巖溶復(fù)雜地區(qū)大型滲漏通道堵頭常用方法及工程實踐

楊莉英，王玉生

(1.四川省綿陽武都引水工程建設(shè)管理局，四川綿陽，621000；

2.中國水電基礎(chǔ)局有限公司，天津，301700)

1 前言

巖溶作為一種特殊的地質(zhì)條件下形成的現(xiàn)象，它是石灰?guī)r、泥灰?guī)r、白云巖、大理巖、石膏、鹽巖層等可溶性巖受到水的化學(xué)和機(jī)械作用而形成的溶洞、溶溝、裂隙、暗河、漏斗、鐘乳石等奇特的地面以及地下形態(tài)的總稱。常見巖溶形態(tài)有：溶洞、土洞、溶溝(槽)、落水洞、漏斗等。

四川武都水庫大壩壩址區(qū)的主要工程地質(zhì)缺陷是兩岸強(qiáng)烈發(fā)育的規(guī)模較大的巖溶系統(tǒng)，左岸發(fā)育的較大型巖溶系統(tǒng)(編號為：K108)，其平面展布長450m，寬約200m，形成兩支巖溶管道滲漏通道：①分布于左岸帷幕防滲地段和1#壩段，地表落水洞順層分別向下發(fā)育與K108-1、K108-2支洞連通；②分布在2#-7#壩段的地表落水洞順層分布向下發(fā)育與K108主洞、K108-3、K108-5、K108-7支洞連通。

根據(jù)設(shè)計要求，對大壩應(yīng)力及防滲有較大影響的K108大型水平巖溶通道的主洞進(jìn)行封堵，堵頭段位于5#及6#壩段下部，軸線長度31.3m，寬度4m～6m，高度18m～20m，頂拱距壩基面厚度15m～20m。該部位巖溶屬半充填型，充填物類型為粘土、粘土夾塊碎石、粘土夾卵礫石、含泥砂卵礫石等。

2 堵頭處理的難點(diǎn)與特點(diǎn)

2.1 堵頭混凝土溫控問題

為了保證混凝土質(zhì)量，防止裂縫的產(chǎn)生，從澆筑塊的劃分、混凝土配合比和各外加劑的選用到澆筑溫度的控制、通水冷卻和混凝土養(yǎng)護(hù)等有效的溫度控制措施，是堵頭混凝土施工的質(zhì)量控制重點(diǎn)。

圖1 堵頭段平面布置

圖2堵頭段縱剖面

2.2 堵頭段施工工藝質(zhì)量控制問題

堵頭段巖溶系統(tǒng)形成的巖溶管道滲漏通道對大壩應(yīng)力及滲漏產(chǎn)生較大影響，如果處理不好將對大壩后續(xù)正常運(yùn)行產(chǎn)生重大隱患，故在施工期間對堵頭段各施工工藝的統(tǒng)籌安排以及質(zhì)量控制將是堵頭成敗的關(guān)鍵。

3 堵頭處理設(shè)計要求

(1)堵頭段范圍內(nèi)發(fā)育的落水洞追蹤清挖并澆筑混凝土回填封閉，在對堵頭段進(jìn)行封堵前，要求徹底清除洞內(nèi)的堆積物與洞壁的鐘乳石、鈣華，并對洞壁進(jìn)行充分鑿毛處理。

(2)混凝土應(yīng)采用微膨脹混凝土，設(shè)計指標(biāo)同堵頭混凝土。堵頭段混凝土設(shè)計指標(biāo)為：混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級為C2820，抗?jié)B標(biāo)號為W8，膨脹率不小于80×10-6。

