某航电枢纽工程库区防护实例分析

2023-08-23侯俊伟左利兵徐文腾

岩土工程技术 2023年4期

侯俊伟左利兵徐文腾

（中煤科工重庆设计研究院（集团）有限公司，重庆 400016）

0 引言

某航电枢纽工程，水库正常蓄水位为335.0 m，100 年一遇洪水回水位为335.71 m。设计通航标准为Ⅲ级，库区正常蓄水后，将有效改善上游航道通航条件，且枢纽工程机组全面投运后，全年平均发电量约达2.1×1010kW·h，减少二氧化碳排放量约2×106t。库区右岸有废弃老窑采空区、出露煤硐，场地下伏煤层若干，图1 为场地平面位置图。航电枢纽工程蓄水后，库水可能通过废弃煤硐、岸坡岩体裂隙向采空区渗漏，影响煤矿正常生产，因此有必要进行防护治理以保证库区蓄水安全。

图1 场地平面位置图

众多学者对库区防渗及煤矿采空区治理开展了大量的研究工作。在库区防渗问题中，有学者指出了渗流量的影响因素，提出了注浆防渗技术在防渗应用上的关键作用，通过有限元数值模拟加以论证，并结合实际工程案例证明了其有效性[1-4]。此外，对于煤炭采空区的勘测治理，有学者结合工程实际，通过多种物探方法与钻探结果对比，查明了采空区的位置，验证了物探结果的有效性，同时提出了采空区的加固治理方法[5-9]。该部分研究为库区防渗设计及采空区的治理提供了理论与技术支撑。

以该航电枢纽工程库区防护为实例，通过现场调绘、地质钻探、工程物探等多种勘察方法结合现场实际条件，制定了废弃煤硐注浆封堵、防渗帷幕与防渗挡墙相结合的防护方案。通过现场试验检测，验证了防护方案的有效性，保证了库区正常蓄水的安全。

1 场地勘察工作

1.1 工程地质

工程场地属低山丘陵地貌区，地势中部高、南北低。工程区位于川东褶皱带内白果坝-榨鼓坝向斜的北西翼，单斜岩层产出，优势产状110°∠15°。泥岩和砂岩结合层面受水软化严重，结合很差，为软弱结构面。岩体中主要有三组构造裂隙：L1 组裂隙产状0°∠75°；L2 组裂隙产状110°∠75°；L3 组裂隙产状30°∠90°，裂隙无填充，富水性较差，为硬性结构面，场地裂隙走向玫瑰图如图2 所示。工程区内岩土分布有第四系素填土（Q4ml），第四系冲洪积粉质黏土、卵石土（Q4al+pl）与残坡积层粉质黏土（Q4el+dl）。下伏基岩为上三叠统须家河组（J3xj）砂岩与泥岩。

图2 场地裂隙走向玫瑰图

1.2 煤层分布

根据地质资料，场地范围内煤层主要分布在三叠系须家河组的粉砂岩、砂岩、泥岩、炭质页岩夹层及互层中，自下而上不同高程分布有K6、K7、K10、K11共计4 段煤层。

K11 煤层：距须家河组第五段底界6.6～28.55 m，岩露头线约500 m 为采空区，煤层厚度0.33～0.36 m，平均层厚0.35 m，该煤层在井田范围内全区可采，东南部厚，西北部变薄。

K10 煤层：须家河组第四段中部，距K11 煤层33.53～66.35 m。煤层结构复杂，由2～3 个分层组成，平均层厚0.18 m。局部可采，东南厚，向北变薄，目前正在开采。

K7 煤层：井田范围内均为双层结构，平均层厚0.25 m，全区可采。

K6 煤层：井田范围内层位稳定，呈层状，纯煤厚度0.42～0.55 m，平均层厚0.46 m，全区可采。

1.3 水文地质条件

勘察期间，压水试验共做82 段，透水率为0.0～95.0 Lu，总体渗透性为弱-中等透水，其中中等透水层为21 段，占总段数的25.93%，大部分岩层透水率为10.7～29.3 Lu，透水率较小，局部由于节理裂隙比较发育，透水率较大；弱透水层为58 段，占总段数的70.37%，透水性较差，为主要隔水层；微透水层、极微透水层为3 段，占总段数的3.70%，为主要隔水层。

由压水试验结果可知，中等透水层主要分布在地表以下40 m 范围内，局部由于节理裂隙较发育，深度较大。该地层岩层厚度大，受构造作用微弱，岩体内断层及裂隙不发育，岩体透水性一般为弱-中等透水。

1.4 煤矿采空区

在勘察钻探过程中，ZK23、ZK27、ZK32 三个钻孔有明显“掉钻”现象，根据勘察经验，判定为采空区。采空区埋深如表1 所示。

表1 采空区数据一览表

为分析采空区的分布范围及特征，采用高密度电法对采空区进行物探测试。本次测试共布设主测线6 组（L1-L6 测线），测线依次从南到北布置，线距40 m。辅测线4 组（L7-L10 测线），测线布设如图1 所示。典型测线等视电阻率断面如图3、图4所示。

图3 L4 测线等视电阻率断面图

图4 L9 测线等视电阻率断面图

由于采空区的存在，地层电阻率等值线的形态发生变化，根据这一现象可判定采空区所处位置[10]。图3 为主测线L4 等视电阻率断面图，图中黑色线条为按照煤层底板等高线标出的K11、K10 煤层分布情况，深色椭圆为物探推断解释的采空区分布情况。从图中可以看出，采空异常区11 处，采空区分布数量较多，分布较广，埋深不一，呈不规则状，各采空区未贯通。K10 和K11 沿测线走向基本采空。此外根据前期勘察资料显示，在2#、4#采空异常区发现小窑废弃口，这也验证了高密度电法测试的准确性。

