巖溶地區(qū)水利工程防滲處理

彭峰

摘 要：隨著工程建設(shè)的高速發(fā)展，巖溶發(fā)育地區(qū)建壩成庫(kù)的防滲處理問題逐漸成為水利工程建設(shè)的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，勘察成果和處理方案的合理性直接影響著工程進(jìn)度、質(zhì)量、安全和成本控制及效益等，其中西部地區(qū)巖溶問題尤為突出。基于西部問題巖溶問題較為突出，在對(duì)黔北部分水利工程查明其巖溶水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同的巖溶發(fā)育特征和工程情況，分別提出處理方法，最終建成并蓄水運(yùn)行發(fā)揮效益，以期為類似工程的處理提供理論參考和指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：巖溶地區(qū)；防滲技術(shù)；中小型水庫(kù)

中圖分類號(hào)：TV5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-6903（2023）10-0110-03

0 引言

中國(guó)巖溶主要集中在喀斯特地貌，分布廣、類型多。根據(jù)氣候、大地構(gòu)造及巖溶發(fā)育的特點(diǎn)，可將我國(guó)巖溶劃分為3區(qū)[1-2]。西南地區(qū)多山且地質(zhì)條件復(fù)雜，碳酸鹽巖廣泛分布，特別是貴州地區(qū)，其碳酸鹽巖分布占比在70%以上，碳酸鹽巖的巖溶發(fā)育給工程建設(shè)帶來嚴(yán)重的水文及工程地質(zhì)問題，如壩基滲漏、繞壩滲漏、鄰谷滲漏等，故巖溶的勘察與防滲處理成為工程建設(shè)的首要問題。

黔北地區(qū)主要以巖溶地貌、侵蝕構(gòu)造地貌兩類為主，其中碳酸鹽巖約占75%以上，研究區(qū)巖溶洼地、漏斗、溶洞及地下暗河、暗河天窗等巖溶形態(tài)普遍發(fā)育，地表水貧乏，地下水豐富，這種工程性缺水嚴(yán)重限制了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平。為了改善這種工程性缺水，水利工程的建設(shè)刻不容緩。但研究區(qū)巖溶發(fā)育，水利工程建設(shè)成功的關(guān)鍵在于是否存在滲漏，如朝陽(yáng)水庫(kù)、田壩水庫(kù)、東華溪水庫(kù)等由于滲漏原因，從建設(shè)至今未蓄水發(fā)揮效益。

巖溶是指可溶性巖石遭受地下水及地表水的破壞和改造后而形成的地貌現(xiàn)象，是一種典型的不良地質(zhì)作用[1]。水庫(kù)巖溶滲漏是指水庫(kù)蓄水后，庫(kù)水沿強(qiáng)巖溶化透水地層中的巖溶管道、溶蝕空縫、溶縫等向水庫(kù)兩岸分水嶺外低鄰谷漏失，或通過水庫(kù)庫(kù)首一帶河間地塊向下游支流、干流的漏失。水庫(kù)滲漏直接影響水庫(kù)的正常功能及經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益，還可能影響與水庫(kù)相關(guān)的工程建筑物的安全及一系列環(huán)境問題、地質(zhì)災(zāi)害問題等。

隨著近年西部大開發(fā)，貴州水利建設(shè)進(jìn)入高速發(fā)展階段，大量的水利工程項(xiàng)目開始建設(shè)和投入運(yùn)行，巖溶防滲處理成為水庫(kù)蓄水能否成功的關(guān)鍵[3-4]。因此選擇合適的防滲處理方案，解決水庫(kù)滲漏問題，成為水庫(kù)建設(shè)的必備條件。本文以黔北部分工程為例，針對(duì)不同的巖溶發(fā)育特征和工程實(shí)際分別提出有針對(duì)性的防滲處理方法。

