深埋高流速管道型巖溶封堵技術(shù)研究

王海東

（中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410002）

在我國南方巖溶地區(qū)，深埋藏、高水流速、大滲漏量的巖溶管道在巖溶分布區(qū)的已建或待建水庫中普遍存在，由于巖溶地質(zhì)條件復(fù)雜、巖溶發(fā)育的不可預(yù)見性、巖溶發(fā)育及滲漏的不均一性等特點，水庫壩基及庫區(qū)極易出現(xiàn)沿巖溶管道滲漏。當(dāng)巖溶管道發(fā)育深度大且水流速較高時，對巖溶管道進(jìn)行防滲封堵施工比一般的巖溶防滲處理難度更大，如何經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確地探測并可靠地封堵巖溶管道是巖溶地區(qū)建庫成壩公認(rèn)的難題。本文依托黔中水利樞紐一期工程平寨水庫左岸ZPD3 平洞1+320 樁號集中滲漏處理工程，開展深埋高流速管道型巖溶集中滲漏封堵技術(shù)研究，研究成果成功應(yīng)用于工程實踐中，取得了良好的封堵效果。

1 工程概況

黔中水利樞紐一期工程平寨水庫位于貴州省三岔河中游六枝與織金交界的平寨河段，壩址位于平寨～木底下寨之間的峽谷河段，總庫容為10.89 億m3。工程以灌溉、城市供水為主，兼顧發(fā)電等綜合利用，并為改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境創(chuàng)造條件。攔河大壩采用鋼筋混凝土面板堆石壩，壩頂高程為1 335 m，最大壩高162.70 m。水庫左岸帷幕灌漿工程帷幕線平面投影總長2 036.55 m，帷幕下限最大深度為215 m，分成4 層進(jìn)行灌漿，除頂層部分在地面露天灌漿外，其他3 層均在平洞中灌漿[1]。

左岸帷幕區(qū)地層巖性為灰?guī)r、泥灰?guī)r，分布為多段，巖溶強(qiáng)度分為弱、中、強(qiáng)不等。第3 層灌漿平洞（編號ZPD3，下同）開挖過程中揭露了多個地下暗河、落水洞，對于開挖揭露的溶洞采取了追挖、清除充填物、回填C15 混凝土或C10 埋石混凝土等方法處理，不規(guī)則溶洞頂部空腔不易回填滿，采取預(yù)埋管回填灌注砂漿處理。溶洞回填后，系統(tǒng)性進(jìn)行防滲帷幕灌漿施工，巖溶發(fā)育區(qū)一般布置雙排帷幕灌漿孔，排距為1 m，孔距為3 m；局部強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)采取加深或加密灌漿孔，防滲標(biāo)準(zhǔn)按q≤3 Lu 控制。

2014 年4 月完成左岸帷幕灌漿平洞開挖、溶洞回填、襯砌施工，2015 年3 月完成帷幕灌漿施工，帷幕質(zhì)量經(jīng)檢查符合設(shè)計要求。2015 年4 月14 日導(dǎo)流洞開始下閘蓄水，2016 年11 月19 日水庫蓄水至高程1 316.41 m，期間大壩左岸帷幕未見異常滲漏。2016 年11 月20 日水庫蓄水至高程1 316.57 m 時，庫區(qū)內(nèi)感覺到爆破性振動，ZPD3 平洞1+320 樁號處下游側(cè)錯車道襯砌預(yù)留口出現(xiàn)涌水，水質(zhì)渾濁，初期滲流量不穩(wěn)定，呈脈沖式變大直至溶蝕裂隙被淘蝕干凈，5 天后涌水逐漸變清澈，流量穩(wěn)定到約0.8 m3/s。灌漿平洞及集中滲漏點位置關(guān)系示意圖如圖1 所示。經(jīng)分析地下爆破性振動與涌水密切相關(guān)，水庫水位抬升可能造成壓縮溶腔內(nèi)氣體沖破溶腔內(nèi)充填的次生紅黏土產(chǎn)生氣爆地震，從而擊穿防滲帷幕。

圖1 灌漿平洞及集中滲漏點位置關(guān)系示意圖

ZPD3 平洞樁號1+320 m 出現(xiàn)集中滲漏后，在ZPD2 平洞對應(yīng)ZPD3 平洞樁號（1+158～1+475）m 范圍對原防滲帷幕進(jìn)行鉆孔勘探和加密補(bǔ)強(qiáng)灌漿處理，在原帷幕線上未找到明顯的滲漏點，補(bǔ)強(qiáng)灌漿完成后集中滲漏水量未見明顯減少。根據(jù)工程地質(zhì)與水文地質(zhì)資料及較長時間的觀察分析，集中滲漏通道的形成與帷幕幕后淤積溶蝕通道和遠(yuǎn)端山體溶蝕通道被沖開相關(guān)。由于集中滲漏處距地面埋深大，帷幕覆蓋范圍廣，對于管道型巖溶難以通過在ZPD2 平洞帷幕線上鉆孔探查其準(zhǔn)確位置，經(jīng)研究改變封堵思路，從出口端反向探查，查明末端巖溶產(chǎn)狀及水流條件，制定針對性封堵措施，實施對該集中滲漏通道的封堵。

