隘口水庫典型溶洞特征及綜合處理技術探討

段如勇，屈昌華，劉 杰

(1．重慶水利投資集團有限公司，重慶 401147 2．中國水電顧問集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081 3．重慶水利電力建筑勘測設計研究院，重慶 400020)

1 工程概述

隘口水庫位于重慶秀山土家族苗族自治縣隘口鎮上游 1．5km的平江河上，水庫正常蓄水位544．45m，總庫容3580萬m3，大壩為瀝青混凝土心墻堆石壩，最大壩高86．2m，是一座以灌溉、防洪為主并兼顧供水、發電等綜合效益的中型水利工程。

隘口水庫防滲處理工程具有線路長、處理技術復雜、工程量及投資大等特點。該工程防滲線路全長1383m，防滲面積約17萬m2。壩基設置基礎廊道，左、右岸設置3層灌漿廊道，灌漿孔深30～205m，總進尺16．5萬m。

壩址區為寒武系上統(∈3)與奧陶系下統(O1)地層，巖性以灰巖、白云巖為主，局部夾頁巖為主，產狀NE50°～80°/NW∠25°～35;主要發育有NE與NW向斷層、裂隙。壩址區地下水補給河水，屬于補給型河谷，地下水類型為河床砂卵石孔隙水及基巖巖溶水。在斷層、層間錯動和裂隙構造等部位因地下水交替活動頻繁，導致了壩址區巖溶強烈發育，存在水庫滲漏，地下洞室穩定和突然涌水涌泥，以及壩肩穩定性問題等主要工程地質問題。有效阻截穿越防滲帷幕的巖溶滲漏通道并確保壩肩基巖穩定是隘口水庫工程面臨的主要技術難題之一。

2 溶洞發育特征

2.1 溶洞發育總體特征

壩址區溶洞發育程度受巖性及厚度、新構造運動、構造、地形地貌、地下水的補排條件、地下水水質特征等因素影響，在質純層厚的寒武系上統(∈3)灰巖地層中巖溶極其發育，包括 K5、K6、K8、K9等多個溶洞系統，并貫穿整個右岸防滲線。壩址區巖溶具有以下主要特征:

(1)巖溶順構造方向(走向或傾向)發育。K8、K5等溶洞的長軸方向與地層傾向及F2、f4斷層傾向基本一致，呈多層狀分布。

(2)分布范圍廣，規模大。壩址區河床段因受f4斷層影響，發育有10層厚1．5m～10m帶狀分布的溶洞或溶蝕帶，防滲線上的K5溶洞體積高達11．2 萬 m3。

(3)巖溶類型呈現多樣化。巖溶形態主要管道、溶蝕大廳及豎(斜)井3類;從充填情況看，又包括了全充填、半充填及無充填3類;從地下水出露情況看，且分為暗河、滲水及無水3類。

2.2 防滲線上的典型溶洞系統

經前期各勘測階段及施工階段補充勘測，查明了隘口水庫壩址區發育的多個巖溶系統，其中左岸發育有KW1、KW2、KW3、KW7、KW8等巖溶系統，右岸發育有 K4、K5、K6、K8、K9、KW12、KW51等巖溶系統，呈現其為分布廣、規模大、類型多樣等特征。防滲線上的巖溶系統主要發育在右岸，包括K5、K6、K8等，其發育分布特征分述如下:

(1)K6溶洞系統。發育在右壩肩并貫穿至壩基以下，最低發育高程為450m。溶洞頂部為溶溝、溶槽、溶洞，并夾強烈溶蝕巖體;溶洞中部為空洞，呈寬縫狀，寬約1．0～1．5m，貫穿整個中層灌漿平洞，無充填，洞壁附鈣華。溶洞下部則為充填型溶洞，主要充填粘土、溶蝕殘留巖體，砂卵礫石等。由于K6溶洞由右壩肩頂到河床、由上游至下游貫穿右壩肩，形成一個分離面，對右壩肩穩定及水庫防滲都有較大影響。

