关于水电站地下溶洞的开挖和防渗处理技术探讨

关于水电站地下溶洞的开挖和防渗处理技术探讨

崔磊

中国水利水电第八工程局有限公司 湖南长沙 410004

【摘要】 在岩溶地区水利水电工程中，需要对地下大型溶洞进行一定程度的治理，以保证建筑物能发挥设计功用。本文介绍的开挖填充溶洞工程处于底层灌浆平硐帷幕轴线上，其充填介质透水性强，影响帷幕防渗，必须进行防渗处理，降低其渗透性，并保证其渗透稳定和防渗体结构安全。作者根据这个项目帷幕工程所完成的工程实例，对水电站地下溶洞的开挖和防渗处理技术进行分析总结，为类似工程的设计、施工提供参考。

【关键词】  工程简介； 施工流程；施工方案设计；施工方法与工艺；效果评估。

1概述

某水利枢纽工程位于强岩溶地区，工程以灌溉、城市供水为主，兼顾发电等综合利用，水库总库容约11亿m3，工程等别为Ⅰ等，属大⑴型工程。岸坡段防渗帷幕布置于两岸灌浆平硐内，平硐开挖断面尺寸为3.7×4.2m，砌筑后净空断面尺寸为3×3.5m。

底层灌浆平硐处蓄水水头高度为131m，在平硐开挖过程中，单通道进深480m时，遇全断面中细沙致密充填的溶洞，夹有少量孤石。后经钻孔勘察，查明该溶洞属大型充填型溶洞，形态极不规则，沿灌浆平硐方向长约60m，溶洞断面最大高度25m，一般高15~20余m，最宽24m，一般宽13~15m，溶洞体积约1.6万m³，充填物主要为中细沙，夹少量孤石。

2施工流程

在施工安排上，结合各部位工期计划、溶洞勘测设进展等因素综合考虑。第一步，采用临时强支护措施，继续掘进灌浆平硐，穿过溶洞段并最终完成灌浆平硐开挖；第二步，进行溶洞段之外的两端平硐衬砌，并进行溶洞段的勘查作业；第三步，进行平硐内岩层段的帷幕灌浆施工，并完成溶洞治理设计和准备工作；第四步，进行平硐底板高程以上溶洞充填物的清除、换填，并同时形成溶洞段的灌浆廊道；第五步，进行平硐底板高程以下溶洞段防渗墙施工；第六步，进行防渗墙与基岩衔接段的帷幕灌浆，并进行质量检查。

3施工方案设计

3.1溶洞发育形态勘察

溶洞发育地层为三叠系下统永宁镇组第一段（T1yn1）。为了进一步查明该充砂溶洞发育形态、规模，在强支护完成后，对溶洞段补充定向勘探孔进行了钻孔勘查。

勘探孔每隔5m布置一环，每环4个孔，梅花形布置，分别向平硐顶部、底部、库内侧、库外侧四个方向钻进，孔深进入基岩5m终孔，钻孔示意图见下图 3-1。

从勘探结果看，溶洞属大型充填型溶洞，形态极不规则，沿灌浆平硐方向长约60m、方向约N34°E，洞顶高程最高1214.4m，洞底最低高程约1189m，溶洞断面最大高度25m，一般高15~20余m，最宽24m，一般宽13~15m，溶洞体积约1.6万m³。溶洞发育形态参见后图 3‑3、图3-4。

3.2溶洞充填介质分析

该溶洞为全充填溶洞，充填物分层明显，主要为细沙土、少量黄泥、夹杂崩块石，充填密实，徒手掰碎较费力。勘察过程中进行了沙土筛分试验，筛分成果见表3‑1，充填介质见图3‑2。

表3‑1     沙土充填物筛分成果表

图 3‑2     充填介质图

3.3溶洞防渗方案设计

由于该溶洞的成因及渗漏通道不能完全探明，故防渗方案设计时首先要考虑防渗体具有可靠的防渗性以及在独立工作状态下良好的抗滑稳定性和抗剪强度。

3.3.1可灌性计算

从主要充填介质的筛分成果来看，充填物为粉细砂，其可灌比值计算式为M=D15/d85。

式中：M——可灌比值

D15——地层中含量为15%的颗粒粒径，mm；本例取0.5~0.25mm

      d85——灌浆材料中含量为85%的颗粒粒径，mm；本例按PO.42.5水泥取值0.06.

