某水庫K8巨型溶洞處理方案研究

王 暢， 李 翔

(1.水利部建設管理與質量安全中心，北京 100038；2.中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

某水庫屬Ⅲ等中型工程，主要由大壩、溢洪道和取水塔組成，大壩為碾壓式瀝青混凝土心墻堆石壩，壩頂高程549.2 m，最大壩高86.2 m，總庫容為3 580萬m3。大壩左岸防滲線長458.3 m，右岸防滲線長675.7 m。河床及壩肩沿壩軸線布置，長249 m，防滲線合計長1 383 m，防滲面積約17萬m2。

壩基巖體巖溶發(fā)育強烈，嚴重影響到壩基巖體的承載力及抗滑能力。左岸巖體透水性為中等，河床及右岸最為發(fā)育，為強～極強透水巖體，其巖溶率分別達15.17%和23.23%，且以泥質充填及無充填為主。壩基下30 m范圍以內基巖溶洞直線率>10%的范圍占壩基的絕大部分，溶洞直線率>20%的也占了很大的范圍。其中右岸巖體發(fā)育了K5、K8等巨型溶洞群，最大的空腔體積達3萬m3。溶洞發(fā)育規(guī)模巨大，巖溶地基易引起巖溶塌落而影響壩體穩(wěn)定，且?guī)r溶處理復雜，防護難度大，安全風險高。

2 右岸溶洞穩(wěn)定性評價

鑒于右岸地質條件的復雜特性，采用人工踏勘、勘探孔、地質雷達對溶洞穩(wěn)定性進行了詳細研究，對右岸溶洞整體進行了三維有限元分析計算。

2.1 右岸溶洞分布情況

大壩右岸相繼揭示出K4、K5、K6、K8、K9等溶洞群，這些溶洞及暗河均位于防滲帷幕線路上。K5、K8溶洞為鉆孔H42高程508.32 m揭示出的溶洞，鉆孔揭示溶洞深度大于13 m。K6溶洞為H44鉆孔揭示發(fā)育的溶蝕裂隙。K9溶洞與防滲線上王家墳洼地的溶洞基本一致，發(fā)育規(guī)模更大。

2.2 K8溶洞

K8溶洞的發(fā)育方向基本順壩軸線向右岸山體延伸。上游邊界距壩軸線約30 m，下游邊界距壩軸線約10 m，順洞主方向全長約63.5 m。溶洞主要發(fā)育在寒武系上統毛田組第一段(∈3m1)地層中，巖性為灰～深灰色、中厚層～厚層狀微晶～致密灰?guī)r、白云質灰?guī)r與灰質白云巖互層，屬強巖溶層。溶洞的空洞部分最大斷面面積約291 m2，初估空洞部分體積約為12 000 m3。

K8溶洞在平面上實測到的最大投影面積約為2 080 m2，洞底覆蓋有厚度為5～8 m的粉土、砂卵礫石、溶蝕塌陷巖塊、碎石等溶洞充填物，根據溶洞有無充填物的上、下部分劃分為K8Ⅰ區(qū)、K8Ⅱ區(qū)。K8Ⅰ區(qū)為上部空腔，空腔往上部延伸至中層平洞，中層平洞高程以下溶洞距離灌漿軸線較近，易形成滲漏點，中層平洞以上高程溶洞距離灌漿軸線較遠，對帷幕不構成影響，可不進行處理。K8Ⅱ區(qū)為下部空腔，有充填物，洞底覆蓋層最厚達30 m，充填物以黏土、砂為主，夾卵礫石、溶蝕塌陷巖塊、碎石，黏土呈可塑狀，質純，黏性強，遇水成稀泥。根據類似工程經驗及實際情況(現狀土為非分散性土，屬流土型，臨界水力比降為0.96)，對該充填物必須進行處理。

2.3 針對K8溶洞制定的監(jiān)測方案

K8溶洞的監(jiān)測主要包括變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測和錨桿應力監(jiān)測。

溶洞變形監(jiān)測設備為2支水準測點，分別位于樁號下灌右0+170和下灌右0+180廊道上游側邊墻。滲流監(jiān)測設備為2支滲壓計，分別位于下灌右0+170和下灌右0+180，高程為487 m，縱0-001.9。

K8溶洞錨桿應力監(jiān)測設備包括錨桿應力計28支，用于錨筋束應力監(jiān)測。

K8溶洞內的檢測設備技術指標及配套設備與K5一致。

3 K8巨型溶洞處理方案研究

項目部技術人員根據鉆探揭示的地形地貌與三維有限元分析計算，以及K8巨型溶洞發(fā)育規(guī)模、水文工程地質特征、與王家墳洼地以及坑坨洼地之間的空間關系(圖1)，結合國內工程實例，有針對性地研究了K8Ⅰ區(qū)、K8Ⅱ區(qū)的處理方案，具體如下。

