滇中引水工程大理Ⅰ段積福村渡槽巖溶處理設計

王倫文，何俊榮，尤 嶺，李世平

(長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

滇中引水工程是國務院確定的“十三五”期間要規劃建設的172項節水供水重大水利工程之一，是解決滇中地區嚴重缺水的特大型跨流域調水工程。滇中引水輸水工程自麗江石鼓鎮望城坡開始，途經麗江市、大理州、楚雄州、昆明市、玉溪市，終點為紅河州新坡背，線路全長663.9km。

云南是我國典型的喀斯特地貌區，輸水線路區地處滇西北青藏高原東南部。區內構造極為發育，新構造和地震活動強烈，地形地質復雜，單元類型多樣，這些因素非常有利于區內巖溶發育。因此，長距離輸水工程不可避免地會遇到巖溶地質問題。

巖溶問題對輸水工程的危害和影響主要表示為潛伏溶洞對結構基礎穩定性的影響，如溶洞的塌陷；基坑在開挖過程中遇到突泥、涌水等難以預料的地災風險[1]，給周圍環境及施工安全帶來巨大的經濟損失和安全隱患，并且可能會威脅到輸水工程運營安全，如邊坡失穩和地基的不均勻沉降等。因此，解決巖溶問題是輸水工程中較為重要且艱巨的部分，是決定工程成敗的關鍵因素之一。

基于此，本文主要介紹滇中引水工程積福村渡槽巖溶區域不良地質條件所采用的工程措施，并對工程措施比較進行了詳細的闡述，為引水工程設計提供科學、合理的依據，同時也為國內外其他輸水工程的設計提供借鑒。

1 工程概況

滇中引水輸水工程主要由明渠、渡槽、隧洞、暗涵和倒虹吸等建筑物組成。其中，大理Ⅰ段積福村渡槽位于大理白族自治州鶴慶縣情人谷內，主體建筑物屬Ⅰ級建筑物，設計流量135m3/s，連接香爐山隧洞出口和積福村隧道進口。渡槽全長595m,采用雙線U形布置。出口漸變段與積福村隧洞進口段相接。其中，出口連接段、事故閘室段和漸變段均為落地式渡槽，根據渡槽最不利荷載工況計算結果，渡槽基底最大壓應力約200kPa。而渡槽出口明渠段基礎下方約7.5m處發育K9巖溶系統，經地質超前預測，巖溶管道高度為20～60m，對渡槽地基持力層的安全性帶來隱患。積福村渡槽立面布置如圖1所示。

2 地質條件

2.1 工程地質概況

根據滇中引水工程的地勘資料，積福村隧洞進口斜坡體基巖地層主要由三疊系上統松桂組(T3sn)砂巖、泥巖和中窩組(T3z)灰巖組成，其中全風化帶10～37m厚，巖體破碎，滲透性較強，完整性差；強風化帶9～49m厚，巖體較破碎，多見溶洞、溶縫，中等-強透水，完整性較差；弱風化帶厚度大于35m，透水性弱，巖體堅硬、較為完整。斜坡坡腳處分布0～24m厚的沖洪積(Qpal)含礫粘土層，結構松散，滲透性弱。積福村隧洞進口斜坡區現狀穩定，地表未見明顯滑坡、崩塌、嚴重卸荷、巖堆等不良地質現象，主要存在巖溶地質問題。

圖1 積福村渡槽立面布置圖注：高程和里程樁號的單位以m計，其余尺寸以cm計。

2.2 巖溶地質條件

根據地勘資料，輸水線路區中窩組(T3z)灰巖為中等巖溶化巖組，巖溶較發育。強溶蝕風化帶一般厚12～60m，巖體完整性差，溶洞、溶縫發育；鉆孔共揭示9個溶洞，高度一般3～8m，最大為27.5m(K9溶洞)，多數呈空洞狀，少部分充填黏土；溶縫多順層發育，多充填黏土。

