巖溶復雜地區大型滲漏通道堵頭常用方法及工程實踐

楊莉英，王玉生

(1.四川省綿陽武都引水工程建設管理局，四川綿陽，621000；

2.中國水電基礎局有限公司，天津，301700)

1 前言

巖溶作為一種特殊的地質條件下形成的現象，它是石灰巖、泥灰巖、白云巖、大理巖、石膏、鹽巖層等可溶性巖受到水的化學和機械作用而形成的溶洞、溶溝、裂隙、暗河、漏斗、鐘乳石等奇特的地面以及地下形態的總稱。常見巖溶形態有：溶洞、土洞、溶溝(槽)、落水洞、漏斗等。

四川武都水庫大壩壩址區的主要工程地質缺陷是兩岸強烈發育的規模較大的巖溶系統，左岸發育的較大型巖溶系統(編號為：K108)，其平面展布長450m，寬約200m，形成兩支巖溶管道滲漏通道：①分布于左岸帷幕防滲地段和1#壩段，地表落水洞順層分別向下發育與K108-1、K108-2支洞連通；②分布在2#-7#壩段的地表落水洞順層分布向下發育與K108主洞、K108-3、K108-5、K108-7支洞連通。

根據設計要求，對大壩應力及防滲有較大影響的K108大型水平巖溶通道的主洞進行封堵，堵頭段位于5#及6#壩段下部，軸線長度31.3m，寬度4m～6m，高度18m～20m，頂拱距壩基面厚度15m～20m。該部位巖溶屬半充填型，充填物類型為粘土、粘土夾塊碎石、粘土夾卵礫石、含泥砂卵礫石等。

2 堵頭處理的難點與特點

2.1 堵頭混凝土溫控問題

為了保證混凝土質量，防止裂縫的產生，從澆筑塊的劃分、混凝土配合比和各外加劑的選用到澆筑溫度的控制、通水冷卻和混凝土養護等有效的溫度控制措施，是堵頭混凝土施工的質量控制重點。

圖1 堵頭段平面布置

圖2堵頭段縱剖面

2.2 堵頭段施工工藝質量控制問題

堵頭段巖溶系統形成的巖溶管道滲漏通道對大壩應力及滲漏產生較大影響，如果處理不好將對大壩后續正常運行產生重大隱患，故在施工期間對堵頭段各施工工藝的統籌安排以及質量控制將是堵頭成敗的關鍵。

3 堵頭處理設計要求

(1)堵頭段范圍內發育的落水洞追蹤清挖并澆筑混凝土回填封閉，在對堵頭段進行封堵前，要求徹底清除洞內的堆積物與洞壁的鐘乳石、鈣華，并對洞壁進行充分鑿毛處理。

(2)混凝土應采用微膨脹混凝土，設計指標同堵頭混凝土。堵頭段混凝土設計指標為：混凝土設計強度等級為C2820，抗滲標號為W8，膨脹率不小于80×10-6。

(3)堵頭段全斷面按梅花形布置固結灌漿孔，深入圍巖8m，間、排距2m。

(4)堵頭段全斷面布設M30砂漿φ25錨桿，間、排距5m，錨桿長6m，深入基巖5m，深入封堵混凝土1m。

(5)堵頭段頂部進行回填灌漿。

(6)堵頭段兩側邊墻及頂部回填灌漿2m以下范圍內的圍巖與堵頭混凝土之間進行接觸灌漿。

(7)堵頭分兩段施工，中間設置橫縫，進行接縫灌漿。

4 堵頭段施工主要工藝流程

施工主要內容包括：充填物清挖、洞壁鈣華層鑿除、錨桿施工、固結灌漿、監測儀器埋設、回填混凝土、回填灌漿、接觸灌漿、接縫灌漿，以及監測儀器埋設和觀測。

圖3 堵頭段施工工藝流程

5 巖溶清挖、錨桿和圍巖固結灌漿施工

5.1 充填物清挖

采用人工優先把主洞連通的各落水洞及支洞內巖溶充填物清挖運輸至K108主洞。當堵頭段支洞及落水洞的水力連通條件好時，用高壓水將充填物沖射至主洞段，再由小型機械設備清挖拉運。

