某水库K8巨型溶洞处理方案研究

王 畅， 李 翔

(1.水利部建设管理与质量安全中心，北京 100038；2.中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

某水库属Ⅲ等中型工程，主要由大坝、溢洪道和取水塔组成，大坝为碾压式沥青混凝土心墙堆石坝，坝顶高程549.2 m，最大坝高86.2 m，总库容为3 580万m3。大坝左岸防渗线长458.3 m，右岸防渗线长675.7 m。河床及坝肩沿坝轴线布置，长249 m，防渗线合计长1 383 m，防渗面积约17万m2。

坝基岩体岩溶发育强烈，严重影响到坝基岩体的承载力及抗滑能力。左岸岩体透水性为中等，河床及右岸最为发育，为强～极强透水岩体，其岩溶率分别达15.17%和23.23%，且以泥质充填及无充填为主。坝基下30 m范围以内基岩溶洞直线率>10%的范围占坝基的绝大部分，溶洞直线率>20%的也占了很大的范围。其中右岸岩体发育了K5、K8等巨型溶洞群，最大的空腔体积达3万m3。溶洞发育规模巨大，岩溶地基易引起岩溶塌落而影响坝体稳定，且岩溶处理复杂，防护难度大，安全风险高。

2 右岸溶洞稳定性评价

鉴于右岸地质条件的复杂特性，采用人工踏勘、勘探孔、地质雷达对溶洞稳定性进行了详细研究，对右岸溶洞整体进行了三维有限元分析计算。

2.1 右岸溶洞分布情况

大坝右岸相继揭示出K4、K5、K6、K8、K9等溶洞群，这些溶洞及暗河均位于防渗帷幕线路上。K5、K8溶洞为钻孔H42高程508.32 m揭示出的溶洞，钻孔揭示溶洞深度大于13 m。K6溶洞为H44钻孔揭示发育的溶蚀裂隙。K9溶洞与防渗线上王家坟洼地的溶洞基本一致，发育规模更大。

2.2 K8溶洞

K8溶洞的发育方向基本顺坝轴线向右岸山体延伸。上游边界距坝轴线约30 m，下游边界距坝轴线约10 m，顺洞主方向全长约63.5 m。溶洞主要发育在寒武系上统毛田组第一段(∈3m1)地层中，岩性为灰～深灰色、中厚层～厚层状微晶～致密灰岩、白云质灰岩与灰质白云岩互层，属强岩溶层。溶洞的空洞部分最大断面面积约291 m2，初估空洞部分体积约为12 000 m3。

K8溶洞在平面上实测到的最大投影面积约为2 080 m2，洞底覆盖有厚度为5～8 m的粉土、砂卵砾石、溶蚀塌陷岩块、碎石等溶洞充填物，根据溶洞有无充填物的上、下部分划分为K8Ⅰ区、K8Ⅱ区。K8Ⅰ区为上部空腔，空腔往上部延伸至中层平洞，中层平洞高程以下溶洞距离灌浆轴线较近，易形成渗漏点，中层平洞以上高程溶洞距离灌浆轴线较远，对帷幕不构成影响，可不进行处理。K8Ⅱ区为下部空腔，有充填物，洞底覆盖层最厚达30 m，充填物以黏土、砂为主，夹卵砾石、溶蚀塌陷岩块、碎石，黏土呈可塑状，质纯，黏性强，遇水成稀泥。根据类似工程经验及实际情况(现状土为非分散性土，属流土型，临界水力比降为0.96)，对该充填物必须进行处理。

2.3 针对K8溶洞制定的监测方案

K8溶洞的监测主要包括变形监测、渗流监测和锚杆应力监测。

溶洞变形监测设备为2支水准测点，分别位于桩号下灌右0+170和下灌右0+180廊道上游侧边墙。渗流监测设备为2支滲压计，分别位于下灌右0+170和下灌右0+180，高程为487 m，纵0-001.9。

K8溶洞锚杆应力监测设备包括锚杆应力计28支，用于锚筋束应力监测。

K8溶洞内的检测设备技术指标及配套设备与K5一致。

3 K8巨型溶洞处理方案研究

项目部技术人员根据钻探揭示的地形地貌与三维有限元分析计算，以及K8巨型溶洞发育规模、水文工程地质特征、与王家坟洼地以及坑坨洼地之间的空间关系(图1)，结合国内工程实例，有针对性地研究了K8Ⅰ区、K8Ⅱ区的处理方案，具体如下。