據超前地質預測，發育K9巖溶管道系統(包含K9溶洞，如圖2所示)，位于積福村渡槽出口明渠段基礎下方約7.5m，推測管道起點位于出口明渠段西南方約240m處的溶槽，經過K9溶洞、R01巖溶洼地。推測管道大體發育方向約60°，延伸長度大于400m，推測管道高度20～60m，溶蝕寬度30～70m，溶蝕上下限高程分別為1989m、1922m，最大溶蝕深度可達近70m。管道多充填黏土或呈空洞狀，其內發育數條溶縫，不規則發育且多充泥，管道周緣巖體多破碎。管道具有順層發育特點，管道處地下水埋深70～80m，地下水位于巖溶管道下方。

圖2 積福村渡槽出口明渠段巖溶形態簡圖注：高程和里程樁號的單位以m計，其余尺寸以cm計

《滇中引水工程初步設計大理Ⅰ段工程地質勘察報告》對積福村渡槽出口事故閘室段地質的主要評價，該渡槽基礎下方7.5m處為K9巖溶管道系統，范圍大，管道多充填黏土或呈空洞狀，對地基穩定性存在影響，建議對出口事故閘室段渡槽地基下方K9巖溶采取巖溶處理措施。

3 巖溶處理對策及方案選擇

3.1 巖溶處理對策

為確保積福村巖溶區渡槽基礎的造價合理、結構安全和工期可控，首先應開展有效的地質勘測工作，然后在查明渡槽基礎地質情況的前提下，確定合理可行的巖溶處理方案。

(1)位于巖溶區地基的地勘工作應采用物探為主、地質鉆探為輔的補充地質勘察方法，便于全面掌握渡槽基礎工程的地質情況。

(2)巖溶處理時，應視挖方區和填方區的差異調整處理原則。挖方區應采用先挖方后巖溶處理的原則，填方去應采用先巖溶處理后填方的原則。當溶洞內部具有足夠的空間時，可通過填充片石或溶洞底部支撐等洞內施工措施來進行巖溶處理。

(3)當巖溶區有地下暗河存在時，應采用梁板跨越或針對暗河排水的處理措施，不宜采用強夯處理；對于特大型溶洞，應進行專項研究。

(4)對于穩定性較差的巖溶，應結合洞穴現有的形態特征，發育規模和埋藏深度考慮對應的處理措施。如置換法，橋梁跨越法，樁基礎支撐法等措施。在喀斯特發育的線路中，可能存在松散的填充物，并且洞穴通常被填充或半填充，此時有必要改變地下水的滲流通道，并進行注漿處理。

3.2 積福村渡槽巖溶處理方案的選擇

3.2.1巖溶穩定性的判定

當輸水線路位于巖溶區時，巖溶的發育程度會對渡槽基礎的穩定性產生較大的影響。在設計初期分析巖溶地基的穩定性將有利于巖溶處理措施的選擇。根據文獻[2—3]，巖溶溶洞的穩定性分析需要考慮兩個因素：內因和外因。內因由巖溶巖體形態，產狀分布和力學特性等因素引起的地基不穩定，另外溶洞內是否充滿填充物也會影響地基的穩定性。外因是動(靜)荷載和機械作用引起的地基不穩定，包括受荷狀況，巖石的含水率，溫度變化及溶洞內水流機械搬運作用等因素。

由于巖溶溶洞的穩定性受內外多重因素的影響，國內目前尚無統一的穩定性分析方法。評估溶洞穩定性的常用方法可分為定性評估法和半定量評方法。文獻[4]介紹了半定量穩定性評估方法——溶洞頂板厚跨比(h/L)法。該方法假定溶洞和上部頂板為理想化模型，通過溶洞頂板最小厚度與跨度的比值來判定溶洞的穩定性。結合實際工程經驗：①當厚跨比大于0.5時，溶洞處于安全狀態；②當厚跨比不大于0.5時，溶洞處于不穩定狀態；③當厚跨比不小于1.0時，可作為安全評定標準，即厚跨比大于1.0時，溶洞具有較高的穩定性。

