馬嶺水利樞紐工程地下廠房巖溶防滲處理

孫正華,王 強,況 淵

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴陽 550081)

1 工程概況

馬嶺水利樞紐工程位于貴州省黔西南州興義市境內，是國家重大水利工程建設12個PPP示范性項目之一。壩址距下游馬嶺鎮(zhèn)約3 km，流域控制面積1 914 km2，多年平均流量43.6 m3/s。工程開發(fā)任務是以城鄉(xiāng)供水為主，結合灌溉，兼顧發(fā)電等綜合利用。工程為Ⅱ等大(2)型工程，規(guī)劃水平年2030年多年平均供水量為21 156萬m3，電站裝機容量45 MW，多年平均發(fā)電量1.24億kWh，年利用小時2 745 h。右岸城鄉(xiāng)供水設計流量為2.82 m3/s，左岸城鄉(xiāng)供水及灌溉設計流量為5.51 m3/s。

地下發(fā)電廠房洞室群布置于大壩右岸山體內，采用主廠房、主變洞兩大洞室平行布置方式，軸線方向N15°W。廠區(qū)樞紐建筑物主要由主廠房、主變洞、母線洞、出線平洞、出線豎井、排風洞、排水廊道、進廠交通洞、主變交通洞等地下洞室和地面中控室組成，主機間內安裝4臺水輪發(fā)電機組。主廠房由間和安裝間組成，開挖總長61.28 m，主變洞開挖長度34.4 m。自地下廠房洞室群開挖后，揭露多處規(guī)模大小不一的溶洞。2017年7月15日，經過幾天連續(xù)暴雨后，沿溶洞發(fā)生多處涌水，初估涌水量達到1 000 m3/h，嚴重影響到下廠房系統施工及后期運行。

2 廠房巖溶發(fā)育情況

2.1 廠房地層巖性

地下廠房鉛直埋深28～58 m，水平埋深約24～68 m，出露地層主要為T2g3-4厚層、中厚層灰?guī)r，少量T2g3-5薄層至中厚層白云巖夾淡黃色薄層泥頁巖位于廠房端頭的風機室處，巖層產狀為N80°W/SW∠53°～60°，傾下游偏右岸。地下廠房廠區(qū)為河谷岸坡，地形較為完整，地形陡緩相間，其后坡高程1 035.00 m以上表現為一個淺切沖溝，溝內無流水，高程976.00 m以下地形自然坡度在35°左右，高程976.00～1 022.00 m段地形較陡，平均坡度在50°以上，高程1 022.00 m以上主要為淺切沖溝段，其地形平緩，坡度在15°左右。

2.2 廠房開挖揭露溶洞情況

地下廠房開挖到主廠房端頭(樁號廠橫0+061.00 m)風機室發(fā)現溶洞之后，先后分別在上層廊道(廠橫0-037.50 m、廠橫0-082.50 m、廠橫0-089.10 m)以及進廠交通洞、下層廊道(廠橫0-064.60m、廠橫0-103.00 m)等處揭露溶洞，一般寬度3～5 m，較窄處1～2 m，最大寬度達8 m，靠廠房內側向山內溶洞變小變窄。溶洞上部多呈小管道或溶蝕裂隙向頂部發(fā)育，橫斷面呈“葫蘆”狀，洞壁多見石灰華沉積，溶洞高10～20 m，多為半充填類型，充填塊石、碎石及黃色粘土，粘土成軟塑狀，粘性好。溶洞總體沿T2g3-4與T2g3-5層分界線順巖層面發(fā)育，呈管道狀分布于地下水位線附近。通過連通試驗，廠房溶洞與下游橋河床河水連通。

2.3 廠房巖溶成因分析

2.3.1巖溶發(fā)育條件

根據廠區(qū)地形地貌及巖性分析，認為地下廠房巖溶發(fā)育存在以下條件[1-4]：

(1) 地下廠房區(qū)巖性為厚層、中厚層灰?guī)r，屬強可溶巖，為巖溶發(fā)育墊定了物質基礎。

(2) 地下廠房處于河谷岸坡下部，為地下水向河床排泄區(qū)，河谷近于橫向谷，有利于地下水沿面向河床排泄、溶蝕形成巖溶管道。

(3) 河谷階段性下蝕切深，導致巖溶具繼承性和發(fā)育規(guī)模的成層性。

(4) 廠房河谷岸坡后側發(fā)育的沖溝，為廠房區(qū)溶洞、管道的發(fā)育提供了較充沛的地下水補給來源。

(5) NNE向優(yōu)勢裂隙為地下水排泄、溶蝕形成巖溶管道提供了一定的條件。

2.3.2巖溶發(fā)育特征

根據廠房區(qū)巖溶發(fā)育條件，結合前期勘察，開挖期揭露和補充勘察成果分析，廠房區(qū)巖溶發(fā)育有以下特征[5-7]：

(1) 平面上，巖溶發(fā)育具有方向性。主要沿層面發(fā)育，方向為N80°W，其次這沿NNE向裂隙發(fā)育，方向為N3°E。

(2) 垂向上，巖溶發(fā)育具有成層性。巖溶發(fā)育主要分布于高程972.00～977.00、982.00～987.00、1020.00～1028.00 m。

