巖溶地區(qū)水利工程防滲處理

彭峰

摘 要：隨著工程建設的高速發(fā)展，巖溶發(fā)育地區(qū)建壩成庫的防滲處理問題逐漸成為水利工程建設的熱點和難點，勘察成果和處理方案的合理性直接影響著工程進度、質量、安全和成本控制及效益等，其中西部地區(qū)巖溶問題尤為突出。基于西部問題巖溶問題較為突出，在對黔北部分水利工程查明其巖溶水文地質條件的基礎上，針對不同的巖溶發(fā)育特征和工程情況，分別提出處理方法，最終建成并蓄水運行發(fā)揮效益，以期為類似工程的處理提供理論參考和指導作用。

關鍵詞：巖溶地區(qū)；防滲技術；中小型水庫

中圖分類號：TV5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2023）10-0110-03

0 引言

中國巖溶主要集中在喀斯特地貌，分布廣、類型多。根據(jù)氣候、大地構造及巖溶發(fā)育的特點，可將我國巖溶劃分為3區(qū)[1-2]。西南地區(qū)多山且地質條件復雜，碳酸鹽巖廣泛分布，特別是貴州地區(qū)，其碳酸鹽巖分布占比在70%以上，碳酸鹽巖的巖溶發(fā)育給工程建設帶來嚴重的水文及工程地質問題，如壩基滲漏、繞壩滲漏、鄰谷滲漏等，故巖溶的勘察與防滲處理成為工程建設的首要問題。

黔北地區(qū)主要以巖溶地貌、侵蝕構造地貌兩類為主，其中碳酸鹽巖約占75%以上，研究區(qū)巖溶洼地、漏斗、溶洞及地下暗河、暗河天窗等巖溶形態(tài)普遍發(fā)育，地表水貧乏，地下水豐富，這種工程性缺水嚴重限制了當?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平。為了改善這種工程性缺水，水利工程的建設刻不容緩。但研究區(qū)巖溶發(fā)育，水利工程建設成功的關鍵在于是否存在滲漏，如朝陽水庫、田壩水庫、東華溪水庫等由于滲漏原因，從建設至今未蓄水發(fā)揮效益。

巖溶是指可溶性巖石遭受地下水及地表水的破壞和改造后而形成的地貌現(xiàn)象，是一種典型的不良地質作用[1]。水庫巖溶滲漏是指水庫蓄水后，庫水沿強巖溶化透水地層中的巖溶管道、溶蝕空縫、溶縫等向水庫兩岸分水嶺外低鄰谷漏失，或通過水庫庫首一帶河間地塊向下游支流、干流的漏失。水庫滲漏直接影響水庫的正常功能及經(jīng)濟社會效益，還可能影響與水庫相關的工程建筑物的安全及一系列環(huán)境問題、地質災害問題等。

隨著近年西部大開發(fā)，貴州水利建設進入高速發(fā)展階段，大量的水利工程項目開始建設和投入運行，巖溶防滲處理成為水庫蓄水能否成功的關鍵[3-4]。因此選擇合適的防滲處理方案，解決水庫滲漏問題，成為水庫建設的必備條件。本文以黔北部分工程為例，針對不同的巖溶發(fā)育特征和工程實際分別提出有針對性的防滲處理方法。

1水庫巖溶滲漏的基本類型

水電工程巖溶處理問題包含范圍很廣，主要包括水庫巖溶防滲處理、壩址區(qū)防滲處理、洞室?guī)r溶涌水、涌泥處理、基坑涌水處理、伏流及暗河封堵成庫處理、巖溶地基評價與處理、建筑材料巖溶評價與處理和工程巖溶環(huán)境地質問題等[5]。

根據(jù)已有巖溶地區(qū)建壩成庫工程實踐，按發(fā)生滲漏的部位、滲漏的通道、低鄰水系展布與大壩空間位置關系等對水庫巖溶滲漏進行分類[6]。按滲漏的水庫部位，可分為庫區(qū)滲漏、庫首滲漏、庫周滲漏、庫底滲漏等類型[1]。按滲漏通道型式，分為管道型滲漏、脈管型滲漏和溶隙型滲漏。按低鄰水系展布與大壩空間位置關系，可分為鄰谷滲漏、河灣滲漏、隱伏低鄰谷滲漏等類型[1，7-9]。

2水庫巖溶防滲處理原則與方法

水庫巖溶防滲處理在工程實踐中主要遵循減、緩、免的原則，即對嚴重滲漏帶先做處理后進行觀測。若滲漏量在控制范圍內，則不處理；否則需要實施第二期的防滲處理。為避免建筑物（大壩壩基、壩肩、地下廠房等）附近巖體產(chǎn)生巖溶沖蝕破壞和不允許揚壓力或滿足防潮濕需要，處理措施除了防滲帷幕之外，常設排水工程。先確定處理方式，根據(jù)滲漏條件復雜或為處理優(yōu)化設計需要，帷幕防滲宜利用先導孔與物探孔間透視，找出防滲線上的主要巖溶洞隙等集中滲漏通道。防滲帷幕灌漿應先封堵洞隙通道，使巖體由巖溶管道介質變成裂隙性介質在灌漿，有效地形成防滲帷幕。

