隘口水庫典型溶洞特征及綜合處理技術探討

段如勇，屈昌華，劉 杰

(1．重慶水利投資集團有限公司，重慶 401147 2．中國水電顧問集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081 3．重慶水利電力建筑勘測設計研究院，重慶 400020)

1 工程概述

隘口水庫位于重慶秀山土家族苗族自治縣隘口鎮(zhèn)上游 1．5km的平江河上，水庫正常蓄水位544．45m，總庫容3580萬m3，大壩為瀝青混凝土心墻堆石壩，最大壩高86．2m，是一座以灌溉、防洪為主并兼顧供水、發(fā)電等綜合效益的中型水利工程。

隘口水庫防滲處理工程具有線路長、處理技術復雜、工程量及投資大等特點。該工程防滲線路全長1383m，防滲面積約17萬m2。壩基設置基礎廊道，左、右岸設置3層灌漿廊道，灌漿孔深30～205m，總進尺16．5萬m。

壩址區(qū)為寒武系上統(tǒng)(∈3)與奧陶系下統(tǒng)(O1)地層，巖性以灰?guī)r、白云巖為主，局部夾頁巖為主，產狀NE50°～80°/NW∠25°～35;主要發(fā)育有NE與NW向斷層、裂隙。壩址區(qū)地下水補給河水，屬于補給型河谷，地下水類型為河床砂卵石孔隙水及基巖巖溶水。在斷層、層間錯動和裂隙構造等部位因地下水交替活動頻繁，導致了壩址區(qū)巖溶強烈發(fā)育，存在水庫滲漏，地下洞室穩(wěn)定和突然涌水涌泥，以及壩肩穩(wěn)定性問題等主要工程地質問題。有效阻截穿越防滲帷幕的巖溶滲漏通道并確保壩肩基巖穩(wěn)定是隘口水庫工程面臨的主要技術難題之一。

2 溶洞發(fā)育特征

2.1 溶洞發(fā)育總體特征

壩址區(qū)溶洞發(fā)育程度受巖性及厚度、新構造運動、構造、地形地貌、地下水的補排條件、地下水水質特征等因素影響，在質純層厚的寒武系上統(tǒng)(∈3)灰?guī)r地層中巖溶極其發(fā)育，包括 K5、K6、K8、K9等多個溶洞系統(tǒng)，并貫穿整個右岸防滲線。壩址區(qū)巖溶具有以下主要特征:

(1)巖溶順構造方向(走向或傾向)發(fā)育。K8、K5等溶洞的長軸方向與地層傾向及F2、f4斷層傾向基本一致，呈多層狀分布。

(2)分布范圍廣，規(guī)模大。壩址區(qū)河床段因受f4斷層影響，發(fā)育有10層厚1．5m～10m帶狀分布的溶洞或溶蝕帶，防滲線上的K5溶洞體積高達11．2 萬 m3。

(3)巖溶類型呈現(xiàn)多樣化。巖溶形態(tài)主要管道、溶蝕大廳及豎(斜)井3類;從充填情況看，又包括了全充填、半充填及無充填3類;從地下水出露情況看，且分為暗河、滲水及無水3類。

2.2 防滲線上的典型溶洞系統(tǒng)

經(jīng)前期各勘測階段及施工階段補充勘測，查明了隘口水庫壩址區(qū)發(fā)育的多個巖溶系統(tǒng)，其中左岸發(fā)育有KW1、KW2、KW3、KW7、KW8等巖溶系統(tǒng)，右岸發(fā)育有 K4、K5、K6、K8、K9、KW12、KW51等巖溶系統(tǒng)，呈現(xiàn)其為分布廣、規(guī)模大、類型多樣等特征。防滲線上的巖溶系統(tǒng)主要發(fā)育在右岸，包括K5、K6、K8等，其發(fā)育分布特征分述如下:

(1)K6溶洞系統(tǒng)。發(fā)育在右壩肩并貫穿至壩基以下，最低發(fā)育高程為450m。溶洞頂部為溶溝、溶槽、溶洞，并夾強烈溶蝕巖體;溶洞中部為空洞，呈寬縫狀，寬約1．0～1．5m，貫穿整個中層灌漿平洞，無充填，洞壁附鈣華。溶洞下部則為充填型溶洞，主要充填粘土、溶蝕殘留巖體，砂卵礫石等。由于K6溶洞由右壩肩頂?shù)胶哟?、由上游至下游貫穿右壩肩，形成一個分離面，對右壩肩穩(wěn)定及水庫防滲都有較大影響。

