黔中水利枢纽库首防渗帷幕施工典型地质问题及处理技术浅析

2018-08-29

水利建设与管理 2018年8期

(贵州省水利投资集团有限公司，贵州贵阳 550022)

1 概况

1.1 工程概况

贵州黔中水利枢纽工程是国家西部大开发的标志性水利工程之一，水源工程平寨水库坝址位于贵州三岔河中游的平寨河段。水库正常蓄水位1331.00m，总库容10.89亿m3，工程等别为Ⅰ等，属大⑴型水库。水库大坝为混凝土面板堆石坝，坝顶高程1335.00m，最大坝高157m。

1.2 库首防渗帷幕概况

库首防渗帷幕由左、右岸防渗帷幕及大坝趾板段帷幕组成。左岸防渗帷幕线平面投影总长2036.55m(其中左岸山体段长1851.00m，左岸趾板段长185.55m)；帷幕下限的最大深度为215m，分成四层灌浆设计，ZⅠ层为上层地面或坝顶高程约为1335m，ZⅡ层高程约为1285m，ZⅢ层高程约为1244m，ZⅣ层即最低层高程约为1201m。河床段及右岸防渗帷幕线平面投影总长1054m(其中右岸段帷幕线长466m，河床及右岸趾板段帷幕线长588m)，帷幕最大深度182m，右岸段分成三层灌浆设计，YⅠ层为右岸上层灌浆平洞高程约为1331.85m，YⅡ层为第二层灌浆平洞高程约为1279m，YⅢ层为第三层灌浆平洞高程约为1224m。

库首两岸及坝址分布地层为 T1yn1灰岩、 T1yn2-3、T1yn2-1泥岩，坝址区及右岸T1yn2-3和 T1yn2-1泥岩的连续性较好，隔水性能可靠，是趾板和右岸近坝端防渗帷幕的相对隔水层。左岸T1yn2-3和 T1yn2-1泥岩因下伏 T1yn1灰岩局部岩溶发育引起溶蚀塌陷，局部强岩溶影响到相对隔水层的连续性，且发育有多条岩溶管道，库首左岸渗漏问题复杂。

设计防渗帷幕灌浆上限为正常蓄水位1331m，下限高程根据先导孔资料进行动态调整，防渗标准为河床坝基及坝肩和两岸均按透水率不大于3倍的吕荣(q≤3Lu)控制。

2 库首防渗帷幕施工遇到的典型地质问题

2.1 左岸底层(四层)帷幕充沙溶洞

左岸底层(四层)灌浆平洞即ZPD4，长725m，底板面高程1201m。在平洞开挖施工时，桩号K0+238～K0+296段出现沙层，全长58m，开挖揭露围岩均由细沙状充填物组成，部分为流沙，偶夹孤石。

2.2 左岸三层帷幕岩溶管道

左岸三层平洞K0+711开挖时揭露溶洞管道(KS4岩溶管道)，从ZPD3平洞K0+711底板下部约5m深度处穿过，发育于T1yn3地层灰岩中，主要沿层面发育而成，溶洞垂向分上、下两层，上层可探延伸长约230m，宽3～5m，高1.5～3m，洞底为黄色黏土充填；下层以溶蚀宽缝为主，宽0.3～0.5m，高1～2m，多被洞顶崩塌堆积，不能进行人为探测。枯水期观测到出水量约为5～6L/s，汛期观测到出水量约为1～2m3/s。

KS6岩溶管道在ZPD3平洞K1+395处出露，竖向上位于底板下方1～11m范围。该岩溶系统向帷幕后方延伸，与帷幕轴线交角约60度，穿过帷幕后有一“之”字型拐弯，然后与帷幕距离逐渐增大，可见宽度1～3m。平洞内出露洞口长约5.0m(K1+392～K1+397)、宽3.2m，属地下暗河，少许泥质充填，向两侧延伸长度均超过150m，长期有水流动，雨季多次出现涌水现象，涌水量高达3.6m3/s。(如图1、图2所示)

图1 K1+395处溶洞发育图

图2 K1+395溶洞暗河现状

2.3 左岸二层帷幕大型溶洞

左岸二层平洞在K1+373处出露溶洞，从远端及库内侧向近端及库外发育延伸，与灌浆平洞交角约为14.5°，并从灌浆平洞下部穿过，探明溶洞大厅深度为29m，长轴方向水平长度约52m，局部最大宽度24m，平均宽度7～8m。溶洞底部有一竖井状小溶洞与ZPD3灌浆平洞K1+395桩号处地下暗河相通(如图3所示)。溶洞顶部局部有钟乳石发育，洞壁因覆盖有薄层钟乳石而较为光滑完整，洞室整体稳定。

图3 ZPD2平洞K1+373溶洞剖面图

2. 4 其他不良地质问题

右岸帷幕灌浆施工中主要出现的地质问题有黄泥夹层、涌水孔、沙层、破碎带等，黄泥夹层在右岸三层灌浆平洞中均有分布，普遍存在。夹泥层、破碎带、砂层和溶洞等集中的复杂地质区段主要分布在YPD2层的近坝段(YPD2 K0+000～K0+150段)、YPD3层的导流洞附近(YPD3 K0+100～K0+220段)，相对地质情况较为复杂，夹泥层、破碎带和溶洞集中出现。表现为钻孔返水带土色，钻孔掉块卡钻，钻具难以起拔；灌浆复灌次数多，单耗较大，在相同的灌浆施工条件下，出现后序孔单耗大于先序孔、后灌排大于先灌排等与分序递减规律相违背的情况。