1水庫(kù)巖溶滲漏的基本類型

水電工程巖溶處理問題包含范圍很廣，主要包括水庫(kù)巖溶防滲處理、壩址區(qū)防滲處理、洞室?guī)r溶涌水、涌泥處理、基坑涌水處理、伏流及暗河封堵成庫(kù)處理、巖溶地基評(píng)價(jià)與處理、建筑材料巖溶評(píng)價(jià)與處理和工程巖溶環(huán)境地質(zhì)問題等[5]。

根據(jù)已有巖溶地區(qū)建壩成庫(kù)工程實(shí)踐，按發(fā)生滲漏的部位、滲漏的通道、低鄰水系展布與大壩空間位置關(guān)系等對(duì)水庫(kù)巖溶滲漏進(jìn)行分類[6]。按滲漏的水庫(kù)部位，可分為庫(kù)區(qū)滲漏、庫(kù)首滲漏、庫(kù)周滲漏、庫(kù)底滲漏等類型[1]。按滲漏通道型式，分為管道型滲漏、脈管型滲漏和溶隙型滲漏。按低鄰水系展布與大壩空間位置關(guān)系，可分為鄰谷滲漏、河灣滲漏、隱伏低鄰谷滲漏等類型[1，7-9]。

2水庫(kù)巖溶防滲處理原則與方法

水庫(kù)巖溶防滲處理在工程實(shí)踐中主要遵循減、緩、免的原則，即對(duì)嚴(yán)重滲漏帶先做處理后進(jìn)行觀測(cè)。若滲漏量在控制范圍內(nèi)，則不處理；否則需要實(shí)施第二期的防滲處理。為避免建筑物（大壩壩基、壩肩、地下廠房等）附近巖體產(chǎn)生巖溶沖蝕破壞和不允許揚(yáng)壓力或滿足防潮濕需要，處理措施除了防滲帷幕之外，常設(shè)排水工程。先確定處理方式，根據(jù)滲漏條件復(fù)雜或?yàn)樘幚韮?yōu)化設(shè)計(jì)需要，帷幕防滲宜利用先導(dǎo)孔與物探孔間透視，找出防滲線上的主要巖溶洞隙等集中滲漏通道。防滲帷幕灌漿應(yīng)先封堵洞隙通道，使巖體由巖溶管道介質(zhì)變成裂隙性介質(zhì)在灌漿，有效地形成防滲帷幕。

在水利工程建設(shè)中，巖溶防滲處理的方法主要有滲漏觀測(cè)法、圍壩法（井筒法）、鋪蓋法、混凝土塞封堵、截水墻法、帷幕灌漿法、溶洞清挖置換法等[1]。

3 水庫(kù)巖溶防滲處理工程實(shí)例

本文通過對(duì)黔北部分工程各庫(kù)區(qū)特殊的復(fù)雜地質(zhì)條件進(jìn)行研究，結(jié)合工程實(shí)踐，總結(jié)了巖溶地區(qū)水庫(kù)的常見滲漏問題的滲漏處理方法有以下3種。

3.1 滲漏觀測(cè)法

河頭水庫(kù)位于貴州省鳳岡縣進(jìn)化鎮(zhèn)沙壩村的沙壩河上游，壩址以上流域面積35.7 km2（明流區(qū)11.80 km2、閉流區(qū)23.90 km2），水庫(kù)樞紐主要建筑物包括混凝土面板堆石壩、溢洪道及放水兼放空隧洞等。大壩壩頂高程735.00 m，最大壩高61.0 m，水庫(kù)正常蓄水位731.00 m，總庫(kù)容1115萬m3，以灌溉為主。

該水庫(kù)存在的問題是水庫(kù)中至尾部河床左岸分布有穩(wěn)定的地下水點(diǎn)。地下水點(diǎn)為暗河出口，暗河位于奧陶系下桐梓紅花園組強(qiáng)巖溶地層內(nèi)，且該強(qiáng)巖溶層從庫(kù)區(qū)左岸延伸至大壩下游鄰谷唐家墳溝）。通過勘察論證，暗河補(bǔ)給區(qū)伏流進(jìn)口最低地面高程為820 m，且地表水穩(wěn)定，壩肩水文孔孔內(nèi)穩(wěn)定水位高于設(shè)計(jì)正常蓄水位。前期勘察水庫(kù)滲漏的結(jié)論為：左岸分布有高于正常蓄水位的地下分水嶺存在，水庫(kù)蓄水后不存在庫(kù)水倒灌向補(bǔ)給區(qū)滲漏問題，壩址區(qū)繞壩滲漏可通過防滲處理。

