关于小型水库地下溶洞群施工处理技术

李 侃

（萍乡市水利水电勘察设计院有限责任公司,江西 萍乡 337000）

1 水库基本情况及地下溶洞群情况

群英水库是1971年冬开工兴建的一座小（2）型水库,水库坝址控制集水面积0.95 km2,设计灌溉面积300 亩。功能以灌溉为主,水库枢纽工程主要由大坝、溢洪道、坝下涵管等建筑物组成。

工程区周边为连绵不断的丘陵与低山,山顶海拔高程在660 m～700 m 之间,谷底560m～580m 之间,相对高差100 m～140 m,地势南高北低,东高西低,地形坡度20°～60°,该地区主要属于构造剥蚀低山地貌单元。工程区域内出露地层主要地层有板溪群（Pt）条带状板岩、砂质板岩、碳质板岩、变质砂岩；泥盆系（D）页岩、灰岩、泥灰岩、泥质灰岩、泥质粉砂岩、粉砂岩、石英砂岩,石炭系（C）灰岩、白云质灰岩等。

群英水库在区域上位于为萍（乡）乐（平）凹陷带的西端,处于袁水复向斜之南端,属罗峭山脉之北端,位于功山隆起带之南,地层的沉积与展布方向受华夏构造体系的控制,区域上表现为NE-SW 走向的褶曲及断裂构造,褶曲频繁,断裂发育,区域构造复杂。

在对群英水库除险加固地质勘察过程中发现地下溶洞群,共进行10 个地勘钻孔,其中左坝段地勘钻孔时共有6 个勘探钻孔揭露溶洞,且下游坝坡及左岸山体均出现渗水点。

ZK1 在孔深9.8 m～20.4 m 发现溶洞,溶洞高约10.6 m,顶板岩层厚度仅0.5 m,顶板岩层厚度小；钻进过程中18.0 m～20.0 m 出现落钻现象,溶洞中呈全充填状,充填物为碎石及粘土,呈可塑～流塑状态。

ZK4 勘察钻孔施工中,坝基有不规则方解石脉发育,见有溶蚀小孔出现,从10.7 m 开始全部漏水,13.20 m～13.60 m为溶洞,洞高0.4 m,半充填碎石及粘土,无取芯。

ZK5 在孔深8 m～15 m 发现溶洞,溶洞高约7.0 m,顶板岩层厚度仅0.5 m,顶板岩层厚度小；全充填,充填物主要为含砾粘土,可塑至软塑状,钻进速度快。

ZK10 在孔深17.5 m～23.6 m 发现溶洞,溶洞高约6.10 m,顶板岩层厚度仅0.5 m,顶板岩层厚度小；全充填,充填物主要为含砾粘土,可塑至软塑状,钻进速度快。孔深21.0 m～21.2 m为灰岩碎块。

其中ZK6、ZK9 揭露下部的溶蚀发育类型为“凹坑”,其原型为溶洞,后因顶部灰岩垮塌形成凹坑；ZK6 钻孔揭露位置于2016年垮塌,后经回填及灌浆。其中Zk6 处原溶洞高度约为6 m,ZK9 处原溶洞高度约为12.0 m。根据钻孔注水试验充填物透水性为中等透水性,且在左坝肩形成类似坝体的构造,与下游左岸残坡积物连通,导致下游坝坡出现渗水。

往年群英水库左坝体出现过塌坑现象,左坝体桩号坝0+008.00 出现直径约2 m 深2 m 的塌坑。桩号坝0+003.00 至坝0+010.00 坝顶砼路面出现下沉,下沉最大深度达0.3 m。下游坝脚出现严重渗水,渗水量估计达50 L/s,对塌坑段采用含砾粘土回填,对左坝肩塌坑处下部溶洞进行简单充填灌浆处理后仍有渗水现象,因而大坝坝基溶洞会直接导致坝体产生破坏和渗透安全隐患。

根据地勘资料显示,群英水库共布置了10 个钻孔,并在ZK1、ZK4、ZK5、ZK6、ZK9、ZK10 共6 个孔勘察钻孔施工中发现有溶洞发育,见洞率为60%,钻孔揭露的溶洞洞顶埋深及洞高,见表1。

