引水隧洞充填型溶洞發(fā)育機(jī)理及處理措施探討

武興亮，羅 平，趙應(yīng)武

（貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽(yáng) 550002）

引水隧洞充填型溶洞發(fā)育機(jī)理及處理措施探討

武興亮，羅 平，趙應(yīng)武

（貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽(yáng) 550002）

黔中水利樞紐一期工程水源平寨水庫(kù)位于烏江南源三岔河上，壩區(qū)為深切的峽谷地貌，地表巖溶形態(tài)隨處可見(jiàn)，在地下建筑物開(kāi)挖過(guò)程中，遇到極多巖溶現(xiàn)象，其中有規(guī)模較大的溶洞、巖溶管道系統(tǒng)，需根據(jù)建筑物的性質(zhì)及溶洞空間分布、規(guī)模等，擬定不同的處理方案。以樁號(hào)K0+244-K0+312處溶洞為代表的獨(dú)特發(fā)育機(jī)理，形成了溶洞內(nèi)充填物多為大塊石及少量粘土，且塊石密實(shí)度較好，根據(jù)其特點(diǎn)，提出采用樁基跨越的處理措施。處理后，試運(yùn)行期未出現(xiàn)異常。方案評(píng)價(jià)結(jié)果表明：該方案安全可靠，但耗時(shí)長(zhǎng)，資金投入大，相對(duì)偏保守。

灌溉引水隧洞；溶洞；發(fā)育機(jī)理；處理方案

0 前言

黔中水利樞紐一期工程是位于烏江南源三岔河干流中上游的大（1）型水利工程，水庫(kù)大壩為面板堆石壩，壩高157.5 m，總庫(kù)容11.89億m3[1]。庫(kù)首區(qū)屬巖溶山區(qū)的峽谷地帶，巖性主要為三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組灰?guī)r夾泥巖，巖溶極發(fā)育。

灌溉引水隧洞布置于庫(kù)首區(qū)左岸，洞軸線方向?yàn)?46°，與三岔河該河段流向一致，兩者平距約500 m；隧洞全長(zhǎng)約1.1 km，進(jìn)口底板高程1297.6 m，出口底板高程在1296.5 m，設(shè)計(jì)斷面為圓形，開(kāi)挖洞徑4.5 m，隧洞出口設(shè)渠首電站，為有壓隧洞，設(shè)計(jì)引水流量22.77 m3。為方便施工，開(kāi)挖時(shí)，施工單位將斷面調(diào)整為馬蹄形。

在對(duì)灌溉引水隧洞開(kāi)挖過(guò)程中，揭露較多溶洞，其中樁號(hào)K0+244-K0+312洞段發(fā)育的溶洞比較特殊，主要在于它發(fā)育在可溶巖和非可溶巖體中，充填物主要成份為塊石和少量粘土，一般溶洞發(fā)育在可溶巖中，常為無(wú)充填、半充填和全充填型，充填物一般為砂、卵、礫石，以及粘土、粘土夾少量塊石等。該溶洞的特殊性與其發(fā)育機(jī)理休戚相關(guān)，因此，研究其發(fā)育機(jī)理，對(duì)查明溶洞發(fā)育特征及處理方案有較大的作用。本文就該工程灌溉引水隧洞充填型溶洞發(fā)育機(jī)理及處理措施進(jìn)行分析探討。

1 隧洞基本地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

隧洞穿越巖溶山區(qū)地貌，地表高程為1290～1466 m，洞室埋深一般60～100 m，最大埋深145 m。隧洞進(jìn)口位于壩軸線左岸上游約120 m的斜坡上，地表高程為1290～1310 m，地形坡度20°左右，為順向坡；出口位于方家寨下方?jīng)_溝右側(cè)斜坡上，地表高程在1305～1310 m之間，地形坡度約25°，為順向坡。該段河流為峽谷地貌，河床高程一般為1184～1185 m。