2016年，當(dāng)水庫(kù)蓄水至710 m時(shí)，大壩下游唐家墳沖溝內(nèi)原季節(jié)性泉點(diǎn)W1（高程705 m）出水量增大，并且隨庫(kù)水位的升高增大明顯，最大出水量達(dá)20 L/s左右，隨著庫(kù)水位下降流量變小。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)滲漏情況和地形地質(zhì)條件，初步判斷該滲漏與水庫(kù)蓄水有關(guān)。

對(duì)水庫(kù)左岸巖溶水文地質(zhì)進(jìn)一步勘察和分析，受不同時(shí)期地形抬升和河谷下切的影響，巖溶發(fā)育特征和地下水補(bǔ)排在不同時(shí)期適應(yīng)相應(yīng)基準(zhǔn)面。該暗河系統(tǒng)排泄早期基準(zhǔn)面為唐家墳溝及庫(kù)區(qū)705 m高程左右，后期由于庫(kù)區(qū)河床下切較唐家墳快，故現(xiàn)在區(qū)內(nèi)排泄基準(zhǔn)面適應(yīng)庫(kù)區(qū)河床的河頭上。水庫(kù)蓄水后，隨著庫(kù)水的抬升，改變了該暗河的徑流條件，排泄面隨庫(kù)水的升高而抬升。當(dāng)抬升到710 m高程及以上時(shí)，部分庫(kù)水或暗河下游側(cè)岸坡原來向庫(kù)區(qū)排泄的地下水改變徑流方向，沿早期巖溶管道向下游的唐家墳沖溝產(chǎn)生滲漏，故形成泉點(diǎn)S1出水增大現(xiàn)象。

考慮到下游左岸出水點(diǎn)距離水庫(kù)大壩較遠(yuǎn)，滲漏的水流有天然沖溝排泄至主河流，無安全隱患。通過最低和最高水位觀測(cè)，滲漏量總體不大，且本工程基流大，在可控范圍內(nèi)，對(duì)水庫(kù)蓄水和效益幾乎無影響，經(jīng)常處于自然溢洪狀態(tài)。自2016年發(fā)現(xiàn)滲漏觀測(cè)至2023年，滲漏量無增加現(xiàn)象，滲漏區(qū)未產(chǎn)生次生地質(zhì)災(zāi)害等，水庫(kù)正常蓄水并發(fā)揮效益，左岸的滲漏對(duì)水庫(kù)蓄水和正常運(yùn)行影響甚小。河頭水庫(kù) S1出水點(diǎn)以及水庫(kù)蓄水情況如圖1所示。

3.2 溶洞清挖置換法+混凝土塞封堵法+帷幕灌漿法

新橋水庫(kù)位于桐梓縣茅石鎮(zhèn)團(tuán)結(jié)村境內(nèi)，新橋水庫(kù)壩址以上流域面積74.7 km2，大壩為雙曲拱壩，最大壩高40 m，正常蓄水位1 031.00 m，水庫(kù)總庫(kù)容1 290萬m3。工程規(guī)模為中型，功能以供水為主。

通過前期勘察可知，大壩下游左右兩岸均存在橫向分布的沖溝低鄰谷，且壩址及近壩庫(kù)區(qū)分布的強(qiáng)巖溶層均延伸至下游沖溝低鄰谷，通過勘察該層強(qiáng)巖溶層巖體在工程區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育，大壩開挖遇巖溶洞穴和水庫(kù)蓄水后向下游沖溝繞壩滲漏的可能性大。

