小水電巖溶滲漏及處理措施探討

夏界平

(長(zhǎng)江三峽勘測(cè)研究院有限公司，武漢 430073)

0 前言

巖溶一詞最早表達(dá)為亞得里亞海達(dá)爾馬提亞(Dalmatia)沿岸的石灰?guī)r區(qū)喀斯特。中國(guó)是個(gè)多溶洞的國(guó)家，尤以廣西境內(nèi)的溶洞著稱(chēng)，如桂林的七星巖、蘆笛巖等。北京西南郊周口店附近的上方山云水洞，深612 m，有7個(gè)“大廳”被一條窄長(zhǎng)的“走廊”相連，洞的盡頭是一個(gè)碩大的石筍，美名十八羅漢，石筍背后即是深不可及的落水洞，也有一定規(guī)模。

在巖溶帶來(lái)美景的同時(shí)，也為水電工程帶來(lái)了許多安全隱患。我國(guó)現(xiàn)有的病險(xiǎn)水庫(kù)大多修建于解放初期階段，受當(dāng)時(shí)的技術(shù)和歷史條件限制，多屬于“三邊”工程。20世紀(jì)70年代烏江渡水電站的建立，是我國(guó)在巖溶地區(qū)建設(shè)高壩大庫(kù)和大型水電站的標(biāo)志，隨后成功建成了紅水河大化水電站、黃泥河魯布革水電站、紅水河巖灘水電站、索風(fēng)營(yíng)等大中型水電站。

巖溶地區(qū)河谷一般斷面狹窄，巖石硬度中等，有質(zhì)量較優(yōu)的人工砂石骨料料源，是良好的水庫(kù)選址之選，但往往存在巖溶滲漏、涌水、邊坡穩(wěn)定、地基穩(wěn)定等一系列工程地質(zhì)問(wèn)題，所以，如何合理勘查和解決巖溶地質(zhì)問(wèn)題，成為水電站安全運(yùn)作的首要地質(zhì)問(wèn)題。

1 巖溶滲漏的發(fā)生機(jī)理

巖溶指可溶性巖石，特別是碳酸鹽類(lèi)巖石(如石灰?guī)r、石膏等)，受含有CO2的流水溶蝕，有時(shí)并加以沉積作用而形成的地貌。往往呈奇特形狀，有洞穴、石芽、石溝、石林、溶洞、地下河也有峭壁。此種地貌地區(qū)，往往奇峰林立。通常指巖石裸露、草木不生、具有洞穴、落水洞、地下河而缺乏地表河流和湖泊的地區(qū)。是地下水對(duì)可溶性塊狀石灰?guī)r溶蝕的結(jié)果。

1.1 巖溶的形成條件

石灰?guī)r在略有酸性的水中更易于溶解，而這種水在自然界中廣泛存在。雨水沿水平的和垂直的裂縫滲透，將石灰?guī)r溶解，并以溶液形式帶走。沿節(jié)理發(fā)育的垂直裂隙逐漸加寬、加深，形成石骨嶙峋的地形。當(dāng)雨水沿地下裂縫流動(dòng)時(shí)，就不斷使裂縫加寬、加深，直到終于形成洞穴系統(tǒng)或地下河道。

1.2 巖溶的形成過(guò)程

地表水在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)所經(jīng)過(guò)的沉積物或巖石有著重要的侵蝕作用，既包括水動(dòng)力作用下的碎屑物搬運(yùn)，又包括水對(duì)巖石或沉積物的化學(xué)溶蝕作用，還包括碎屑物在搬運(yùn)過(guò)程中的磨蝕作用。喀斯特地貌就是地下水對(duì)碳酸鹽巖侵蝕作用的結(jié)果。在水流作用下，形成陡峭的海岸、彎曲的溝壑、高高的冰蝕懸谷、氣勢(shì)磅礴的大峽谷。“滴水穿石”也是水的化學(xué)侵蝕作用的寫(xiě)照。

溶洞的形成是石灰?guī)r地區(qū)地下水長(zhǎng)期溶蝕的結(jié)果。石灰?guī)r的主要成分是碳酸鈣(CaCO3)，在有水和二氧化碳時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成碳酸氫鈣，后者可溶于水，于是有空洞形成并逐步擴(kuò)大。這種現(xiàn)象在南斯拉夫亞德利亞海岸的喀斯特高原上最為典型，所以常把石灰?guī)r地區(qū)的這種地形籠統(tǒng)地稱(chēng)之喀斯特地形。

