株溪口水電站一期基坑強巖溶涌水分析及處理

王小玲 李擇衛

（湖南省水利水電勘測設計研究總院 長沙市 410007）

1 概況

株溪口水電站位于資水干流中游，為低水頭河床式電站，水庫正常蓄水位87.5 m，相應庫容0.333億m3，電站裝機容量為4臺×18.5 MW，多年平均發電量為2.95億kW·h。是一座以發電為主，兼有航運、交通等綜合效益的工程。

2 壩址區地質簡介

株溪口水電站壩址處地形為“U”型河谷，河流流向為 N41°E，河床高程（77.6～79.0）m，河床表部分布（2～3.0）m厚的砂卵礫石層，基巖面高程（74.5～76.5）m，壩軸線部位主要分布寒武系中統深灰～灰黑色炭質板狀頁巖、含炭泥質灰巖、紋層狀灰巖、泥質條帶灰巖等。其中強巖溶涌水地基巖性主要為寒武系中統第四及第五巖組紋層狀灰巖及泥質條帶灰巖，分布于河床右側一期基坑部位。巖層呈中厚～厚層狀，產狀主要為N65°～85°E·SE∠40°～70°，與河流斜交，傾向右岸偏上游。與巖層走向基本一致的NEE向陡傾角斷層構造發育，一期基坑部位主要的斷層構造有 F28、F28’、F29、F36等。順斷層帶巖溶發育，斷層溶蝕帶最寬達9.0 m，影響帶寬達（20～30）m，斷層影響帶巖層嚴重扭曲。巖體中層理面及橫河向的節理面均較發育。壩址區地質平面見圖1。

圖1 壩址區地質平面簡圖

3 壩基巖溶涌水問題分析及初步處理方案

工程于2005年11月2日開工，分二期施工，一期先圍右岸電站廠房和5.5孔溢流壩。2006年3月，一期圍堰完成，在對一期基坑進行抽排水過程中，未發現有集中的巖溶涌水現象。閘壩及廠房基礎開挖時，先后揭露到一沿層面方向發育的較大溶槽，并伴有大量涌水，基坑由于涌水導致被淹，最大涌水流量為1.4 m3/s（5 000 m3/h），施工開挖被迫停止。一期基坑布置及漏水分析見圖2。

圖2 一期基坑漏水分析圖

大規模涌水導致基坑被淹，施工停頓，工期延誤，對電站如期建成投產發電的目標帶來嚴峻考驗；壩基下部寬大的巖溶通水道漏水嚴重，流速快，壩基防滲帷幕灌漿無法進行，影響水庫正常蓄水。因此，急須對基坑大規模涌水問題進行處理。

根據壩址區地層及構造分布，結合壩基開挖的實際情況，首先對壩址區巖溶發育規律進行了分析：強巖溶均發育于寒武系中統第四巖組及第五巖組紋層狀灰巖及泥質條帶灰巖中，壩基淺中部巖體巖溶呈網狀分布，深部沿層面或斷層方向連通性好、透水性強的管道狀層間溶蝕帶及斷層溶蝕帶，巖溶洞穴沿巖溶通道在空間上呈串珠狀分布。順2#、3#、4#壩塊向左上游延伸至縱向圍堰與上游圍堰的結合部位，交于F28斷層及其影響帶位置，為一期基坑巖溶最發育的部位。溶洞多呈半充填狀。由此判斷一期基坑大量涌水的原因是：縱向圍堰上游及上游圍堰地基下部沿NEE向延伸的巖溶通道發育，尤其是沿斷層溶蝕帶形成貫通性好的管道狀溶洞，在壩基部位的砂卵礫石蓋層及淺部基巖被挖除后，巖溶通道被揭露出地表，外河水沿巖溶通道進入一期基坑，并在壩基部位形成多點集中涌水現象。

根據巖溶堵漏“上堵下排”的一般原則，對上游圍堰及縱向圍堰上游基礎實施堵漏灌漿，采取灌砂漿、摻礫石，海帶、麻袋及雙液灌漿等方法，以上措施對較小的巖溶裂隙封堵效果較佳，而縱向圍堰與上游圍堰結合部位，巖溶通道連通性好、水流速度快，灌注的漿液及添加物被快速流動的巖溶水沖走，封堵效果不理想，且短時間內不能有效堵住大巖溶通道的涌水。鑒于施工進度已延誤，若等漏水通道全部封堵后再進行基坑開挖，將無法如期完成工程建設。因此，決定暫停圍堰堵漏灌漿，采取對F28斷層的處理，對大壩基坑下游F28斷層溶蝕帶部位開挖一集水井，將大壩基坑部位所有涌水均引至該集水井進行強排的方案，并且在大壩澆筑基礎混凝土時，使集水井水位保持在68 m高程以下，從而使一期工程各項施工能夠繼續進行。

4 巖溶涌水問題分析及最終處理措施

以上處理方案使大壩基坑施工能夠進行，但在對右側廠房基礎開挖時，隨著開挖深度增加，基坑內外水差增加到25 m以上，廠房基坑下游沿F36斷層溶蝕帶方向，相繼有2處因溶蝕帶充填物被擊穿后，出現了突發性的基坑涌水，涌水點高程分別為61.0 m和57.0 m，涌水顏色由黃色變清，總涌水量達到4000 m3/h以上，同時大壩基坑集水井部位的涌水量雖然有所減少，但減少的水量并不多，仍有約1 000 m3/h，廠房基坑被淹，工程正常施工再次受到嚴重影響。

