淺析馬鞍橋水庫左岸巖溶滲漏及其防滲處理

張 新，蔡寶柱

（新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司,新疆 烏魯木齊 830002）

我國西南地區巖溶分布廣泛。巖溶對水庫工程的影響主要是庫壩區巖溶滲漏和巖溶塌陷問題[1]。國內外已有文獻[2]對巖溶區水庫滲漏模式、滲漏條件、防滲技術等進行了一些研究。結合已有工程實踐[3],表明巖溶地區水庫建壩的關鍵前提是查清地下巖溶現象的位置、規模、連通關系、溶蝕程度等,針對性的制定防滲處理方案,確保水庫能蓄水、少滲漏或不滲漏。

馬鞍橋水庫位于云南省臨滄市,為Ⅲ等中型水庫,擬建壩型為瀝青混凝土心墻堆石壩,壩頂高程1652.50 m,最大壩高67.50 m,總庫容1140.00 萬m3。壩址左岸分布三疊系上統大水塘組上段（T3d2）中厚層狀灰巖、含燧石結核灰巖,鉆孔揭露最大厚度292 m,存在巖溶滲漏。綜合運用鉆孔、平硐、物探、原位測試與室內土工試驗等,查明了巖溶分布規律與滲漏情況,為防滲處理設計提供了翔實的地質資料。本文擬對其巖溶滲漏及相應防滲方案進行分析和探討,以期為類似工程提供有益的啟示。

1 壩址區基本地質條件

馬鞍橋水庫地處滇西南橫斷山區。壩址區山勢陡峻,呈“V”型,河谷狹窄,寬20 m～50 m,兩岸巖層走向與河流近平行,為順向河谷。左岸坡山頂高程1813 m～1909 m,上陡下緩,坡度27°～45°；右岸坡山頂高程1770 m～1953 m,坡度約35°。岸坡上覆第四系全新統殘坡積土厚度一般3 m～5 m。

壩址區分布地層主要為三疊系中、上統白云巖、玄武巖、灰巖、砂巖等,巖性平面分布見圖1。其中：

三疊系中統河灣街組（T2h）塊狀、中厚層狀白云巖、泥質白云巖,屬弱可溶巖,巖體溶蝕發育微弱或不發育,主要分布于左岸1750 m以上的谷坡和山頂及右岸高程1658 m～1710 m以上,巖層產狀30°～50°SE∠50～85°。

三疊系上統大水塘組下段（T3d1）玄武巖,為非可溶巖、具弱透水性,可作為左岸相對隔水層,層厚31 m～106 m,主要分布于左岸高程1685m～1793m一帶的谷坡,呈北東向展布,假整合接觸于河灣街組（T2h）之上,由上游庫尾河谷延伸至壩址壩肩,經F1斷層影響而殲滅。F1斷層位于壩址區左岸山坡,延伸長度約1 km,屬正斷層,產狀40°～50°SE∠80～85°,發育在三疊系上統大水塘組（T3d2）灰巖條帶中。斷層帶寬2.0 m～3.0 m,斷層破碎帶以碎裂巖為主,沿斷層巖溶發育,導水性強。

三疊系上統大水塘組上段（T3d2）中厚層狀灰巖、含燧石結核灰巖,為強可溶巖,巖層產狀50°SE∠72°,層厚115 m～292 m,主要分布于壩址左岸高程1622 m～1692 m,整合接觸于大水塘組下段（T3d1）之上,存在巖溶滲漏問題。

三疊系上統南梳壩組（T3nn）泥巖、砂巖夾泥灰巖,為非可溶巖、具弱透水性,可作為相對隔水層,分布于壩址左岸高程約1673 m以下、河床及右岸山體,層厚73 m～89 m,該層與大水塘組上段（T3d2）呈整合接觸。

壩址區地層巖性分布情況見圖1。

圖1 壩址區地層巖性分布平面圖

2 左岸巖溶勘察

2.1 巖溶勘察方法

根據工程實際,結合專家咨詢意見,綜合采用巖溶現象調查及測繪、鉆探、壩肩平硐、物探（選用了高頻大地電磁測深、高密度電法、井下全孔壁數字成像、聲波測試等）、鉆孔壓注水、室內土工試驗等勘探手段和試驗方法,查明了巖溶分布和滲漏。

2.2 巖溶發育特征及規律

2.2.1 巖溶形跡

巖溶形跡受巖性和結構面控制。地表及鉆孔、平硐揭露的巖溶形跡大多位于T3d2灰巖條帶中,沿裂隙、層面、軟弱夾層、斷層構造等結構面發育,主要充填角礫巖、巖屑、方解石及次生粘土,透水性較好。在靠近河谷地帶以及可溶巖與非可溶巖接觸部位,溶蝕裂隙較發育,可見溶洞、溶孔等,如左岸K6、K7溶洞位于T3d2灰巖與T3d1玄武巖、T3nn砂巖交界處。巖溶洼地、溶洞、落水洞以及巖溶泉多呈北東或北北東向發育。