5.2 鈣華層清理

根據設計要求，在溶洞洞壁內因巖溶作用形成的鈣華層需全部清理干凈，因該部位高度約18m～20m，為方便洞壁及洞頂的鈣華清理、鑿毛處理以及錨桿和固結灌漿施工，洞內搭設扣件式鋼管腳手架施工平臺。分布在洞壁的鈣華層，通過搭設的架管平臺從上往下逐層清理。厚塊狀鈣華用膨脹劑或風鎬破碎，薄層狀鈣華人工用鐵鏨鑿除，直至出露巖石面。

5.3 錨桿

堵頭段全斷面布設M30砂漿φ25錨桿，間、排距5m，錨桿長6m，深入基巖5m，深入封堵混凝土1m。

5.4 固結灌漿

洞周固結灌漿采用無蓋重灌漿，在堵頭澆筑之前進行，固結灌漿孔按梅花形布置固結灌漿孔，深入圍巖8m，間、排距2m，灌漿壓力為0.5MPa。灌漿按環間分序、環內加密的原則進行。

6 堵頭混凝土施工

6.1 檢測儀器埋設

以接觸裂縫開合度監測為主，輔以溫度與滲透壓力監測。主要監測堵頭段混凝土與圍巖接觸面的開合度，新澆筑混凝土與原先澆筑的混凝土之間的接縫開合度，混凝土內溫度的變化(為接觸接縫灌漿條件提供依據)，以及洞壁圍巖內的滲透壓力(固結灌漿完成后)，主要監測項目及埋設儀器設備有：

(1)裂縫監測：主要了解回填混凝土與溶洞洞壁的開合度及新老混凝土之間接縫開合度的變化規律。共布設7支單向測縫計。

(2)溫度監測：對回填混凝土的溫度進行檢測，主要為接觸及接縫灌漿提供依據，也為混凝土澆筑過程中溫度控制提供依據。共布設4支溫度計。

(3)滲透壓力監測：監測該區域固結灌漿后圍巖的滲透壓力。共布設3支滲壓計。

6.2 混凝土澆筑施工

6.2.1 原材料的選用

根據設計要求，堵頭混凝土采用C20微膨脹混凝土，在施工前通過多次試驗及研究討論，選取適合本工程的原材料、外加劑、摻合料并最終確定最適合的施工配合比。水泥采用具有水化熱低、抗硫酸鹽性能強、干縮低、耐磨性能好等優點的P.MH42.5中熱硅酸鹽水泥。堵頭混凝土中摻入高效減水劑和緩凝劑，另外摻入優質粉煤灰。根據配合比性能檢測后推薦混凝土施工配合比如表1所示。

表1 堵頭混凝土配合比

6.2.2 分段分倉

堵頭段混凝土總共4800m3，為保證混凝土質量，防止裂縫的產生，根據澆筑入倉條件和設備配置情況詳細研究堵頭的分倉分塊。最終確定將堵頭從平面位置分為2段：即第1段堵0+010.2～堵0+031.2、第2段堵0+000～堵0+010.2。立面分倉高度按不大于2m控制，總共分為18倉。

6.2.3 澆筑順序安排

先回填堵頭段范圍的支洞、落水洞，再回填堵頭段主洞混凝土。主洞混凝土第1段澆筑兩倉后，再澆筑第2段第1倉，然后第1段和第2段跳倉往上澆筑。要求下層混凝土澆筑至少3d后，才能澆筑上一層混凝土，澆筑順序按圖4所示。

圖4 堵頭段分倉及澆筑順序示意

6.2.4 混凝土運輸入倉

受現場通道限制，采用3m3的混凝土罐車運輸至交通支洞與K108主洞交叉口，再用HBT60混凝土輸送泵將混凝土送入澆筑倉面。

6.2.5 鋪料振搗

混凝土入倉落差不能大于2m，根據布料情況及時調整入倉口位置，采用分層法平澆，分層厚度20cm～40cm。混凝土振搗時，距埋設儀器及預埋管必須有一定的安全距離，儀器及預埋管附近的混凝土用人工振搗密實。