辅测线L9 测线布设于测区西部，与主测线斜交（见图1）。图4 为辅测线L9 等视电阻率断面图，总体上可以看出物探资料控制K10 煤层情况，未发现K11 煤层。图中黑色线条为按照煤层底板等高线标出的K10 煤层分布情况，深色椭圆为物探推断解释的采空区分布情况。其中在1#采空异常区发现小窑废弃口。

根据所有物探结果，推测K10 煤层采空区10 处，K11 煤层采空区7 处，采空区分布较广，埋深不一，呈不规则状，各采空区未贯通，预留煤柱破坏较严重。各物探推测采空区情况如表2 所示。

表2 物探推测采空区情况表

2 设计方案

2.1 煤硐处理措施

2.1.1 煤柱隔水有效性

废弃煤矿与岷江之间预留煤柱厚度90 m 以上，岷江河床下上三叠统须家河组（T3xj）地层及预留煤柱带不同高程上分布的泥岩及炭质泥岩透水性弱，层厚稳定，在库盆底部及盆边（岸坡）构成相对隔水层及隔水围岩。受其阻隔，岷江洪水多年来未补给煤矿深部地下水，从而形成建成以来深部矿井下常年处于干燥无水状态，井内无水证实临江预留煤柱带起到预期的隔水作用。

2.1.2 处理必要性

根据勘察成果，场区储存于地表上三叠统须家河组地层中的基岩裂隙水，主要分布在临江侧边坡地表浅部泥岩、中等风化砂岩、弱卸荷岩体内（透水率2.40～95.0 Lu），卸荷宽度20 m，雨季地下水常以股状从张开裂隙渗出地表，流量约5～10 L/min。K10煤层整体埋深较大，且与外界连通性较好。同时风化卸荷带的存在减少了预留煤柱带隔水层的有效厚度。尤其是历史上已开采的煤硐（经调查有8 个）及浅部老窑采空区、回风巷道分布于预留煤柱带内，局部破坏了预留煤柱带隔水的完整性，有可能成为局部集中渗流通道，应采取工程措施封堵废弃煤硐及采空区、回风巷，并做好防渗处理。

2.1.3 煤硐处理

目前采空区治理方法主要包括注浆法、砌筑法、拨挖回填法、强夯法等[11]。结合本项目实际情况，对煤硐采取如下治理方法：

首先对废弃煤硐周边变形松弛带围岩及风化卸荷裂隙进行防渗灌浆处理，待固结灌浆施工完成并检查合格后，采用C15 混凝土对废弃煤硐口进行封堵（见图5）。

图5 煤硐处理剖面图（单位：mm）

2.2 防渗设计

2.2.1 防渗帷幕设计

为防止库水沿岸坡岩体裂隙渗漏，采用注浆防渗帷幕封堵岩体中的裂隙。考虑到采空区分布广、不规则、埋深不一、连通性不明，在设置防渗帷幕时尽量远离采空区，将库水阻隔在采空区范围之外。

根据《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50487-2008），防渗帷幕需进入稳定隔水层，且隔水层透水率小于5 Lu。结合现场地形，防洪标准按照100 年一遇洪水标高（+335.71 m）采用。对于K0+000-K0+764 段，防渗深度19～20 m，防渗帷幕顶、底标高分别为+336.5 m、+317.0 m；K0+764-K1+055 段防渗深度至标高+305 m 处。图6 为帷幕灌浆典型剖面图。

图6 10-10’帷幕防护剖面图

帷幕注浆材料采用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥或复合硅酸盐水泥。水泥的强度等级应为42.5 或以上，所用水泥的细度宜为通过80 μm 方孔筛的筛余量不大于5%，并符合《通用硅酸盐水泥》（GB 175-2020）及其他相关标准的要求。

帷幕注浆压力按经验公式：

式中：P0为地面段允许的压力，取0.2 MPa；m为注浆段顶板在岩体中每加深1 m 所允许增加的压力值，取0.03 MPa/m；D为帷幕灌浆段顶板以上基岩厚度，m。

根据注浆孔深度的不同，注浆压力范围在0.3～1.155 MPa，正式灌浆施工前，必须进行灌浆试验，以取得灌浆参数，灌浆压力施工时根据实际情况进行。

帷幕注浆孔间距2.0 m，灌浆施工遵循逐渐加密的原则，采用三序施工（见图7）。灌浆结束条件是：灌浆段在最大设计压力下，当注入率小于1 L/min，继续灌注30 min 以上，灌浆即可结束，但每灌浆段的灌浆时间不应少于1 h。全孔（包括检查孔）灌完后，需对钻孔进行有压回填封孔，回填材料采用水泥砂浆。砂需滞净，粒径1～2 mm，砂约为水泥的0.5～1 倍，水灰质量比等于或小于1，以使水泥具有适当的流动性，且砂粒又不致很快沉淀为原则。

图7 防渗帷幕注浆顺序图

2.2.2 防渗挡墙设计

结合工程区地形，K0+412-K0+444 段及K0+756-K0+861.75 段地势低洼，为将库水阻隔在采空区范围之外，在这两段防渗帷幕上方增设C30W6 防渗混凝土挡墙。在挡墙墙趾处用砂卵石进行回填，挡墙背江一侧进行回填压实，并放坡至挡墙墙顶。放坡坡比按实际地形坡度确定，一般为1∶2.0～1∶6.5。典型设计剖面如图8 所示。