2.2.2 巖溶發育歷史

馬鞍橋水庫處于保山-耿馬中山盆地碳酸鹽巖碎屑巖類水文地質亞區中的玉明珠河段巖溶地下水子系統內,未發現大規模古巖溶,巖溶形跡以現代巖溶為主。新構造運動以來,受地殼整體抬升,玉明珠河快速下切,現代巖溶發育處于早期階段,即裂隙擴溶階段,巖溶以溶隙、溶孔為主,溶洞和小型溶蝕洼地等主要發育在河谷兩岸及可溶巖與非可溶巖交界附近,未發現巖溶管道系統。

2.2.3 巖溶空間分布

由于區域新構造運動以急劇抬升為主,間歇性不明顯,在巖溶形成過程中,迅速下切的河流使地下水強烈溶蝕帶附近尚未形成水平巖溶系統時,地下水位已下降,強烈溶蝕帶隨之下移,導致巖溶形跡在垂向上較分散,大致分布在三個高程帶：1500 m～1530 m、1570 m～1590 m、1600 m～1630 m。鉆孔巖溶形跡統計表明,巖溶發育總體上隨深度增加而減弱,在1450 m～1470 m高程以下鉆孔線巖溶率明顯減小。

高密度電法、高頻大地電磁法測深（EH-4）探查結果表明：在壩址左岸向上游側的玄武巖連續穩定,有利于防滲封閉。順F1斷層破碎帶,灰巖條帶巖溶發育,發育高程為1510 m～1575 m。

鉆孔、平硐揭示,在水平方向,近河谷部位水動力條件好,巖溶形跡較明顯,向岸坡50 m～100 m巖溶形跡逐步減少。

2.2.4 巖溶發育程度

區域地表巖溶調查及壩址附近16 個鉆孔揭露的巖溶形跡統計見表1。巖溶形跡以溶隙、溶孔為主,溶洞較少,在河谷地帶及左岸鄰谷附近較多,深部揭露的很少。其中,左岸壩址附近T3d2灰巖表面發育的2 個溶洞、落水洞洞徑約1.5 m～3.0 m,在洞深約2 m～2.5 m即變成溶蝕裂隙,無水；左壩肩ZK23 鉆孔在孔深85 m～88.3 m發現溶洞,充填粘土。

按照巖溶發育程度劃分標準[4],壩址區巖溶發育程度弱～強,其中以白云巖為主的T2h地層,巖溶發育弱,以純灰巖為主的T3d2地層,巖溶發育整體也較弱,但順層面構造、與非可溶巖接觸部位以及斷裂構造影響帶內,巖溶較發育,屬中等～強。

巖溶發育見表1。

表1 巖溶發育統計表

3 左岸巖溶滲漏

3.1 巖溶滲漏判別

鉆孔揭示,壩址左岸T3d2灰巖條帶層厚115 m～292 m,地下水位1446.87 m～1528.21 m,低于河床水位81 m～146 m。深度0 m～172 m溶蝕強烈,多形成溶隙、溶孔、溶洞,巖體中等～強透水；172 m以下溶隙不發育,巖體弱～微透水,透水率多小于5 Lu。

該層靠左岸山體一側分布連續完整的T3d1玄武巖條帶,呈順河向展布,層厚31 m～106 m,為不可溶巖,且深度14.5 m以下巖體透水率小于2.9 Lu,屬弱～微透水,為相對隔水層。同時,玄武巖地下水位穩定在1670.7 m～1690.6 m之間,高于正常蓄水位1651.5 m。

該層靠河床一側為T3nn頁巖、泥巖夾砂巖、泥灰巖,深度32 m～65.8 m以上巖體透水率大于10 Lu,屬中等～強透水,以下巖體透水率基本小于5 Lu,屬弱～微透水,為相對隔水層。壩址左岸正常蓄水位位于中等～強透水性的T3nn巖層中,且該層與T3d2灰巖整合接觸,庫水通過巖溶裂隙、落水洞和溶洞直接補給灰巖地下水深槽帶,再沿巖溶裂隙,經上下壩肩向下游排泄,因此左岸灰巖存在裂隙型滲漏通道。

3.2 巖溶滲漏量估算

左岸T3d2灰巖巖溶裂隙滲漏量估算如式（1）,計算結果見表2。可見,庫水經左岸巖溶裂隙滲漏量為0.22 m3/s,相應年滲漏量約694 萬m3,占壩址以上多年平均徑流量的33.5%。量值較大,需采取必要的防滲處理措施。

式中：Q為滲漏量；B為滲漏帶寬度,取灰巖平均寬度98 m；K為滲透系數,取灰巖滲透系數大值均值2.43×10-4m/s；H1為水庫正常蓄水位；h1為庫內含水層厚度,為正常蓄水位與河流裂點標高1420m之差；H2為下游河谷水位；h2為下游含水層厚度；L為水庫岸邊至下游河谷的水平距離。

