淺析馬鞍橋水庫左岸巖溶滲漏及其防滲處理

張 新，蔡寶柱

（新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司,新疆 烏魯木齊 830002）

我國西南地區(qū)巖溶分布廣泛。巖溶對水庫工程的影響主要是庫壩區(qū)巖溶滲漏和巖溶塌陷問題[1]。國內(nèi)外已有文獻(xiàn)[2]對巖溶區(qū)水庫滲漏模式、滲漏條件、防滲技術(shù)等進(jìn)行了一些研究。結(jié)合已有工程實踐[3],表明巖溶地區(qū)水庫建壩的關(guān)鍵前提是查清地下巖溶現(xiàn)象的位置、規(guī)模、連通關(guān)系、溶蝕程度等,針對性的制定防滲處理方案,確保水庫能蓄水、少滲漏或不滲漏。

馬鞍橋水庫位于云南省臨滄市,為Ⅲ等中型水庫,擬建壩型為瀝青混凝土心墻堆石壩,壩頂高程1652.50 m,最大壩高67.50 m,總庫容1140.00 萬m3。壩址左岸分布三疊系上統(tǒng)大水塘組上段（T3d2）中厚層狀灰?guī)r、含燧石結(jié)核灰?guī)r,鉆孔揭露最大厚度292 m,存在巖溶滲漏。綜合運用鉆孔、平硐、物探、原位測試與室內(nèi)土工試驗等,查明了巖溶分布規(guī)律與滲漏情況,為防滲處理設(shè)計提供了翔實的地質(zhì)資料。本文擬對其巖溶滲漏及相應(yīng)防滲方案進(jìn)行分析和探討,以期為類似工程提供有益的啟示。

1 壩址區(qū)基本地質(zhì)條件

馬鞍橋水庫地處滇西南橫斷山區(qū)。壩址區(qū)山勢陡峻,呈“V”型,河谷狹窄,寬20 m～50 m,兩岸巖層走向與河流近平行,為順向河谷。左岸坡山頂高程1813 m～1909 m,上陡下緩,坡度27°～45°；右岸坡山頂高程1770 m～1953 m,坡度約35°。岸坡上覆第四系全新統(tǒng)殘坡積土厚度一般3 m～5 m。

壩址區(qū)分布地層主要為三疊系中、上統(tǒng)白云巖、玄武巖、灰?guī)r、砂巖等,巖性平面分布見圖1。其中：

三疊系中統(tǒng)河灣街組（T2h）塊狀、中厚層狀白云巖、泥質(zhì)白云巖,屬弱可溶巖,巖體溶蝕發(fā)育微弱或不發(fā)育,主要分布于左岸1750 m以上的谷坡和山頂及右岸高程1658 m～1710 m以上,巖層產(chǎn)狀30°～50°SE∠50～85°。

三疊系上統(tǒng)大水塘組下段（T3d1）玄武巖,為非可溶巖、具弱透水性,可作為左岸相對隔水層,層厚31 m～106 m,主要分布于左岸高程1685m～1793m一帶的谷坡,呈北東向展布,假整合接觸于河灣街組（T2h）之上,由上游庫尾河谷延伸至壩址壩肩,經(jīng)F1斷層影響而殲滅。F1斷層位于壩址區(qū)左岸山坡,延伸長度約1 km,屬正斷層,產(chǎn)狀40°～50°SE∠80～85°,發(fā)育在三疊系上統(tǒng)大水塘組（T3d2）灰?guī)r條帶中。斷層帶寬2.0 m～3.0 m,斷層破碎帶以碎裂巖為主,沿斷層巖溶發(fā)育,導(dǎo)水性強(qiáng)。

三疊系上統(tǒng)大水塘組上段（T3d2）中厚層狀灰?guī)r、含燧石結(jié)核灰?guī)r,為強(qiáng)可溶巖,巖層產(chǎn)狀50°SE∠72°,層厚115 m～292 m,主要分布于壩址左岸高程1622 m～1692 m,整合接觸于大水塘組下段（T3d1）之上,存在巖溶滲漏問題。

三疊系上統(tǒng)南梳壩組（T3nn）泥巖、砂巖夾泥灰?guī)r,為非可溶巖、具弱透水性,可作為相對隔水層,分布于壩址左岸高程約1673 m以下、河床及右岸山體,層厚73 m～89 m,該層與大水塘組上段（T3d2）呈整合接觸。