通過大壩基礎(chǔ)開挖，在兩壩肩不同高程分別揭露不同規(guī)模的巖溶洞穴，其中在左壩肩基槽1 015 m高程揭露巖溶洞穴最大，斜向山內(nèi)延伸，洞內(nèi)黃黏土半充填，其發(fā)育規(guī)模、分布位置等對(duì)拱壩沉降變形和滲流穩(wěn)定不利。經(jīng)過分析論證，決定對(duì)壩肩揭露溶洞進(jìn)行清挖回填，壩體填筑同標(biāo)號(hào)混凝土，對(duì)規(guī)模較大的溶洞加筋處理，同時(shí)在該部位區(qū)域加密加深固結(jié)和帷幕灌漿孔。通過相應(yīng)的工程處理，工程建成運(yùn)行良好，未見變形破壞和滲漏問題。開挖遇到的巖溶洞穴以及處理后蓄水情況如圖2所示。

清溪水電站位于貴州省綏陽(yáng)縣青杠塘鎮(zhèn)境內(nèi)，大壩為碾壓混凝土雙曲拱壩，壩頂高程620.0 m，最大壩高83.0 m，正常蓄水位615.0 m時(shí)，相應(yīng)庫(kù)容8 380萬m3，電站裝機(jī)2.8 MW，以發(fā)電為主。

該項(xiàng)目壩址區(qū)全部為碳酸鹽巖可溶巖地層，通過前期勘察，發(fā)現(xiàn)了壩址區(qū)地表溶洞和地下巖溶管道系統(tǒng)發(fā)育。工程施工階段，在左壩肩570 m高程揭露出巖溶管道，斜向下游發(fā)育延伸至河床，洞內(nèi)無充填、有穩(wěn)定地下水流動(dòng)。因該巖溶管道位于壩肩下游抗滑巖體區(qū)域內(nèi)，對(duì)大壩抗滑穩(wěn)定是制約因素。經(jīng)進(jìn)一步勘測(cè)分析論證，決定對(duì)該巖溶管道壩肩抗滑巖體影響范圍采取封堵處理。具體為在受力端點(diǎn)先設(shè)堵頭，向封堵段洞壁預(yù)埋灌漿管，然后向溶洞內(nèi)堆放毛石并充填混凝土，最后進(jìn)行洞內(nèi)充填灌漿和地表固結(jié)、帷幕灌漿。經(jīng)過處理后，工程無變形和滲漏問題，水庫(kù)大壩運(yùn)行良好。工程處理后蓄水情況如圖3所示。

3.3 伏流封堵法

該方法運(yùn)用于天生橋水庫(kù)除險(xiǎn)加固，水庫(kù)位于仁懷市合馬鎮(zhèn)境內(nèi)，原設(shè)計(jì)水庫(kù)總庫(kù)容770萬m3，屬小（1）型水庫(kù)。工程區(qū)為一天然形成的“巖橋”地形，屬典型的巖溶洞穴地貌，其組合形態(tài)主要有K1溶洞、溶洞上部“巖橋”及河谷兩岸山體3部分組成。原堵體為等厚的拱形結(jié)構(gòu)，拱厚6 m，堵體高28.17 m。

水庫(kù)運(yùn)行過程中，堵體與基礎(chǔ)巖體接觸面、基礎(chǔ)強(qiáng)風(fēng)化層、溶蝕裂隙面巖體存在滲漏，在高程640 m時(shí)，滲漏量約0.5～2.0 L/s，且隨庫(kù)水位升高而增大。原堵體與新建堵體段“巖橋”橋面巖體存在3處塌陷現(xiàn)象，特別是靠近原堵體“巖橋”橋面產(chǎn)生塌坑規(guī)模較大，滲漏嚴(yán)重。在高程640 m時(shí)，原堵體及巖橋橋面最大總滲漏量達(dá)95 L/s。由此判定，水庫(kù)不能正常運(yùn)行且存在安全隱患。