(2)K5溶洞系統。該溶洞沿f4斷層帶發育，是右岸規模最大的充填型溶洞群系統，總高差達107．91m，計算體積為 11．2 m3。該溶洞在高程487m以下充填粉砂質粘土、砂，夾卵礫石、溶蝕塌陷巖塊、碎石等，厚23．4～36．6m;高程487～511m，為一長62m寬50m的溶蝕大廳，體積約5萬m3;高程511m以上則為無充填或少量充填的多個豎(斜)井狀管道。由于K5溶洞貫穿右岸防滲線，且上部與地表K27(坑坨洼地)、王家墳洼地連通，下部則與上游的Kw12溶洞連通并向下游Kw51溶洞泉排泄，對水庫防滲及右岸壩肩及地下洞室穩定有較大影響，施工過程中存在嚴重安全隱患。

(3)K8溶洞系統。該溶洞順層面及F2斷層影響帶發育，為半充填型溶洞。高程470m～494．20m，為粉土、砂卵礫石及架空狀直徑達數米的塌陷大塊石充填;高程494．20～522．5m為空腔，最大斷面面積為291m2，估算其體積約1．2萬m3;高程522．5m以寬1．5～10m的管道在防滲軸線上游5～40m與K9溶洞相連。有長流地下水，流量0．1～0．5L/s，并經由 K5溶洞排出。K8溶洞既影響壩肩防滲，也影響壩肩變形穩定。溶洞中的充填物穩定性差，在施工過程中也存在安全隱患。

3 溶洞綜合處理技術

隘口水庫防滲處理工程包括帷幕灌漿和溶洞處理，是隘口水庫的控制性工程，而強巖溶區處理(溶洞及強溶蝕區)又是巖溶防滲處理工程的關鍵項目。因受前期勘察精度的限制，壩址區內的溶洞及強溶蝕區未被完全揭露，在施工右岸灌漿平洞過程中先后部分揭露了K5、K6等大～巨型溶洞或溶洞群，對工程建設造成較大影響，溶洞處理成為主要技術難題之一，為解決這些技術難題，工程建設單位采取“設計+現場技術咨詢+專家咨詢”的技術攻關模式，成功研究解決了溶洞處理關鍵處理技術、強溶蝕區帷幕灌漿綜合處理技術，為隘口水庫工程建設提供了技術保障。

3.1 大型溶洞動態設計

如前所述，右岸發育K5、K8、K6等大型溶洞或溶洞群，在其邊界條件不甚清楚的情況下，若采用一次性處理方案設計，則存在較大的工程風險。為此，設計單位根據現場技術咨詢單位建議采用了現場動態設計，其要點主要包括:

(1)在查明溶洞發育分布特征基礎上進行分析計算，為方案設計提供基礎數據。

(2)根據工程影響程度確定右岸溶洞或溶洞群處理的順序，如先進行K6溶洞與K5溶洞大廳安全處理、再進行K8、K9、K4溶洞處理，最后進行K5溶洞處理。

(3)進行處理方案的比選，確定最終處理方案。

(4)對于不同溶洞，分別采用不同的處理措施，如K4溶洞，可采用自密實混凝土回填;K6溶洞因其發育形態對大壩施工有較大影響，宜按不同高程分區處理，且處理進度應快于大壩填筑的施工進度。

(5)確定溶洞處理效果的檢查方法。

3.2 右岸溶洞或溶洞群處理綜述

根據隘口水庫右岸工程地質條件、溶洞發育的邊界條件，以及處理后要達到的工程目的等，對右岸溶洞或溶洞群采取了有針對性的工程處理措施，確保了工程安全。現以K5、K6溶洞為例，簡介其工程技術措施。

3.2.1 K5溶洞群處理技術

(1)K5溶洞一期處理

K5溶洞487m～511m高程為一溶蝕大廳，且跨度大(大于50m)，經理論計算分析，施工過程中存在洞頂變形并有可能發展為洞頂坍塌，危及右壩肩穩定，應先期處理。主要技術措施主要包括:溶洞空腔中的上游邊壁(防滲墻邊壁)在清理完危巖后采用“系統錨桿+局部錨樁”方式處理;溶洞底板即充填物表層采用“2．0m碎石層+厚1．5m混凝土筏板”的方式處理;頂板則采用“錨桿+掛網噴混凝土”的方式處理;其它邊壁則“在筏板上設置厚1．5m鋼筋混凝土支撐墻”的方式處理。

