重慶市隘口水庫K5溶洞發(fā)育特征和防滲處理研究

郭 貴，陳 欣，張必勇，詹 偉

(1．重慶市水利電力建筑勘測設計研究院，重慶 400020;2．長江巖土工程總公司(武漢)，湖北 武漢 430010)

1 工程概況

重慶市秀山縣隘口水庫工程位于秀山縣隘口鎮(zhèn)，水庫設計正常蓄水位544．45 m，總庫容3 580×104m3。代表壩型為瀝青砼心墻堆石壩，設計最大壩高80．2 m，灌溉干渠總長87．487 km，總灌溉面積約為1．334×104hm2。為一座以灌溉、防洪為主，兼顧鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水、發(fā)電、旅游等綜合效益的中型水利工程。

2 壩址工程地質(zhì)條件［1］

壩址位于原隘口中學上游約150 m。河床枯水位高程487．15 m，相應河面寬10 ～20 m，水深 ＜0．5 m。河谷底寬約110 m。河床覆蓋層厚度8～27 m，最厚達38 m(為砂礫卵石夾泥及塊石)，壩軸線上游一線為深槽，河谷形態(tài)呈“U”型，設計蓄水位544．45 m高程谷寬246 m。左岸邊坡30°～50°，右岸邊坡約45°，緊鄰右壩肩600 m高程有一臺地為古河床基面，兩岸山頂高程890 m，相對高差約400 m。河流流向15°～25°，巖層走向與河流流向夾角35°～60°，為斜向谷。

壩址區(qū)出露寒武系上統(tǒng)、奧陶系下統(tǒng)地層，巖性以灰?guī)r、白云巖為主，局部夾頁巖，作為壩基的為寒武系毛田組地層，均為灰?guī)r、白云巖。其中壩基出露地層為寒武系上統(tǒng)毛田組第一段(∈3m1)，巖性為灰—深灰色微晶—致密灰?guī)r，白云質(zhì)灰?guī)r與灰質(zhì)白云巖互層，厚85．8 m。

工程區(qū)地質(zhì)構造上處于鐘靈復式背斜與平陽蓋向斜交接部位，巖體受構造運動破壞大，巖層走向50°～80°，傾向320°～350°，傾向左岸偏下游，傾角左岸一般25°～35°，向下游變化為 16°，右岸一般 28°～35°。壩基河谷巖層傾向下游偏左岸，巖層走向與河谷走向夾角約40°，為斜向谷地質(zhì)結構。

工程區(qū)碳酸鹽巖大面積分布，占區(qū)域面積30%以上。強巖溶含水巖組包括∈1q、∈2p、∈3m、O1t－O1h、O2、P等，巖溶發(fā)育強烈，所含地下水類型為巖溶水。隔水巖組包括前寒武系地層、∈1n、∈1m+j、O1d、O3、S等，為碎屑巖地層，以基巖裂隙水為主。

壩址區(qū)巖溶發(fā)育集中在河床、右岸岸坡至王家墳洼地地帶。從巖溶系統(tǒng)的觀點來看，壩址主要有:左岸有 KW1、KW2及 KW3系統(tǒng)。右岸有 K5、K6、K8、KW14、KW12、KW51等巖溶系統(tǒng)。右岸近壩涼橋河側(cè)有神仙洞系統(tǒng)KW16－W48系統(tǒng)。右岸壩線下游有W103系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的出口一般有溶洞或泉水，是古代及現(xiàn)代地下水的排泄口，其補給區(qū)有溶洞或溶蝕裂隙。K5溶洞位于右岸防滲線上，發(fā)育規(guī)模較大。

3 K5溶洞發(fā)育規(guī)模及周邊溶洞發(fā)育概況

K5溶洞位于大壩右岸，王家墳溶蝕洼地下方，右岸防滲線將穿過該溶洞，樁號從下灌右0+120．07～0+156．49處。K5溶洞在平面上的投影順河向長約62 m，垂直河流方向?qū)捈s50 m，K5溶洞總體積約11．18×104m3，揭露K5溶洞總高差 107．91 m。其中高程 559．53～493．34 m為巖溶大廳，凈高66．19 m，向上以不規(guī)則的管道狀斜穿右岸中層灌漿廊道，并向上發(fā)育至取水塔交通廊道(高程549．2 m)以上。高程493．34 ～451．62 m充填物厚度多在28～36 m(最大厚度41．72 m)，多為粉質(zhì)粘土夾粉細砂，見圖1、圖2。