對于廠房基坑涌水來源的判斷有兩種不同意見：一種認為涌水來源于基坑下游河流，理由是涌水點離下游河水距離較近，并且廠房基坑涌水迅速增加后，大壩基坑涌水量減少并不明顯；但我們根據掌握的地質資料，通過對一期基坑構造及巖溶發育規律進行詳細分析后認為，一期基坑下游主要由非可溶巖～弱可溶巖組成，不具備發育大規模巖溶的基本地質條件，基坑中亦無大規模的斷層構造與下游河流溝通，因此，廠房基坑下游涌水仍主要來自于基坑上游河流，具體路徑為：外河水自縱向圍堰及上游圍堰結合部位沿NEE向的巖溶通道進入一期基坑，在2#、3#、4#壩塊斜穿壩軸線后，在一期基坑下游通過橫河向的巖溶通道與F36斷層溶蝕帶溝通，再順F36斷層溶蝕帶按自下游至上游的方向在廠房基坑下游涌出，因此，其與大壩基坑的涌水實為同一源頭。基坑漏水分析見圖2。根據廠房基坑出現大規模涌水后，壩區集水井涌水量未見減少，主要是因為廠房涌水點與外河水頭差增大后，巖溶通道中水流速度加快，將巖溶通道中的充填物淘空，巖溶通道擴大，從而使進入一期基坑的水量增加所致。

根據以上分析，可將一期基坑涌水分析剖面簡化成圖3所示的模型，即一期基坑地面眾多涌水點具有相同的源頭，各涌水點的水流在地下巖溶通道中也是互相連通的。由于巖溶通道連通性好，水流速度快，直接在圍堰部位進行堵漏灌漿損耗大、費時長、效果差、難度大，并且嚴重影響工程的進度。通過詳細論證，我們根據一期基坑各涌水點的水流在地下巖溶通道中互相連通的特點，提出了在各涌水點設立多級集水井及多級閘閥，滲流梯次引排減壓結合混凝土壓蓋封閉的技術，成功解決了株溪口水電站大流量涌水基坑澆注混凝土和灌漿施工技術難題。

圖3 一期基坑巖溶涌水分析剖面示意圖

此方案根據不同高程區域設置3個梯級集水井，將其它部位的滲漏水通過引管排至附近的集水井，集中抽排至圍堰外。同時為了減小滲水壓力，建筑物基礎混凝土澆筑采用從上往下方式，利用不同高程的集水井抽排涌水使混凝土澆筑基本在無水狀態下進行，保證了混凝土澆筑質量；集水井封堵時，采用自下往上的方式，分級關閉閘閥，封堵集水井，使充填滲漏通道和基礎的回填、固結和帷幕灌漿等施工措施交叉進行，此方案的優點是：既解決了基坑涌水對現場施工造成的不利影響，使基坑開挖、基礎混凝土澆筑能夠順利進行，對工期影響小，同時在對壩基及廠房進行基礎處理時，漿液浪費少、時間短、見效快，施工質量可控性強。滲流梯次引排減壓示意圖見4。

具體操作步驟如下：

圖4 滲流梯次引排減壓示意圖

在大壩F28斷層下游及廠房兩處涌水點附近設置不同高程的2#、3#、4#集水井，將基坑中的主要涌水引至這幾個集水井中集中向外抽排，集水井引水管的末端設置閘閥，使基坑內無序的涌水變成了可控的水流，保證基坑能夠正常開挖及混凝土澆筑。由于圍堰內外水頭相差25 m，防止閘閥關閘時引起混凝土抬動和破壞，需計算混凝土最小厚度，并采取相應措施；通過在集水井頂部加蓋鋼板等結構處理，在蓋板上預留灌漿管路系統、通氣管和集水井抽水閥。將各集水井均封閉于基礎混凝土以下。待基礎混凝土全部澆筑完成后，按自下而上的順序依次關閉各集水井的閘閥，將巖溶水全部封閉基礎混凝土以下的巖溶通道中。在關閘初期，可以通過控制關閘順序，保持巖溶通道中的水仍呈流動狀態，同時利用水頭差及廠房與閘壩溶洞的連通性，從閘壩上游的巖溶通道方向上鉆孔并向孔內投擲砂、礫石等粗骨料，使砂、礫石能夠隨著水流移動而逐漸充填壩基及廠房基礎下部較大的巖溶洞穴。待所有集水井閘閥全部關閉后，基礎下部較大的巖溶通道已被投擲的砂礫石充滿，但混凝土與基礎面結合處仍留有很多空隙。因此，需采取基礎固結灌漿及充填灌漿，將滲水通道封堵，使殘留于巖溶通道中的充填物固結，提高壩基的整體性，此法漿液無浪費、效果好、耗時短，確保了工程質量及安全。所有灌漿實施后，經基礎變形及滲壓觀測，未見有明顯形變現象，檢查均能滿足設計要求。該電站運行正常說明電站基礎處理巖溶涌水措施得當、效果良好。

5 結論

巖溶涌水對水電站工程建設危害大，處理困難，沒有統一的解決辦法，只有在掌握了巖溶規律的基礎上，通過細致的地質論證，才能針對性地提出有效的處理措施。本文提出的處理強巖溶涌水問題的思路及方法，對處理類似工程地質條件下的強巖溶涌水問題提供了指導和參考。