2 巖溶探測

由于ZPD3 平洞洞內(nèi)沉渣及積水深度達(dá)0.8 m，1+320 樁號集中滲漏點至洞口距離遠(yuǎn)，巖溶出口水流壓力大，現(xiàn)場施工條件差，巖溶探測和封堵處理主要在ZPD2 平洞通過鉆孔進(jìn)行。根據(jù)集中滲漏點出口的空間位置，在ZPD2 平洞采用XY-2 地質(zhì)鉆機(jī)向出口附近四周地層由近及遠(yuǎn)鉆斜孔勘探，直至探明溶腔邊界，勘探孔布置方式如圖2 所示?？碧娇卓讖揭话銥棣?5 mm，采用全斷面無芯鉆頭鉆孔，鉆孔時精確控制勘探孔的孔向、孔深，避免鉆穿ZPD3 平洞襯砌混凝土。

圖2 巖溶勘探孔布置示意

由于巖溶發(fā)育的復(fù)雜性，為盡可能查清巖溶發(fā)育形態(tài)，針對滲漏點先后布置了37 個巖溶勘探孔，當(dāng)鉆孔鉆遇巖溶時，準(zhǔn)確記錄巖溶溶腔深度、返水返渣情況，使用水下攝像機(jī)放入孔中觀察巖溶發(fā)育狀況、充填情況、充填物類型、地下水位、流速等，對于規(guī)模較大的巖溶空腔，采用高精度孔內(nèi)三維激光掃描和聲吶掃描技術(shù)探測，獲取巖溶空腔空間形態(tài)，其中編號為98+4勘探孔中心線在孔深34.0 m 位置激光掃描巖溶水平空腔分布如圖3 所示。

圖3 98+4 孔34.0 m 空間掃描折線圖

通過鉆孔探明的ZPD3 平洞1+320 樁號集中滲漏點上部巖溶空腔呈匯流的管道特征，空間分布不規(guī)則，最大豎向空腔高度達(dá)6.5 m，水平方向延伸寬度超過10 m，空腔內(nèi)充滿水，局部孔觀測水流流速為（0.3～0.5）m/s，水位在孔口以下約30 m 位置。

3 封堵施工技術(shù)

針對已探明的巖溶空間分布形態(tài)、埋深及水流情況，采取了鉆孔、預(yù)埋花管、投料、灌注混凝土、灌漿等處理方法。由于集中滲漏點距洞口水平距離較遠(yuǎn)，設(shè)備、材料從洞口運輸?shù)绞┕すぷ髅孑^困難，而ZPD2 平洞距地表垂直高度約50 m，采取“垂直+水平”運輸方式最為經(jīng)濟(jì)。因此，在ZPD1 平洞洞口附近露天設(shè)置了臨建設(shè)施場地和授料場地，在其正下方ZPD2 平洞內(nèi)設(shè)置受料及轉(zhuǎn)運場地，在集中滲漏點上方對應(yīng)ZPD2 平洞段施工作業(yè)區(qū)設(shè)置材料堆存場地和施工設(shè)備布置場地。

3.1 鉆 孔

滲漏封堵處理主要材料的垂直輸送、投料、澆筑、灌漿等均需通過鉆孔進(jìn)行，因此封堵前需布置數(shù)量較多的鉆孔，鉆孔按作用分為通風(fēng)孔、輸料孔、通訊線路孔、投料澆筑孔、預(yù)埋花管灌漿孔等種類。

通風(fēng)孔、輸料孔及通訊線路孔布置在ZPD1 洞口授料場地與ZPD2 平洞受料場地之間，通風(fēng)孔孔徑為Φ150 mm，輸料孔孔徑為Φ219 mm，通訊線路孔孔徑為Φ75 mm，采用XY-2 型地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔。在通風(fēng)孔上端孔口安裝1 臺10 kW 離心風(fēng)機(jī)，向ZPD2 平洞內(nèi)輸送新鮮空氣，改善洞內(nèi)空氣質(zhì)量；通訊線路孔用于安裝有線電話，保證平洞內(nèi)外通訊暢通。