(2)K5溶洞永久處理

在一期處理完成且K6、K8溶洞處理完成后，進行K5溶洞永久處理，處理分為2區，即溶洞充填物區與空腔區，先對溶洞充填物區進行處理，再處理空腔區。

溶洞充填物處理:溶洞充填物厚度為2 3．4～36．6m，以粘土、砂為主，夾卵礫石、溶蝕塌陷巖塊、碎石為主，其承載力及防滲能力不能完全滿足設計要求，經計算分析，采用“高壓旋噴+鋼管樁”方式處理后可滿足要求。高噴防滲墻設置了5排高噴孔，孔、排距均為0．6～0．8m，防滲標準為K≤10-7cm/s。鋼管樁作為豎向荷載受力結構，直徑168mm，壁厚6mm，分為A、B兩類樁，其中A型樁樁內預埋帷幕灌漿鋼管，管徑76mm，壁厚4mm，灌漿鋼管與鋼管管壁間采用壓力注漿;B型樁樁內預埋一根Ф25鋼筋，并壓力注漿。A型樁設計承載力350KN，B型樁設計承載力545KN。

溶洞空腔處理:對于下層平洞揭露的溶蝕大廳，在一期處理及充填物處理完成后進行，以高程518m為界，分為上、下2個處理區域。高程518m以下的空腔巖溶大廳(空洞)部分采用混凝土心墻防滲，即下部為混凝土廊道，上部為混凝土防滲心墻，墻體上游與溶洞上游壁間利用一期錨桿、錨樁與防滲墻同時澆筑，以增強防滲墻的穩定;防滲墻與溶洞頂板采用“倒錨樁”連接并設置止水;頂板以上巖石采用帷幕灌漿(深入防滲墻頂面以下5m)。高程518m以上的空腔因位于防滲線上游，在中層平洞上游側設置混凝土堵頭進行封堵。

(3)處理效果初步分析

為監測溶洞處理效果，在溶蝕大廳的頂板、邊壁均設置了多點位移計進行變形觀測，未出現較大變形;鋼管灌注樁經現場載荷試驗驗證，其承載力為設計承載力的1．5～2．0倍;高噴防滲墻經鉆孔檢查，其防滲指標滿足設計要求。

3.2.2 K6溶洞處理

(1)設計過程與方案比選

K6溶洞群發育在右壩肩，并從右壩肩頂部斷續貫穿至壩基以下，并從上游至下游切割整個右岸壩肩。穩定計算表明，K6溶洞對右壩肩穩定及防滲都有較大影響，且控制大壩填筑進度。原處理設計方案包括“錨索+地面鋼管灌注樁”、“中層及下層平洞清挖回填混凝土”等方案，但因受該溶洞發育邊界條件及施工條件限制，不能滿足工程建設要求，為此，設計單位采納了咨詢單位提出的“分區處理”的建議，并以中下層灌漿平洞為界劃分為三個處理區域，分別采用不同的工程措施進行處理。

(2)K6溶洞處理措施

下層灌漿平洞(高程485．5m)以下區域主要采取了鋼管灌注樁、自密實細石混凝土或自密實砂漿回填、水泥灌漿補強等措施。

下層與中層灌漿平洞之間(高程485．5m～高程518m)的區域，主要采取局部開挖并回填自密實混凝土、深孔固結灌漿(孔深大于15m)、高壓沖洗回填等措施。

中層灌漿平洞與壩肩頂部(高程518m～高程544．45m)區域，在中層灌漿平洞上游側沿K6溶洞采用追蹤清挖并回填混凝土、利用壩頂平臺采用鉆孔回填自密實混凝土或自密實砂漿、水泥灌漿補強等措施。

(3)處理效果初步分析

處理完成后采用鉆孔取芯檢查與物探CT檢查相結合進行質量檢查，滿足設計要求;通過一年多的右壩肩變形觀測，其變形量小于設計值，說明處理效果明顯。

4 結束語

在巖溶地區修建水利水電工程，防滲處理是關鍵。通過隘口水庫典型溶洞處理實踐，有以下幾點認識:

(1)巖溶地區水利水電工程防滲處理具有技術復雜、工期長、投資大等特點;

(2)對于大型溶洞處理，查明其發育的邊界條件并進行理論分析計算是基礎;

(3)采用“咨詢+設計”的現場動態設計模式，使溶洞處理設計方案更加符合工程實際(有效處理)是關鍵。

［1］屈昌華等．重慶市隘口水庫右岸溶洞群的處理思路與工程措施探討［J］．水利規劃與設計2012(05)．