3.1 K8Ⅰ区处理方案

图1 K8上部洼地与K8及k5平面关系图

3.1.1 采用自密实混凝土全部填充

对全溶洞均采用先清除填充物(黏土、砂、卵砾石、溶蚀塌陷岩块、碎石)，再采用自密实混凝土回填的方式进行治理。K8溶洞向上发育成狭长的空间，采用其他工程措施处理均较困难，而采用自密实混凝土回填、结合帷幕灌浆、补强灌浆后，能够达到封堵渗漏点的目的。该方案无需对K8溶洞做进一步的开挖处理，只需清理填充物即可，施工难度较小[1]。

3.1.2 帷幕改线

根据对所揭示的地质情况进行分析，K8溶洞一直呈向上游发育的趋势，K8溶洞若防渗线局部上移，同样不可避免地会遇到溶洞。因此防渗线仅能做下移调整，利用调整后的防渗线将K8溶洞“包在库内”。由于上、中层平洞洞挖已完成，需要防渗线后上、中、下三层灌浆平洞同步移动。

3.1.3 防渗墙方案

防渗墙需设置于灌浆轴线，根据K8与灌浆轴线的关系，K8的空腔部分基本位于轴线上游侧，因此，即使设置防渗墙，防渗墙上游侧518 m高程以下的空腔区仍需以自密实混凝土回填以防止形成渗漏点，相对于直接以自密实混凝土回填，工程量并没有显著减少并且需要对溶洞进行开挖处理后施工防渗墙，对溶洞的稳定性不利。加之施工面狭窄，采用防渗墙方案施工难度较大，对工期影响较大。

K8Ⅰ区处理方案综合比较情况见表1。

经过以上综合比较得知：方案二虽然投资可能最小，但风险太大；方案三结构复杂，施工困难，且K8溶洞大多数位于帷幕线上游，即便做了防渗墙也需对上游空腔进行回填，工程量相对于方案一并不一定小；方案一施工难度小且回填的混凝土能够满足防渗要求。经综合对比后决定对K8Ⅰ区处理采用方案一，即自密实混凝土全部充填方案。

表1 K8Ⅰ区处理方案比较表

3.2 K8Ⅱ区处理方案

对于下部的充填物，除保证渗透稳定外，还必须结合上部K8Ⅰ区选取的回填混凝土方案综合统筹考虑结构稳定。

在以黏土、砂为主的地质条件下,即使采用可注性好的超细水泥、TGRM和HSC浆材仍不能达到渗透注浆加固的目的,浆液只能以大劈裂、强挤压、密充填的方式进入地层,因而较难形成均匀、连续的固结体构造；若浆液强度不能足以抵抗高压水的话很容易被水击穿崩溃,造成流水、涌砂，最后造成整个大坝的防渗系统失效。因此，对于溶洞底板以下，采用常规高压灌浆至设计帷幕底线[2]。

鉴于填充物承载力较低，在高压喷射后填充物的承载力仍然不能满足承受上部压力的要求，因此而选用钢管灌注桩作为上部的承重结构[3]。

经综合考虑，最终决定对K8Ⅱ区采用高压喷射灌浆+钢管桩的型式进行处理。

3.3 对王家坟及坑坨洼地采用的排水措施

在王家坟洼地和坑坨洼地设置截水沟，将洼地的雨水排至取水塔上游。同时，在K8溶洞高程518 m位置设置进水口，通过埋设DN200PE管最终引入廊道中，再经廊道从4#施工支洞流入下游河道。在管道出口处设置钢阀门。K8施工完毕，关闭管道阀门，隔绝洼地对K8的影响。

3.4 针对K8巨型溶洞采取的处理方案

根据K8溶洞充填物及边壁的实际情况，最终采用自密实混凝土回填+高压喷射灌浆+钢管桩+周边引排的永久性综合处理措施。

高程488 m以上为空腔区，针对廊道及490 m平台以上至518 m高程全部空腔体采用自密实混凝土进行填筑。考虑到库区蓄水后溶洞内的最大水头达到60 m，混凝土体承受着较大的水平推力，因此，在空腔区上游侧边壁布置锚筋桩(图2)，协助抵抗水平推力。

高程488 m以下为填充区，填充区全部采用高压喷射灌浆进行处理以达到防渗的目的；对溶洞轴线上游侧进行补强灌浆可以降低溶洞内的水头，并与帷幕灌浆、填充区高压喷射灌浆、溶洞内混凝土体共同形成完整的防渗体系。

