ＝arctan(h/2/l1)h＝h/n其中，h为分层开挖高度，l1为条状体的水平长度，h为坝肩槽垂直高度，n为开挖分层数。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并行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并行开挖结构，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)，根据开挖参数将第一分层开挖区(8)的内倾体(11)和外倾体(12)分别细分为若干个小的开挖分区，首先对内倾体(11)和其两端的水平平台(16)的各个分区进行精细爆破，所有内倾体(11)爆破粉碎完成后便及时进行出渣，同时外倾体(12)和其两端的水平平台(16)的各开挖分区进行精细爆破，直至开挖形成上述窑洞式坝肩槽并行开挖结构，坝肩槽第一分层开挖区(8)开挖完成；s3：从上至下依次确定第二分层开挖区，对所有位于内倾体(11)高侧的水平平台进行逐步开挖，开挖高度皆为分层开挖高度；将内倾体(11)和位于内倾体(11)低侧的水平平台划分若干个分区进行精细爆破，所有内倾体(11)爆破完成后可同时进行出渣；将剩余的外倾体(12)和水平平台逐步爆破开挖，直至开挖形成窑洞式坝肩槽并行开挖结构，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并行开挖的方法，其特征在于：开挖参数包括条状体的宽度d1、条状体的水平长度l1、避炮通道的宽度d2、条状体数量n1、开挖分层数n、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。7.根据权利要求5所述的一种窑洞式坝肩槽并行开挖的方法，其特征在于：所述内倾体(11)和外倾体(12)爆破时采用按顺序逐条爆破方式。
8.根据权利要求5所述的一种窑洞式坝肩槽并行开挖的方法，其特征在于：坝肩槽窑洞式开挖的碎石废渣由边坡临空面(10)倾倒至下部河床，然后由下部道路运出。9.根据权利要求5所述的一种窑洞式坝肩槽并行开挖的方法，其特征在于：位于第一分层开挖区(8)的炮孔长度等于与其对应的首层开挖高度，沿开挖方向，炮孔的长度逐渐由短变长；第二层至以下各分层炮孔的深度均为h。10.根据权利要求6所述的一种窑洞式坝肩槽并行开挖的方法，其特征在于：当坝肩边坡存在一定的坡度变化时，则可以对条状体的水平长度和避炮通道的宽度进行调整；当坝肩槽的跨度随着高程进行变化时，则可以对条状体的数量以及宽度进行调整。
技术总结
本发明提供了一种窑洞式坝肩槽并行开挖结构和方法，一种窑洞式坝肩槽并行开挖结构，其特征在于：坝肩槽沿深度方向分为若干个分层，每个分层沿坝肩槽嵌深方向划分为若干个条状体，条状体包括相向向下倾斜的内倾体和外倾体，内倾体和外倾体交叉分布，内倾体由分层顶部高度向下倾斜，外倾体由内倾体底部高度向下倾斜至分层底部，每个条状体的两端都设有水平平台。采用本发明提供的开挖结构和方法，开挖机械可以由避炮通道到达任意工作面进行避炮，不需要通过在洞顶架设吊机上下提升达到工作面和进行避炮，坝肩槽开挖的高度不受吊机的提升高度影响；坝肩槽每层若分为多个相对独立的工作面进行开挖施工，坝肩槽爆破开挖效率以及出渣效率极高。出渣效率极高。出渣效率极高。