投料澆筑孔、預(yù)埋花管灌漿孔等主要用于巖溶空腔堵漏，多數(shù)是利用與巖溶空腔連通的勘探孔，根據(jù)探明的巖溶空腔分布形態(tài)另外增布了約占總數(shù)量30%的鉆孔，使堵漏處理孔盡量分布均勻，實際用于巖溶空腔封堵處理的鉆孔布置如圖4 所示。利用勘探孔的投料澆筑孔需擴(kuò)孔，擴(kuò)孔孔徑不小于Φ150 mm，預(yù)埋花管灌漿孔孔徑與勘探孔孔徑相同。鉆孔（擴(kuò)孔）采用XY-2型地質(zhì)鉆機(jī)，小孔徑鉆孔使用全斷面無芯鉆頭，大孔徑鉆孔使用取芯鉆頭，擴(kuò)孔使用專用擴(kuò)孔鉆頭，鉆孔孔向、孔深根據(jù)鄰近勘探孔確定，鉆機(jī)鉆孔前準(zhǔn)確定位，鉆孔過程中及時糾偏，準(zhǔn)確記錄鉆孔返水、返渣、掉鉆、地下水位情況，完成后進(jìn)行孔內(nèi)攝像，進(jìn)一步掌握孔底巖溶空腔形態(tài)，以便指導(dǎo)后續(xù)封堵處理施工。

圖4 巖溶空腔封堵處理的鉆孔布置圖

由于庫水位高于ZPD2 平洞底板超過30 m，為防止封堵過程中隨著水流通道逐漸束窄，地下水位上漲涌出ZPD2 平洞導(dǎo)致工作面被淹沒，投料澆筑孔鉆孔或擴(kuò)孔后在孔口安裝2 m 長孔口管，孔口管上端焊接法蘭，便于封閉孔口涌水和連接混凝土澆筑泵管。

3.2 預(yù)埋灌漿花管

預(yù)埋灌漿花管的鉆孔數(shù)量約占總孔數(shù)的1/3，灌漿花管采用耐壓不低于1.6 MPa 的PE 管制作，下部（1～2）m 段四周鉆花眼形成出漿孔，出漿孔孔徑為Φ8 mm～Φ12 mm，間距為（20～30）cm，出漿孔采用塑料寬膠帶纏繞防護(hù)。灌漿花管底部端口封堵，頂部預(yù)留連接灌漿管路的接頭。灌漿花管分為單根花管或多根組合花管兩種形式，組合花管由2～3 根花管綁扎成束，下端上下錯開1.0 m間距。巖溶空腔高度小于1.0 m 的鉆孔預(yù)埋單根花管，大于1.0 m 的鉆孔預(yù)埋組合花管。花管由人工置入孔內(nèi)，底部落入孔底，頂部露出孔口（0.2～0.5）m。為防止孔口涌水，孔口2.0 m 孔段采用棉紗和水泥砂漿封堵。

3.3 投 料

投料材料采用土工布和級配碎石料，土工布和級配碎石料具有良好的抗沖蝕性能，且便于在狹窄洞室空間內(nèi)施工，可為后續(xù)灌注混凝土和灌漿閉氣創(chuàng)造有利條件。

由于巖溶管道內(nèi)水流流速較高，一般顆粒料容易被水流沖走造成材料浪費，在投料初始階段，通過投料孔向巖溶空腔中投入土工布條，對阻塞巖溶管道、降低流速及防止顆粒料大量流失具有良好的效果。土工布材料選用300 g/m2的無紡?fù)凉げ?，裁成一定長度的土工布條，在其一端綁扎一個重物吊墜。土工布具有較高的強(qiáng)度和良好的柔韌性，在水流作用下沿蜿蜒曲折的巖溶管道向下游移動，在重物吊墜的拖曳及粗糙巖壁的阻擋作用下，掛附在狹窄的溶縫處，可有效減小水流通道，降低流速。投入一定量的土工布后，采用水下攝像頭觀察土工布和水流狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)流速有較大幅度減小或土工布逐漸堆積到投料孔附近時，停止投入土工布，調(diào)整為向溶蝕管道投入級配碎石料。

級配碎石料最大粒徑不大于40 mm，從ZPD1 洞口輸料孔垂直向下輸送到ZPD2 平洞受料點，然后人工轉(zhuǎn)運到投料孔孔口附近。開始階段采用粗骨料占比較大的級配碎石料，當(dāng)發(fā)現(xiàn)骨料逐漸向孔底堆積時，改投級配良好的碎石料。每投入一定量后，采用鉆機(jī)下鉆桿對碎石料進(jìn)行旋轉(zhuǎn)振搗，使料堆分散。當(dāng)碎石料回填到距洞頂約10 cm 且在鉆桿振搗下不再明顯下沉?xí)r停止投料。投入土工布之后再投級配碎石料，隨著碎石料堆積充填巖溶管道，水流流速進(jìn)一步降低，為灌注混凝土創(chuàng)造條件，有利于節(jié)約混凝土材料。