根據地質勘察資料，積福村渡槽K9溶洞頂板最小厚度約為7.5m，溶洞沿渡槽縱向水平投影長度約為51m，h/L=0.147<0.5，可以初步判定溶洞處于不穩定狀態。可以發現該結論與地勘報告給出的渡槽基礎的地質評價基本一致。

3.2.2巖溶處理方案的選擇

結合前述分析和實際工程經驗，積福村渡槽K9溶洞處理方案可分為以下四類：①注漿處理，②樁基礎進行洞頂支撐，③橋梁跨越，④換填處理。而依據已探明的地質條件，可以初步排除橋梁跨越和換填處理兩種方案。首先，從平面布置來看，積福村渡槽出口漸變段連接與積福村隧洞進口相接，K9溶洞的右側邊界已處于隧洞的正下方，平面上已不具備布置橋梁墩臺的空間。其次，從渡槽跨徑考慮，K9溶洞的水平投影長度約51m，為避免溶洞對橋梁的影響，同時考慮施工的安全距離，渡槽的最大跨度超過60m，從而會帶來渡槽結構設計上的難題。最后，考慮到溶洞頂板最小厚度為7.5m，采用換填法處理溶洞會造成大量的挖方，基坑深度達60m，施工難度過大，并且該項措施可能會破壞地層結構的整體穩定性，故上兩項措施不宜考慮。

下面針對巖溶注漿和樁基礎方案進行詳細的比選：

(1)注漿處理。將水泥砂漿或純水泥漿注入巖溶裂隙或洞體充填物中，通過水泥漿液的聯結作用，使洞體強度提高，地層坍塌風險降低，沉降減小的處理方法。

該工藝技術成熟，處理效果明顯，應用廣泛于公路、鐵路、地鐵、水利工程等領域。對于充滿填充物的溶洞較為適合注漿處理，積福村渡槽K9巖溶管道系統部分溶洞為填充狀態，部分為空洞狀態，經初步地質勘察，溶洞體積約39000m3，注漿處理所需水泥漿液工程量較大，造價相對較高，必要時可采用片石回填以降低造價。

從施工安全性來看，注漿措施采用小型注漿機具即可完成，無需大型施工機械設備，影響的施工安全因素僅有電擊、墜物打擊等。

(2)樁基礎處理。該方法采用樁基礎穿過溶洞進行洞底支撐，同時考慮在溶洞頂板沿樁周布設錨桿加強洞體的整體連接性。

樁基礎是工程中較為常用的基礎形式，但在巖溶處理中采用樁基礎使得該工藝略微復雜，施工難度增大。相比注漿處理，樁基礎處理的工程造價偏低，但其施工風險性高于注漿處理工藝。首先，K9溶洞存在空洞部分，樁基成孔困難，根據文獻[5]，對于高度大于5m的溶洞，內部空洞或滲漏嚴重時，為避免造成重大塌孔事故和成樁風險，需要采取鋼護筒跟進法施工，對實際樁長超過60m的樁基增設鋼護筒，施工難度較大；其次，K9溶洞位于地下水上方，屬于干作業施工，不適合樁基的機械成孔，若采用人工挖孔，施工風險較大；最后，樁基礎施工過程中可能因為土體潛蝕和崩解作用引起巖溶塌陷[6]，從而造成施工安全事故。因此，樁基礎施工時的安全影響因素除電擊和墜物打擊外，施工工藝本身存在較大的潛在風險因素。根據文獻[3]，樁基礎施工可能成為引起巖溶地基不穩定的外因。

另外，從工期比較，正常情況下樁基施工工期短于注漿處理，但注漿處理質量可控，工期可控，而樁基施工難度集中在鉆孔上，當需要調整鉆孔方式時，其工期將不可控[7]。

綜合造價、施工難度、工期各項比較，注漿處理和樁基礎處理各有優劣，但積福村渡槽作為大型輸水工程的關鍵組成部分，施工安全的可控性，洞體整體的穩定性以及工程質量的可靠性是首要考慮因素。因此，積福村渡槽K9溶洞宜采用注漿處理，應慎用樁基礎處理。