3 主要处理技术

根据灌浆平洞开挖、先导孔及灌浆实施过程中揭露的实际情况进行动态设计及施工调整，以帷幕先导孔和物探测试为主要勘探手段，辅以必要的专项勘察，查明帷幕线岩溶形态规模、具体位置及空间分布，对大的岩溶问题提出防渗处理措施及要求。

3.1 左岸四层(底层)帷幕充沙溶洞

为查明该溶洞的发育情况，在溶洞段K0+238～K0+296库内、库外侧和顶底板，按梅花型布置46个勘探孔，总进尺562m。勘探发现溶洞形态极不规则，沙层最高处高程1214.40m，最深处高程约为1189m；溶洞断面最大高度约25m，平均高15～20m；最宽24m，平均宽13～15m。溶洞体积约为1.68万m3，底板以上约为0.63万m3，底板以下约为1.05万m3,充填物为细沙土、孤石，属大型充填型溶洞。

根据溶洞发育情况，最初拟定全部清除沙层回填混凝土方案，在开挖沙层时，上部开挖后形成空腔，存在顶部掉块或垮塌等安全隐患，结合上部清除充填物后出露的围岩情况，对溶洞处理方案进行多次论证调整。

最后拟定底板1199.50m高程以上全挖回填、底板1199.50m高程以下浇筑防渗墙的方案。底板1199.50m高程以上将沙层充填物基本清除，C20混凝土回填密实，顶部采用回填灌浆处理；底板1199.50m高程以下部分由沿帷幕轴线的C25防渗墙及其传力墙组成。如图4所示。

图4 充沙溶洞处理方案图

3.2 左岸三层帷幕岩溶管道

开挖时揭露KS4岩溶管道，帷幕灌浆前进行了清挖和混凝土回填。

根据溶岩管道发育情况，将原帷幕设计单排孔调整为两排孔、局部调整为三排孔布置，钻灌施工过程中出现不同程度的失水现象，灌浆待凝次数较多。个别孔如ZⅢ-235-I第三段6.9～11.9m，ZⅢ-237-Ⅱ第二段2.7～6.7m、第三段6.7～11.7m均返水小，判断遇较大裂隙，先后采取了浓浆、限流、间歇、待凝等措施限制灌注扩散范围，并进行多次水泥浆复灌。

帷幕孔完成后施工检查孔，所取岩芯有明显的水泥结石，检查不合格局部段补强灌浆后，经检查达到设计防渗标准。

KS6岩溶管道与左岸三层平洞相交于K1+395桩号，开挖时揭露，帷幕灌浆前进行了清挖和混凝土回填。

该岩溶管道周围岩体溶蚀支管发育，且此部位承受的幕前幕后水压均较大，为增强帷幕的防渗性能，将原设计的双排孔调整为三排孔。灌浆施工过程中发现KS6岩溶管道来水向远坝端绕流，b排(中间排)9号加密孔及c排(上游排)11号加密孔均在4.2～4.9m出现掉钻现象，孔内见朝上游方向水流，流速较慢；连通试验发现水流从坝前基坑的KS4出口及上游100m的另一出口流出。此段原设计灌浆孔及增加的灌浆孔均多次复灌，其中C排11号孔扩孔灌注了6.8m3C20混凝土。

加密灌浆处理后效果明显，所布置的帷幕检查孔透水率达到设计标准。

3.3 左岸二层帷幕大型溶洞

溶洞在平洞衬砌时进行了溶洞清挖并采用C10埋石混凝土及C15混凝土回填密实，竖井状小溶洞顶部及廊道顶拱上部发育溶洞难以采用混凝土回填的部位采用埋管及钻孔砂浆灌注回填。根据溶洞清挖揭露发育情况，在回填区域进行加排(双排变三排)、加密(孔距变为1.5m)帷幕的方案进行处理，施工过程遇掉钻、无回水、大耗段等按相关规范要求处理。

回填区域加密孔部分孔段处理情况见下表。

回填区域加密孔部分孔段处理情况

3.4 其他地质问题的处理措施

一般情况下，在灌浆施工中针对特殊地质情况首先进行增加帷幕排数、加密孔的措施，其次对施工工艺进行调整，如扩孔加砂、低压起灌、待凝反复灌浆等。对左岸帷幕掉钻、返黄泥、失水、吸浆量大、长时间不起压等问题，为形成有效防渗帷幕的封闭，防止浆液远距离扩散浪费材料，在灌浆过程对部分钻孔进行扩孔以查明孔内情况的措施；对不起压无回浆孔段采用砂浆灌注，局部孔段采取在洞内二次加灰拌制特浓浆液灌注，对易劈裂地层内的加密孔适当降低灌浆压力(不低于1.5MPa)，通过采用上述方法反复处理后，各孔段逐渐起压、流量减小，最终达到设计标准，防渗帷幕封闭效果较为明显。对右岸帷幕黄泥夹层、涌水孔、沙层、破碎带等问题，采用浓浆、限流、间歇、待凝、复灌、孔口冲砂等处理措施。