在水利工程建設中，巖溶防滲處理的方法主要有滲漏觀測法、圍壩法（井筒法）、鋪蓋法、混凝土塞封堵、截水墻法、帷幕灌漿法、溶洞清挖置換法等[1]。

3 水庫巖溶防滲處理工程實例

本文通過對黔北部分工程各庫區(qū)特殊的復雜地質條件進行研究，結合工程實踐，總結了巖溶地區(qū)水庫的常見滲漏問題的滲漏處理方法有以下3種。

3.1 滲漏觀測法

河頭水庫位于貴州省鳳岡縣進化鎮(zhèn)沙壩村的沙壩河上游，壩址以上流域面積35.7 km2（明流區(qū)11.80 km2、閉流區(qū)23.90 km2），水庫樞紐主要建筑物包括混凝土面板堆石壩、溢洪道及放水兼放空隧洞等。大壩壩頂高程735.00 m，最大壩高61.0 m，水庫正常蓄水位731.00 m，總庫容1115萬m3，以灌溉為主。

該水庫存在的問題是水庫中至尾部河床左岸分布有穩(wěn)定的地下水點。地下水點為暗河出口，暗河位于奧陶系下桐梓紅花園組強巖溶地層內，且該強巖溶層從庫區(qū)左岸延伸至大壩下游鄰谷唐家墳溝）。通過勘察論證，暗河補給區(qū)伏流進口最低地面高程為820 m，且地表水穩(wěn)定，壩肩水文孔孔內穩(wěn)定水位高于設計正常蓄水位。前期勘察水庫滲漏的結論為：左岸分布有高于正常蓄水位的地下分水嶺存在，水庫蓄水后不存在庫水倒灌向補給區(qū)滲漏問題，壩址區(qū)繞壩滲漏可通過防滲處理。

2016年，當水庫蓄水至710 m時，大壩下游唐家墳沖溝內原季節(jié)性泉點W1（高程705 m）出水量增大，并且隨庫水位的升高增大明顯，最大出水量達20 L/s左右，隨著庫水位下降流量變小。根據(jù)現(xiàn)場滲漏情況和地形地質條件，初步判斷該滲漏與水庫蓄水有關。

對水庫左岸巖溶水文地質進一步勘察和分析，受不同時期地形抬升和河谷下切的影響，巖溶發(fā)育特征和地下水補排在不同時期適應相應基準面。該暗河系統(tǒng)排泄早期基準面為唐家墳溝及庫區(qū)705 m高程左右，后期由于庫區(qū)河床下切較唐家墳快，故現(xiàn)在區(qū)內排泄基準面適應庫區(qū)河床的河頭上。水庫蓄水后，隨著庫水的抬升，改變了該暗河的徑流條件，排泄面隨庫水的升高而抬升。當抬升到710 m高程及以上時，部分庫水或暗河下游側岸坡原來向庫區(qū)排泄的地下水改變徑流方向，沿早期巖溶管道向下游的唐家墳沖溝產(chǎn)生滲漏，故形成泉點S1出水增大現(xiàn)象。

考慮到下游左岸出水點距離水庫大壩較遠，滲漏的水流有天然沖溝排泄至主河流，無安全隱患。通過最低和最高水位觀測，滲漏量總體不大，且本工程基流大，在可控范圍內，對水庫蓄水和效益幾乎無影響，經(jīng)常處于自然溢洪狀態(tài)。自2016年發(fā)現(xiàn)滲漏觀測至2023年，滲漏量無增加現(xiàn)象，滲漏區(qū)未產(chǎn)生次生地質災害等，水庫正常蓄水并發(fā)揮效益，左岸的滲漏對水庫蓄水和正常運行影響甚小。河頭水庫 S1出水點以及水庫蓄水情況如圖1所示。

3.2 溶洞清挖置換法+混凝土塞封堵法+帷幕灌漿法

新橋水庫位于桐梓縣茅石鎮(zhèn)團結村境內，新橋水庫壩址以上流域面積74.7 km2，大壩為雙曲拱壩，最大壩高40 m，正常蓄水位1 031.00 m，水庫總庫容1 290萬m3。工程規(guī)模為中型，功能以供水為主。

通過前期勘察可知，大壩下游左右兩岸均存在橫向分布的沖溝低鄰谷，且壩址及近壩庫區(qū)分布的強巖溶層均延伸至下游沖溝低鄰谷，通過勘察該層強巖溶層巖體在工程區(qū)內巖溶發(fā)育，大壩開挖遇巖溶洞穴和水庫蓄水后向下游沖溝繞壩滲漏的可能性大。