(3)堵頭段全斷面按梅花形布置固結(jié)灌漿孔，深入圍巖8m，間、排距2m。

(4)堵頭段全斷面布設(shè)M30砂漿φ25錨桿，間、排距5m，錨桿長6m，深入基巖5m，深入封堵混凝土1m。

(5)堵頭段頂部進(jìn)行回填灌漿。

(6)堵頭段兩側(cè)邊墻及頂部回填灌漿2m以下范圍內(nèi)的圍巖與堵頭混凝土之間進(jìn)行接觸灌漿。

(7)堵頭分兩段施工，中間設(shè)置橫縫，進(jìn)行接縫灌漿。

4 堵頭段施工主要工藝流程

施工主要內(nèi)容包括：充填物清挖、洞壁鈣華層鑿除、錨桿施工、固結(jié)灌漿、監(jiān)測儀器埋設(shè)、回填混凝土、回填灌漿、接觸灌漿、接縫灌漿，以及監(jiān)測儀器埋設(shè)和觀測。

圖3 堵頭段施工工藝流程

5 巖溶清挖、錨桿和圍巖固結(jié)灌漿施工

5.1 充填物清挖

采用人工優(yōu)先把主洞連通的各落水洞及支洞內(nèi)巖溶充填物清挖運(yùn)輸至K108主洞。當(dāng)堵頭段支洞及落水洞的水力連通條件好時，用高壓水將充填物沖射至主洞段，再由小型機(jī)械設(shè)備清挖拉運(yùn)。

5.2 鈣華層清理

根據(jù)設(shè)計要求，在溶洞洞壁內(nèi)因巖溶作用形成的鈣華層需全部清理干凈，因該部位高度約18m～20m，為方便洞壁及洞頂?shù)拟}華清理、鑿毛處理以及錨桿和固結(jié)灌漿施工，洞內(nèi)搭設(shè)扣件式鋼管腳手架施工平臺。分布在洞壁的鈣華層，通過搭設(shè)的架管平臺從上往下逐層清理。厚塊狀鈣華用膨脹劑或風(fēng)鎬破碎，薄層狀鈣華人工用鐵鏨鑿除，直至出露巖石面。

5.3 錨桿

堵頭段全斷面布設(shè)M30砂漿φ25錨桿，間、排距5m，錨桿長6m，深入基巖5m，深入封堵混凝土1m。

5.4 固結(jié)灌漿

洞周固結(jié)灌漿采用無蓋重灌漿，在堵頭澆筑之前進(jìn)行，固結(jié)灌漿孔按梅花形布置固結(jié)灌漿孔，深入圍巖8m，間、排距2m，灌漿壓力為0.5MPa。灌漿按環(huán)間分序、環(huán)內(nèi)加密的原則進(jìn)行。

6 堵頭混凝土施工

6.1 檢測儀器埋設(shè)

以接觸裂縫開合度監(jiān)測為主，輔以溫度與滲透壓力監(jiān)測。主要監(jiān)測堵頭段混凝土與圍巖接觸面的開合度，新澆筑混凝土與原先澆筑的混凝土之間的接縫開合度，混凝土內(nèi)溫度的變化(為接觸接縫灌漿條件提供依據(jù))，以及洞壁圍巖內(nèi)的滲透壓力(固結(jié)灌漿完成后)，主要監(jiān)測項目及埋設(shè)儀器設(shè)備有：

(1)裂縫監(jiān)測：主要了解回填混凝土與溶洞洞壁的開合度及新老混凝土之間接縫開合度的變化規(guī)律。共布設(shè)7支單向測縫計。

(2)溫度監(jiān)測：對回填混凝土的溫度進(jìn)行檢測，主要為接觸及接縫灌漿提供依據(jù)，也為混凝土澆筑過程中溫度控制提供依據(jù)。共布設(shè)4支溫度計。

(3)滲透壓力監(jiān)測：監(jiān)測該區(qū)域固結(jié)灌漿后圍巖的滲透壓力。共布設(shè)3支滲壓計。

6.2 混凝土澆筑施工

6.2.1 原材料的選用

根據(jù)設(shè)計要求，堵頭混凝土采用C20微膨脹混凝土，在施工前通過多次試驗及研究討論，選取適合本工程的原材料、外加劑、摻合料并最終確定最適合的施工配合比。水泥采用具有水化熱低、抗硫酸鹽性能強(qiáng)、干縮低、耐磨性能好等優(yōu)點(diǎn)的P.MH42.5中熱硅酸鹽水泥。堵頭混凝土中摻入高效減水劑和緩凝劑，另外摻入優(yōu)質(zhì)粉煤灰。根據(jù)配合比性能檢測后推薦混凝土施工配合比如表1所示。

