平寨水库左岸底层灌浆平硐砂层溶洞处理

赵应武，龙云宝，杨元红

（贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002）

1 工程概况

黔中水利枢纽工程位于云贵高原贵州中部地区、地处苗岭宽缓山脊、长江和珠江分水岭河源地带、岩溶峡谷山区。工程以灌溉、城市供水为主，兼顾发电等综合利用，并为改善当地生态环境创造条件。工程总供水量为7.41万m3，其中城市供水量为4.17亿m3，灌溉供水量为3.24亿m3，灌溉面积65.14万亩。水库枢纽位于三岔河中游六枝与织金交界的平寨河段，坝址以上集水面积为3492 km2，水库正常蓄水位1331.00 m，死水位1305.00 m，总库容10.89亿m3，工程等别为Ⅰ等，工程规模为大⑴型[1]。

枢纽建筑物由大坝(含帷幕)、开敞式溢洪洞、泄洪放空洞、低部位放空洞、坝后电站、灌溉取水系统、发电引水系统等组成。库首防渗帷幕分成左岸山体段、大坝坝基及右岸山体段三个部分，左岸山体段分地表帷幕和洞内帷幕，洞内帷幕由四层灌浆平硐组成，底层灌浆平洞底板高程为1201.0 m，与正常水位1331.0 m高差为130 m。进行底层平硐施工开挖过程中，在桩号0+238～0+296 m揭露一大型溶洞，整个洞段围岩均由细砂状充填物组成，偶夹孤石，施工开挖难度大，进度慢；开挖后自稳较差，垮塌严重，施工掘进采用边开挖边支护的方式进行，支护方案采用了超前管棚、钢支撑结合钢板、挂网喷砼等措施。

2 溶洞勘探地质情况

经钻孔勘探分析，溶洞形态极不规则且规模大，总长度约58 m，最大高度约25 m，最大宽度约24 m，体积约1.7万m3，属大型充填型溶洞。溶洞发育地层为三叠系下统永宁镇组第一段（T1yn1），地层岩性为灰色中厚层细晶－微晶灰岩。溶洞历史上与地表水连通较好，充填物为流水搬运沉积物，由于流水作用，将洞穴区外砂土搬运至洞穴，因水流不畅、搬运能力下降而沉积。充填物成分主要为岩屑夹粉砂土、崩块石，干硬状态下充填物较为稳定，但遇水浸泡后性状较差、稳定性差。溶洞规模大，充填物可灌性差，在库水头长期作用下可能有产生流土破坏的危险[2]。由于在厚层砂土中灌浆无法保证防渗帷幕的质量，因此需对该溶洞段的防渗帷幕制定相应的处理方案。

3 处理方案

溶洞平均处于正常水位以下约130 m，该部位若在库水高压强作用下发生涌水，不仅成库受到严重威胁，同时水流沿平硐涌出后冲刷下游厂房，后果不堪设想。为了彻底解决溶洞段防渗问题，初始设计方案采用全挖砼回填方案，将溶洞充填物全部开挖清除后换填C15砼，再实施溶洞段的搭接帷幕及底层主帷幕。方案采用砼置换充填物达到防渗目的，换填结构为大体积混凝土结构，即使在水库全水头作用下也不会产生破坏，结构安全可靠，不存在防渗失效的风险。但实施过程，在完成平硐底板以上溶洞充填物开挖后，溶洞揭露的地质条件十分复杂，围岩产状不稳定，较破碎，边项拱时有坍塌、掉块，严重威胁下部施工人员及设备的安全，同时由于空间狭窄、继续开挖施工难度极大。经反复论证后，进一步优化设计方案：以灌浆平硐为界，上部采用清除充填物并换填C20砼，下部采用防渗墙结构进行处理，最后再实施溶洞段的搭接帷幕及主帷幕。同理上部换填砼为大体积混凝土结构，结构安全可靠；下部防渗墙墙体跨度较大，厚度相对较薄，当承担过大的库水水头时会产生破坏，处理不当会造成防渗失效，因此下部防渗墙是整体结构中的薄弱部位，也是设计方案的重点及难点。

图1 溶洞处理示意图

防渗墙沿帷幕轴线布置，为了使此段防渗帷幕安全可靠有保证，设计时考虑将墙体底端嵌入底部弱分化基岩,顶端嵌入上部回填混凝土，竖直方向上形成固端梁结构，同时在防渗墙后设置传力墩支撑，增加墙体承载能力。防渗墙及传力墩形成后，对两侧粉砂土进行高压固结灌浆，提高防渗墙库内侧粉砂土及基岩的抗渗能力，从而降低墙体承担的库水压力，同时将库外侧砂层挤压密室度，提高其对墙体的承载能力。防渗墙通过底端基岩、顶端回填砼、墙后传力墩及挤压密实的粉砂土将荷载传递给山体基岩，形成整体受力结构。

图2 防渗墙平面示意图

由于防渗墙是本方案的重点及难点，因此设计上先确定防渗墙的布置及结构尺寸，再确定墙顶灌浆平硐及换填砼结构的相关设计参数。

3.1 防渗墙及传力墩结构设计

灌浆平洞底板高程1201.0 m，为了不影响灌浆平洞洞内交通，防渗墙顶端与灌浆平洞底板齐平为1201 m高程，底部根据实际开挖嵌入弱分化基岩0.5 m。墙体厚度及结构配筋根据结构计算确定，计算采用弹性地基梁理论文克尔有限元法。经计算，墙体最小厚度为3 m，支承长度为1.5 m，墙体两侧均配置双层钢筋网片，受力筋竖向布置，直径为25 mm，分布筋横向布置，直径为20 mm，间距均为200 mm。防渗墙结构厚度为3.0 m。