2 巖溶滲漏的勘查內(nèi)容及方法

水利水電工程巖溶滲漏勘察不同于非喀斯特地區(qū)的滲漏勘察，巖溶水可分為淺層的和深層的兩種，巖溶的發(fā)育也是相當(dāng)?shù)膹?fù)雜，如果利用一般的地質(zhì)勘查工作進(jìn)行，是無(wú)法滿足巖溶勘查的要求的。水文地質(zhì)條件的勘查需要利用專(zhuān)門(mén)的技術(shù)支持，才能達(dá)到理想的效果，因此需要應(yīng)用巖溶工程地質(zhì)學(xué)的理論和方法進(jìn)行分析研究。

2.1 巖溶滲漏的勘查內(nèi)容

水庫(kù)巖溶滲漏勘察的任務(wù)是查明基礎(chǔ)地質(zhì)條件、巖溶發(fā)育規(guī)律一級(jí)發(fā)育程度、巖溶水文地質(zhì)條件，然后分析評(píng)價(jià)水庫(kù)是否存在巖溶滲漏、滲漏的方式，滲漏量及滲漏影響，最后提出滲漏處理的方法以及建議。

2.1.1 基礎(chǔ)地質(zhì)條件勘察

巖溶基礎(chǔ)地質(zhì)條件包括地貌形態(tài)與地質(zhì)結(jié)構(gòu)，構(gòu)造以及解理的分布情況，發(fā)育程度等。主要內(nèi)容有:①調(diào)查可溶巖的可溶性以及與隔水層的接觸關(guān)系，隔水層的隔水性能，兩者的產(chǎn)狀與分布情況，連續(xù)性及對(duì)水庫(kù)的影響;②查明斷層數(shù)量、規(guī)模、產(chǎn)狀及分布情況，斷層是否錯(cuò)斷隔水層或相對(duì)隔水層形成構(gòu)造切口及構(gòu)造切口的規(guī)模。斷定是否與斷層有直接的關(guān)系，為后期的治理提供資料。

2.1.2 巖溶發(fā)育程度及規(guī)律調(diào)查研究

巖溶發(fā)育程度與巖溶發(fā)育規(guī)律調(diào)查研究的主要內(nèi)容有:①調(diào)查巖溶形態(tài)特征、規(guī)模大小及其空間分布情況，統(tǒng)計(jì)點(diǎn)、線、面的巖溶率、鉆孔遇洞率等;②分析研究巖溶發(fā)育程度、地質(zhì)構(gòu)造對(duì)其的影響、地下水動(dòng)力條件以及地下水文網(wǎng)演變歷史的關(guān)系等。這樣分析的目的是研究水庫(kù)正常蓄水位以下巖溶發(fā)育的情況，并分析確定水庫(kù)巖溶滲漏的形式。

2.1.3 巖溶水文地質(zhì)條件研究

巖溶水文地質(zhì)條件研究的可以確定水庫(kù)巖溶滲漏范圍、途徑、滲漏量等，其主要內(nèi)容有:①根據(jù)巖性和構(gòu)造條件，劃分巖溶水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)類(lèi)型;②調(diào)查研究巖溶水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件，研究河水與地下水的關(guān)系，確定巖溶水動(dòng)力類(lèi)型;③分析研究是否存在地下水分水嶺及其分布位置與高程;④分析研究巖溶水文地質(zhì)參數(shù)。

2.2 巖溶滲漏的勘查方法

水庫(kù)巖溶滲漏主要勘察方法有水文地質(zhì)測(cè)繪、溶洞調(diào)查、鉆探、水文地質(zhì)試驗(yàn)、地球物理勘探、巖溶地下水觀測(cè)等。

2.2.1 巖溶水文地質(zhì)測(cè)繪

巖溶水文地質(zhì)測(cè)繪是相當(dāng)復(fù)雜的，但是巖溶水文地質(zhì)測(cè)繪在巖溶勘查中起著舉足輕重的作用，是巖溶研究工作必不可少的基礎(chǔ)工作，是一切巖溶水文研究的基礎(chǔ)。主要包括野外的地質(zhì)調(diào)查和室內(nèi)的分析整理。進(jìn)行巖溶地貌的觀察，推測(cè)巖溶發(fā)育的因素，查清區(qū)內(nèi)的化學(xué)成分、礦物成分、巖性結(jié)構(gòu)已經(jīng)分布特征。河系的發(fā)育情況，松散沉積物的堆積，地下水的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等都是水文地質(zhì)測(cè)繪的研究?jī)?nèi)容。