表1 堵頭混凝土配合比

6.2.2 分段分倉

堵頭段混凝土總共4800m3，為保證混凝土質(zhì)量，防止裂縫的產(chǎn)生，根據(jù)澆筑入倉條件和設(shè)備配置情況詳細(xì)研究堵頭的分倉分塊。最終確定將堵頭從平面位置分為2段：即第1段堵0+010.2～堵0+031.2、第2段堵0+000～堵0+010.2。立面分倉高度按不大于2m控制，總共分為18倉。

6.2.3 澆筑順序安排

先回填堵頭段范圍的支洞、落水洞，再回填堵頭段主洞混凝土。主洞混凝土第1段澆筑兩倉后，再澆筑第2段第1倉，然后第1段和第2段跳倉往上澆筑。要求下層混凝土澆筑至少3d后，才能澆筑上一層混凝土，澆筑順序按圖4所示。

圖4 堵頭段分倉及澆筑順序示意

6.2.4 混凝土運(yùn)輸入倉

受現(xiàn)場通道限制，采用3m3的混凝土罐車運(yùn)輸至交通支洞與K108主洞交叉口，再用HBT60混凝土輸送泵將混凝土送入澆筑倉面。

6.2.5 鋪料振搗

混凝土入倉落差不能大于2m，根據(jù)布料情況及時調(diào)整入倉口位置，采用分層法平澆，分層厚度20cm～40cm?；炷琳駬v時，距埋設(shè)儀器及預(yù)埋管必須有一定的安全距離，儀器及預(yù)埋管附近的混凝土用人工振搗密實。

6.2.6 混凝土養(yǎng)護(hù)

終凝后采用灑水養(yǎng)護(hù)，混凝土水平層面的養(yǎng)護(hù)時間至上層混凝土澆筑之前，混凝土永久外露面的養(yǎng)護(hù)時間不小于14d，養(yǎng)護(hù)期間使混凝土表面始終保持濕潤狀態(tài)。

6.2.7 澆筑混凝土溫度控制

混凝土的允許最高澆筑溫度按表2控制。

表2 混凝土允許最高澆筑溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

混凝土澆筑溫度采用溫度計測量，測量平倉后本層混凝土5cm～10cm深度處的溫度，每個澆筑層不少于2個測點(diǎn)，安排專人進(jìn)行溫度測量并做好實測溫度記錄。

為保證混凝土入倉溫度滿足要求，主要采取以下溫度控制措施：

(1)在氣溫較高時，采取搭設(shè)遮陽彩條布防止太陽直接暴曬骨料；

(2)氣溫較高時，混凝土罐車及地表溜槽上方搭設(shè)遮陽材料；

(3)避開在較高溫度時段內(nèi)進(jìn)行混凝土澆筑，安排在早晚和夜間澆筑混凝土。

6.3 混凝土通水冷卻

為消減混凝土初期絕熱升溫以及堵頭混凝土接觸灌漿和接縫灌漿的需要，在堵頭混凝土內(nèi)埋設(shè)冷卻水管。冷卻水管采用梅花形布置，水管的水平間距1.5m，距離混凝土澆筑塊的邊緣0.5m，水管的垂直間距1.0m。單根冷卻水管的長度不大于200m，采用直徑3.26cm的HDPE高密度聚乙烯管。冷卻水管在倉面內(nèi)固定在插筋上，用φ25鋼筋插入下層混凝土中作為插筋，插間距2m。

混凝土將冷卻水管覆蓋12h后，即開始進(jìn)行初期通水冷卻(水泵2臺，其中1臺備用，水泵流量20m3/h，揚(yáng)程30m)，通水量按18L/min～20L/min，每12h變換通水方向，通水時間為18d，每天混凝土的最大降溫幅度控制在1℃以內(nèi)。通水冷卻期間，專人進(jìn)行通水冷卻，并詳細(xì)記錄通水時間、流量、水溫等情況，通水時間為18d。