(2)K5溶洞系統(tǒng)。該溶洞沿f4斷層帶發(fā)育，是右岸規(guī)模最大的充填型溶洞群系統(tǒng)，總高差達107．91m，計算體積為 11．2 m3。該溶洞在高程487m以下充填粉砂質粘土、砂，夾卵礫石、溶蝕塌陷巖塊、碎石等，厚23．4～36．6m;高程487～511m，為一長62m寬50m的溶蝕大廳，體積約5萬m3;高程511m以上則為無充填或少量充填的多個豎(斜)井狀管道。由于K5溶洞貫穿右岸防滲線，且上部與地表K27(坑坨洼地)、王家墳洼地連通，下部則與上游的Kw12溶洞連通并向下游Kw51溶洞泉排泄，對水庫防滲及右岸壩肩及地下洞室穩(wěn)定有較大影響，施工過程中存在嚴重安全隱患。

(3)K8溶洞系統(tǒng)。該溶洞順層面及F2斷層影響帶發(fā)育，為半充填型溶洞。高程470m～494．20m，為粉土、砂卵礫石及架空狀直徑達數(shù)米的塌陷大塊石充填;高程494．20～522．5m為空腔，最大斷面面積為291m2，估算其體積約1．2萬m3;高程522．5m以寬1．5～10m的管道在防滲軸線上游5～40m與K9溶洞相連。有長流地下水，流量0．1～0．5L/s，并經(jīng)由 K5溶洞排出。K8溶洞既影響壩肩防滲，也影響壩肩變形穩(wěn)定。溶洞中的充填物穩(wěn)定性差，在施工過程中也存在安全隱患。

3 溶洞綜合處理技術

隘口水庫防滲處理工程包括帷幕灌漿和溶洞處理，是隘口水庫的控制性工程，而強巖溶區(qū)處理(溶洞及強溶蝕區(qū))又是巖溶防滲處理工程的關鍵項目。因受前期勘察精度的限制，壩址區(qū)內的溶洞及強溶蝕區(qū)未被完全揭露，在施工右岸灌漿平洞過程中先后部分揭露了K5、K6等大～巨型溶洞或溶洞群，對工程建設造成較大影響，溶洞處理成為主要技術難題之一，為解決這些技術難題，工程建設單位采取“設計+現(xiàn)場技術咨詢+專家咨詢”的技術攻關模式，成功研究解決了溶洞處理關鍵處理技術、強溶蝕區(qū)帷幕灌漿綜合處理技術，為隘口水庫工程建設提供了技術保障。

3.1 大型溶洞動態(tài)設計

如前所述，右岸發(fā)育K5、K8、K6等大型溶洞或溶洞群，在其邊界條件不甚清楚的情況下，若采用一次性處理方案設計，則存在較大的工程風險。為此，設計單位根據(jù)現(xiàn)場技術咨詢單位建議采用了現(xiàn)場動態(tài)設計，其要點主要包括:

(1)在查明溶洞發(fā)育分布特征基礎上進行分析計算，為方案設計提供基礎數(shù)據(jù)。

(2)根據(jù)工程影響程度確定右岸溶洞或溶洞群處理的順序，如先進行K6溶洞與K5溶洞大廳安全處理、再進行K8、K9、K4溶洞處理，最后進行K5溶洞處理。

(3)進行處理方案的比選，確定最終處理方案。

(4)對于不同溶洞，分別采用不同的處理措施，如K4溶洞，可采用自密實混凝土回填;K6溶洞因其發(fā)育形態(tài)對大壩施工有較大影響，宜按不同高程分區(qū)處理，且處理進度應快于大壩填筑的施工進度。

(5)確定溶洞處理效果的檢查方法。

3.2 右岸溶洞或溶洞群處理綜述

根據(jù)隘口水庫右岸工程地質條件、溶洞發(fā)育的邊界條件，以及處理后要達到的工程目的等，對右岸溶洞或溶洞群采取了有針對性的工程處理措施，確保了工程安全。現(xiàn)以K5、K6溶洞為例，簡介其工程技術措施。

3.2.1 K5溶洞群處理技術

(1)K5溶洞一期處理

K5溶洞487m～511m高程為一溶蝕大廳，且跨度大(大于50m)，經(jīng)理論計算分析，施工過程中存在洞頂變形并有可能發(fā)展為洞頂坍塌，危及右壩肩穩(wěn)定，應先期處理。主要技術措施主要包括:溶洞空腔中的上游邊壁(防滲墻邊壁)在清理完危巖后采用“系統(tǒng)錨桿+局部錨樁”方式處理;溶洞底板即充填物表層采用“2．0m碎石層+厚1．5m混凝土筏板”的方式處理;頂板則采用“錨桿+掛網(wǎng)噴混凝土”的方式處理;其它邊壁則“在筏板上設置厚1．5m鋼筋混凝土支撐墻”的方式處理。