1.2 地層巖性

隧洞沿線地表巖性多為基巖裸露，覆蓋層主要分布在巖溶洼地及沖溝中，成分為第四系殘坡積的粘土夾碎石層，厚0～5 m；下伏基巖地層巖性有：

①三疊系永寧鎮(zhèn)組第一段第二層（T1yn1-2）：灰色中厚至厚層灰?guī)r夾極少量的泥質(zhì)灰?guī)r，厚260.3 m，為可溶巖。

②三疊系永寧鎮(zhèn)組第二段第一層（T1yn2-1）：深灰色泥巖、泥灰?guī)r夾極少量灰?guī)r，厚29 m，為非可溶巖。

③三疊系永寧鎮(zhèn)組第二段第二層（T1yn2-2）：灰、深灰色薄到中厚層泥質(zhì)灰?guī)r與中厚層灰?guī)r互層夾少量泥巖，厚14.7 m，主要為可溶巖。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

雞場(chǎng)背斜近EW向展布，軸線方向延伸長(zhǎng)約6 km，背斜軸部與隧洞交于樁號(hào)k0+490附近，交角較大，其西翼巖層產(chǎn)狀為 325°～335°∠20°～30°，東翼的巖層產(chǎn)狀為 160°～170°∠15°～25°。

1.4 巖溶及水文地質(zhì)條件

隧洞穿越地層巖性主要為可溶巖，地表巖溶形態(tài)主要有巖溶洼地、落水洞、溶溝、溶槽等。巖溶洼地主要分布雞場(chǎng)背斜軸部附近，其高程在1390 m左右；隧洞沿線附近落水洞主要有：進(jìn)口附近靠岸邊的K15（地表高程為1326.5 m）及隧洞出口渠首電站的下游的兩個(gè)落水洞（地表高程在1290 m左右）；隧洞在樁號(hào)0+594～K0+597 m處穿越羅家大洞至躲兵洞巖溶系統(tǒng)（KS1巖溶管道系統(tǒng)）。根據(jù)地表調(diào)查、鉆孔資料及隧洞開(kāi)挖揭露，溶洞主要發(fā)育在T1yn1-2地層中，在不同高程上均有發(fā)育，且規(guī)模較大，有些部位T1yn2-1泥巖已成為溶洞頂部的冒落帶。

根據(jù)地表地質(zhì)調(diào)查及鉆孔水位觀測(cè)，隧洞段地下水位埋深在1190.21～1255.9 m，地下水位低于隧洞底板，谷坡中、上部未見(jiàn)泉水出露水。巖體含水性及透水性受地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及風(fēng)化卸荷的影響，存在一定差異，擠壓破碎帶、節(jié)理密集帶含水相對(duì)較豐富。

1.5 工程地質(zhì)巖組分類

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，T1yn1-2的灰?guī)r屬中硬巖，飽和抗壓強(qiáng)度一般為50～60 MPa；T1yn2泥巖、灰?guī)r及泥質(zhì)灰?guī)r的飽和抗壓強(qiáng)度平均值分別為 26.33 MPa、57.87 MPa、45.83 MPa，T1yn1-2的巖性為硬質(zhì)巖類巖組，T1yn2的巖性為軟硬相間巖類巖組。

2 溶洞發(fā)育形態(tài)及發(fā)育機(jī)理

2.1 溶洞發(fā)育形態(tài)