壩址區(qū)地層巖性分布情況見圖1。

圖1 壩址區(qū)地層巖性分布平面圖

2 左岸巖溶勘察

2.1 巖溶勘察方法

根據(jù)工程實際,結(jié)合專家咨詢意見,綜合采用巖溶現(xiàn)象調(diào)查及測繪、鉆探、壩肩平硐、物探（選用了高頻大地電磁測深、高密度電法、井下全孔壁數(shù)字成像、聲波測試等）、鉆孔壓注水、室內(nèi)土工試驗等勘探手段和試驗方法,查明了巖溶分布和滲漏。

2.2 巖溶發(fā)育特征及規(guī)律

2.2.1 巖溶形跡

巖溶形跡受巖性和結(jié)構(gòu)面控制。地表及鉆孔、平硐揭露的巖溶形跡大多位于T3d2灰?guī)r條帶中,沿裂隙、層面、軟弱夾層、斷層構(gòu)造等結(jié)構(gòu)面發(fā)育,主要充填角礫巖、巖屑、方解石及次生粘土,透水性較好。在靠近河谷地帶以及可溶巖與非可溶巖接觸部位,溶蝕裂隙較發(fā)育,可見溶洞、溶孔等,如左岸K6、K7溶洞位于T3d2灰?guī)r與T3d1玄武巖、T3nn砂巖交界處。巖溶洼地、溶洞、落水洞以及巖溶泉多呈北東或北北東向發(fā)育。

2.2.2 巖溶發(fā)育歷史

馬鞍橋水庫處于保山-耿馬中山盆地碳酸鹽巖碎屑巖類水文地質(zhì)亞區(qū)中的玉明珠河段巖溶地下水子系統(tǒng)內(nèi),未發(fā)現(xiàn)大規(guī)模古巖溶,巖溶形跡以現(xiàn)代巖溶為主。新構(gòu)造運動以來,受地殼整體抬升,玉明珠河快速下切,現(xiàn)代巖溶發(fā)育處于早期階段,即裂隙擴(kuò)溶階段,巖溶以溶隙、溶孔為主,溶洞和小型溶蝕洼地等主要發(fā)育在河谷兩岸及可溶巖與非可溶巖交界附近,未發(fā)現(xiàn)巖溶管道系統(tǒng)。

2.2.3 巖溶空間分布

由于區(qū)域新構(gòu)造運動以急劇抬升為主,間歇性不明顯,在巖溶形成過程中,迅速下切的河流使地下水強(qiáng)烈溶蝕帶附近尚未形成水平巖溶系統(tǒng)時,地下水位已下降,強(qiáng)烈溶蝕帶隨之下移,導(dǎo)致巖溶形跡在垂向上較分散,大致分布在三個高程帶：1500 m～1530 m、1570 m～1590 m、1600 m～1630 m。鉆孔巖溶形跡統(tǒng)計表明,巖溶發(fā)育總體上隨深度增加而減弱,在1450 m～1470 m高程以下鉆孔線巖溶率明顯減小。

高密度電法、高頻大地電磁法測深（EH-4）探查結(jié)果表明：在壩址左岸向上游側(cè)的玄武巖連續(xù)穩(wěn)定,有利于防滲封閉。順F1斷層破碎帶,灰?guī)r條帶巖溶發(fā)育,發(fā)育高程為1510 m～1575 m。

鉆孔、平硐揭示,在水平方向,近河谷部位水動力條件好,巖溶形跡較明顯,向岸坡50 m～100 m巖溶形跡逐步減少。

2.2.4 巖溶發(fā)育程度

區(qū)域地表巖溶調(diào)查及壩址附近16 個鉆孔揭露的巖溶形跡統(tǒng)計見表1。巖溶形跡以溶隙、溶孔為主,溶洞較少,在河谷地帶及左岸鄰谷附近較多,深部揭露的很少。其中,左岸壩址附近T3d2灰?guī)r表面發(fā)育的2 個溶洞、落水洞洞徑約1.5 m～3.0 m,在洞深約2 m～2.5 m即變成溶蝕裂隙,無水；左壩肩ZK23 鉆孔在孔深85 m～88.3 m發(fā)現(xiàn)溶洞,充填粘土。