通水冷卻結(jié)束后，采用M20水泥砂漿對冷卻水管進(jìn)行回填封堵。

7 回填及接縫灌漿

7.1 灌漿管路埋設(shè)

回填灌漿、接觸灌漿、接封灌漿所需進(jìn)漿管采用D38mm黑鐵管，進(jìn)漿支管、布漿管、升漿管用D25mm黑鐵管，回漿管、排氣管采用D32mm黑鐵管。因埋設(shè)灌漿管路較多，施工時對各種管路進(jìn)行編號，在灌漿管路安裝好混凝土澆筑之前，必須進(jìn)行檢查，確保連通良好。其中接觸及接縫灌漿管路的進(jìn)漿、回漿及排氣管引入下游交通廊道內(nèi)，待混凝土張開度及溫度達(dá)到要求后進(jìn)行灌漿。

7.2 回填灌漿

混凝土至頂拱最后一倉封堵前在頂拱部位預(yù)埋回填灌漿管路。回填灌漿管路由進(jìn)漿管、布漿管、進(jìn)漿支管、排氣管、回漿管組成。

設(shè)置要求：布漿管沿頂拱排距2m，全段布置；進(jìn)漿支管置于洞頂高點(diǎn)，深入圍巖10cm，排距2m，每排數(shù)量由洞頂形狀確定，但每排不少于3支；排氣管置于洞頂部，隨地形彎轉(zhuǎn)或加支管至洞頂部，接入下游交通洞內(nèi)。

洞頂混凝土澆筑完成7d后進(jìn)行回填灌漿。采用PO42.5普硅水泥漿液灌注，漿液水灰比0.5∶1，回填灌漿壓力0.5MPa，空隙大的部位可灌注水泥砂漿，摻砂量不大于水泥重量的200%。

在灌漿中當(dāng)回漿管排出濃漿(接近或等于注入漿液的水灰比)時，將回漿管堵塞后繼續(xù)灌注，當(dāng)在規(guī)定壓力(0.5MPa)下灌漿孔停止吸漿后，并繼續(xù)灌注5min即可結(jié)束。

7.3 接觸灌漿

堵頭段兩側(cè)邊墻及頂部回填灌漿2m以下范圍內(nèi)的圍巖與堵頭混凝土之間進(jìn)行接觸灌漿。

混凝土封堵前，在該倉混凝土范圍內(nèi)的兩邊壁埋設(shè)接觸灌漿管路系統(tǒng)。包括進(jìn)漿管、升漿管、灌漿支管、回漿管、排氣管。

分區(qū)埋設(shè)：沿堵頭段分三段埋設(shè)(即堵0+000～堵0+010、堵0+010～堵0+020、堵0+020～堵0+031.3)，每段在垂直方向又分為上下兩區(qū)，共6個區(qū)。6個區(qū)之間用BW-Ⅱ型膨脹止?jié){帶進(jìn)行隔漿，止?jié){帶凈距30cm，每個區(qū)之間形成獨(dú)立的灌漿管路系統(tǒng)。

每區(qū)的進(jìn)漿管和回漿管均多設(shè)一根備用；升漿管全段布置，排距2m；接觸灌漿支管間排距2m，梅花形布置，出口處緊貼圍巖面并埋出漿盒；下區(qū)排氣管置于該區(qū)頂部附近，上區(qū)排氣管置于接觸灌漿最高支管上部附近、低于回填灌漿最低支管下部2m；排氣支管排距2m，出口緊貼圍巖面。

7.3.1 開灌時間

通過觀測確定圍巖與堵頭混凝土之間裂縫張開度大于0.5mm，堵頭內(nèi)混凝土溫度達(dá)到穩(wěn)定，且堵頭混凝土齡期大于6個月，并且在低溫季節(jié)進(jìn)行灌注。

