水库深切低邻谷岩溶通道防渗处理技术探讨

2021-04-23高东红

水利规划与设计 2021年4期

高东红

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434)

在水利水电工程中，帷幕灌浆是水工建筑物重要的防渗处理措施，尤其在大坝库区防渗中广泛采用，90%以上的水库大坝基础及库区均需通过不同的处理措施才能达到防渗和稳定的要求[1- 2]。在岩溶发育的基岩上筑坝，大坝基岩、水库周边和库区渗漏通道的处理都极为重要，同时处理施工技术比较复杂。经验证明，只要有一个渗漏通道未查明或在防渗工作中被遗漏而未做处理，当水库蓄水后，由于水头压力就会造成危险性的渗漏，危及岸坡及坝基稳定。而灌浆工程一般投资都较大，遇见不良地质条件时，为加快施工进度传统处理方式往往采用较为简单粗暴的方式处理，造成较大的工程投资与资源浪费。鉴于上述情况，尤其在一些岩溶地区存在深埋岩溶通道等不良地质条件时，为了有效控制工程投资，防止浆液向低邻谷无效扩散，采取合理有效的防渗措施显得极为重要。

20世纪70年代开始，我国在岩溶地区开始修建高坝，如贵州乌家渡大坝，坝高165m，灌浆工程量19万m3，贵州东风电站，坝高162m，湖北隔河岩电站，坝高151m，辽宁观音阁大坝，坝高82m，贵州构皮滩电站，坝高230m等，灌浆工程量均超过15万m3，建设工程中遇到了不同情况的岩溶问题，得到了较好的处理，为岩溶地区水利水电工程提供了较为宝贵的经验[3- 20]。

贵州省某水库工程水文地质条件极其复杂，左岸低邻谷漕谷段岩溶极其发育，且下切强烈，防渗设计处理难度较大[13]。在实施过程中，采用动态设计，根据施工过程中遇到的不同地质情况分区处理，处理工程中采用围、堵、截等多举措并用进行处理[3]。经检查孔检测岩体透水率均小于3Lu，结果满足设计及规范要求，取得了较好防渗效果，对同地区同类型工程具有指导和借鉴意义。

1 工程概述

1.1 工程总布置

该水库水库总库容1106.52万m3，是一座以供水、灌溉为主的III等中型水库。工程由水库枢纽工程(包括拦河坝、坝身表孔溢洪道、放空管和引水管以及两岸防渗处理工程)和输水工程(包括输水泵站、输水管道以及蓄水池)等两部分组成。大坝坝型为抛物线型变厚双曲常态混凝土拱坝，坝顶高程1065m，最大坝高75m。工程防渗形式采用悬帷幕根据坝址和左岸库首的水文地质特征，防渗帷幕线走向为左岸(ZK14)—水落洞—鲁朗大坡东侧—左坝肩—河床—右坝肩—右岸。防渗帷幕灌浆总进尺为74648m，防渗线线路总长1834m，有效防渗面积达106697m2。

1.2 水文地质条件

水库库区内为低中山侵蚀地貌、溶蚀型的峡谷地貌，库区主要分布碳酸盐岩，约占90%，区内岩溶发育程度除了受岩性控制外，受断层构造控制亦较明显。区内岩溶发育形态多种多样。库区岩溶形态主要表现为溶沟、溶洞、落水洞和一系列大小不一的岩溶洼地。根据岩溶发育区域和成因进行分类统计，落水洞5个、洼地49个，其中P1q-m地层中有30个(占44.9%)，∈2-3ls地层中有24个(占33.6%)。岩溶洼地在相同高差下，总发育率随高程变化而变化。统计具有方向岩溶洼地共49个，左岸水落洞槽谷发育L01-L02-KS2岩溶管道，管道长约1.8km，进口为L01落水洞，洞口高程为1013m，出口为KS2泉水，高程为825m，管道水力比降10.4%，为左岸防渗的重点区域。

2 防渗设计方案

2.1 防渗设计特点

根据地质勘察和实施情况，该水库左岸岩溶区防渗设计存在以下特点：①水落洞槽谷地带受断层影响，岩溶发育，已经形成稳定的岩溶外渗通道。②左岸存在深切低邻谷，水库蓄水后库区与低邻谷间水头差高达236m，防渗处理要求高，如防渗处理不到位，必将发生沿低邻谷的渗漏问题，并将直接影响水库的正常蓄水。③岩溶发育形态多样，个别溶洞埋藏深度较大，岩溶裂隙极为发育，防渗处理施工难度极大。④低邻谷位于某景区上游，对环境影响特别敏感，灌浆浆液外渗邻谷会引发流域环境问题。

2.2 防渗设计原则

根据不同地质情况，库区两岸防渗分为单排帷幕和双排帷幕，单排帷幕孔距为2m，双排帷幕，孔距为2m，排距为1m。帷幕孔分为三序施工。帷幕灌浆采用“自上而下，孔口封闭，孔内循环”高压灌浆工艺。双排孔典型布置如图1所示。

图1 双排孔典型布置图(单位：mm)

由图1可见，不同灌浆段采用不同的灌浆压力，从上到下依次为0.25，0.5……3.0MPa等，两岸帷幕下限低于地下水位线5～15m，且岩体透水率q≤3Lu。各段灌浆压力见表1。

表1 帷幕灌浆压力表

3 特殊情况处理

3.1 耗浆量大孔段处理

在帷幕灌浆施工过程中，自坝左0+558m起出现了较多的异常孔段，具体表现在掉钻、压水不返水、反复灌注多次仍旧不起压不返水。对于双排孔，施工中均先施工下游排，再施工上游排。对于先施工的下游排，一序孔单位注入量为1000 ～2300kg/m，二序孔单位注入量为240～500kg/m，三序孔单位注入量大多在240～410kg/m范围内，各序孔平均单位注入量为510 ～920kg/m。针对此情况，钻孔时不掉钻，但压水试验时不返水、不起压的孔段，设计提出采取限量、待凝、分次灌注水泥砂浆等控制性灌浆措施。具体实施方式如下。