通過大壩基礎開挖，在兩壩肩不同高程分別揭露不同規(guī)模的巖溶洞穴，其中在左壩肩基槽1 015 m高程揭露巖溶洞穴最大，斜向山內延伸，洞內黃黏土半充填，其發(fā)育規(guī)模、分布位置等對拱壩沉降變形和滲流穩(wěn)定不利。經(jīng)過分析論證，決定對壩肩揭露溶洞進行清挖回填，壩體填筑同標號混凝土，對規(guī)模較大的溶洞加筋處理，同時在該部位區(qū)域加密加深固結和帷幕灌漿孔。通過相應的工程處理，工程建成運行良好，未見變形破壞和滲漏問題。開挖遇到的巖溶洞穴以及處理后蓄水情況如圖2所示。

清溪水電站位于貴州省綏陽縣青杠塘鎮(zhèn)境內，大壩為碾壓混凝土雙曲拱壩，壩頂高程620.0 m，最大壩高83.0 m，正常蓄水位615.0 m時，相應庫容8 380萬m3，電站裝機2.8 MW，以發(fā)電為主。

該項目壩址區(qū)全部為碳酸鹽巖可溶巖地層，通過前期勘察，發(fā)現(xiàn)了壩址區(qū)地表溶洞和地下巖溶管道系統(tǒng)發(fā)育。工程施工階段，在左壩肩570 m高程揭露出巖溶管道，斜向下游發(fā)育延伸至河床，洞內無充填、有穩(wěn)定地下水流動。因該巖溶管道位于壩肩下游抗滑巖體區(qū)域內，對大壩抗滑穩(wěn)定是制約因素。經(jīng)進一步勘測分析論證，決定對該巖溶管道壩肩抗滑巖體影響范圍采取封堵處理。具體為在受力端點先設堵頭，向封堵段洞壁預埋灌漿管，然后向溶洞內堆放毛石并充填混凝土，最后進行洞內充填灌漿和地表固結、帷幕灌漿。經(jīng)過處理后，工程無變形和滲漏問題，水庫大壩運行良好。工程處理后蓄水情況如圖3所示。

3.3 伏流封堵法

該方法運用于天生橋水庫除險加固，水庫位于仁懷市合馬鎮(zhèn)境內，原設計水庫總庫容770萬m3，屬?。?）型水庫。工程區(qū)為一天然形成的“巖橋”地形，屬典型的巖溶洞穴地貌，其組合形態(tài)主要有K1溶洞、溶洞上部“巖橋”及河谷兩岸山體3部分組成。原堵體為等厚的拱形結構，拱厚6 m，堵體高28.17 m。

水庫運行過程中，堵體與基礎巖體接觸面、基礎強風化層、溶蝕裂隙面巖體存在滲漏，在高程640 m時，滲漏量約0.5～2.0 L/s，且隨庫水位升高而增大。原堵體與新建堵體段“巖橋”橋面巖體存在3處塌陷現(xiàn)象，特別是靠近原堵體“巖橋”橋面產(chǎn)生塌坑規(guī)模較大，滲漏嚴重。在高程640 m時，原堵體及巖橋橋面最大總滲漏量達95 L/s。由此判定，水庫不能正常運行且存在安全隱患。

通過對現(xiàn)場的詳細勘察，靠近原堵體段“巖橋”巖體較破碎，溶孔、溶溝密集發(fā)育，且山體較薄。該區(qū)岸坡地下水均以K1溶洞為基準面橫向排泄補給，若防滲帷幕線沿原堵體折向下游向岸坡布置，其帷幕線較長，防滲可靠性較差。原堵體至溢洪道“巖橋”為擋水體時，因其存在滲漏且局部存在塌陷，必須對其進行處理，由此使得該區(qū)的處理方案變得復雜且處理難度較大。

故本階段在原堵體下游溶洞地質條件相對較好處新建堵體，防滲帷幕線沿堵體上游側布置，帷幕線在“巖橋”約有25 m長起灌高程低于正常蓄水位660.5 m。故本次工程帷幕線布置采用橫切新建堵體至岸坡以及堵體頂部（656.50 m）至660.50 m“巖橋”表面進行防滲綜合處理，經(jīng)過防滲處理后，現(xiàn)狀運行良好。

4 結束語

本文結合數(shù)座黔北水庫的特殊復雜地質條件，分別采取了不同的防滲技術方法，為類似工程的設計、施工及管理提供直接的理論參考和指導作用。合適的巖溶地質問題處理措施能使水庫的滲漏問題均得到有效解決，平穩(wěn)推進水庫建設和運行。但由于巖溶發(fā)育場地的工程地質條件較為復雜且具有不確定性，再加上巖溶發(fā)育的不規(guī)則性、巖溶大小與充填物的不同及水文地質條件的差異，使得單一的巖溶地質處理手段和傳統(tǒng)方法，已經(jīng)不能滿足復雜巖溶地基的滲漏問題。因此，必須將新技術、新方法與傳統(tǒng)方法進行綜合應用，集成創(chuàng)新，有效提高巖溶地質問題處理水平，讓巖溶發(fā)育地區(qū)形成一套適用于各種地質條件的防滲技術體系。

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