6.2.6 混凝土養護

終凝后采用灑水養護，混凝土水平層面的養護時間至上層混凝土澆筑之前，混凝土永久外露面的養護時間不小于14d，養護期間使混凝土表面始終保持濕潤狀態。

6.2.7 澆筑混凝土溫度控制

混凝土的允許最高澆筑溫度按表2控制。

表2 混凝土允許最高澆筑溫度控制標準

混凝土澆筑溫度采用溫度計測量，測量平倉后本層混凝土5cm～10cm深度處的溫度，每個澆筑層不少于2個測點，安排專人進行溫度測量并做好實測溫度記錄。

為保證混凝土入倉溫度滿足要求，主要采取以下溫度控制措施：

(1)在氣溫較高時，采取搭設遮陽彩條布防止太陽直接暴曬骨料；

(2)氣溫較高時，混凝土罐車及地表溜槽上方搭設遮陽材料；

(3)避開在較高溫度時段內進行混凝土澆筑，安排在早晚和夜間澆筑混凝土。

6.3 混凝土通水冷卻

為消減混凝土初期絕熱升溫以及堵頭混凝土接觸灌漿和接縫灌漿的需要，在堵頭混凝土內埋設冷卻水管。冷卻水管采用梅花形布置，水管的水平間距1.5m，距離混凝土澆筑塊的邊緣0.5m，水管的垂直間距1.0m。單根冷卻水管的長度不大于200m，采用直徑3.26cm的HDPE高密度聚乙烯管。冷卻水管在倉面內固定在插筋上，用φ25鋼筋插入下層混凝土中作為插筋，插間距2m。

混凝土將冷卻水管覆蓋12h后，即開始進行初期通水冷卻(水泵2臺，其中1臺備用，水泵流量20m3/h，揚程30m)，通水量按18L/min～20L/min，每12h變換通水方向，通水時間為18d，每天混凝土的最大降溫幅度控制在1℃以內。通水冷卻期間，專人進行通水冷卻，并詳細記錄通水時間、流量、水溫等情況，通水時間為18d。

通水冷卻結束后，采用M20水泥砂漿對冷卻水管進行回填封堵。

7 回填及接縫灌漿

7.1 灌漿管路埋設

回填灌漿、接觸灌漿、接封灌漿所需進漿管采用D38mm黑鐵管，進漿支管、布漿管、升漿管用D25mm黑鐵管，回漿管、排氣管采用D32mm黑鐵管。因埋設灌漿管路較多，施工時對各種管路進行編號，在灌漿管路安裝好混凝土澆筑之前，必須進行檢查，確保連通良好。其中接觸及接縫灌漿管路的進漿、回漿及排氣管引入下游交通廊道內，待混凝土張開度及溫度達到要求后進行灌漿。

7.2 回填灌漿

混凝土至頂拱最后一倉封堵前在頂拱部位預埋回填灌漿管路。回填灌漿管路由進漿管、布漿管、進漿支管、排氣管、回漿管組成。

設置要求：布漿管沿頂拱排距2m，全段布置；進漿支管置于洞頂高點，深入圍巖10cm，排距2m，每排數量由洞頂形狀確定，但每排不少于3支；排氣管置于洞頂部，隨地形彎轉或加支管至洞頂部，接入下游交通洞內。

洞頂混凝土澆筑完成7d后進行回填灌漿。采用PO42.5普硅水泥漿液灌注，漿液水灰比0.5∶1，回填灌漿壓力0.5MPa，空隙大的部位可灌注水泥砂漿，摻砂量不大于水泥重量的200%。

在灌漿中當回漿管排出濃漿(接近或等于注入漿液的水灰比)時，將回漿管堵塞后繼續灌注，當在規定壓力(0.5MPa)下灌漿孔停止吸漿后，并繼續灌注5min即可結束。

7.3 接觸灌漿

堵頭段兩側邊墻及頂部回填灌漿2m以下范圍內的圍巖與堵頭混凝土之間進行接觸灌漿。

混凝土封堵前，在該倉混凝土范圍內的兩邊壁埋設接觸灌漿管路系統。包括進漿管、升漿管、灌漿支管、回漿管、排氣管。

分區埋設：沿堵頭段分三段埋設(即堵0+000～堵0+010、堵0+010～堵0+020、堵0+020～堵0+031.3)，每段在垂直方向又分為上下兩區，共6個區。6個區之間用BW-Ⅱ型膨脹止漿帶進行隔漿，止漿帶凈距30cm，每個區之間形成獨立的灌漿管路系統。

