平寨水庫(kù)左岸底層灌漿平硐砂層溶洞處理

趙應(yīng)武，龍?jiān)茖?，楊元紅

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

1 工程概況

黔中水利樞紐工程位于云貴高原貴州中部地區(qū)、地處苗嶺寬緩山脊、長(zhǎng)江和珠江分水嶺河源地帶、巖溶峽谷山區(qū)。工程以灌溉、城市供水為主，兼顧發(fā)電等綜合利用，并為改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境創(chuàng)造條件。工程總供水量為7.41萬(wàn)m3，其中城市供水量為4.17億m3，灌溉供水量為3.24億m3，灌溉面積65.14萬(wàn)畝。水庫(kù)樞紐位于三岔河中游六枝與織金交界的平寨河段，壩址以上集水面積為3492 km2，水庫(kù)正常蓄水位1331.00 m，死水位1305.00 m，總庫(kù)容10.89億m3，工程等別為Ⅰ等，工程規(guī)模為大⑴型[1]。

樞紐建筑物由大壩(含帷幕)、開(kāi)敞式溢洪洞、泄洪放空洞、低部位放空洞、壩后電站、灌溉取水系統(tǒng)、發(fā)電引水系統(tǒng)等組成。庫(kù)首防滲帷幕分成左岸山體段、大壩壩基及右岸山體段三個(gè)部分，左岸山體段分地表帷幕和洞內(nèi)帷幕，洞內(nèi)帷幕由四層灌漿平硐組成，底層灌漿平洞底板高程為1201.0 m，與正常水位1331.0 m高差為130 m。進(jìn)行底層平硐施工開(kāi)挖過(guò)程中，在樁號(hào)0+238～0+296 m揭露一大型溶洞，整個(gè)洞段圍巖均由細(xì)砂狀充填物組成，偶夾孤石，施工開(kāi)挖難度大，進(jìn)度慢；開(kāi)挖后自穩(wěn)較差，垮塌嚴(yán)重，施工掘進(jìn)采用邊開(kāi)挖邊支護(hù)的方式進(jìn)行，支護(hù)方案采用了超前管棚、鋼支撐結(jié)合鋼板、掛網(wǎng)噴砼等措施。

2 溶洞勘探地質(zhì)情況

經(jīng)鉆孔勘探分析，溶洞形態(tài)極不規(guī)則且規(guī)模大，總長(zhǎng)度約58 m，最大高度約25 m，最大寬度約24 m，體積約1.7萬(wàn)m3，屬大型充填型溶洞。溶洞發(fā)育地層為三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組第一段（T1yn1），地層巖性為灰色中厚層細(xì)晶－微晶灰?guī)r。溶洞歷史上與地表水連通較好，充填物為流水搬運(yùn)沉積物，由于流水作用，將洞穴區(qū)外砂土搬運(yùn)至洞穴，因水流不暢、搬運(yùn)能力下降而沉積。充填物成分主要為巖屑夾粉砂土、崩塊石，干硬狀態(tài)下充填物較為穩(wěn)定，但遇水浸泡后性狀較差、穩(wěn)定性差。溶洞規(guī)模大，充填物可灌性差，在庫(kù)水頭長(zhǎng)期作用下可能有產(chǎn)生流土破壞的危險(xiǎn)[2]。由于在厚層砂土中灌漿無(wú)法保證防滲帷幕的質(zhì)量，因此需對(duì)該溶洞段的防滲帷幕制定相應(yīng)的處理方案。

3 處理方案

溶洞平均處于正常水位以下約130 m，該部位若在庫(kù)水高壓強(qiáng)作用下發(fā)生涌水，不僅成庫(kù)受到嚴(yán)重威脅，同時(shí)水流沿平硐涌出后沖刷下游廠房，后果不堪設(shè)想。為了徹底解決溶洞段防滲問(wèn)題，初始設(shè)計(jì)方案采用全挖砼回填方案，將溶洞充填物全部開(kāi)挖清除后換填C15砼，再實(shí)施溶洞段的搭接帷幕及底層主帷幕。方案采用砼置換充填物達(dá)到防滲目的，換填結(jié)構(gòu)為大體積混凝土結(jié)構(gòu)，即使在水庫(kù)全水頭作用下也不會(huì)產(chǎn)生破壞，結(jié)構(gòu)安全可靠，不存在防滲失效的風(fēng)險(xiǎn)。但實(shí)施過(guò)程，在完成平硐底板以上溶洞充填物開(kāi)挖后，溶洞揭露的地質(zhì)條件十分復(fù)雜，圍巖產(chǎn)狀不穩(wěn)定，較破碎，邊項(xiàng)拱時(shí)有坍塌、掉塊，嚴(yán)重威脅下部施工人員及設(shè)備的安全，同時(shí)由于空間狹窄、繼續(xù)開(kāi)挖施工難度極大。經(jīng)反復(fù)論證后，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案：以灌漿平硐為界，上部采用清除充填物并換填C20砼，下部采用防滲墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，最后再實(shí)施溶洞段的搭接帷幕及主帷幕。同理上部換填砼為大體積混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)安全可靠；下部防滲墻墻體跨度較大，厚度相對(duì)較薄，當(dāng)承擔(dān)過(guò)大的庫(kù)水水頭時(shí)會(huì)產(chǎn)生破壞，處理不當(dāng)會(huì)造成防滲失效，因此下部防滲墻是整體結(jié)構(gòu)中的薄弱部位，也是設(shè)計(jì)方案的重點(diǎn)及難點(diǎn)。