图2 钢管桩、锚筋桩布置图

由于上部混凝土浇筑后自重大且上游库区蓄水后水头抬高，填充区将承受较大的荷载，因此，在混凝土填筑体下部设钢管灌注桩作为承重结构。

4 K8溶洞处理的施工过程

4.1 K8溶洞的支护施工

K8溶洞的前期支护处理按照排危→引排水→开挖→支护四个基本步骤施工。排危为对K8溶洞上部孤石堆积体开挖过程中溶洞周边危岩的处理；引排水为K8溶洞暗河水和开挖过程中溶洞周边各个渗水点的堵截引排；开挖主要为孤石堆积体的爆碎解小后沿K8溶洞外露的整体岩体面分台阶自上而下开挖至高程488 m；支护主要从K8溶洞进口顶板及其沿灌浆平洞轴线方向岩体面的锚杆支护，以及K8溶洞进口处即下灌右0+165～下灌右0+179的基础开挖换填→底板混凝土浇筑→下游侧支撑墙混凝土浇筑→上游侧护壁混凝土浇筑→上游侧挡墙混凝土浇筑施工。

4.2 空腔自密实混凝土填筑

K8溶洞空腔在右岸下层平洞完成廊道混凝土浇筑后，自密实混凝土从中层灌浆平洞浇筑高程518 m以下的混凝土、上层灌浆平洞浇筑高程518 m以上的混凝土。

4.3 K8溶洞高压旋喷施工

K8部位的高压喷射灌浆采用旋喷方式进行。采用全液压钻机QDG-2型钻机同心钻头跟套管钻进。钻孔直径为146 mm，钻孔结束后，将钻杆提出，下入Φ110PVC管，然后用YGB液压拔管机提拔套管。喷浆设备采用特制高喷台车，当喷射管下至设计深度后，开始送入符合要求的浆、水、气，之后静喷1～3 min，待达到预定的喷射压力和喷浆量且等孔口回浆比重达到设计值后，按设计的提升方式及速度自下而上提升，直至提升到设计要求的终喷高程。高喷灌浆宜全孔自下而上连续作业。需中途拆卸喷射管或因故中断后恢复喷射灌浆时，对搭接段应进行复喷，复喷长度不小于0.5 m。高压旋喷灌浆先进行Ⅰ序孔施工，再进行Ⅱ序孔施工，相邻次序孔的作业间隔时间不少于24 h。喷射灌浆结束后，立即停止提升，采用1.7 g/m3的水泥浆液进行充填灌浆。

4.4 K8溶洞钢管桩施工

主要采用冲击回转、套管跟进的方法钻进。钢管使用壁厚6 mm，Φ68的钢管。帷幕灌浆孔位的钢管桩待其钻至设计孔深后，在钢管内部预埋壁厚4 mm的Φ76钢管，然后在钢管内注入水泥浆液。对于非帷幕孔位的钢管桩，则在孔内放置直径为25 mm的三级钢筋，最后在套管内填入一级配常态混凝土，骨料采用人工碎石[4]。

4.5 补强灌浆

对K8溶洞底板、边壁及顶拱进行补强灌浆施工。底板及边壁补强灌浆孔主要采用100 D潜孔钻机钻孔，顶拱补强灌浆孔主要采用XY-2地质钻机钻孔，孔径≥60 mm。K8溶洞底板部位的灌浆孔原则上以垂直混凝土方向钻孔；边壁部位补强孔的钻孔方向垂直洞壁；溶洞顶部的补强孔在右岸中层钻倾斜孔。补强灌浆孔采用自下而上分段灌浆的方法进行灌注。灌浆孔分为Ⅰ、Ⅱ序，先灌Ⅰ序孔，再灌Ⅱ序孔。灌浆段长及压力：补强灌浆孔孔深深入基岩8 m，从上至下各段分别为2 m，3 m，3 m[5]。

5 溶洞处理效果评价

右岸K8溶洞锚杆应力计主要安装在0+170、0+180断面496 m与504 m高程。受溶洞回填处理影响，在施工过程中测值有增大现象；溶洞处理施工完成后又趋于稳定。对监测结果进行分析得知：蓄水阶段K8溶洞的锚杆应力计测值变化较小，变化趋势平稳，其过程线见图3～6。

6 结论与建议

图3 锚杆应力计R1-1测值过程线图

图4 锚杆应力计R1-2测值过程线图

图5 锚杆应力计R7-1测值过程线图

图6 锚杆应力计R7-2测值过程线图

笔者根据K8溶洞巨型岩溶的发展规模、形态、工程特征，统筹考虑工程施工的难易程度与经济成本，提出了自密实混凝土回填+高压喷射灌浆+钢管桩+周边引排的永久综合处理措施，成本经济，降低了施工风险。同时，对于K8之类的水工巨型溶洞亦需要长期观测跟踪，以期形成广泛、适用的水工巨型溶洞处理技术。