在對(duì)灌溉引水隧洞開(kāi)挖過(guò)程中，樁號(hào)K0+244處遇到充填型溶洞，采用格柵拱架進(jìn)行了支護(hù)，格柵中心距約1 m，格柵之間采用鋼筋網(wǎng)片加噴護(hù)，順利完成了溶洞段的開(kāi)挖，揭露出樁號(hào)K0+244-K0+312段為溶洞，溶洞全充填，充填物為塊石夾粘土，初估塊石占充填物體積的60%～70%，其母巖多為灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r，直徑一般分布于40～100 cm，揭露的溶洞主要發(fā)育于T1yn1-2薄至中厚層灰?guī)r中，靠近雞場(chǎng)背斜核部偏西翼。約2個(gè)月后，發(fā)現(xiàn)隧洞內(nèi)溶洞段的格柵拱架變形嚴(yán)重，隧洞頂部充填物向下垂直位移，格柵拱頂部向洞內(nèi)凸出，邊墻局部發(fā)生垮塌；溶洞頂部地表發(fā)生塌陷，塌坑呈圓形，直徑約10 m，地表下陷深度約1.5 m；塌陷處原地表為半封閉洼地，底部平坦，直徑約30 m，結(jié)合周邊鉆孔資料及地形分析，地表屬典型的巖溶塌陷型盆地，底部地表高程約1363 m，至隧洞底板高差約65.4 m。

為查明溶洞底部發(fā)育規(guī)模，在隧洞底板溶洞范圍內(nèi)補(bǔ)充3個(gè)勘探孔，鉆孔成果表明：在樁號(hào)K0+260處，隧洞底板至基巖面最大深度為9 m，底部高程為1288.6 m，塊石夾粘土充填，其余兩個(gè)鉆孔布置于K0+240、K0+280處，揭露的溶洞深度分別為0.8 m、1.3 m。

結(jié)合前期勘察及開(kāi)挖揭露的地質(zhì)資料綜合分析，溶洞空間主要分布在T1yn1-2、T1yn2-2灰?guī)r及T1yn2-1、T1yn2-3泥巖地層中，溶洞在灌溉引水隧洞內(nèi)跨越的空間約有68 m，溶洞底部至塌陷處地表高差約74.4 m，溶洞上小下大，呈“葫蘆”型，在隧洞底板以下至溶洞內(nèi)基巖面的充填物體積約有1222 m3，該溶洞形態(tài)如圖1所示。

地表塌陷后，及時(shí)對(duì)原格柵拱進(jìn)行加密，間距增至0.5 m，同時(shí)對(duì)地表塌坑周圍做好排水措施，塌坑采用防雨布遮擋，防止地表水沿溶洞通道下滲，通過(guò)加密及地表水引排處理后，監(jiān)測(cè)格穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)繼續(xù)變形趨勢(shì)，在隧洞襯砌前，溶洞段該段雨季滲水嚴(yán)重，枯季有滴水現(xiàn)象。

圖1 溶洞與灌溉引水隧洞關(guān)系位置圖

2.2 溶洞發(fā)育機(jī)理

根據(jù)隧洞開(kāi)挖揭露的地質(zhì)條件分析：溶洞段的圍巖為T1yn1-2中厚層灰?guī)r，上伏泥巖主要有厚度約30 m的T1yn2-1地層，以及厚約10 m的T1yn2-3地層。溶洞段兩端測(cè)得的巖層產(chǎn)狀變化較大，樁號(hào)K0+235附近測(cè)得的巖層產(chǎn)狀為48°～57°∠25°～32°，樁號(hào) K0+300 附近測(cè)得的巖層產(chǎn)狀為 225°～244°∠62°，受雞場(chǎng)背斜的影響，巖層受到擠壓扭曲較嚴(yán)重，是造成巖層產(chǎn)狀變化較大的主要原因。洞內(nèi)橫張、縱張節(jié)理發(fā)育，為地下水徑流提供了空間和連通通道，由于厚約30 m的T1yn2-1泥巖分布，阻斷了上下兩層灰?guī)r透水層的地下水力聯(lián)系，按一般巖溶發(fā)育規(guī)律而言，地下水主要在泥巖上伏灰?guī)r中活動(dòng)較頻繁，在其接觸帶靠上部灰?guī)r中，溶洞發(fā)育，易形成巖溶管道系統(tǒng)，而泥巖下部灰?guī)r巖溶發(fā)育相對(duì)較弱一些[2]。然而，本工程庫(kù)首左岸獨(dú)特的水文地質(zhì)條件，造就了下部T1yn1-2灰?guī)r地層中巖溶極發(fā)育，且常形成較大的溶蝕大廳，頂部溶蝕邊界為T1yn2-1泥巖，由于下部溶洞空間大，上部T1yn2-1泥巖無(wú)法承受自身的重量，在重力作用下，逐漸發(fā)生剝離和掉塊，掉下的塊石逐漸堆積在溶洞底部，并在水的作用下逐漸崩解和風(fēng)化，形成現(xiàn)狀條件下的溶洞充填物。溶洞頂部逐漸剝蝕泥巖或灰?guī)r，擴(kuò)大溶洞空間，當(dāng)頂部巖體無(wú)法承受上部巖體整體重量時(shí)，頂板巖體整體塌落至溶洞中，形成巖溶塌陷，見(jiàn)圖2。在長(zhǎng)期的內(nèi)外營(yíng)力作用下，形成現(xiàn)狀地形地貌。