7.3.2 灌漿順序

由低往高處灌注，即由下游段往上游段、由低區(qū)往高區(qū)的順序進(jìn)行接觸灌漿。具體順序為：堵0+000～堵0+010下區(qū)→堵0+010～堵0+020下區(qū)→堵0+020～堵0+031.3下區(qū)→堵0+000～堵0+010上區(qū)→堵0+010～堵0+020上區(qū)→堵0+020～堵0+031.3上區(qū)。

圖5 接觸灌漿分區(qū)及灌漿順序

7.3.3 灌注

根據(jù)裂縫張開度情況，選擇采用1∶1、0.8∶1、0.5∶1三個比級的漿液，開灌水灰比1∶1。

進(jìn)漿管壓力控制在0.4MPa，出漿管壓力控制在0.2MPa。規(guī)定的灌漿壓力下，灌注面停止吸漿，延續(xù)灌注5min即可結(jié)束。

圖6 堵頭段典型斷面圍巖與堵頭混凝土接觸灌漿(兩側(cè)邊墻)剖面

圖7 橫縫接縫灌漿布置

7.4 接縫灌漿

混凝土橫縫區(qū)埋設(shè)進(jìn)漿管、升漿管、布漿管、出漿盒，在頂部設(shè)置回漿管、排氣槽及排氣管。出漿盒用3mm厚的鐵板加工，銅止?jié){片用0.6mm厚銅板加工。

7.4.1 開灌時間

與接觸灌漿的開灌條件相同，即通過觀測確定圍巖與堵頭混凝土之間裂縫張開度大于0.5mm，堵頭內(nèi)混凝土溫度達(dá)到穩(wěn)定，且堵頭混凝土齡期大于6個月，并且在低溫季節(jié)進(jìn)行灌注。該橫縫作為一個灌區(qū)一次性灌注。

7.4.2 灌注

根據(jù)裂縫張開度情況，選擇采用3∶1、1∶1、0.5∶1三個比級的漿液，開灌水灰比3∶1。待排氣管排漿后，即改為1∶1漿液灌注，當(dāng)排氣管出漿濃度接近1∶1，或者1∶1漿液灌入量約等于縫面容積時，即0.5∶1漿液灌注，直至結(jié)束。

另外，當(dāng)縫面張開度大，管路暢通，兩根排氣管單開出水量均大于30L/min時，開灌即可采用1∶1漿液灌注。

進(jìn)漿管壓力控制在0.4MPa，出漿管壓力控制在0.2MPa。當(dāng)出漿管出漿濃度達(dá)到或接近0.5∶1，排氣管口壓力達(dá)到設(shè)計值，注入率≤0.4L/min時，繼續(xù)灌注20min即可結(jié)束。

8 綜合評價

K108溶洞堵頭處理后，該部位的防滲屏障基本形成，通過監(jiān)測成果來看，巖溶系統(tǒng)的混凝土回填處理總體效果良好，雨季和導(dǎo)流洞下閘等引起庫水位抬升對回填混凝土的滲流滲壓、應(yīng)力應(yīng)變及裂縫等觀測物理量皆帶來了一定影響，但總體未見明顯異常狀態(tài)出現(xiàn)。該堵頭處理方案達(dá)到了預(yù)期的效果。

9 結(jié)語

巖溶系統(tǒng)堵頭處理的效果關(guān)系到整個水庫工程的成敗和長期運(yùn)行的安全，特別是巖溶滲漏通道的處理至關(guān)重要，必須認(rèn)真對待。在我國已往的水利水電工程建設(shè)中，多為導(dǎo)流洞堵頭施工，少有巖溶系統(tǒng)滲漏通道堵頭處理的案例。本工程K108溶洞分布情況復(fù)雜，堵頭采用了封堵前先錨桿加固和固結(jié)灌漿，然后清理充填物后回填微膨脹混凝土的總體方案，并考慮到大體積混凝土溫控要求，采取預(yù)埋冷卻水管通水冷卻的方法較好地降低了混凝土內(nèi)部溫度?；炷僚c圍巖采用接觸灌漿，橫縫之間采用接縫灌漿的綜合處理方案。實踐證明，在巖溶系統(tǒng)大型滲漏通道，采用充填物清理、混凝土封堵的綜合方案，行之有效，是完全必要的。