3.1 K8Ⅰ區(qū)處理方案

圖1 K8上部洼地與K8及k5平面關系圖

3.1.1 采用自密實混凝土全部填充

對全溶洞均采用先清除填充物(黏土、砂、卵礫石、溶蝕塌陷巖塊、碎石)，再采用自密實混凝土回填的方式進行治理。K8溶洞向上發(fā)育成狹長的空間，采用其他工程措施處理均較困難，而采用自密實混凝土回填、結合帷幕灌漿、補強灌漿后，能夠達到封堵滲漏點的目的。該方案無需對K8溶洞做進一步的開挖處理，只需清理填充物即可，施工難度較小[1]。

3.1.2 帷幕改線

根據對所揭示的地質情況進行分析，K8溶洞一直呈向上游發(fā)育的趨勢，K8溶洞若防滲線局部上移，同樣不可避免地會遇到溶洞。因此防滲線僅能做下移調整，利用調整后的防滲線將K8溶洞“包在庫內”。由于上、中層平洞洞挖已完成，需要防滲線后上、中、下三層灌漿平洞同步移動。

3.1.3 防滲墻方案

防滲墻需設置于灌漿軸線，根據K8與灌漿軸線的關系，K8的空腔部分基本位于軸線上游側，因此，即使設置防滲墻，防滲墻上游側518 m高程以下的空腔區(qū)仍需以自密實混凝土回填以防止形成滲漏點，相對于直接以自密實混凝土回填，工程量并沒有顯著減少并且需要對溶洞進行開挖處理后施工防滲墻，對溶洞的穩(wěn)定性不利。加之施工面狹窄，采用防滲墻方案施工難度較大，對工期影響較大。

K8Ⅰ區(qū)處理方案綜合比較情況見表1。

經過以上綜合比較得知：方案二雖然投資可能最小，但風險太大；方案三結構復雜，施工困難，且K8溶洞大多數位于帷幕線上游，即便做了防滲墻也需對上游空腔進行回填，工程量相對于方案一并不一定??；方案一施工難度小且回填的混凝土能夠滿足防滲要求。經綜合對比后決定對K8Ⅰ區(qū)處理采用方案一，即自密實混凝土全部充填方案。

表1 K8Ⅰ區(qū)處理方案比較表

3.2 K8Ⅱ區(qū)處理方案

對于下部的充填物，除保證滲透穩(wěn)定外，還必須結合上部K8Ⅰ區(qū)選取的回填混凝土方案綜合統籌考慮結構穩(wěn)定。

在以黏土、砂為主的地質條件下,即使采用可注性好的超細水泥、TGRM和HSC漿材仍不能達到滲透注漿加固的目的,漿液只能以大劈裂、強擠壓、密充填的方式進入地層,因而較難形成均勻、連續(xù)的固結體構造；若漿液強度不能足以抵抗高壓水的話很容易被水擊穿崩潰,造成流水、涌砂，最后造成整個大壩的防滲系統失效。因此，對于溶洞底板以下，采用常規(guī)高壓灌漿至設計帷幕底線[2]。

鑒于填充物承載力較低，在高壓噴射后填充物的承載力仍然不能滿足承受上部壓力的要求，因此而選用鋼管灌注樁作為上部的承重結構[3]。

經綜合考慮，最終決定對K8Ⅱ區(qū)采用高壓噴射灌漿+鋼管樁的型式進行處理。

3.3 對王家墳及坑坨洼地采用的排水措施

在王家墳洼地和坑坨洼地設置截水溝，將洼地的雨水排至取水塔上游。同時，在K8溶洞高程518 m位置設置進水口，通過埋設DN200PE管最終引入廊道中，再經廊道從4#施工支洞流入下游河道。在管道出口處設置鋼閥門。K8施工完畢，關閉管道閥門，隔絕洼地對K8的影響。

3.4 針對K8巨型溶洞采取的處理方案

根據K8溶洞充填物及邊壁的實際情況，最終采用自密實混凝土回填+高壓噴射灌漿+鋼管樁+周邊引排的永久性綜合處理措施。

高程488 m以上為空腔區(qū)，針對廊道及490 m平臺以上至518 m高程全部空腔體采用自密實混凝土進行填筑。考慮到庫區(qū)蓄水后溶洞內的最大水頭達到60 m，混凝土體承受著較大的水平推力，因此，在空腔區(qū)上游側邊壁布置錨筋樁(圖2)，協助抵抗水平推力。

高程488 m以下為填充區(qū)，填充區(qū)全部采用高壓噴射灌漿進行處理以達到防滲的目的；對溶洞軸線上游側進行補強灌漿可以降低溶洞內的水頭，并與帷幕灌漿、填充區(qū)高壓噴射灌漿、溶洞內混凝土體共同形成完整的防滲體系。