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的詳細(xì)勘察，靠近原堵體段“巖橋”巖體較破碎，溶孔、溶溝密集發(fā)育，且山體較薄。該區(qū)岸坡地下水均以K1溶洞為基準(zhǔn)面橫向排泄補(bǔ)給，若防滲帷幕線沿原堵體折向下游向岸坡布置，其帷幕線較長(zhǎng)，防滲可靠性較差。原堵體至溢洪道“巖橋”為擋水體時(shí)，因其存在滲漏且局部存在塌陷，必須對(duì)其進(jìn)行處理，由此使得該區(qū)的處理方案變得復(fù)雜且處理難度較大。

故本階段在原堵體下游溶洞地質(zhì)條件相對(duì)較好處新建堵體，防滲帷幕線沿堵體上游側(cè)布置，帷幕線在“巖橋”約有25 m長(zhǎng)起灌高程低于正常蓄水位660.5 m。故本次工程帷幕線布置采用橫切新建堵體至岸坡以及堵體頂部（656.50 m）至660.50 m“巖橋”表面進(jìn)行防滲綜合處理，經(jīng)過防滲處理后，現(xiàn)狀運(yùn)行良好。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合數(shù)座黔北水庫(kù)的特殊復(fù)雜地質(zhì)條件，分別采取了不同的防滲技術(shù)方法，為類似工程的設(shè)計(jì)、施工及管理提供直接的理論參考和指導(dǎo)作用。合適的巖溶地質(zhì)問題處理措施能使水庫(kù)的滲漏問題均得到有效解決，平穩(wěn)推進(jìn)水庫(kù)建設(shè)和運(yùn)行。但由于巖溶發(fā)育場(chǎng)地的工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜且具有不確定性，再加上巖溶發(fā)育的不規(guī)則性、巖溶大小與充填物的不同及水文地質(zhì)條件的差異，使得單一的巖溶地質(zhì)處理手段和傳統(tǒng)方法，已經(jīng)不能滿足復(fù)雜巖溶地基的滲漏問題。因此，必須將新技術(shù)、新方法與傳統(tǒng)方法進(jìn)行綜合應(yīng)用，集成創(chuàng)新，有效提高巖溶地質(zhì)問題處理水平，讓巖溶發(fā)育地區(qū)形成一套適用于各種地質(zhì)條件的防滲技術(shù)體系。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄒成杰.水利水電巖溶工程地質(zhì)[M] .北京 ：中國(guó)水利電力出版社，1994.

[2] 薛偉，袁宗峰，周密.西南地區(qū)某巖溶水庫(kù)滲漏分析[J].中國(guó)巖溶，2019，38（4）：508-514.

[3] 羅宇凌，沙斌，姚翠霞，等.云南雙河水庫(kù)巖溶區(qū)滲漏問題分析[J].中國(guó)高新科技，2019（14）：14-17.

[4] 李利蓉.貴州某水庫(kù)水文地質(zhì)條件對(duì)水庫(kù)滲漏的影響分析[J].河南水利與南水北調(diào)，2019，48（1）：31-32.

[5] 施華堂，徐年豐，李洪斌，等.丹江口大壩高水頭帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿技術(shù)研究[J].人民長(zhǎng)江，2012，43（17）：10-14.

[6] 趙瑞，許模.水庫(kù)巖溶滲漏及防滲研究綜述[J]. 地下水， 2011， 33（2）：20-22.

[7] 郭鐵柱，謝寶瑜，魏紅.海子水庫(kù)巖溶滲漏分析及帷幕灌漿防滲效果評(píng)價(jià)[J].水利水電技術(shù)，2009，40（4）：73-75.

[8] 肖萬春.水庫(kù)巖溶滲漏勘察技術(shù)要點(diǎn)與方法研究[J].水力發(fā)電，2008，34（7）：52-55.

[9] 范中原，孫云志，魏巖峻，等.水利水電工程地質(zhì)勘測(cè)方法與技術(shù)應(yīng)用綜述[J].人民長(zhǎng)江，2005，36（3）：4-6.