圖1 K5溶洞高程E490平切圖Fig.1 Flat map of E490 elevation of K5 Cave

圖2 K5溶洞橫向剖面圖Fig.2 Lateral profile of K5 cave1．寒武系上統(tǒng)毛田組第一段:灰?guī)r、白云巖;2．寒武系上統(tǒng)后壩組:白云巖;3．斷層錯動帶;4．巖層線;5．溶洞輪廓線;6．施工回填塊石;7．粉質(zhì)粘土;8．粉質(zhì)粘土夾粉砂;9．第一次施工勘察鉆孔;10．第二次施工勘察鉆孔。

K5溶洞主要發(fā)育在寒武系毛田組第一段(∈3m1)強巖溶層中，具體發(fā)育部位為f4斷層錯動帶及兩側(cè)?！?m1巖性為灰—深灰色中厚層—厚層狀灰?guī)r，白云質(zhì)灰?guī)r與灰質(zhì)白云巖互層，f4斷層錯動帶為花斑狀白云巖。由于灰?guī)r質(zhì)純(CaO含量高達54．61%，酸不溶物含量僅1．62%)，K5溶洞的主體部分順規(guī)模較大的f4斷層帶發(fā)育，巖體破碎，加之王家墳洼地、坑沱洼地具重碳酸腐蝕性的地表、地下水大量注入，至使K5溶洞發(fā)育規(guī)模大。

從前期勘察及施工開挖揭露的情況看，K5溶洞緊鄰巖溶強烈發(fā)育的王家墳洼地和上游的坑沱洼地(K27)，與原P2勘探平硐硐尾的P2-K5溶洞相連，地表、地下水長期注入K5溶洞，2011年11月20日觀測流量約20 L/min，大、暴雨后有大量水流及泥沙注入?？科浇觿t與岸邊的K12溶洞及KW12巖溶泉相通。K5溶洞的地下水除直接排向平江河外，部分排向下游的KW51溶洞泉，可以看出K5溶洞四周巖溶均強烈發(fā)育。

4 K5溶洞充填物的物質(zhì)組成及物理力學性質(zhì)

4．1 K 5溶洞溶蝕充填物物質(zhì)組成

根據(jù)鉆孔及開挖揭示K5溶洞充填物中僅見兩個塊石，直徑均＜0．4 m，沒有粒徑＞0．25 mm的顆粒分布，充填物以細粒為主，充填物有機質(zhì)含量0．10% ～1．87%，主要為粘土與粉質(zhì)粘土。根據(jù)性狀可分為三大層，總厚度多在28～36 m之間。

4．1．1 第Ⅰ層土

又分為兩小層:第一小層分布在492 m高程以上，現(xiàn)大部分已挖除;第二小層分布在488～475 m高程左右。

Ⅰ-①:巖性為粘土、粉質(zhì)粘土夾極薄層粉細砂，呈可塑狀。K5溶洞施工開挖過程中，在原溶洞底板以上2～6 m，高程492～496 m顆粒分析試驗，砂粒含量為1．0 ～6．2%，平均 3．9%;粉粒含量為 60．30% ～63．2%，平均61．7%;粘粒含量為 33．0% ～36．1%，平均34．4%，充填物以粘土、粉質(zhì)粘土為主，呈軟塑及流塑狀為主。

Ⅰ-②:分布在488～475 m高程左右。顆粒分析試驗砂粒含量為0．2% ～0．8%，平均0．56%，個別孔達1．8%;粉粒含量為 62．0% ～79．4%，平均 75．4%;粘粒含量為19．8% ～37．8%，平均23．8%，可見充填物以粉質(zhì)粘土為主，呈軟塑狀。

4．1．2 第Ⅱ?qū)油?/p>

大致分布在高程475 m以下，但上下界面均起伏較大。巖性為粉質(zhì)粘土含粉細砂，呈軟塑狀。深部靠內(nèi)側(cè)含砂較少以粉質(zhì)粘土為主。其中砂粒含量為0．9% ～1．9%，平均1．52%;粉粒含量為 77．2% ～82．0%，平均79．3%;粘粒含量為16．1% ～21．1%，平均19．2%。