计算可得，可灌比值M区间值为8.3~4.2。一般认为M≥16，才能保证灌浆成功，另外，水泥浆液稳定性差，容易在纵横交错和凹凸不平的砂砾土孔隙中迅速沉积而把某些渗流断面堵塞，从而使其可灌性大大降低。

总的来讲，采用普硅水泥常规灌浆工艺对该地层进行处理，存在可灌性低、充填密实度差、易劈裂而升压困难、工艺复杂、工序控制较难等问题，不适合采用。

3.3.2方案比选

主要对高压旋喷灌浆、混凝土防渗墙、完全开挖换填混凝土三个方案进行了比选。三种方案均适合该溶洞介质的处理，但在可靠性、安全性、经济性等方面互有优势和不足。

高压旋喷灌浆在砂类土、黏性土、黄土和淤泥等地层中使用效果良好。该溶洞主要为细沙土充填，从开挖揭露及间距5m的加密钻孔勘测情况来看，孤石较少，砂层与完整基岩之间岩体破碎，地层条件适宜于采用高压旋喷灌浆。该方案的优点为：安全风险低，作业干扰小，工艺成熟，可控性好，技术经济效益明显。该方案的劣势为：受工作面空间限制，除廊道下部砂层能得到较好的处理外，其余部位难以有效处理；溶洞的发育情况及渗漏通道未完全探明，帷幕墙后的持力层为沙土，有流失的风险，可能导致高喷防渗墙体独自承受渗水压力而变形破坏。

防渗墙方案的基本方法为：廊道底板以下采用人工跳桩挖孔，边开挖边浇筑钢筋护壁混凝土，桩孔成型后浇筑混凝土，最终形成钢筋混凝土防渗墙；廊道迎水侧设置搭接帷幕，采用高压旋喷灌浆；顶拱以上及库外侧不进行处理。该方案的优点为：下部防渗效果可靠，工期及投资适中。该方案的劣势为：上部防渗效果与稳定性不可靠。

完全开挖换填混凝土方案即将充填物全部清除，采用C20混凝土回填。该方案的优点是处理效果可靠；缺点是施工安全风险极大，工期长，成本高。

经过多次研究和动态调整，最终采用方案为：平硐底板高程以上溶洞全部开挖换填C20混凝土，并形成衬砌廊道；平硐底板高程以下溶洞设置3m厚C30钢筋混凝土防渗墙，防渗墙嵌入底部与两端微风化岩体；防渗墙与库外侧岩体之间设置混凝土传力墙，形成可靠的持力层；再进行砂层内固结灌浆、嵌入段帷幕灌浆。具体方法见图 3‑3~图3‑5。

图3‑3    充沙溶洞处理平面图

图3‑4     充沙溶洞处理剖面图

图3‑5     充沙溶洞处理断面图

4主要施工方法

溶洞治理施工步骤为：溶洞上部开挖施工→临时支护→廊道浇筑与溶洞上部回填施工→溶洞下部防渗墙施工→灌浆施工。

该溶洞治理施工的难点在于：场地狭窄，交通不便，机械化作业程度低，工效低；向上开挖作业难度大，安全风险高；做好渗水垮塌的应对。

4.1施工条件

溶洞段桩号为K0+236~K0+296，在平硐K0+467、K0+117处分别有7#、5#施工支洞连通至地表，洞内长度分别为496m、433m，平硐段尺寸为3m×3.5m，施工场地狭窄，后期需要在溶洞段形成会车场地，以提高运输强度。

洞内施工将产生大量废气，为改善劳动环境条件，布置两套通风系统。一套经7#施工支洞采用压入式通风；一套经5#施工支洞采用抽出式通风。

在工作面及平洞与支洞交叉口扩挖处设置集水坑、安装排污泵，将施工时产生的废水、混凝土施工废水等抽排至排污坑，再集中抽排至洞外处理后达标排放；同时施工中设专人负责疏通排水系统，进行排污坑集砂清理工作，严格管理施工用水，保持工作面无积水。

4.2溶洞上部开挖施工

对平硐底板高程以上的溶洞充填物进行全部清除开挖，难点在于施工安全问题。受场地条件限制，对溶洞上部开挖属自下往上开挖，充填物垮塌、溶洞围岩掉块等隐患难以提前治理，加之场地狭窄，安全风险大。

开挖主要采用机械开挖，辅以人工、浅孔爆破。施工步骤和方法为：

(1)从溶洞0+296起点开始作业，在已衬砌平硐的保护下，使用挖机拆除一段临时支护体；并用挖机清挖该段上部与侧面的砂土层，挖机臂展以外不能机械清除的，采用高压水枪冲切清除。形成开挖入口后，挖机从硐身两侧进入，对砂土层进行分段开挖，开挖时形成斜坡使挖机行走至顶部，以尽可能从上往下作业；开挖的洞渣先不完全清运，留一部分用于固帮和作为施工斜坡，可减小开挖面高度，降低垮塌风险；挖机不便于作业的部位，根据砂土层的密实度情况，采用人工清挖、局部钻爆等方式处理。从0+296往大桩号方向的施工支洞出渣。

(2)鉴于0+296起点处溶洞发育高度较大，顶部围岩自稳差，开挖施工进度缓慢。为创造工作面，从0+265处溶洞最低点处进行了开挖，先在钢支撑支护体上开窗，人工掏挖至溶洞顶部，再逐步拆除该段支护体，形成较宽阔的装运场地，由0+265向0+296方向开挖，并逐段拆除支护体，出渣由0+265~0+234支护体下的安全通道经ZD5支洞道路运输。开挖主要采用钻爆法，辅以人工掏挖，具备条件时使用挖机开挖，出渣采用挖机及装载机配合5t自卸车装运。