4 巖溶處理施工工藝

積福村渡槽K9巖溶系統以及溶縫采用注漿處理，經地質勘測，溶洞體積約39000m3計，部分溶洞內有黏土填充，采用純水泥漿液進行注漿。

4.1 注漿填充施工順序

巖溶處理通常在地面施做。施工前應探明是否有地下構筑物或管線與鉆孔位置沖突，必要時可調整孔位。施工前宜采用地質雷達探測等手段，便于進一步查明渡槽溶洞的規模。施工過程中應采用先進的地質預測手段：地球物理勘探與鉆探相結合的超前地質預報預測。

巖溶處理嚴格按照以下施工程序執行：現場生產試驗→巖溶邊界勘探鉆→灌漿質量檢查→缺陷加固→灌漿質量驗收。

現場試驗主要包含：根據簡易壓水試驗結果選擇注漿漿材。通過現場生產試驗，選擇合理的灌漿孔布置，灌漿方法，灌漿壓力和灌漿材料等。施工過程中逐步完善工藝。

4.2 鉆孔注漿工藝

4.2.1注漿方法[8]與漿材選擇

積福村渡槽K9巖溶為大型半填充式溶洞，可采用間歇靜壓灌漿工藝。通常每次灌漿時間控制在20min內，兩次灌漿的間隔時間大于6h。第一次灌漿使用較低濃度的水泥漿，第二次灌漿使用稠漿，依此類推，到終孔后結束。為防止漿料流失造成邊界孔灌漿壓力降低，可考慮增加間歇注漿次數。

4.2.2鉆孔

土體內可根據鉆孔直徑選擇合適的鉆機，采用非填石灌漿時灌漿孔徑不小于110mm，當采用填石灌漿時孔徑不小于150mm，鉆孔時下設鋼套管進行護壁，套管嵌入基巖深度不小于100cm。巖體內灌漿孔徑不小于76mm，鉆機通常選用沖擊鉆和回旋鉆。

4.2.3注漿壓力

周邊孔的巖溶注漿壓力控制在0.4～0.6MPa范圍內，中心孔控制在0.8～1.0MPa范圍內。在灌漿過程中應逐漸增加灌漿壓力，在達到現場試驗確定的設計壓力后，灌漿應持續不少于20min。

4.2.4注漿漿材配比

純水泥漿液的水灰比范圍宜為0.5∶1～2.0∶1，具體取值以現場試驗為準。

4.2.5注漿結束標準

灌漿結束標準為注入速率和灌漿時間同時滿足設計要求，即在設計灌漿壓力下，當孔段注入速率小于1.0L/min時，連續注漿20min后方可結束；最大設計注漿壓力下的累計注漿時間不少于1h。

4.2.6注漿封孔

灌漿結束后應立即進行全部灌漿孔和檢查孔的封孔。注漿封孔漿液建議采用濃漿。

4.3 注漿質量檢查

巖溶灌漿結束后應采用鉆孔取芯和壓水試驗相結合的方法進行質量檢查。根據溶洞直徑的大小，洞徑不大于2m的溶洞按10%的比例進行抽樣檢測，洞徑大于2m的溶洞必須全部檢測。檢測過程中先進行鉆芯取樣后進行抗壓試驗。灌漿結束7d后立即進行壓水檢查試驗。

5 結語

本文結合滇中引工程大理Ⅰ段水積福村渡槽項目，就輸水工程巖溶的處理方法進行了闡述。積福村渡槽出口段位于碳酸鹽地層區域，發育大型K9巖溶管道系統，工程地質十分復雜。通過半定量評價分析法以及已有的地質勘察資料評價了K9溶洞的穩定性。結合積福村渡槽特定的工程環境對4種常見的巖溶處理方法進行比選，最后考慮到施工安全和工程質量等因素，選擇采用注漿處理方案，并且對巖溶注漿處理施工工藝進行了詳細的闡述，可為類似工程巖溶處理設計提供技術參考。