2.2.2 鉆探工程

鉆探是直接取得地下巖層的最有效手段，多用于礦產(chǎn)勘查工程中的最后階段。它不僅能進(jìn)行巖性分層，探查地質(zhì)構(gòu)造、也可以查明地下水的分布情況，隔水層的厚度已經(jīng)分布情況，透水層與隔水層的組合關(guān)系，透水層的范圍等，除了利用鉆探工程，利用地質(zhì)雷達(dá)，電法勘探也是取得地下水文地質(zhì)情況的有效手段。

2.2.3 水文地質(zhì)試驗(yàn)

水文地質(zhì)試驗(yàn)分為兩類(lèi):野外試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)。目的是為了定量評(píng)價(jià)含水層的富水性，測(cè)定含水層的水文地質(zhì)參數(shù)(K、T、S、μ)和地下水的補(bǔ)給、分布情況，巖溶地下水分水嶺及其位置、地下水補(bǔ)給通道和強(qiáng)流位置等。水文地質(zhì)試驗(yàn)包括鉆孔壓水試驗(yàn)、鉆孔抽水試驗(yàn)、鉆孔注水試驗(yàn)、示蹤試驗(yàn)等。

2.2.4 地球物理勘探

地球物理勘探是應(yīng)用物理學(xué)原理勘查地下礦產(chǎn)、研究地質(zhì)構(gòu)造的一種方法和理論，常用五字總結(jié)為:重、磁、電、震、放。是在物理學(xué)的基礎(chǔ)上，通過(guò)地質(zhì)反演技術(shù)，了解地下的地層，構(gòu)造和水文情況，它具有成本低，周期短，工程量小等優(yōu)點(diǎn)。在水文地質(zhì)的勘查中一般用地震勘探、電法勘探和磁法勘探。

2.2.5 巖溶地下水觀測(cè)

對(duì)巖溶地下水的實(shí)時(shí)狀態(tài)了解是抵制滲透最直接有效的方法，巖溶地下水觀測(cè)分簡(jiǎn)易觀測(cè)和動(dòng)態(tài)觀測(cè)。簡(jiǎn)易觀測(cè)是對(duì)水位，流量等基本水文情況的觀察;動(dòng)態(tài)觀測(cè)是在簡(jiǎn)易觀察的基礎(chǔ)上，除了對(duì)巖體和水流本身的觀察外，還要實(shí)時(shí)記錄氣候、季節(jié)等外界因素對(duì)水文條件的影響。巖溶地下水的觀察不僅能夠?qū)Φ叵滤唬瑥搅鳎判骨闆r進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，而且能夠?qū)崟r(shí)的觀察期的變化情況，為巖溶的治理收集完善的水文資料。

3 堵漏方案與措施

防滲方法概括起來(lái)就是避、堵、隔、圍、鋪、截、排、觀8個(gè)字。即首先盡量避開(kāi)巖溶發(fā)育的地方進(jìn)行建壩，堵住溶洞，采取防滲截流的方法，防滲鋪蓋截流墻，灌漿，用豎井或圍堤將溶洞圍在庫(kù)外，將壩基地下水或滲水導(dǎo)出壩外，進(jìn)行較長(zhǎng)期的運(yùn)行觀測(cè)，再對(duì)癥下藥地進(jìn)行處理。通常在壩址區(qū)常采用堵、鋪、截、排的方法，在水庫(kù)庫(kù)區(qū)常采用堵、隔、圍的方法。

3.1 輻射孔施工

輻射孔是在所掌握的地質(zhì)資料無(wú)法判斷打孔位置的情況下，可以再壩頂?shù)任恢貌贾幂椛淇祝檎壹袧B漏通道。輻射孔的鉆進(jìn)要按照實(shí)際情況進(jìn)行，在一般情況下，直接鉆進(jìn)到設(shè)計(jì)深度然后進(jìn)行灌漿，但是遇見(jiàn)透水嚴(yán)重的情況時(shí)，要利用大口徑的管道對(duì)透水部位進(jìn)行灌漿。在輻射孔打鉆過(guò)程中，按照反水情況進(jìn)行灌漿，以主要成分為水泥、黏土或膨潤(rùn)土、粉煤灰以及外加劑等的漿液進(jìn)行灌注，不僅可以防止流失，而且這樣合成的漿液有較高的韌性和較大的黏度。