4．1．3 第Ⅲ層土

第三層土位于第二層以下，鉆孔揭示其成分與第一層第一小層(Ⅰ-①)基本相同，呈可塑狀至硬塑狀。說明溶洞底部的沉積物經(jīng)壓縮后，力學指標有所提高。

4．2 充填物物理力學性質(zhì)

在上半部土層中，粘土、粉質(zhì)粘土的天然含水量23．2% ～25．7%，平均 24．1%;天然密度 1．87 ～1．94 g/cm3，平均1．90 g/cm3;孔隙比 0．724 ～0．815，平均0．77;塑性指數(shù)15．9 ～18．6，平均17．47;顆粒組成以粉粒(0．075 ～0．005 mm)為主占 60．3% ～63．2%;粘粒(＜0．005 mm)含量 33% ～36．1%;液性指數(shù) 0．4 ～0．5，平均0．46，呈可塑狀;400 kPa 時的壓縮系數(shù)為0．28，當壓應力為 400 kPa時，單向單位沉降量74．41 mm/m平均值(58．75 ～89．23 mm/m)，當壓縮系數(shù) a1－2為 0．35 時，壓縮模量為 5 MPa。

K5溶洞充填物粉質(zhì)粘土、粘土滲透系數(shù)為2．5×10－5～5．0 ×10－5cm/s;粉細砂夾層滲透系數(shù)為 3．5 ×10－3～7．5 ×10－5cm/s。

標貫試驗其平均擊數(shù)為7．4擊，修正后6．6擊，粘土、粉質(zhì)粘土的地質(zhì)建議承載力值為130 kPa，其值較小。

5 K5溶洞充填物作為防滲介質(zhì)的可行性評價

K5溶洞在防滲廊道軸線上長37 m，靠山內(nèi)側(cè)與巖溶強烈發(fā)育的王家墳洼地、上游的坑沱洼地(K27)相連，靠平江河側(cè)K5溶洞與岸邊的K12溶洞及KW12巖溶泉相通。K5溶洞的地下水除直接排向平江河外，部分排向下游的KW51溶洞泉，可以看出K5溶洞四周巖溶均強烈發(fā)育。水庫蓄水后庫水直接可到K5溶洞，可沿K5溶洞系統(tǒng)向平江河及下游下游的KW51溶洞發(fā)生水庫滲漏。且溶洞充填物在洞內(nèi)地下水處在有壓狀態(tài)，研究K5溶洞段充填物做為防滲依托是十分必要的。

(1)K5溶洞充填物上部及下部的粉質(zhì)粘土(第Ⅰ、Ⅲ層):天然含水量較一般的粘性土偏大，天然密度偏小，孔隙比偏大，顆粒組成以粉粒、粘粒為主，呈可塑狀態(tài)，承載力值為130 kPa，當壓應力為400 kPa時，單向單位沉降量平均值87．57 mm/m，當壓縮系數(shù)a1－2為0．31 時，壓縮模量為6．26 MPa，其值偏小。

中部第Ⅱ?qū)拥姆圪|(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土夾粉細，其天然含水量更大，天然密度更小，孔隙比更大，土體呈軟塑狀態(tài)，承載力值為110 kPa左右。尤其是運行工況是在飽水狀態(tài)下，上游有庫水高壓，內(nèi)側(cè)山體有地下水流的滲入及沖刷，對溶洞充填物的穩(wěn)定極為不利。

K5溶洞充填物上半部土體軟塑狀態(tài)，地基承載力特征值為130 kPa左右;下半部土體呈軟塑狀態(tài)，地基承載力特征值為100 kPa左右，直接用溶洞充填的粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土夾粉細砂直接作為防滲心墻或廊道基礎持力層可能發(fā)生過大的沉陷導致上部結構發(fā)生變形破壞。

(2)K5溶洞充填物主要為粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土夾粉細砂薄層，粘粒、粉粒含量高達93%以上。根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487—2008)充填物其臨界水力坡降為:

式中:Jcr——土的臨界水力比降;n——土的孔隙度;G——土粒比重。

以試驗成果的平均值代入式中，Jcr=0．96，安全系數(shù)取2，則允許水力比降為0．48。

水庫正常蓄水位544．45 m，防滲線附近鉆孔水位在487～489 m，K5溶洞靠下游鉆孔地下水位486．5 m，總水頭約56 m。

如K5溶洞充填物段不防滲，則K5溶洞充填物粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土含粉細砂有可能發(fā)生流土破壞，從而影響上部廊道的穩(wěn)定及水庫的正常運行。

6 K5溶洞防滲方案及施工處理

6．1 防滲方案

根據(jù)K5溶洞空間分布規(guī)律及物質(zhì)組成，針對不同部位進行不同防滲處理。

中層灌漿廊道以上(高程510 m)揭露的K5空洞范圍小，以混凝土回填為主，中層廊道至K5溶洞大廳頂段為基巖，用常規(guī)水泥帷幕灌漿為主。

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，墻體上下游充填碎塊石，相當于在溶洞內(nèi)修一個混凝土心墻堆石壩，其上游部分范圍小，可以用水泥砂漿灌注密實。下游底板為防止流土可設反濾層，其余空腔部分可全部回填碎石。

充填物部分采用高噴加鋼管樁聯(lián)合提高地基承載力及防滲能力，充填物以下部分為K5溶洞底部基巖，采用常規(guī)灌漿灌至設計防滲帷幕下限。

6．2 K5溶洞充填物處理方案

廊道軸線兩側(cè)高程488 m以下進行高壓旋噴灌漿 +鋼管樁。漿液水灰比為∶1．0∶1 ～0．6∶1，漿液密度1．5～1．7g/cm3;漿液應過篩使用，并定時檢測密度;遇地下水位高，水泥漿液流失嚴重時，可加入水玻璃做速凝劑，水玻璃的模數(shù)2．5～3．2，注漿使用濃度為30～40 Be'，摻入量約占重量的3% ～5%。遇地下水特別充沛時，可加入減水劑，其加入的種類和摻入量通過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗確定。同時，禁止水玻璃和水泥漿同一管路。鋼管樁上下游各三排，在中間一排，共計七排，管內(nèi)均須注漿，漿液采用水泥單漿液，為P．O 42．5R(早強型)，中間排鋼管樁漿液配比(水灰比 W∶C)為 0．6∶1 ～0．8∶1，注漿速度 5 ～50 L/min，結束標準為注漿終壓為3．0 MPa，注漿速度＜5 L/min，持續(xù)30 min后壓力不下降即可;其余排鋼管樁漿液配比(水灰比 W∶C)為 0．5∶1 ～0．6∶1，注漿速度5～50 L/min，結束標準為注漿終壓為0．4 MPa，注漿速度 ＜5 L/min，持續(xù) 30 min 后壓力不下降即可;水泥固結后將上部空余部分及時用水泥漿(0．5∶1)填滿。待終凝后，水泥與土的混合物即可作為上部廊道、上部防滲墻的持力層，又是充填物的防滲帷幕。488 m高程以下灌漿后，也可開挖后回填一定厚度的混凝土作為廊道底板。

7 結語

隘口水庫右岸K5溶洞發(fā)育規(guī)模大，充填物厚度大，且上部空腔體積大，K5溶洞總體積約11．18×104m3，四周所處巖溶發(fā)育，下部充填物的各項物理力學指標較差，承載力低，水庫蓄水后且經(jīng)常處在飽水狀態(tài)下，容易生沉陷變形和滲透變形。因此K5溶洞充填物不能直接作為防滲介質(zhì)，也不能直接作為廊道和防滲心墻的地基持力層，必須進行處理。K5溶洞充填物處理建議采用高壓旋噴灌漿+鋼管樁相結合的方法進行處理;對溶洞底板以下的基巖進行防滲帷幕灌漿至設計防滲下限;K5溶洞空洞部分采用混凝土心墻防滲，墻體上下游充填碎石，廊道上游空洞充填碎塊石后以水泥砂漿灌注密實。廊道下游底板為防止流土可設反濾層，其余空洞部分可全部回填碎石。

［1］ 樊長華，羅興建，等．重慶市秀山縣隘口水庫工程巖溶地質(zhì)調(diào)查報告［R］．重慶:長江水利委員會重慶勘測研究院，2001．