按照巖溶發(fā)育程度劃分標(biāo)準(zhǔn)[4],壩址區(qū)巖溶發(fā)育程度弱～強(qiáng),其中以白云巖為主的T2h地層,巖溶發(fā)育弱,以純灰?guī)r為主的T3d2地層,巖溶發(fā)育整體也較弱,但順層面構(gòu)造、與非可溶巖接觸部位以及斷裂構(gòu)造影響帶內(nèi),巖溶較發(fā)育,屬中等～強(qiáng)。

巖溶發(fā)育見表1。

表1 巖溶發(fā)育統(tǒng)計表

3 左岸巖溶滲漏

3.1 巖溶滲漏判別

鉆孔揭示,壩址左岸T3d2灰?guī)r條帶層厚115 m～292 m,地下水位1446.87 m～1528.21 m,低于河床水位81 m～146 m。深度0 m～172 m溶蝕強(qiáng)烈,多形成溶隙、溶孔、溶洞,巖體中等～強(qiáng)透水；172 m以下溶隙不發(fā)育,巖體弱～微透水,透水率多小于5 Lu。

該層靠左岸山體一側(cè)分布連續(xù)完整的T3d1玄武巖條帶,呈順河向展布,層厚31 m～106 m,為不可溶巖,且深度14.5 m以下巖體透水率小于2.9 Lu,屬弱～微透水,為相對隔水層。同時,玄武巖地下水位穩(wěn)定在1670.7 m～1690.6 m之間,高于正常蓄水位1651.5 m。

該層靠河床一側(cè)為T3nn頁巖、泥巖夾砂巖、泥灰?guī)r,深度32 m～65.8 m以上巖體透水率大于10 Lu,屬中等～強(qiáng)透水,以下巖體透水率基本小于5 Lu,屬弱～微透水,為相對隔水層。壩址左岸正常蓄水位位于中等～強(qiáng)透水性的T3nn巖層中,且該層與T3d2灰?guī)r整合接觸,庫水通過巖溶裂隙、落水洞和溶洞直接補(bǔ)給灰?guī)r地下水深槽帶,再沿巖溶裂隙,經(jīng)上下壩肩向下游排泄,因此左岸灰?guī)r存在裂隙型滲漏通道。

3.2 巖溶滲漏量估算

左岸T3d2灰?guī)r巖溶裂隙滲漏量估算如式（1）,計算結(jié)果見表2?？梢?庫水經(jīng)左岸巖溶裂隙滲漏量為0.22 m3/s,相應(yīng)年滲漏量約694 萬m3,占壩址以上多年平均徑流量的33.5%。量值較大,需采取必要的防滲處理措施。

式中：Q為滲漏量；B為滲漏帶寬度,取灰?guī)r平均寬度98 m；K為滲透系數(shù),取灰?guī)r滲透系數(shù)大值均值2.43×10-4m/s；H1為水庫正常蓄水位；h1為庫內(nèi)含水層厚度,為正常蓄水位與河流裂點標(biāo)高1420m之差；H2為下游河谷水位；h2為下游含水層厚度；L為水庫岸邊至下游河谷的水平距離。

計算結(jié)果見表2。

表2 左岸壩肩巖溶滲漏量估算表

4 左岸巖溶滲漏防滲處理

4.1 防滲方案比選

庫區(qū)內(nèi)與庫水接觸的T3d2灰?guī)r約11.2 萬m2,可采用水平防滲,但缺陷主要是成庫后庫盆懸托高度大、掩埋和半掩埋溶蝕洼地、溶洞,基礎(chǔ)軟硬不均,浮土下溶蝕寬縫、溶洞空腔臨空,長期運行存在滲透、沉降變形和擊穿破壞可能,可靠性差。

另一方面,壩址左岸滲漏帶主要集中在T3d2灰?guī)r中,平均寬約98 m,遇大規(guī)模巖溶管道、空腔的可能性小,主要問題是深度大,須實施分層灌漿帷幕搭接。經(jīng)充分認(rèn)證和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選,最終采用垂直防滲方案。

4.2 防滲底界確定

巖溶底界的確定原則有：①根據(jù)鉆孔壓水試驗,按設(shè)計所需呂榮值（Lu）確定；②根據(jù)實測地下水位確定,一般比最低水位低20 m左右；③根據(jù)巖溶通道連通試驗測定的下游出水點高程確定。