灌漿孔結(jié)束灌漿后，采用濃漿回填。由于漿液終凝干縮后，在鉆孔上部會(huì)出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，因此采用原配比漿液進(jìn)行回填，直至灌漿孔不再出現(xiàn)脫空。

3.2 相鄰壩段結(jié)合部位施工

相鄰壩段結(jié)合部位灌漿孔可分為鉛直孔和斜孔，斜孔的傾角根據(jù)巖層的走向確定，通常垂直于基巖的走向。堵漏孔≥3排時(shí)，一般先施工背水排，再施工迎水排，最后施工中間排。灌漿孔的排數(shù)、孔距、排距根據(jù)前期的堵漏效果確定。鉆孔灌漿方法與輻射孔相同。

3.3 模袋混凝土施工

當(dāng)滲漏通道存在空腔時(shí)可選用混凝土堵漏，在施工前，應(yīng)對(duì)空腔部位進(jìn)行探勘查，確定空腔的基本形態(tài)特征，例如大小及形狀等，以便選擇模袋的類(lèi)型。模袋鋪放好后，利用灌漿泵向模袋內(nèi)灌注水泥漿液。模袋在鋪設(shè)時(shí)垂直和平行的方向都應(yīng)該留有一定的空間，一般依據(jù)施工要求控制。為防止灌漿管堵塞，漿液可以采用由稀到濃的方式灌注。在注漿的過(guò)程中為了達(dá)到更加快速理想的效果，應(yīng)該加入一些速凝劑，使其快速固化。

3.4 錨桿加固

模袋施工完成后，為安全起見(jiàn)可以進(jìn)行錨桿加固工程，這樣可以抵制水流再次沖刷而出。錨桿支護(hù)具有成本低、支護(hù)效果好、操作簡(jiǎn)便、使用靈活、占用施工凈空少等優(yōu)點(diǎn)。

3.5 化學(xué)灌漿

當(dāng)常規(guī)灌漿無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果時(shí)，可采用化學(xué)灌漿。化學(xué)灌漿是利用泵壓力通過(guò)鉆孔將硅酸鈉或高分子化合物漿液壓入巖土微細(xì)裂隙或混凝土裂縫內(nèi)加固或防滲的工程，漿液的凝膠或固化時(shí)間可在一定范圍內(nèi)按需要進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，凝膠過(guò)程可瞬間完成，凝膠體或固結(jié)體有良好的抗?jié)B性能，漿液在凝膠或固化時(shí)收縮率小或不收縮，灌漿效果好。

4 結(jié)語(yǔ)

巖溶地區(qū)壩基總會(huì)遇見(jiàn)滲透問(wèn)題，只有進(jìn)行全面的地質(zhì)調(diào)查工作，對(duì)工作區(qū)的滲漏問(wèn)題全面了解的情況下，進(jìn)行對(duì)癥下藥的方式，才能達(dá)到最大的效果，盲目的進(jìn)行注漿堵漏等操作，往往不能達(dá)到理想的處理效果，還會(huì)增加工程成本。

本著避、堵、隔、圍、鋪、截、排、觀8個(gè)字原則，對(duì)工作區(qū)的基礎(chǔ)地質(zhì)條件、巖溶發(fā)育規(guī)律與發(fā)育程度、巖溶水文地質(zhì)條件，分析評(píng)價(jià)水庫(kù)是否存在巖溶滲漏、滲漏途徑與滲漏范圍、滲漏形式、滲漏量及滲漏影響進(jìn)行全面分析，使得治理工程達(dá)到最優(yōu)化。

[1] 全國(guó)水利水電施工技術(shù)信息網(wǎng).水利水電工程施工手冊(cè)編委會(huì).水利水電工程施工手冊(cè):地基與基礎(chǔ)工程[S].北京:中國(guó)電力出版社，2004.

[2] 孫釗.大壩基巖灌漿[M].北京:中國(guó)水利水電出版社，2004.

[3] 熊進(jìn)，祝紅，董建軍.長(zhǎng)江三峽工程灌漿技術(shù)研究[M].北京:中國(guó)水利水電出版社，2003.

[4] 馬國(guó)彥，常振華.巖體灌漿排水錨固理論與實(shí)踐[M].北京:中國(guó)水利水電出版社，2003.

[5] 鄒成杰.水利水電巖溶工程地質(zhì)[M].北京:水利電力出版社，1994.