每區的進漿管和回漿管均多設一根備用；升漿管全段布置，排距2m；接觸灌漿支管間排距2m，梅花形布置，出口處緊貼圍巖面并埋出漿盒；下區排氣管置于該區頂部附近，上區排氣管置于接觸灌漿最高支管上部附近、低于回填灌漿最低支管下部2m；排氣支管排距2m，出口緊貼圍巖面。

7.3.1 開灌時間

通過觀測確定圍巖與堵頭混凝土之間裂縫張開度大于0.5mm，堵頭內混凝土溫度達到穩定，且堵頭混凝土齡期大于6個月，并且在低溫季節進行灌注。

7.3.2 灌漿順序

由低往高處灌注，即由下游段往上游段、由低區往高區的順序進行接觸灌漿。具體順序為：堵0+000～堵0+010下區→堵0+010～堵0+020下區→堵0+020～堵0+031.3下區→堵0+000～堵0+010上區→堵0+010～堵0+020上區→堵0+020～堵0+031.3上區。

圖5 接觸灌漿分區及灌漿順序

7.3.3 灌注

根據裂縫張開度情況，選擇采用1∶1、0.8∶1、0.5∶1三個比級的漿液，開灌水灰比1∶1。

進漿管壓力控制在0.4MPa，出漿管壓力控制在0.2MPa。規定的灌漿壓力下，灌注面停止吸漿，延續灌注5min即可結束。

圖6 堵頭段典型斷面圍巖與堵頭混凝土接觸灌漿(兩側邊墻)剖面

圖7 橫縫接縫灌漿布置

7.4 接縫灌漿

混凝土橫縫區埋設進漿管、升漿管、布漿管、出漿盒，在頂部設置回漿管、排氣槽及排氣管。出漿盒用3mm厚的鐵板加工，銅止漿片用0.6mm厚銅板加工。

7.4.1 開灌時間

與接觸灌漿的開灌條件相同，即通過觀測確定圍巖與堵頭混凝土之間裂縫張開度大于0.5mm，堵頭內混凝土溫度達到穩定，且堵頭混凝土齡期大于6個月，并且在低溫季節進行灌注。該橫縫作為一個灌區一次性灌注。

7.4.2 灌注

根據裂縫張開度情況，選擇采用3∶1、1∶1、0.5∶1三個比級的漿液，開灌水灰比3∶1。待排氣管排漿后，即改為1∶1漿液灌注，當排氣管出漿濃度接近1∶1，或者1∶1漿液灌入量約等于縫面容積時，即0.5∶1漿液灌注，直至結束。

另外，當縫面張開度大，管路暢通，兩根排氣管單開出水量均大于30L/min時，開灌即可采用1∶1漿液灌注。

進漿管壓力控制在0.4MPa，出漿管壓力控制在0.2MPa。當出漿管出漿濃度達到或接近0.5∶1，排氣管口壓力達到設計值，注入率≤0.4L/min時，繼續灌注20min即可結束。

8 綜合評價

K108溶洞堵頭處理后，該部位的防滲屏障基本形成，通過監測成果來看，巖溶系統的混凝土回填處理總體效果良好，雨季和導流洞下閘等引起庫水位抬升對回填混凝土的滲流滲壓、應力應變及裂縫等觀測物理量皆帶來了一定影響，但總體未見明顯異常狀態出現。該堵頭處理方案達到了預期的效果。

9 結語

巖溶系統堵頭處理的效果關系到整個水庫工程的成敗和長期運行的安全，特別是巖溶滲漏通道的處理至關重要，必須認真對待。在我國已往的水利水電工程建設中，多為導流洞堵頭施工，少有巖溶系統滲漏通道堵頭處理的案例。本工程K108溶洞分布情況復雜，堵頭采用了封堵前先錨桿加固和固結灌漿，然后清理充填物后回填微膨脹混凝土的總體方案，并考慮到大體積混凝土溫控要求，采取預埋冷卻水管通水冷卻的方法較好地降低了混凝土內部溫度。混凝土與圍巖采用接觸灌漿，橫縫之間采用接縫灌漿的綜合處理方案。實踐證明，在巖溶系統大型滲漏通道，采用充填物清理、混凝土封堵的綜合方案，行之有效，是完全必要的。