關于小型水庫地下溶洞群施工處理技術

李 侃

（萍鄉市水利水電勘察設計院有限責任公司,江西 萍鄉 337000）

1 水庫基本情況及地下溶洞群情況

群英水庫是1971年冬開工興建的一座小（2）型水庫,水庫壩址控制集水面積0.95 km2,設計灌溉面積300 畝。功能以灌溉為主,水庫樞紐工程主要由大壩、溢洪道、壩下涵管等建筑物組成。

工程區周邊為連綿不斷的丘陵與低山,山頂海拔高程在660 m～700 m 之間,谷底560m～580m 之間,相對高差100 m～140 m,地勢南高北低,東高西低,地形坡度20°～60°,該地區主要屬于構造剝蝕低山地貌單元。工程區域內出露地層主要地層有板溪群（Pt）條帶狀板巖、砂質板巖、碳質板巖、變質砂巖；泥盆系（D）頁巖、灰巖、泥灰巖、泥質灰巖、泥質粉砂巖、粉砂巖、石英砂巖,石炭系（C）灰巖、白云質灰巖等。

群英水庫在區域上位于為萍（鄉）樂（平）凹陷帶的西端,處于袁水復向斜之南端,屬羅峭山脈之北端,位于功山隆起帶之南,地層的沉積與展布方向受華夏構造體系的控制,區域上表現為NE-SW 走向的褶曲及斷裂構造,褶曲頻繁,斷裂發育,區域構造復雜。

在對群英水庫除險加固地質勘察過程中發現地下溶洞群,共進行10 個地勘鉆孔,其中左壩段地勘鉆孔時共有6 個勘探鉆孔揭露溶洞,且下游壩坡及左岸山體均出現滲水點。

ZK1 在孔深9.8 m～20.4 m 發現溶洞,溶洞高約10.6 m,頂板巖層厚度僅0.5 m,頂板巖層厚度小；鉆進過程中18.0 m～20.0 m 出現落鉆現象,溶洞中呈全充填狀,充填物為碎石及粘土,呈可塑～流塑狀態。

ZK4 勘察鉆孔施工中,壩基有不規則方解石脈發育,見有溶蝕小孔出現,從10.7 m 開始全部漏水,13.20 m～13.60 m為溶洞,洞高0.4 m,半充填碎石及粘土,無取芯。

ZK5 在孔深8 m～15 m 發現溶洞,溶洞高約7.0 m,頂板巖層厚度僅0.5 m,頂板巖層厚度小；全充填,充填物主要為含礫粘土,可塑至軟塑狀,鉆進速度快。

ZK10 在孔深17.5 m～23.6 m 發現溶洞,溶洞高約6.10 m,頂板巖層厚度僅0.5 m,頂板巖層厚度小；全充填,充填物主要為含礫粘土,可塑至軟塑狀,鉆進速度快。孔深21.0 m～21.2 m為灰巖碎塊。

其中ZK6、ZK9 揭露下部的溶蝕發育類型為“凹坑”,其原型為溶洞,后因頂部灰巖垮塌形成凹坑；ZK6 鉆孔揭露位置于2016年垮塌,后經回填及灌漿。其中Zk6 處原溶洞高度約為6 m,ZK9 處原溶洞高度約為12.0 m。根據鉆孔注水試驗充填物透水性為中等透水性,且在左壩肩形成類似壩體的構造,與下游左岸殘坡積物連通,導致下游壩坡出現滲水。

往年群英水庫左壩體出現過塌坑現象,左壩體樁號壩0+008.00 出現直徑約2 m 深2 m 的塌坑。樁號壩0+003.00 至壩0+010.00 壩頂砼路面出現下沉,下沉最大深度達0.3 m。下游壩腳出現嚴重滲水,滲水量估計達50 L/s,對塌坑段采用含礫粘土回填,對左壩肩塌坑處下部溶洞進行簡單充填灌漿處理后仍有滲水現象,因而大壩壩基溶洞會直接導致壩體產生破壞和滲透安全隱患。

根據地勘資料顯示,群英水庫共布置了10 個鉆孔,并在ZK1、ZK4、ZK5、ZK6、ZK9、ZK10 共6 個孔勘察鉆孔施工中發現有溶洞發育,見洞率為60%,鉆孔揭露的溶洞洞頂埋深及洞高,見表1。