勘察揭示鉆孔壓水試驗5 Lu以下5 m的高程為1480.92 m,實測鉆孔最低水位為1446.87 m；同時根據(jù)巖溶分類,強(qiáng)巖溶下限高程為1461.92 m。結(jié)合上述確定原則,從偏于安全的角度,巖溶防滲底界高程取為1420.0 m。

4.3 灌漿帷幕設(shè)計

自壩頂高程（左壩肩灌漿平硐底高程）1652.5 m起,至巖溶防滲底界1420.0 m止,灌漿帷幕深232.50 m,采取分層防滲方式。

4.3.1 分層灌漿結(jié)構(gòu)

灌漿深度越深,灌漿導(dǎo)管偏移越大,其灌漿效果越差。因此,灌漿帷幕共分三層,每層偏距6 m。第一層即左壩肩灌漿平硐,灌漿深度由壩頂1652.5 m~1552.5 m,深100 m；第二層灌漿平硐底高程1562.5 m,灌漿深度由1562.5 m~1500.0 m,深62.5 m；第三層灌漿平硐底高程1510 m,灌漿深度由1510 m至1420 m,深90 m。

為保證灌漿連續(xù),形成封閉體系,在三層灌漿平硐之間深度搭接10 m,即第一層灌漿底界與第二層灌漿頂界、第二層灌漿底界與第三層灌漿頂界之間相互搭接10 m。分層灌漿結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖2。

圖2 灌漿帷幕結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

4.3.2 灌漿平硐布置

三層灌漿平硐均采用城門洞型,斷面尺寸4.0 m×4.5 m （寬×高）,分別長90.5 m、110 m、110 m；三層平硐垂直壩軸線方向水平偏移6 m。由于平硐段為可溶性灰?guī)r,巖性較差,平硐開挖后采用10 cm厚掛網(wǎng)噴護(hù)混凝土襯砌一次支護(hù)后,在洞內(nèi)襯砌50 cm厚C25 現(xiàn)澆混凝土作為永久支護(hù)。

4.3.3 灌漿施工

采用高壓帷幕灌漿,灌漿壓力4 MPa～6 MPa,帷幕共2 排,排距1.5 m,孔距1.5 m,由下層至上層分層、分段、分序灌漿,先進(jìn)行下游排I序孔灌漿,再灌II序、III序孔,然后灌上游排孔[5]。灌漿采用小口徑（開孔孔徑73 mm,以下56 mm,終孔不小于46 mm）鉆進(jìn),先鉆5 m低壓灌漿后,下入長孔口管用濃漿鑲好,待凝完成后分段鉆孔直至終孔。各灌漿段漿液由稀至濃逐級變換,灌漿壓力在一般灌漿段盡快升到設(shè)計最大值,遇溶洞先封堵。

4.4 滲流監(jiān)測

為監(jiān)測左岸防滲帷幕效果及繞壩滲漏,設(shè)計在每層灌漿平硐上下游側(cè)沿軸線間隔50 m設(shè)滲壓計一組,共18 支,并在左岸山體設(shè)繞壩滲流管3 根。同時,在下游壩腳處設(shè)三角形量水堰1 座,采用0.8 m混凝土墻截斷河槽,以監(jiān)測壩體壩基總滲流量。

5 結(jié)語

馬鞍橋水庫壩址左岸分布三疊系上統(tǒng)大水塘組上段（T3d2）灰?guī)r,存在巖溶滲漏。在各種勘察方法查明巖溶以溶隙、溶孔為主,巖溶發(fā)育隨深度增加而減弱的前提下,經(jīng)充分論證和比選,設(shè)計采用三層灌漿帷幕搭接防滲處理,帷幕深232.50 m,同時設(shè)置滲流監(jiān)測設(shè)施,較合理的解決了左岸巖溶防滲處理難題,確保了水庫正常修建。

另一方面,鑒于巖溶的復(fù)雜性,且T3d2灰?guī)r局部較厚、灌漿帷幕較深,部分巖溶現(xiàn)象可能仍未查清。因此,建議在施工過程中,根據(jù)揭示的地質(zhì)情況和試驗性灌漿效果,適時補(bǔ)充地質(zhì)勘察研究和（或）優(yōu)化、調(diào)整設(shè)計；如遇規(guī)模較大溶洞,可采取膜袋灌漿或投瓜子石、砂等方式,并增加灌漿排數(shù)。