(2)K5溶洞永久處理

在一期處理完成且K6、K8溶洞處理完成后，進行K5溶洞永久處理，處理分為2區(qū)，即溶洞充填物區(qū)與空腔區(qū)，先對溶洞充填物區(qū)進行處理，再處理空腔區(qū)。

溶洞充填物處理:溶洞充填物厚度為2 3．4～36．6m，以粘土、砂為主，夾卵礫石、溶蝕塌陷巖塊、碎石為主，其承載力及防滲能力不能完全滿足設計要求，經(jīng)計算分析，采用“高壓旋噴+鋼管樁”方式處理后可滿足要求。高噴防滲墻設置了5排高噴孔，孔、排距均為0．6～0．8m，防滲標準為K≤10-7cm/s。鋼管樁作為豎向荷載受力結構，直徑168mm，壁厚6mm，分為A、B兩類樁，其中A型樁樁內預埋帷幕灌漿鋼管，管徑76mm，壁厚4mm，灌漿鋼管與鋼管管壁間采用壓力注漿;B型樁樁內預埋一根Ф25鋼筋，并壓力注漿。A型樁設計承載力350KN，B型樁設計承載力545KN。

溶洞空腔處理:對于下層平洞揭露的溶蝕大廳，在一期處理及充填物處理完成后進行，以高程518m為界，分為上、下2個處理區(qū)域。高程518m以下的空腔巖溶大廳(空洞)部分采用混凝土心墻防滲，即下部為混凝土廊道，上部為混凝土防滲心墻，墻體上游與溶洞上游壁間利用一期錨桿、錨樁與防滲墻同時澆筑，以增強防滲墻的穩(wěn)定;防滲墻與溶洞頂板采用“倒錨樁”連接并設置止水;頂板以上巖石采用帷幕灌漿(深入防滲墻頂面以下5m)。高程518m以上的空腔因位于防滲線上游，在中層平洞上游側設置混凝土堵頭進行封堵。

(3)處理效果初步分析

為監(jiān)測溶洞處理效果，在溶蝕大廳的頂板、邊壁均設置了多點位移計進行變形觀測，未出現(xiàn)較大變形;鋼管灌注樁經(jīng)現(xiàn)場載荷試驗驗證，其承載力為設計承載力的1．5～2．0倍;高噴防滲墻經(jīng)鉆孔檢查，其防滲指標滿足設計要求。

3.2.2 K6溶洞處理

(1)設計過程與方案比選

K6溶洞群發(fā)育在右壩肩，并從右壩肩頂部斷續(xù)貫穿至壩基以下，并從上游至下游切割整個右岸壩肩。穩(wěn)定計算表明，K6溶洞對右壩肩穩(wěn)定及防滲都有較大影響，且控制大壩填筑進度。原處理設計方案包括“錨索+地面鋼管灌注樁”、“中層及下層平洞清挖回填混凝土”等方案，但因受該溶洞發(fā)育邊界條件及施工條件限制，不能滿足工程建設要求，為此，設計單位采納了咨詢單位提出的“分區(qū)處理”的建議，并以中下層灌漿平洞為界劃分為三個處理區(qū)域，分別采用不同的工程措施進行處理。

(2)K6溶洞處理措施

下層灌漿平洞(高程485．5m)以下區(qū)域主要采取了鋼管灌注樁、自密實細石混凝土或自密實砂漿回填、水泥灌漿補強等措施。

下層與中層灌漿平洞之間(高程485．5m～高程518m)的區(qū)域，主要采取局部開挖并回填自密實混凝土、深孔固結灌漿(孔深大于15m)、高壓沖洗回填等措施。

中層灌漿平洞與壩肩頂部(高程518m～高程544．45m)區(qū)域，在中層灌漿平洞上游側沿K6溶洞采用追蹤清挖并回填混凝土、利用壩頂平臺采用鉆孔回填自密實混凝土或自密實砂漿、水泥灌漿補強等措施。

(3)處理效果初步分析

處理完成后采用鉆孔取芯檢查與物探CT檢查相結合進行質量檢查，滿足設計要求;通過一年多的右壩肩變形觀測，其變形量小于設計值，說明處理效果明顯。

4 結束語

在巖溶地區(qū)修建水利水電工程，防滲處理是關鍵。通過隘口水庫典型溶洞處理實踐，有以下幾點認識:

(1)巖溶地區(qū)水利水電工程防滲處理具有技術復雜、工期長、投資大等特點;

(2)對于大型溶洞處理，查明其發(fā)育的邊界條件并進行理論分析計算是基礎;

(3)采用“咨詢+設計”的現(xiàn)場動態(tài)設計模式，使溶洞處理設計方案更加符合工程實際(有效處理)是關鍵。

［1］屈昌華等．重慶市隘口水庫右岸溶洞群的處理思路與工程措施探討［J］．水利規(guī)劃與設計2012(05)．