水庫(kù)深切低鄰谷巖溶通道防滲處理技術(shù)探討

高東紅

(上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434)

在水利水電工程中，帷幕灌漿是水工建筑物重要的防滲處理措施，尤其在大壩庫(kù)區(qū)防滲中廣泛采用，90%以上的水庫(kù)大壩基礎(chǔ)及庫(kù)區(qū)均需通過不同的處理措施才能達(dá)到防滲和穩(wěn)定的要求[1- 2]。在巖溶發(fā)育的基巖上筑壩，大壩基巖、水庫(kù)周邊和庫(kù)區(qū)滲漏通道的處理都極為重要，同時(shí)處理施工技術(shù)比較復(fù)雜。經(jīng)驗(yàn)證明，只要有一個(gè)滲漏通道未查明或在防滲工作中被遺漏而未做處理，當(dāng)水庫(kù)蓄水后，由于水頭壓力就會(huì)造成危險(xiǎn)性的滲漏，危及岸坡及壩基穩(wěn)定。而灌漿工程一般投資都較大，遇見不良地質(zhì)條件時(shí)，為加快施工進(jìn)度傳統(tǒng)處理方式往往采用較為簡(jiǎn)單粗暴的方式處理，造成較大的工程投資與資源浪費(fèi)。鑒于上述情況，尤其在一些巖溶地區(qū)存在深埋巖溶通道等不良地質(zhì)條件時(shí)，為了有效控制工程投資，防止?jié){液向低鄰谷無效擴(kuò)散，采取合理有效的防滲措施顯得極為重要。

20世紀(jì)70年代開始，我國(guó)在巖溶地區(qū)開始修建高壩，如貴州烏家渡大壩，壩高165m，灌漿工程量19萬(wàn)m3，貴州東風(fēng)電站，壩高162m，湖北隔河巖電站，壩高151m，遼寧觀音閣大壩，壩高82m，貴州構(gòu)皮灘電站，壩高230m等，灌漿工程量均超過15萬(wàn)m3，建設(shè)工程中遇到了不同情況的巖溶問題，得到了較好的處理，為巖溶地區(qū)水利水電工程提供了較為寶貴的經(jīng)驗(yàn)[3- 20]。

貴州省某水庫(kù)工程水文地質(zhì)條件極其復(fù)雜，左岸低鄰谷漕谷段巖溶極其發(fā)育，且下切強(qiáng)烈，防滲設(shè)計(jì)處理難度較大[13]。在實(shí)施過程中，采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，根據(jù)施工過程中遇到的不同地質(zhì)情況分區(qū)處理，處理工程中采用圍、堵、截等多舉措并用進(jìn)行處理[3]。經(jīng)檢查孔檢測(cè)巖體透水率均小于3Lu，結(jié)果滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，取得了較好防滲效果，對(duì)同地區(qū)同類型工程具有指導(dǎo)和借鑒意義。

1 工程概述

1.1 工程總布置

該水庫(kù)水庫(kù)總庫(kù)容1106.52萬(wàn)m3，是一座以供水、灌溉為主的III等中型水庫(kù)。工程由水庫(kù)樞紐工程(包括攔河壩、壩身表孔溢洪道、放空管和引水管以及兩岸防滲處理工程)和輸水工程(包括輸水泵站、輸水管道以及蓄水池)等兩部分組成。大壩壩型為拋物線型變厚雙曲常態(tài)混凝土拱壩，壩頂高程1065m，最大壩高75m。工程防滲形式采用懸帷幕根據(jù)壩址和左岸庫(kù)首的水文地質(zhì)特征，防滲帷幕線走向?yàn)樽蟀?ZK14)—水落洞—魯朗大坡東側(cè)—左壩肩—河床—右壩肩—右岸。防滲帷幕灌漿總進(jìn)尺為74648m，防滲線線路總長(zhǎng)1834m，有效防滲面積達(dá)106697m2。