图3 防渗墙横剖面图

传力墩布置在防渗墙后(库外侧)，与防渗墙垂直，沿轴线每间隔13 m设置1道，其结构设计同防渗墙。

3.2 防渗墙两侧砂层高压固结灌浆设计

灌浆采用纯压式，设计灌浆压力为3.0 MPa，固结灌浆质量检查采用压水试验法及岩体声波测试法：

1）压水试验法：压水试验检查在灌浆结束后3 d～7 d后进行[3]，检查孔的数量不宜少于灌浆孔总数的10%。透水率q≤3 Lu，合格率在90%以上,不合格率孔段的透水率q≤4.5 Lu,且不得集中,可认为合格。

2）岩体声波测试法：岩体声波测试法在灌浆结束14 d后进行,纵波平均速度v≥2500 m/s可认为合格[4]。

3）只需满足压水试验或岩体声波测试指标之一，均可认为固结灌浆质量检查合格。

3.3 溶洞段灌浆廊道结构设计

为便于施工，该段灌浆廊道与廊道外回填砼相结合，同步形成，廊道断面型式维持原设计采用城门洞形。适当增加廊道断面尺寸即可减少外部回填方量，节约工程投资，又可增加洞内施工操作空间，因此廊道断面尺寸调整为5.0 m×5.0 m(原尺寸：3.0 m×3.5 m)。灌浆廊道衬砌为外部回填砼，结构厚度均超过1.5 m，经进行配筋计算，横向配置受力筋，直径为25 mm，纵向布置分布筋，直径为20mm，间距均为200 mm。

3.4 墙顶C20砼换填充填砂层设计

换填结构内部灌浆廊道穿过，底部有防渗墙嵌入，承担防渗功能兼防渗墙顶端支撑。防渗墙结构厚度为3.0 m，设计支承长度为1.5 m，因此换填砼的底部高程确定为1199.5 m。换填结构采用C20泵送砼进行回填形成，回填前实施该段隧洞衬砌钢筋及模板，同步形成交通廊道。由于泵送砼回填与洞顶基岩会存在脱空，因此泵送砼回填完后，须对脱空部分进行回填灌浆处理，保证回填结构与洞顶基岩紧密结合。回填灌浆可在泵送砼回填预埋灌浆管或从上层灌浆廊道钻孔实施。

4 施工方案

1）安全隐患消除。溶洞顶拱跨度大，稳定较差，开挖清除平硐底板以上溶洞充填物后，围岩产状不稳定，较破碎，边项拱时有坍塌、掉块，严重威胁下部施工人员及设备的安全。因此须对施工面进行排查，清除开挖面的危岩及松渣，对极为不稳部位进行喷锚支护，消除下部施工安全隐患。

2）欠挖处理。换填结构即承担防渗功能又兼顾墙顶端支撑，要求库内侧至少开挖至上层平硐上游侧边线，满足上层帷幕搭接质量；库外侧须至基岩面，将结构体受到的荷载直接传递到下游山体基岩，底部须至设计高程1199.5 m，保证给防渗墙顶端提供有效支撑。因此安全隐患消除后，严格处理欠挖部位，直至满足结构受力要求。

3）廊道施工。廊道施工包含恢复原灌浆廊道及设置传力墩施工支洞，廊道即给下部墙体施工提供操作空间又提供安全保障。安全隐患消除，欠挖处理到位后，实施廊道钢筋制安及模板架立，模板架立只需进行廊道内侧，廊道结构衬砌与换填砼相结合，同步实施形成，无需单独浇筑。

4）换填砼及溶洞顶拱回填灌浆施工。换填砼在廊道钢筋制安及模板架立完成后实施，采用C20泵送砼进行回填，与廊道衬砌同步形成，浇筑完成后同时形成廊道衬砌。换填砼全部实施完成并混凝土强度达到要求后，择机进行溶洞顶拱回填灌浆。

5）防渗墙及传力墩施工。廊道形成后进行防渗墙及传力墩实施，防渗墙采用人工挖孔桩[5]，跳桩开挖、分层护壁、隔孔浇筑、分序连接的方式，将溶洞段沿帷幕线孔桩范围内充填的砂层分次序挖出，并逐步形成连续、封闭的砼防渗墙。传力墩开挖需至溶洞下游弱分化基岩，将承受到的荷载传递完成岩体，其余施工过程同防渗墙。

图4 人工挖孔灌注混凝土防渗墙施工布置图

6）高压固结灌浆。防渗墙及传力墩形成且混凝土强度达到要求后进行高压固结灌浆，实施过程中，控制压力以防混凝土面抬动。

7）搭接帷幕及主帷幕施工。溶洞段搭接帷幕及主帷幕最后实施，按原设计帷幕灌浆图实施。

5 结语

砂层溶洞处理于2015年4月初施工完毕，水库于2015年4月14日下闸蓄水，距今已运行了3年。运行期间，最高水位达1329.0 m，距正常水位1331.0 m仅差2.0 m，溶洞处理段防渗结构未出现异常出，防渗效果良好的，说明溶洞处理取得了成功。砂层溶洞处理采用了防渗墙技术及高压固结灌浆技术，防渗墙结构计算采用了弹性地基理论，文克尔有限元计算方法，为同类工程提供了可借鉴的设计和施工经验。