(3)分段开挖完成后进行该段支护体的拆除，拆除采用机械凿除、弱爆破、气焊、拉拽结合的方式。

需要注意的是：

(1)开挖时尽量避免挖机行走至支护体顶部，以保持挖机稳固。

(2)开挖过程中，围岩可能存在局部失稳、掉块等隐患，必须聘请数名经验极为丰富的矿工进行现场监护，及时预警和避险。

(3)对较为潮湿或节理发育的围岩，在其暴露时应立即进行支护；当其高度很高，不满足安全施工条件时，应采取暂停施工待其收敛、排险清危、吊顶支护等综合措施。

4.3临时支护施工

溶洞上部开挖后，由于硐室跨度大，高度高，应及时进行支护，确保后续施工作业处于安全的环境中。因溶洞纵横跨度均较大，围岩边界极不规则，临时支护方式主要采用随机锚杆、喷砼等，对泥岩等易遇水软化、风化塌落的岩体，在其暴露后及时进行喷砼封闭。

4.4廊道浇筑与溶洞上部回填施工

临时支护完成后，为保证下部溶洞开挖的施工安全，先进行廊道浇筑施工，形成保护体。根据溶洞尺寸和施工需要，确定廊道净空尺寸为4.2m×4.2m、3m×3.5m两种规格。廊道分段施工，混凝土泵送入仓。浇筑时，仅制安内侧模板，外侧浇筑至溶洞边界，两侧均匀授料上升，顶部按2m厚度浇平；底板厚度为1.5m，底板钢筋与防渗墙结构钢筋相锚固，待防渗墙完成后再进行底板的布筋浇筑施工。

溶洞上部混凝土回填采用泵送入仓，分段分层浇筑，一般以长12m、厚2m为一仓，在廊道端头设立挡头模板，分层进行回填振捣；对顶部倒扣碗状的部位，预埋泵管浇筑；基本浇筑饱满后，再从上层灌浆平洞内钻孔至溶洞顶部，先回填M20砂浆，再进行回填灌浆。廊道浇筑见图 3-8。

4.5防渗墙施工

防渗墙为3m厚C30W8F100钢筋混凝土墙，底部及两端嵌入基岩50cm；防渗墙分段（孔或槽）开挖浇筑，相邻段墙体用键槽连接。防渗墙结构钢筋在墙体两侧双层布置，横向钢筋为直径25mm的HRB400钢筋，竖向钢筋为内层直径20mm、外层直径25mm的HRB400钢筋。

在砂层紧密、深度较浅时，采用机械槽挖，一次成槽，一次植筋，泵送混凝土浇筑，可大大加快施工进度，应注意各工序必须紧密衔接，避免静置时间较长发生砂层剪切变形及垮塌。在砂层较松散、深度较深时，采用人工跳桩开挖，由上至下均采用C30钢筋砼护壁，第一节护壁高度为2.0m，以下各节护壁高度为1m，根据实际情况适当加深护壁高度，下挖及支护至底部基岩50cm后采用C30砼灌注。

传力墙为3m厚C30W8F100钢筋混凝土墙，间距为16m，其施工方法与防渗墙施工方法相同，在该部位防渗墙施工前完成。

受场地的限制，机械槽挖只能在少数的槽段使用，大部分还是需要采用人工挖孔桩的方式施工，其场地内的出渣运输采用小型卷扬机与人工推运配合的方式。垂直运输架由提升钢框架作为承重结构，配置慢速电动卷扬机提升；门式工字钢梁架安装在桩孔正上方，通过电动葫芦提升，沿工字钢梁横向移动；第一节段桩孔浇筑完混凝土后，桩孔旁的钢框架，通过三角架的转动横移；地面运渣用手推车。

4.6灌浆施工

布置固结灌浆孔，对防渗墙两侧未挖除的砂土层进行固结处理；布置帷幕灌浆孔，对防渗墙底部接触面及下部岩层进行防渗处理。

固结灌浆孔呈扇形布置，进入基岩1m。固结孔分两序，全孔一段钻灌，采用纯压式灌浆，压力为1.5~3.0MPa，采用2:1、1:1、0.7:1、0.5:1四级水灰比，在设计压力下，注入率不大于1L/min后，继续灌注30min结束。

帷幕灌浆孔呈梅花型双排布置。分三序，采用孔口封闭灌浆法自上而下分段钻灌，压力为3.5MPa，采用1:1、0.7:1、0.5:1三四级水灰比，在设计压力下，注入率不大于1L/min后，继续灌注60min结束。

5处理效果

项目工程溶洞处理顺利完工：溶洞上部空腔为大体积混凝土充填，下部为3m厚防渗墙，墙体底部及两端均嵌入完整基岩，防渗墙以下基岩经帷幕灌浆处理。通过试验及压水检查表明，混凝土强度高于设计值，岩层透水率低于设计标准。自水利工程开始蓄水至今，防渗墙运行良好，其防渗性能、稳定性满足设计要求。

参考文献：

1..孙钊.大坝基岩灌浆[M].北京：中国水利水电出版社，2004.

2.袁光裕，胡志根.水利工程施工[M].中国水利水电出版社，2009.

崔磊，1994年1月，男，布依族，贵州省安顺市紫云县，大学本科，工学学士，工程师，

研究方向：水电工程