圖1 溶洞處理示意圖

防滲墻沿帷幕軸線布置，為了使此段防滲帷幕安全可靠有保證，設(shè)計(jì)時(shí)考慮將墻體底端嵌入底部弱分化基巖,頂端嵌入上部回填混凝土，豎直方向上形成固端梁結(jié)構(gòu)，同時(shí)在防滲墻后設(shè)置傳力墩支撐，增加墻體承載能力。防滲墻及傳力墩形成后，對(duì)兩側(cè)粉砂土進(jìn)行高壓固結(jié)灌漿，提高防滲墻庫(kù)內(nèi)側(cè)粉砂土及基巖的抗?jié)B能力，從而降低墻體承擔(dān)的庫(kù)水壓力，同時(shí)將庫(kù)外側(cè)砂層擠壓密室度，提高其對(duì)墻體的承載能力。防滲墻通過(guò)底端基巖、頂端回填砼、墻后傳力墩及擠壓密實(shí)的粉砂土將荷載傳遞給山體基巖，形成整體受力結(jié)構(gòu)。

圖2 防滲墻平面示意圖

由于防滲墻是本方案的重點(diǎn)及難點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)上先確定防滲墻的布置及結(jié)構(gòu)尺寸，再確定墻頂灌漿平硐及換填砼結(jié)構(gòu)的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)。

3.1 防滲墻及傳力墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

灌漿平洞底板高程1201.0 m，為了不影響灌漿平洞洞內(nèi)交通，防滲墻頂端與灌漿平洞底板齊平為1201 m高程，底部根據(jù)實(shí)際開(kāi)挖嵌入弱分化基巖0.5 m。墻體厚度及結(jié)構(gòu)配筋根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算確定，計(jì)算采用彈性地基梁理論文克爾有限元法。經(jīng)計(jì)算，墻體最小厚度為3 m，支承長(zhǎng)度為1.5 m，墻體兩側(cè)均配置雙層鋼筋網(wǎng)片，受力筋豎向布置，直徑為25 mm，分布筋橫向布置，直徑為20 mm，間距均為200 mm。防滲墻結(jié)構(gòu)厚度為3.0 m。

圖3 防滲墻橫剖面圖

傳力墩布置在防滲墻后(庫(kù)外側(cè))，與防滲墻垂直，沿軸線每間隔13 m設(shè)置1道，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同防滲墻。

3.2 防滲墻兩側(cè)砂層高壓固結(jié)灌漿設(shè)計(jì)

灌漿采用純壓式，設(shè)計(jì)灌漿壓力為3.0 MPa，固結(jié)灌漿質(zhì)量檢查采用壓水試驗(yàn)法及巖體聲波測(cè)試法：

1）壓水試驗(yàn)法：壓水試驗(yàn)檢查在灌漿結(jié)束后3 d～7 d后進(jìn)行[3]，檢查孔的數(shù)量不宜少于灌漿孔總數(shù)的10%。透水率q≤3 Lu，合格率在90%以上,不合格率孔段的透水率q≤4.5 Lu,且不得集中,可認(rèn)為合格。

2）巖體聲波測(cè)試法：巖體聲波測(cè)試法在灌漿結(jié)束14 d后進(jìn)行,縱波平均速度v≥2500 m/s可認(rèn)為合格[4]。

3）只需滿足壓水試驗(yàn)或巖體聲波測(cè)試指標(biāo)之一，均可認(rèn)為固結(jié)灌漿質(zhì)量檢查合格。

3.3 溶洞段灌漿廊道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為便于施工，該段灌漿廊道與廊道外回填砼相結(jié)合，同步形成，廊道斷面型式維持原設(shè)計(jì)采用城門(mén)洞形。適當(dāng)增加廊道斷面尺寸即可減少外部回填方量，節(jié)約工程投資，又可增加洞內(nèi)施工操作空間，因此廊道斷面尺寸調(diào)整為5.0 m×5.0 m(原尺寸：3.0 m×3.5 m)。灌漿廊道襯砌為外部回填砼，結(jié)構(gòu)厚度均超過(guò)1.5 m，經(jīng)進(jìn)行配筋計(jì)算，橫向配置受力筋，直徑為25 mm，縱向布置分布筋，直徑為20mm，間距均為200 mm。