表1 鉆孔揭露溶洞基本情況表

2 方案比選及設計參數

解決方案：根據本次初設補勘階段的鉆探資料顯示,該水庫工程地下溶洞大小不一,連通性也較強,基本為全填充和半填充,由于鉆孔數布置有限,也不能完全排除溶洞未填充的可能性,因此需考慮上下游仍存在塌陷的風險。且鉆孔反映出的溶洞埋藏較深,不便于用直接開挖等一般方法處理,根據類似工程經驗,結合相關規范,采用有效的處理方法是：灌漿法或灌漿結合局部開挖回填粘土的方法進行溶洞壓密加固處理[1-3]。因此本次提出以下兩種處理方案進行比選：

方案一：對大壩左壩段及壩肩采用充填水泥漿灌漿處理溶洞區,壩頂軸線布置一排灌漿孔,孔間距2 m。壩上下游距離壩軸線3 m 各布置一排灌漿孔,孔間距4 m,灌漿孔伸入壩基弱透水層0.5 m。該方案共布置灌漿孔55 孔,灌漿段長度約1211.15 m,充填水泥漿約1528 m3[4]。

方案二：對大壩左壩段及壩肩采用開挖回填粘土和充填水泥砂漿灌漿相結合方式處理溶洞,壩頂向下開挖6 m～8 m,寬6 m,長40 m,再采用和方案一的方式在基坑內壩頂軸線處布置一排灌漿孔,孔間距2 m。壩上下游距離壩軸線3 m 各布置一排灌漿孔,孔間距4 m,灌漿孔伸入壩基弱透水層1 m。基坑以上采用粘土回填的方式處理溶洞。該方案共布置灌漿孔55 個孔,灌漿段長度約806.9 m,充填水泥漿約1452 m3,回填粘土1764 m3。

從技術方面看,兩個方案均可行。從經濟方面比較,方案一和方案二投資相差不大,但方案二施工相對復雜一點,所需工期較長,需破壞現有壩頂及路面,開挖土石方及粘土回填量較大,雖可揭露部分溶洞頂,但大部分溶洞埋深較深；從施工難度方面看,方案二開挖基坑施工存在一定的風險,施工作業面較大,對左壩段壩體壩肩產生的影響不容忽視,基坑邊坡產生的其他未知安全風險因素增大。因此本著盡量減少工程投資和規模,再考慮緊張的施工進度,本次群英水庫溶洞區處理方案推薦采用施工相對較為簡單的方案一,即直接采用充填水泥砂漿灌漿處理溶洞。

充填水泥漿處理溶洞主要參數。布孔：壩頂軸線布置一排灌漿孔,孔間距2 m。壩上下游間隔3 m 各布置一排灌漿孔,孔間距4 m,總共3 排,灌漿孔伸入壩基弱透水層0.5 m,樁號范圍為大壩0-020.0～大壩0+032.0,全長52 m。共布置55 個孔,其中壩頂27 個孔,上游壩坡14 個孔,下游壩坡14 個孔,分兩序孔施工,鉆孔設計深入相對不透水層（本工程為弱風化基巖）以下0.5 m,群英水庫群英水庫大壩加固縱剖面圖見圖1,群英水庫大壩加固橫剖面見圖2。布孔范圍是根據揭露有溶洞的地質勘察鉆孔外延3 m～5 m 布置,實際施工外延的外排鉆孔時還有溶洞存在,則根據現場條件需繼續向外延伸至完整地層為止[5]。

圖1 群英水庫大壩加固縱剖面圖

圖2 群英水庫大壩加固橫剖面圖

采用50PE 管插入鉆好的孔內,管深入溶洞頂部,灌漿采用純水泥漿灌注,漿液水灰比采用1∶0.5,施工過程中需根據現場灌漿情況及時調整水灰比。各序孔灌漿宜一次灌注至設計要求,隱患規模較大的也可多次灌注。灌漿結束：經過分段多次灌漿,漿液已灌注至孔口,且連續復灌3 次不再吃漿。灌漿孔的灌漿量或灌漿孔口壓力已達到設計要求[6]。

3 結論

灌漿過程中,由于溶洞大部分地下連通,在灌注水泥漿時,附近未灌注的孔內也充滿了水泥漿,則有漿液滲出的孔可不必要重復再去灌,最后達到所有灌漿孔都充滿水泥漿,從而達到防滲目的,灌漿結束后,經檢測,溶洞充填灌漿后防滲系數k ≤1×10-6cm/s,壩體灌漿后壩下游滲漏點未出現滲水,防滲效果良好,達到了預期效果。