1.2 水文地質(zhì)條件

水庫(kù)庫(kù)區(qū)內(nèi)為低中山侵蝕地貌、溶蝕型的峽谷地貌，庫(kù)區(qū)主要分布碳酸鹽巖，約占90%，區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育程度除了受巖性控制外，受斷層構(gòu)造控制亦較明顯。區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育形態(tài)多種多樣。庫(kù)區(qū)巖溶形態(tài)主要表現(xiàn)為溶溝、溶洞、落水洞和一系列大小不一的巖溶洼地。根據(jù)巖溶發(fā)育區(qū)域和成因進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，落水洞5個(gè)、洼地49個(gè)，其中P1q-m地層中有30個(gè)(占44.9%)，∈2-3ls地層中有24個(gè)(占33.6%)。巖溶洼地在相同高差下，總發(fā)育率隨高程變化而變化。統(tǒng)計(jì)具有方向巖溶洼地共49個(gè)，左岸水落洞槽谷發(fā)育L01-L02-KS2巖溶管道，管道長(zhǎng)約1.8km，進(jìn)口為L(zhǎng)01落水洞，洞口高程為1013m，出口為KS2泉水，高程為825m，管道水力比降10.4%，為左岸防滲的重點(diǎn)區(qū)域。

2 防滲設(shè)計(jì)方案

2.1 防滲設(shè)計(jì)特點(diǎn)

根據(jù)地質(zhì)勘察和實(shí)施情況，該水庫(kù)左岸巖溶區(qū)防滲設(shè)計(jì)存在以下特點(diǎn)：①水落洞槽谷地帶受斷層影響，巖溶發(fā)育，已經(jīng)形成穩(wěn)定的巖溶外滲通道。②左岸存在深切低鄰谷，水庫(kù)蓄水后庫(kù)區(qū)與低鄰谷間水頭差高達(dá)236m，防滲處理要求高，如防滲處理不到位，必將發(fā)生沿低鄰谷的滲漏問題，并將直接影響水庫(kù)的正常蓄水。③巖溶發(fā)育形態(tài)多樣，個(gè)別溶洞埋藏深度較大，巖溶裂隙極為發(fā)育，防滲處理施工難度極大。④低鄰谷位于某景區(qū)上游，對(duì)環(huán)境影響特別敏感，灌漿漿液外滲鄰谷會(huì)引發(fā)流域環(huán)境問題。

2.2 防滲設(shè)計(jì)原則

根據(jù)不同地質(zhì)情況，庫(kù)區(qū)兩岸防滲分為單排帷幕和雙排帷幕，單排帷幕孔距為2m，雙排帷幕，孔距為2m，排距為1m。帷幕孔分為三序施工。帷幕灌漿采用“自上而下，孔口封閉，孔內(nèi)循環(huán)”高壓灌漿工藝。雙排孔典型布置如圖1所示。

圖1 雙排孔典型布置圖(單位：mm)

由圖1可見，不同灌漿段采用不同的灌漿壓力，從上到下依次為0.25，0.5……3.0MPa等，兩岸帷幕下限低于地下水位線5～15m，且?guī)r體透水率q≤3Lu。各段灌漿壓力見表1。

表1 帷幕灌漿壓力表

3 特殊情況處理

3.1 耗漿量大孔段處理

在帷幕灌漿施工過程中，自壩左0+558m起出現(xiàn)了較多的異?？锥?，具體表現(xiàn)在掉鉆、壓水不返水、反復(fù)灌注多次仍舊不起壓不返水。對(duì)于雙排孔，施工中均先施工下游排，再施工上游排。對(duì)于先施工的下游排，一序孔單位注入量為1000 ～2300kg/m，二序孔單位注入量為240～500kg/m，三序孔單位注入量大多在240～410kg/m范圍內(nèi)，各序孔平均單位注入量為510 ～920kg/m。針對(duì)此情況，鉆孔時(shí)不掉鉆，但壓水試驗(yàn)時(shí)不返水、不起壓的孔段，設(shè)計(jì)提出采取限量、待凝、分次灌注水泥砂漿等控制性灌漿措施。具體實(shí)施方式如下。