3.4 墻頂C20砼換填充填砂層設(shè)計(jì)

換填結(jié)構(gòu)內(nèi)部灌漿廊道穿過(guò)，底部有防滲墻嵌入，承擔(dān)防滲功能兼防滲墻頂端支撐。防滲墻結(jié)構(gòu)厚度為3.0 m，設(shè)計(jì)支承長(zhǎng)度為1.5 m，因此換填砼的底部高程確定為1199.5 m。換填結(jié)構(gòu)采用C20泵送砼進(jìn)行回填形成，回填前實(shí)施該段隧洞襯砌鋼筋及模板，同步形成交通廊道。由于泵送砼回填與洞頂基巖會(huì)存在脫空，因此泵送砼回填完后，須對(duì)脫空部分進(jìn)行回填灌漿處理，保證回填結(jié)構(gòu)與洞頂基巖緊密結(jié)合。回填灌漿可在泵送砼回填預(yù)埋灌漿管或從上層灌漿廊道鉆孔實(shí)施。

4 施工方案

1）安全隱患消除。溶洞頂拱跨度大，穩(wěn)定較差，開(kāi)挖清除平硐底板以上溶洞充填物后，圍巖產(chǎn)狀不穩(wěn)定，較破碎，邊項(xiàng)拱時(shí)有坍塌、掉塊，嚴(yán)重威脅下部施工人員及設(shè)備的安全。因此須對(duì)施工面進(jìn)行排查，清除開(kāi)挖面的危巖及松渣，對(duì)極為不穩(wěn)部位進(jìn)行噴錨支護(hù)，消除下部施工安全隱患。

2）欠挖處理。換填結(jié)構(gòu)即承擔(dān)防滲功能又兼顧墻頂端支撐，要求庫(kù)內(nèi)側(cè)至少開(kāi)挖至上層平硐上游側(cè)邊線，滿足上層帷幕搭接質(zhì)量；庫(kù)外側(cè)須至基巖面，將結(jié)構(gòu)體受到的荷載直接傳遞到下游山體基巖，底部須至設(shè)計(jì)高程1199.5 m，保證給防滲墻頂端提供有效支撐。因此安全隱患消除后，嚴(yán)格處理欠挖部位，直至滿足結(jié)構(gòu)受力要求。

3）廊道施工。廊道施工包含恢復(fù)原灌漿廊道及設(shè)置傳力墩施工支洞，廊道即給下部墻體施工提供操作空間又提供安全保障。安全隱患消除，欠挖處理到位后，實(shí)施廊道鋼筋制安及模板架立，模板架立只需進(jìn)行廊道內(nèi)側(cè)，廊道結(jié)構(gòu)襯砌與換填砼相結(jié)合，同步實(shí)施形成，無(wú)需單獨(dú)澆筑。

4）換填砼及溶洞頂拱回填灌漿施工。換填砼在廊道鋼筋制安及模板架立完成后實(shí)施，采用C20泵送砼進(jìn)行回填，與廊道襯砌同步形成，澆筑完成后同時(shí)形成廊道襯砌。換填砼全部實(shí)施完成并混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后，擇機(jī)進(jìn)行溶洞頂拱回填灌漿。

5）防滲墻及傳力墩施工。廊道形成后進(jìn)行防滲墻及傳力墩實(shí)施，防滲墻采用人工挖孔樁[5]，跳樁開(kāi)挖、分層護(hù)壁、隔孔澆筑、分序連接的方式，將溶洞段沿帷幕線孔樁范圍內(nèi)充填的砂層分次序挖出，并逐步形成連續(xù)、封閉的砼防滲墻。傳力墩開(kāi)挖需至溶洞下游弱分化基巖，將承受到的荷載傳遞完成巖體，其余施工過(guò)程同防滲墻。

圖4 人工挖孔灌注混凝土防滲墻施工布置圖

6）高壓固結(jié)灌漿。防滲墻及傳力墩形成且混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后進(jìn)行高壓固結(jié)灌漿，實(shí)施過(guò)程中，控制壓力以防混凝土面抬動(dòng)。

7）搭接帷幕及主帷幕施工。溶洞段搭接帷幕及主帷幕最后實(shí)施，按原設(shè)計(jì)帷幕灌漿圖實(shí)施。

5 結(jié)語(yǔ)

砂層溶洞處理于2015年4月初施工完畢，水庫(kù)于2015年4月14日下閘蓄水，距今已運(yùn)行了3年。運(yùn)行期間，最高水位達(dá)1329.0 m，距正常水位1331.0 m僅差2.0 m，溶洞處理段防滲結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)異常出，防滲效果良好的，說(shuō)明溶洞處理取得了成功。砂層溶洞處理采用了防滲墻技術(shù)及高壓固結(jié)灌漿技術(shù)，防滲墻結(jié)構(gòu)計(jì)算采用了彈性地基理論，文克爾有限元計(jì)算方法，為同類工程提供了可借鑒的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)。