圖2 溶洞塌陷發(fā)育機(jī)理示意圖

3 處理措施

處理方案比較時(shí)，主要對(duì)比直接對(duì)溶洞充填物固結(jié)灌漿和樁基跨越兩種措施，考慮溶洞發(fā)育規(guī)模大，以及渠首隧洞建筑物的重要性，最終采用樁基跨越[3]，樁基為圓形人工挖孔樁，樁基中心距10 m，樁頂部直徑約2.0 m，樁底嵌入基巖4 m，樁身結(jié)構(gòu)采用C20混凝土，樁基頂部設(shè)置承臺(tái)，建筑物及水體荷載全部傳至樁基，具體處理方案詳見(jiàn)圖3。在樁基開(kāi)挖過(guò)程中揭露出溶洞底部基巖高程與補(bǔ)勘推測(cè)的高程有差距，主要原因是，塊石較大，根據(jù)鉆孔巖芯，把孤石誤判成基巖，再加上勘探孔數(shù)量有限，形成了一定誤差。

圖3 處理方案示意圖

4 結(jié)論

目前試運(yùn)行至今約4個(gè)月，未出現(xiàn)異常。

從溶洞充填物成份及密實(shí)度分析，塊石含量大，在長(zhǎng)期的重力作用下，溶洞充填物自身荷載足以將充填物達(dá)到一定的密實(shí)度，開(kāi)挖揭露充填物的密實(shí)度可以佐證；隧洞開(kāi)挖時(shí)，清除大量的溶洞充填物，足以抵消建筑物及水體的荷載，隧洞開(kāi)挖前與運(yùn)行時(shí)比較，隧洞底板以下的溶洞充填物不會(huì)加大荷載，與自然狀態(tài)基本一致，不會(huì)形成欠固結(jié)土。因此，在考慮荷載作用時(shí)，主要考慮隧洞結(jié)構(gòu)混凝土本身能否承受上部溶洞充填物荷載，隧洞底板以下溶洞充填物變形不會(huì)有較大改變。就樁基跨越方案而言，其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)隧洞建筑物下部充填物研究透徹，安全可靠；缺點(diǎn)是耗時(shí)長(zhǎng)，資金投入大。僅從地質(zhì)角度看，樁基跨越方案相對(duì)偏保守。

[1]袁代江，武興亮，劉子金等，黔中水利樞紐一期工程地質(zhì)勘察報(bào)告[R].2009.

[2]王大純，張人全，史毅虹等，水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)[M].地質(zhì)出版社，1990.

[3]鄒成杰，水利水電巖溶工程地質(zhì)[M].水利電力出版社，1994.

TV554

B

1673-9000（2017）05-0098-03

2017-04-08

武興亮（1978-），男，貴州江口人，高級(jí)工程師，主要從事水利水電水文地質(zhì)與工程地質(zhì)勘察工作。