(1)采用水泥漿及水玻璃雙液灌注

在水泥漿液中加入水玻璃作為速凝劑，水玻璃摻入量一般為水泥重量的3%～5%，促使?jié){液很快凝結(jié)，適用于地下水流動(dòng)速度較大區(qū)域內(nèi)的快速堵漏。

(2)采用濃水泥沙漿

直接采用水泥砂漿開灌，水泥砂漿配合比(質(zhì)量比)水：水泥：砂為0.5∶1∶1。水泥砂漿采用分次、限量、待凝的方式灌入，每次灌入水泥按不超過5t控制，待凝時(shí)間不少于12h。

(3)采用膏狀漿液

在該水庫(kù)水落洞漕谷段范圍采用純水泥漿或水泥砂漿進(jìn)行灌漿，漿液流動(dòng)性強(qiáng)擴(kuò)散較遠(yuǎn)，且對(duì)低臨谷風(fēng)景區(qū)河床造成環(huán)境污染，漿液浪費(fèi)較大，且堵漏效果差。對(duì)該區(qū)域，設(shè)計(jì)提出擬采用膏狀漿液灌注。在水泥漿液中摻入一定比例的膨潤(rùn)土配置而成的膏狀漿液，粘度強(qiáng)、流動(dòng)性可控、對(duì)巖溶堵漏效果好，可以極大地減少灌漿過程中的漿液浪費(fèi)，節(jié)省水泥用量，有利于控制工程投資。膏狀漿液配合比見表2。

表2 膏狀漿液配合比

3.2 掉鉆長(zhǎng)度處理

掉鉆長(zhǎng)度超過0.5m，即被判定為溶洞。為進(jìn)一步探明其發(fā)育情況，在其周邊(一般情況下宜在下游側(cè))1～2m位置處鉆設(shè)φ110/150mm鉆孔，鉆設(shè)至相應(yīng)掉鉆高程，該鉆孔兼有觀測(cè)孔和投料孔的功能。通過鉆孔、水下攝像或地質(zhì)CT等勘測(cè)手段對(duì)溶洞的大小、形態(tài)及空間展布情況進(jìn)行探測(cè)。防滲帷幕線上溶洞處理總體原則為：通過各種方式往溶洞內(nèi)回填混凝土、碎石或其混合體，將防滲帷幕線上的巖溶化空腔巖體轉(zhuǎn)化為裂隙性巖體，然后實(shí)施帷幕灌漿。

3.2.1淺層溶洞處理

對(duì)于帷幕灌漿沿線揭露的淺層溶洞，均采用追蹤清理回填法，回填采用C20三級(jí)配混凝土。對(duì)埋藏較深的且人工無較經(jīng)濟(jì)途徑可以達(dá)到的溶洞，一般通過鉆設(shè)大直徑投料孔，采用自密實(shí)高流態(tài)混凝土、碎石或其混合體進(jìn)行回填，再進(jìn)行帷幕灌漿施工。

3.2.2溶洞尺寸小于或等于2.0m

溶洞尺寸H是指跨越防滲帷幕線的溶洞在平行于帷幕走向的斷面沿高度方向的尺寸。溶洞尺寸H小于2.0m時(shí)，采用大直徑鉆孔回填混凝土的方法。大直徑鉆孔位置位于下游排帷幕孔的1～2m左右，鉆孔直徑不小于110mm?；靥罨炷敛捎米悦軐?shí)高流態(tài)混凝土C20。

3.2.3溶洞尺寸大于2.0m

(1)溶洞內(nèi)無水流或者水流流速不大時(shí)，采用混凝土回填法或混凝土與碎石交替回填法。對(duì)沿帷幕線方向尺寸小于2.0m的洞室，可以直接采用回填混凝土方法。對(duì)沿帷幕線方向尺寸大于2.0m的溶洞，為控制投資并加快進(jìn)度，則采用混凝土與碎石交替回填法。施工時(shí)自孔口先灌入一層混凝土，再灌入一層碎石，逐級(jí)上升直至填滿空腔。碎石及混凝土將大的溶洞封堵完畢后，先采用0.5∶1∶1(水∶水泥∶砂)的水泥砂漿實(shí)施全孔段純壓式固結(jié)灌漿，以封堵回填體內(nèi)部可能存在的細(xì)部空腔，然后沿防滲帷幕線實(shí)施帷幕灌漿。具體實(shí)施方式如圖2所示。

