紫坪鋪水庫工程樞紐地下采空區處理回顧

(四川省水利水電勘測設計研究院，成都，611731)

1 工程概況

紫坪鋪水庫工程為鋼筋混凝土面板堆石壩，最大壩高158m，正常蓄水位877.0m，總庫容11.12億m3，總裝機容量76萬kW。主要水工建筑物有攔河大壩，壩后地面廠房，右岸開敞式溢洪道，4條引水發電隧洞，1條沖砂放空隧洞和2條由導流隧洞改造而成的龍抬頭式泄洪排砂隧洞。

2 地質概況

工區主要地質構造為沙金壩向斜，沿右岸條形山脊展布，軸向N50°～70°E，向NE方向(河床)傾伏，傾伏角25°～35°，北西翼較陡，巖層產狀N25°E/SE∠60°～70°南東翼稍緩，巖層產狀N45°E/NW∠45°～60°。受向斜控制，使得北西和南東兩翼含煤地層重復出現。

2001年3月工程正式開工后，在施工開挖中從5#、6#、7#公路、1#、2#導流洞、溢洪道、引水洞進口、廠房后坡及大壩左右壩肩等多處遇見廢舊煤洞。為此，我院向業主方發函，要求對壩址區廢舊煤洞作進一步查明，業主方委托黃河勘測規劃設計研究院有限公司物探總隊采用瞬變電磁法對地下采空區進行了實測，探測發現在大壩軸線上下游、左右壩肩、引水洞及廠房等探測區域，尤其是左右壩肩及趾板地基均分布較多的廢舊煤洞、地下采空區，多條煤洞已穿過趾板地基，并且最終確定“探測區域為采空區發育區”。

3 地下采空區分布特點

前期勘察調查及施工揭示，廢舊煤洞分布范圍較廣，上游至1#導流洞進口，下游至1#泄洪排砂洞出口，左右岸均有分布，工程區共發現廢舊煤洞126個。廢舊煤洞的分布具有以下特點：

(1)煤洞基本上沿煤質頁巖組成的層間剪切破碎帶L、Lc掘進，其中L占84個，Lc占28個，F3斷層破碎帶占11個，砂巖中發現的無名洞3個。發現的廢舊煤洞主要是在煤質頁巖和富含煤的地層中開采，占所發現煤洞的97.6%；

(2)受河床洪枯水位變幅帶影響，廢舊煤洞主要分布在右岸和750m～850m高程之間；

(3)煤洞開采時間長，加之煤質頁巖自穩能力差，大部份已垮塌，只有少部份見洞穴及木樁、木屑等煤窯開采殘留物；

(4)從已開挖處理深度范圍揭示，煤洞開采可達100m以上，規模都不大，洞徑一般1m～2m，隨著向山體的延伸，煤洞的分布越來越少。

表1主要含煤地層(層間剪切破碎帶)一覽表

根據樞紐區含煤地層沉積韻律，已發現的新、舊煤洞洞口地表分布及采空區探測成果資料，大致可將樞紐區地下采空區分為以下三種類型：

(1)受煤質頁巖層分布控制的隧道型通道。由于多次重復開采，又可分為單層型(右岸FMD8號煤洞)和多層型(左岸FMD38號煤洞)，也可以根據是否穿過砂巖層分為順層型(廠房后坡FMD37號煤洞)或切層型(左岸FMD43號煤洞)；

(2)以局部擴挖開采為主的洞穴型空洞(右岸FMD42號煤洞)；

(3)由上述兩種類型組合而成的采空區，例如右岸大壩地基。

4 地下采空區對工程的影響

紫坪鋪工程面板堆石壩設計的核心問題是滿足防滲工程設計，因此，設計者需要關注的是：

(1)在壩址區左右壩肩及河床部位，尤其是趾板部位是否存在著上、下游貫通的小煤窯廢舊煤洞通道，如果有這樣的情況存在，蓄水后將成為庫水集中滲漏的主要通道，將嚴重影響大壩的安全及水庫的正常運行。

(2)壩基部位，尤其是大壩軸線上游地基部位，承受上部荷載，填筑后在一定的深度范圍內由于地基中廢舊煤洞存在，會發生塌落變形，特別是采空發育區的連通塌陷，將可能引起大壩不均勻變形，從而危及上游過渡區、墊層區和鋼筋混凝土面板安全，以至潰壩失事。

(3)分布在水工隧洞附近或與水工隧洞交叉部位的煤洞，將可能影響到洞室之間巖柱圍巖和基礎的穩定性。分布在岸坡及永久建筑物基礎部位的煤洞，將影響到邊坡穩定和造成地基塌陷變形，危及建筑物安全。

5 地下采空區的設計處理原則及處理對策

針對紫坪鋪工程樞紐地下采空區的分布特點和結合水工建筑物具體布置，先確定大的處理原則，后落實到具體的處理對策。

5.1 地下采空區的處理原則

(1)對有可能穿越帷幕灌漿線的廢舊煤洞處理，主要是處理受煤質頁巖分布控制的隧道型通道。從當時物探資料來看，左岸有三處，右岸有近十處，分布最深處高程達685m，離該處地面約145m左右，查明洞口并順洞清挖再回填混凝土是最有效的封堵方法，如果難以找到準確位置的，只能以物探資料結合煤質頁巖產狀進行高壓灌漿為主的封堵。另外還采取國內一些水庫處理大型溶洞的成功灌漿經驗，對煤洞進行高壓灌漿。如我國云南五里沖水庫巖溶塌陷體長47m，帷幕線上面積達3200m2，進行加密高壓灌漿取得了成功的經驗。