計算結果見表2。

表2 左岸壩肩巖溶滲漏量估算表

4 左岸巖溶滲漏防滲處理

4.1 防滲方案比選

庫區內與庫水接觸的T3d2灰巖約11.2 萬m2,可采用水平防滲,但缺陷主要是成庫后庫盆懸托高度大、掩埋和半掩埋溶蝕洼地、溶洞,基礎軟硬不均,浮土下溶蝕寬縫、溶洞空腔臨空,長期運行存在滲透、沉降變形和擊穿破壞可能,可靠性差。

另一方面,壩址左岸滲漏帶主要集中在T3d2灰巖中,平均寬約98 m,遇大規模巖溶管道、空腔的可能性小,主要問題是深度大,須實施分層灌漿帷幕搭接。經充分認證和技術經濟比選,最終采用垂直防滲方案。

4.2 防滲底界確定

巖溶底界的確定原則有：①根據鉆孔壓水試驗,按設計所需呂榮值（Lu）確定；②根據實測地下水位確定,一般比最低水位低20 m左右；③根據巖溶通道連通試驗測定的下游出水點高程確定。

勘察揭示鉆孔壓水試驗5 Lu以下5 m的高程為1480.92 m,實測鉆孔最低水位為1446.87 m；同時根據巖溶分類,強巖溶下限高程為1461.92 m。結合上述確定原則,從偏于安全的角度,巖溶防滲底界高程取為1420.0 m。

4.3 灌漿帷幕設計

自壩頂高程（左壩肩灌漿平硐底高程）1652.5 m起,至巖溶防滲底界1420.0 m止,灌漿帷幕深232.50 m,采取分層防滲方式。

4.3.1 分層灌漿結構

灌漿深度越深,灌漿導管偏移越大,其灌漿效果越差。因此,灌漿帷幕共分三層,每層偏距6 m。第一層即左壩肩灌漿平硐,灌漿深度由壩頂1652.5 m~1552.5 m,深100 m；第二層灌漿平硐底高程1562.5 m,灌漿深度由1562.5 m~1500.0 m,深62.5 m；第三層灌漿平硐底高程1510 m,灌漿深度由1510 m至1420 m,深90 m。

為保證灌漿連續,形成封閉體系,在三層灌漿平硐之間深度搭接10 m,即第一層灌漿底界與第二層灌漿頂界、第二層灌漿底界與第三層灌漿頂界之間相互搭接10 m。分層灌漿結構設計見圖2。

圖2 灌漿帷幕結構設計圖

4.3.2 灌漿平硐布置

三層灌漿平硐均采用城門洞型,斷面尺寸4.0 m×4.5 m （寬×高）,分別長90.5 m、110 m、110 m；三層平硐垂直壩軸線方向水平偏移6 m。由于平硐段為可溶性灰巖,巖性較差,平硐開挖后采用10 cm厚掛網噴護混凝土襯砌一次支護后,在洞內襯砌50 cm厚C25 現澆混凝土作為永久支護。

4.3.3 灌漿施工

采用高壓帷幕灌漿,灌漿壓力4 MPa～6 MPa,帷幕共2 排,排距1.5 m,孔距1.5 m,由下層至上層分層、分段、分序灌漿,先進行下游排I序孔灌漿,再灌II序、III序孔,然后灌上游排孔[5]。灌漿采用小口徑（開孔孔徑73 mm,以下56 mm,終孔不小于46 mm）鉆進,先鉆5 m低壓灌漿后,下入長孔口管用濃漿鑲好,待凝完成后分段鉆孔直至終孔。各灌漿段漿液由稀至濃逐級變換,灌漿壓力在一般灌漿段盡快升到設計最大值,遇溶洞先封堵。

4.4 滲流監測

為監測左岸防滲帷幕效果及繞壩滲漏,設計在每層灌漿平硐上下游側沿軸線間隔50 m設滲壓計一組,共18 支,并在左岸山體設繞壩滲流管3 根。同時,在下游壩腳處設三角形量水堰1 座,采用0.8 m混凝土墻截斷河槽,以監測壩體壩基總滲流量。

5 結語

馬鞍橋水庫壩址左岸分布三疊系上統大水塘組上段（T3d2）灰巖,存在巖溶滲漏。在各種勘察方法查明巖溶以溶隙、溶孔為主,巖溶發育隨深度增加而減弱的前提下,經充分論證和比選,設計采用三層灌漿帷幕搭接防滲處理,帷幕深232.50 m,同時設置滲流監測設施,較合理的解決了左岸巖溶防滲處理難題,確保了水庫正常修建。

另一方面,鑒于巖溶的復雜性,且T3d2灰巖局部較厚、灌漿帷幕較深,部分巖溶現象可能仍未查清。因此,建議在施工過程中,根據揭示的地質情況和試驗性灌漿效果,適時補充地質勘察研究和（或）優化、調整設計；如遇規模較大溶洞,可采取膜袋灌漿或投瓜子石、砂等方式,并增加灌漿排數。