表1 钻孔揭露溶洞基本情况表

2 方案比选及设计参数

解决方案：根据本次初设补勘阶段的钻探资料显示,该水库工程地下溶洞大小不一,连通性也较强,基本为全填充和半填充,由于钻孔数布置有限,也不能完全排除溶洞未填充的可能性,因此需考虑上下游仍存在塌陷的风险。且钻孔反映出的溶洞埋藏较深,不便于用直接开挖等一般方法处理,根据类似工程经验,结合相关规范,采用有效的处理方法是：灌浆法或灌浆结合局部开挖回填粘土的方法进行溶洞压密加固处理[1-3]。因此本次提出以下两种处理方案进行比选：

方案一：对大坝左坝段及坝肩采用充填水泥浆灌浆处理溶洞区,坝顶轴线布置一排灌浆孔,孔间距2 m。坝上下游距离坝轴线3 m 各布置一排灌浆孔,孔间距4 m,灌浆孔伸入坝基弱透水层0.5 m。该方案共布置灌浆孔55 孔,灌浆段长度约1211.15 m,充填水泥浆约1528 m3[4]。

方案二：对大坝左坝段及坝肩采用开挖回填粘土和充填水泥砂浆灌浆相结合方式处理溶洞,坝顶向下开挖6 m～8 m,宽6 m,长40 m,再采用和方案一的方式在基坑内坝顶轴线处布置一排灌浆孔,孔间距2 m。坝上下游距离坝轴线3 m 各布置一排灌浆孔,孔间距4 m,灌浆孔伸入坝基弱透水层1 m。基坑以上采用粘土回填的方式处理溶洞。该方案共布置灌浆孔55 个孔,灌浆段长度约806.9 m,充填水泥浆约1452 m3,回填粘土1764 m3。

从技术方面看,两个方案均可行。从经济方面比较,方案一和方案二投资相差不大,但方案二施工相对复杂一点,所需工期较长,需破坏现有坝顶及路面,开挖土石方及粘土回填量较大,虽可揭露部分溶洞顶,但大部分溶洞埋深较深；从施工难度方面看,方案二开挖基坑施工存在一定的风险,施工作业面较大,对左坝段坝体坝肩产生的影响不容忽视,基坑边坡产生的其他未知安全风险因素增大。因此本着尽量减少工程投资和规模,再考虑紧张的施工进度,本次群英水库溶洞区处理方案推荐采用施工相对较为简单的方案一,即直接采用充填水泥砂浆灌浆处理溶洞。

充填水泥浆处理溶洞主要参数。布孔：坝顶轴线布置一排灌浆孔,孔间距2 m。坝上下游间隔3 m 各布置一排灌浆孔,孔间距4 m,总共3 排,灌浆孔伸入坝基弱透水层0.5 m,桩号范围为大坝0-020.0～大坝0+032.0,全长52 m。共布置55 个孔,其中坝顶27 个孔,上游坝坡14 个孔,下游坝坡14 个孔,分两序孔施工,钻孔设计深入相对不透水层（本工程为弱风化基岩）以下0.5 m,群英水库群英水库大坝加固纵剖面图见图1,群英水库大坝加固横剖面见图2。布孔范围是根据揭露有溶洞的地质勘察钻孔外延3 m～5 m 布置,实际施工外延的外排钻孔时还有溶洞存在,则根据现场条件需继续向外延伸至完整地层为止[5]。

图1 群英水库大坝加固纵剖面图

图2 群英水库大坝加固横剖面图

采用50PE 管插入钻好的孔内,管深入溶洞顶部,灌浆采用纯水泥浆灌注,浆液水灰比采用1∶0.5,施工过程中需根据现场灌浆情况及时调整水灰比。各序孔灌浆宜一次灌注至设计要求,隐患规模较大的也可多次灌注。灌浆结束：经过分段多次灌浆,浆液已灌注至孔口,且连续复灌3 次不再吃浆。灌浆孔的灌浆量或灌浆孔口压力已达到设计要求[6]。

3 结论

灌浆过程中,由于溶洞大部分地下连通,在灌注水泥浆时,附近未灌注的孔内也充满了水泥浆,则有浆液渗出的孔可不必要重复再去灌,最后达到所有灌浆孔都充满水泥浆,从而达到防渗目的,灌浆结束后,经检测,溶洞充填灌浆后防渗系数k ≤1×10-6cm/s,坝体灌浆后坝下游渗漏点未出现渗水,防渗效果良好,达到了预期效果。