圖2 鋼管樁、錨筋樁布置圖

由于上部混凝土澆筑后自重大且上游庫區(qū)蓄水后水頭抬高，填充區(qū)將承受較大的荷載，因此，在混凝土填筑體下部設鋼管灌注樁作為承重結構。

4 K8溶洞處理的施工過程

4.1 K8溶洞的支護施工

K8溶洞的前期支護處理按照排?！潘_挖→支護四個基本步驟施工。排危為對K8溶洞上部孤石堆積體開挖過程中溶洞周邊危巖的處理；引排水為K8溶洞暗河水和開挖過程中溶洞周邊各個滲水點的堵截引排；開挖主要為孤石堆積體的爆碎解小后沿K8溶洞外露的整體巖體面分臺階自上而下開挖至高程488 m；支護主要從K8溶洞進口頂板及其沿灌漿平洞軸線方向巖體面的錨桿支護，以及K8溶洞進口處即下灌右0+165～下灌右0+179的基礎開挖換填→底板混凝土澆筑→下游側支撐墻混凝土澆筑→上游側護壁混凝土澆筑→上游側擋墻混凝土澆筑施工。

4.2 空腔自密實混凝土填筑

K8溶洞空腔在右岸下層平洞完成廊道混凝土澆筑后，自密實混凝土從中層灌漿平洞澆筑高程518 m以下的混凝土、上層灌漿平洞澆筑高程518 m以上的混凝土。

4.3 K8溶洞高壓旋噴施工

K8部位的高壓噴射灌漿采用旋噴方式進行。采用全液壓鉆機QDG-2型鉆機同心鉆頭跟套管鉆進。鉆孔直徑為146 mm，鉆孔結束后，將鉆桿提出，下入Φ110PVC管，然后用YGB液壓拔管機提拔套管。噴漿設備采用特制高噴臺車，當噴射管下至設計深度后，開始送入符合要求的漿、水、氣，之后靜噴1～3 min，待達到預定的噴射壓力和噴漿量且等孔口回漿比重達到設計值后，按設計的提升方式及速度自下而上提升，直至提升到設計要求的終噴高程。高噴灌漿宜全孔自下而上連續(xù)作業(yè)。需中途拆卸噴射管或因故中斷后恢復噴射灌漿時，對搭接段應進行復噴，復噴長度不小于0.5 m。高壓旋噴灌漿先進行Ⅰ序孔施工，再進行Ⅱ序孔施工，相鄰次序孔的作業(yè)間隔時間不少于24 h。噴射灌漿結束后，立即停止提升，采用1.7 g/m3的水泥漿液進行充填灌漿。

4.4 K8溶洞鋼管樁施工

主要采用沖擊回轉、套管跟進的方法鉆進。鋼管使用壁厚6 mm，Φ68的鋼管。帷幕灌漿孔位的鋼管樁待其鉆至設計孔深后，在鋼管內部預埋壁厚4 mm的Φ76鋼管，然后在鋼管內注入水泥漿液。對于非帷幕孔位的鋼管樁，則在孔內放置直徑為25 mm的三級鋼筋，最后在套管內填入一級配常態(tài)混凝土，骨料采用人工碎石[4]。

4.5 補強灌漿

對K8溶洞底板、邊壁及頂拱進行補強灌漿施工。底板及邊壁補強灌漿孔主要采用100 D潛孔鉆機鉆孔，頂拱補強灌漿孔主要采用XY-2地質鉆機鉆孔，孔徑≥60 mm。K8溶洞底板部位的灌漿孔原則上以垂直混凝土方向鉆孔；邊壁部位補強孔的鉆孔方向垂直洞壁；溶洞頂部的補強孔在右岸中層鉆傾斜孔。補強灌漿孔采用自下而上分段灌漿的方法進行灌注。灌漿孔分為Ⅰ、Ⅱ序，先灌Ⅰ序孔，再灌Ⅱ序孔。灌漿段長及壓力：補強灌漿孔孔深深入基巖8 m，從上至下各段分別為2 m，3 m，3 m[5]。

5 溶洞處理效果評價

右岸K8溶洞錨桿應力計主要安裝在0+170、0+180斷面496 m與504 m高程。受溶洞回填處理影響，在施工過程中測值有增大現象；溶洞處理施工完成后又趨于穩(wěn)定。對監(jiān)測結果進行分析得知：蓄水階段K8溶洞的錨桿應力計測值變化較小，變化趨勢平穩(wěn)，其過程線見圖3～6。

6 結論與建議

圖3 錨桿應力計R1-1測值過程線圖

圖4 錨桿應力計R1-2測值過程線圖

圖5 錨桿應力計R7-1測值過程線圖

圖6 錨桿應力計R7-2測值過程線圖

筆者根據K8溶洞巨型巖溶的發(fā)展規(guī)模、形態(tài)、工程特征，統籌考慮工程施工的難易程度與經濟成本，提出了自密實混凝土回填+高壓噴射灌漿+鋼管樁+周邊引排的永久綜合處理措施，成本經濟，降低了施工風險。同時，對于K8之類的水工巨型溶洞亦需要長期觀測跟蹤，以期形成廣泛、適用的水工巨型溶洞處理技術。