(1)采用水泥浆及水玻璃双液灌注

在水泥浆液中加入水玻璃作为速凝剂，水玻璃掺入量一般为水泥重量的3%～5%，促使浆液很快凝结，适用于地下水流动速度较大区域内的快速堵漏。

(2)采用浓水泥沙浆

直接采用水泥砂浆开灌，水泥砂浆配合比(质量比)水：水泥：砂为0.5∶1∶1。水泥砂浆采用分次、限量、待凝的方式灌入，每次灌入水泥按不超过5t控制，待凝时间不少于12h。

(3)采用膏状浆液

在该水库水落洞漕谷段范围采用纯水泥浆或水泥砂浆进行灌浆，浆液流动性强扩散较远，且对低临谷风景区河床造成环境污染，浆液浪费较大，且堵漏效果差。对该区域，设计提出拟采用膏状浆液灌注。在水泥浆液中掺入一定比例的膨润土配置而成的膏状浆液，粘度强、流动性可控、对岩溶堵漏效果好，可以极大地减少灌浆过程中的浆液浪费，节省水泥用量，有利于控制工程投资。膏状浆液配合比见表2。

表2 膏状浆液配合比

3.2 掉钻长度处理

掉钻长度超过0.5m，即被判定为溶洞。为进一步探明其发育情况，在其周边(一般情况下宜在下游侧)1～2m位置处钻设φ110/150mm钻孔，钻设至相应掉钻高程，该钻孔兼有观测孔和投料孔的功能。通过钻孔、水下摄像或地质CT等勘测手段对溶洞的大小、形态及空间展布情况进行探测。防渗帷幕线上溶洞处理总体原则为：通过各种方式往溶洞内回填混凝土、碎石或其混合体，将防渗帷幕线上的岩溶化空腔岩体转化为裂隙性岩体，然后实施帷幕灌浆。

3.2.1浅层溶洞处理

对于帷幕灌浆沿线揭露的浅层溶洞，均采用追踪清理回填法，回填采用C20三级配混凝土。对埋藏较深的且人工无较经济途径可以达到的溶洞，一般通过钻设大直径投料孔，采用自密实高流态混凝土、碎石或其混合体进行回填，再进行帷幕灌浆施工。

3.2.2溶洞尺寸小于或等于2.0m

溶洞尺寸H是指跨越防渗帷幕线的溶洞在平行于帷幕走向的断面沿高度方向的尺寸。溶洞尺寸H小于2.0m时，采用大直径钻孔回填混凝土的方法。大直径钻孔位置位于下游排帷幕孔的1～2m左右，钻孔直径不小于110mm。回填混凝土采用自密实高流态混凝土C20。

3.2.3溶洞尺寸大于2.0m

(1)溶洞内无水流或者水流流速不大时，采用混凝土回填法或混凝土与碎石交替回填法。对沿帷幕线方向尺寸小于2.0m的洞室，可以直接采用回填混凝土方法。对沿帷幕线方向尺寸大于2.0m的溶洞，为控制投资并加快进度，则采用混凝土与碎石交替回填法。施工时自孔口先灌入一层混凝土，再灌入一层碎石，逐级上升直至填满空腔。碎石及混凝土将大的溶洞封堵完毕后，先采用0.5∶1∶1(水∶水泥∶砂)的水泥砂浆实施全孔段纯压式固结灌浆，以封堵回填体内部可能存在的细部空腔，然后沿防渗帷幕线实施帷幕灌浆。具体实施方式如图2所示。

图2 溶洞封堵示意图(1)

(2)当溶洞内水流流速较大时(直接回填混凝土易被水流冲走无法实施有效封堵)，先在两侧适当位置设置施工堵头，减缓管道内水流流速，限制后期灌入混凝土的流动扩散范围；然后在两侧堵头防护下灌入混凝土；最后实施灌浆。一般钻孔可以分上、中、下游排布置，中间排布置在帷幕轴线附近。上、下游排钻孔为形成初步堵头用，中间排钻孔为灌入混凝土用。具体实施方式如图3所示。

图3 溶洞封堵示意图(2)

4 岩溶区处理效果分析

4.1 岩溶区防渗检测标准

帷幕灌浆质量检查应以分析检查孔压水试验成果为主，控制标准为透水率q≤3Lu。帷幕灌浆检查孔的数量应为灌浆孔总数的10%，其钻孔位置应优选在岩石破碎、断层、大孔隙等地质条件复杂的部位；对于强岩溶地区应进行耐久性压水试验，要求在1.5 ～ 2.0倍水头下持续压水72h而透水率基本保持不变。且应提取岩芯，绘制钻孔柱状图，要求水泥结石连续、密实、均匀。

4.2 实施效果分析

工程实施过程中，在耗浆量较大的区段内实施控制性灌浆技术，采用多手段并用措施均已得到有效处理。共发现3处规模较大的溶洞，相继采用竖井揭露追踪回填混凝土，扩孔交替灌注混凝土与碎石、膏状浆液等措施均完成了溶洞的封堵。

帷幕灌浆实施完成后，对岩溶发育耗浆量大，地质条件差的区域进行了检查孔压水试验。其中单排孔共布置检查孔30个，双排孔共布置检查孔32个。对防渗要求高的重点区域均进行了耐久性压水试验，压水试验结果表明岩体透水率大多分布在1.4～2.0Lu之间，均小于设计值3Lu。结果表明，该岩溶区域取得了较好的防渗效果。