(2)對于大壩等主要建筑物地基中的廢舊煤洞處理，重點應優先處理大壩軸線上游基礎部位一定埋深以內的密集采空區及貫穿趾板地基上游的廢舊煤洞通道。物探資料顯示右岸部位存在大量由隧洞型通道和洞穴型空洞組成的采空區，對于該部位的處理，宜盡可能采取先堵后灌，尤其是離建基面不深的部位，盡可能地找準煤洞位置查明其洞向，進行清挖后采用混凝土回填并再進行灌漿等方法使之充填密實，達到設計要求處理的范圍。壩體其它部位對建筑物及邊坡有影響的采空區，也要根據不同情況進行分析，確定相應的處理措施。

(3)在帷幕線上進行廢舊煤洞灌漿處理時，首先要明確防滲帷幕下限和左右防滲邊界，要通過灌漿試驗確定灌漿參數和灌漿工藝，對重點部位要采取特殊措施，通過灌漿試驗對不同巖體、不同部位給出不同灌漿參數并在施工過程中適當進行調整。對特殊部位的鉆孔孔排距可適當增加，孔排距視灌漿試驗成果而定，通過分序灌漿加密滿足防滲設計要求。立足于高壓灌漿，建立高標準的防滲帷幕。與高壓灌漿相適應，宜使用稠漿以提高灌漿的穩定性，只有采用更稠的穩定不泌水的漿液才能獲得密實的結石，并在一定的傳播半徑內形成均勻的充填體。對于基礎深部廢舊煤洞封堵，是否采取分層搭接的幕體結構，應根據最終勘測成果資料、壩體允許滲漏水量等進行綜合比較分析后確定。

5.2 具體處理對策

鑒于地下采空區處理是本工程成敗的關鍵問題之一，其成敗關系到工程安全及效益，我院高度重視，曾多次進行專題研究，在盡可能多地吸取國內外類似工程的成功處理經驗基礎上，確定了相應的具體處理方案。

(1)穿越帷幕灌漿線(大壩趾板及左右岸帷幕線)的煤洞與帷幕軸線垂直距離上游30m，下游20m范圍內所有煤洞填灌密實，見圖1所示。

圖1 穿越帷幕線者

(2)永久建筑物基礎底部的煤洞與永久建筑物基礎邊線垂直距離25m范圍內所有煤洞填灌密實，見圖2所示。

圖2 永久建筑物基礎底部

(3)在水工隧洞附近或與水工隧洞交叉的煤洞與水工隧洞垂直距離3倍水工隧洞洞徑范圍內所有煤洞填灌密實，見圖3所示。

圖3 在水工隧洞附近或與隧洞相交者

(4)壩基、岸坡及永久建筑物基礎部位的煤洞洞寬與煤洞上覆巖體厚度見表2，在此范圍內煤洞要求填灌密實，其中B、H見圖4所示。

表2煤洞寬度與上覆巖體厚度關系

圖4 壩基或岸坡煤洞寬度和上覆巖厚度示意

(5)右岸條形山脊帷幕線以前，884.0m高程以下的所有煤洞全部填灌密實。

(6)以上(1)-(4)項煤洞處理的長度均不小于25m，對長度不超過25m的煤洞全部處理。

(7)填灌方式：能夠查明洞口或洞向者，清挖后采用人工回填C15混凝土或泵送C20混凝土處理，并填灌密實；若查明洞向較困難或雖查明了洞向但煤洞已坍塌，難以清挖，則采用地表打孔，高壓灌漿法處理，水泥砂漿或水泥漿采用M10(見圖5所示)，孔距可依據現場情況確定，工程師可作調整；對帷幕灌漿線附近的煤洞，填灌密實后要求待凝，再打孔(或掃孔)穿越煤洞底板2m深，用水泥漿灌注，灌漿壓力采用相應埋深的帷幕灌漿壓力控制。

圖5 灌漿示意

(8)每條煤洞處理完成后，由工程師布置打孔進行壓水試驗檢查，要求穿越帷幕灌漿線的煤洞透水率q≤3Lu，其余煤洞透水率q≤10Lu。

6 結語

紫坪鋪水庫工程于2004年12月開始下閘蓄水，2005年5月第一臺機組發電，2006年12月整個工程竣工投入使用，從水庫蓄水至地震前的運行情況來看，大壩趾板未產生變形、漏水現象，壩下游及邊坡未見異常出水點，鄰谷白沙河未出現異常出水點，壩后量水堰滲流量維持在10L/s～17L/s之間；壩基上游部位未發生塌陷變形，大壩壩體未產生大的不均勻變形，多年來測得壩體總沉降量僅20多cm；各水工隧洞進口閘室基礎及進出口邊坡穩定，未產生地基變形、移位和不均勻沉陷等問題，地下洞室圍巖穩定，隧洞混凝土襯砌均未見異常變形、破壞。說明前期設計、施工對地下采空區的處理效果是明顯的、成功的。2008年該工程經歷了“5·12”汶川8級特大地震考驗，震后壩后量水堰最大滲流量為18.34L/s，壩體最大沉降量81cm。經過災后恢復重建、整治后，目前工程運行良好。通過2008年地震考驗，再次表明前期設計上確定的地下采空區處理方案是切實可行的，沒有遺留大的安全隱患。