圖2 溶洞封堵示意圖(1)

(2)當(dāng)溶洞內(nèi)水流流速較大時(shí)(直接回填混凝土易被水流沖走無法實(shí)施有效封堵)，先在兩側(cè)適當(dāng)位置設(shè)置施工堵頭，減緩管道內(nèi)水流流速，限制后期灌入混凝土的流動(dòng)擴(kuò)散范圍；然后在兩側(cè)堵頭防護(hù)下灌入混凝土；最后實(shí)施灌漿。一般鉆孔可以分上、中、下游排布置，中間排布置在帷幕軸線附近。上、下游排鉆孔為形成初步堵頭用，中間排鉆孔為灌入混凝土用。具體實(shí)施方式如圖3所示。

圖3 溶洞封堵示意圖(2)

4 巖溶區(qū)處理效果分析

4.1 巖溶區(qū)防滲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

帷幕灌漿質(zhì)量檢查應(yīng)以分析檢查孔壓水試驗(yàn)成果為主，控制標(biāo)準(zhǔn)為透水率q≤3Lu。帷幕灌漿檢查孔的數(shù)量應(yīng)為灌漿孔總數(shù)的10%，其鉆孔位置應(yīng)優(yōu)選在巖石破碎、斷層、大孔隙等地質(zhì)條件復(fù)雜的部位；對(duì)于強(qiáng)巖溶地區(qū)應(yīng)進(jìn)行耐久性壓水試驗(yàn)，要求在1.5 ～ 2.0倍水頭下持續(xù)壓水72h而透水率基本保持不變。且應(yīng)提取巖芯，繪制鉆孔柱狀圖，要求水泥結(jié)石連續(xù)、密實(shí)、均勻。

4.2 實(shí)施效果分析

工程實(shí)施過程中，在耗漿量較大的區(qū)段內(nèi)實(shí)施控制性灌漿技術(shù)，采用多手段并用措施均已得到有效處理。共發(fā)現(xiàn)3處規(guī)模較大的溶洞，相繼采用豎井揭露追蹤回填混凝土，擴(kuò)孔交替灌注混凝土與碎石、膏狀漿液等措施均完成了溶洞的封堵。

帷幕灌漿實(shí)施完成后，對(duì)巖溶發(fā)育耗漿量大，地質(zhì)條件差的區(qū)域進(jìn)行了檢查孔壓水試驗(yàn)。其中單排孔共布置檢查孔30個(gè)，雙排孔共布置檢查孔32個(gè)。對(duì)防滲要求高的重點(diǎn)區(qū)域均進(jìn)行了耐久性壓水試驗(yàn)，壓水試驗(yàn)結(jié)果表明巖體透水率大多分布在1.4～2.0Lu之間，均小于設(shè)計(jì)值3Lu。結(jié)果表明，該巖溶區(qū)域取得了較好的防滲效果。

5 結(jié)論

(1)本工程防滲帷幕灌漿總進(jìn)尺為74648m，單排孔已全部施工完畢，平均單位注入水泥量為115kg/m，雙排孔完成設(shè)計(jì)工程量的92.55%。單位注入水泥量為259.67kg/m。經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料表明，通過實(shí)施控制性灌漿技術(shù)，在巖溶地區(qū)防滲處理中，本工程耗灰量仍是偏少的，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

(2)水落洞漕谷段帷幕灌漿深度達(dá)到了120m，對(duì)施工要求較高，通過該段范圍內(nèi)已實(shí)施部分檢查孔資料表明，本段巖溶范圍內(nèi)處理是成功的，具有較高的參考作用。

(3)目前巖溶區(qū)施工防滲處理僅能依靠大直徑鉆孔，孔內(nèi)攝像等地勘手段，防滲處理技術(shù)仍存在較大的研究?jī)r(jià)值與發(fā)展空間。