3.4 灌注混凝土

溶洞頂部空腔采用C20W5F50 標(biāo)號高流態(tài)自密實混凝土灌注回填。混凝土自ZPD1 洞口輸料孔自流至ZPD2 平洞集料斗，然后使用混凝土地泵攪拌槽將混凝土拌和均勻后，再通過泵管向澆筑孔中壓灌，泵壓不小于2.0 MPa，使混凝土充分?jǐn)U散。

選擇溶蝕空腔中居中的投料孔作為混凝土灌注孔。灌注前在相鄰?fù)读峡卓卓诎惭b螺栓和法蘭蓋板，蓋板下留有泄壓縫隙，將所有預(yù)埋的花管管口閥門關(guān)閉，做好工作面排水設(shè)施。壓灌過程中隨著空腔逐漸充填，空腔內(nèi)壓逐漸升高，相鄰?fù)读峡紫群蟪霈F(xiàn)返水返漿現(xiàn)象，當(dāng)返水水壓較大或出現(xiàn)大量返漿時及時封閉孔口，繼續(xù)壓灌直至灌不進(jìn)為止，然后換其他沒有返漿的孔繼續(xù)進(jìn)行壓灌。高流態(tài)混凝土在自重和泵壓作用下向周邊空洞、縫隙、骨料孔隙流動，所含的水泥砂漿可滲入到碎石料空隙中，阻斷水流，并對骨料堆起到膠結(jié)作用。本工程共進(jìn)行了4 個孔的壓灌施工，即完成了空腔頂部的回填封堵，混凝土擴(kuò)散范圍達(dá)（5～8）m，基本實現(xiàn)了巖溶管道截流，剩余流量為（30～50）L/min。

3.5 灌 漿

巖溶管道經(jīng)過投料和混凝土灌注后，剩余小空隙采用預(yù)埋花管灌漿封閉。根據(jù)前期探測掌握的數(shù)據(jù)，灌漿順序為：先灌空腔高度大的孔，后灌空腔高度小的孔。根據(jù)注入量大小采用純水泥漿或水泥-水玻璃雙漿液材料灌注，使用雙漿液可減少漿液流失，節(jié)約材料。灌漿壓力為承壓水頭的1.5 倍（約1.0 MPa），灌注至孔底不吸漿后，繼續(xù)屏漿10 min 后結(jié)束灌漿。灌漿施工使用具有良好流動性的漿液，在較高的灌漿壓力下填充已形成的封堵堆體周邊間隙和內(nèi)部孔隙，使已回填的骨料固結(jié)，徹底阻斷水流。

4 封堵效果

ZPD3 平洞1+320 樁號集中滲漏巖溶管道封堵處理共投入土工布551 m2，級配碎石料52.5 m3，灌注高流態(tài)自密實混凝土46.2 m3，灌入水泥522 t，水玻璃34 t。根據(jù)施工過程中監(jiān)測的滲漏流量統(tǒng)計，通過投入級配碎石料減少滲漏流量約20%，通過灌注混凝土減少滲漏流量約70%，通過預(yù)埋花管灌漿后將滲漏水流完全截住，封堵處理前后滲漏情況對比如圖5 所示。

圖5 ZPD3 平洞1+320 樁號滲漏點處理前后對比圖

5 結(jié) 論

深埋管道型巖溶勘探采用單一探測方法準(zhǔn)確性較低，綜合采用針對性布孔鉆孔探測、孔內(nèi)攝像、三維激光掃描和聲吶掃描技術(shù)，較準(zhǔn)確地獲取巖溶空間形態(tài)。根據(jù)巖溶空間形態(tài)，在已有勘探孔基礎(chǔ)上，針對性布置不同功能的封堵處理孔，提前預(yù)埋灌漿花管，依次向巖溶管道內(nèi)投入土工布、回填級配碎石料、灌注流態(tài)混凝土和灌漿，多種材料分步進(jìn)行回填，逐步降低巖溶管道水流速和流量，不斷提高封堵體的密實度、整體性和抗?jié)B性，最終實現(xiàn)巖溶管道的徹底封堵。2019 年4 月，黔中水利樞紐一期工程平寨水庫ZPD3 平洞1+320 樁號巖溶管道集中滲漏處理成功實現(xiàn)了封堵，封堵體運行至今未再出現(xiàn)滲漏。該技術(shù)成果值得在其他類似工程中推廣應(yīng)用。