(3) 巖溶形態(tài)以溶洞、溶縫為主，溶洞、溶縫在平面和垂向上形成串珠狀巖溶管道。地下水位附近，巖溶發(fā)育規(guī)模相對較大，且為當前排水巖溶道道，貫通廠房后坡沖溝補給區(qū)和河邊泉點排泄區(qū)。

(4) 地下水位附近高程972.00～977.00 m多為半充填，其余多為全充填。

2.3.3巖溶管道推測

地下廠房溶洞經連通試驗、物探鉆孔電池波CT透視、溶洞水位、鉆孔地下水位以及河水位觀測等手段調查和分析，明確了該溶洞屬T2g3-4層中厚層、厚層灰?guī)r順層發(fā)育的一條巖溶管道。該巖溶發(fā)育受巖層層面控制較為明顯，多沿巖層走向方向發(fā)育。經沿線(巖溶管道)調查，該巖溶管道的水源主要來自2號渣場洼地地表滲水，巖溶管道途經出線平臺沖溝、地下廠房溶洞、排水廊道、進廠交通洞進口等，在永久橋下游右岸邊匯入馬別河。

2.4 廠房涌水成因分析

2017年7月15日，經過幾天連續(xù)暴雨，河水位上漲至高程960.00 m，在廠房下層排水廊道揭露溶洞處出現大量涌水，涌水量達到1 000 m3/h。同時，在廠房靠山體側的1號支洞發(fā)現2個裂隙滲水點，流量分別達到0.15 L/s和0.2 L/s，導致廠房出現涌水情況。

根據廠區(qū)巖溶發(fā)育條件和巖溶發(fā)育特征，廠房區(qū)東側存在一NNE向巖溶管道，該巖溶管道為廠區(qū)地下水集中排泄通道。其補給區(qū)為廠房岸坡后側沖溝流域。地下廠房岸坡后側沖溝2號渣場為一洼地，洼地由于覆蓋層覆蓋，未發(fā)現明顯落水洞，但洼地的存在表明有隱伏落水洞存在。當暴雨期，沖溝匯集的地表水在2號渣場洼地下滲進入廠區(qū)巖溶管道向河邊泉點排匯。廠房開挖將廠區(qū)巖溶管道切斷，導致暴雨期巖溶管道水涌入廠房。據廠房涌水觀察，一般非暴雨時，涌水很小甚至無水，暴雨時涌水急劇增大，表明管道與地表連通性好，以致消漲迅速。其涌水來源有兩個方面：一方面，來自地表水入滲后沿管道向廠房排泄；另一方面，由于廠房基坑開挖高程低于河水位，河水通過管道向廠房基坑回灌。除涌水量較大的廠房內巖溶管道外，其它涌水點為裂隙性涌水，多來自暴雨時岸坡上部溶蝕裂隙地表水入滲，一般較小。

3 廠房巖溶防滲設計與處理措施

3.1 廠房巖溶防滲設計

根據地質調查分析，該溶洞管道發(fā)育于T2g3-4層深灰色厚層中厚層夾薄層灰?guī)r、含白云質灰?guī)r內，屬強巖溶透水層，巖層產狀為N80°W/SW ∠ 60°，傾向下游，對地下廠房建筑物結構影響不大，但對廠房汛期施工及廠房永久運行影響較大，主要存在山體涌水和河水倒灌問題，且目前已發(fā)生廠房洞室涌水現象。為解決地下廠房洞室涌水問題，經研究討論，采用排堵結合原則，利用溶洞加固+帷幕灌漿+排水帷幕的方案處理，設計思路如下[8]：

(1) 對揭露的溶洞：挖除或清除不穩(wěn)定塊體，不能挖除的進行錨噴支護，回填混凝土封堵受影響部位。

(2) 對全廠區(qū)采取帷幕灌漿，阻斷廠區(qū)巖溶管道，在外側(河床側)溶洞及周邊強溶蝕帶約30 m范圍內，帷幕底線邊界為高程915.00 m，其余部位帷幕底界為高程930.00 m。

(3) 在上層排水廊道內側(山體側)增設排水洞，意在探明廠房山體側的巖溶管道涌水水源，經由上層排水廊道導排巖溶管道水，并在其內布置排水孔幕，降低廠房圍巖和壓力鋼管周邊地下水壓力。

3.2 廠房巖溶涌水具體處理措施

為保障地下廠房溶洞不影響施工和運行安全，結合現場揭露溶洞發(fā)育情況，并按廠房溶洞治理設計思路，制定以下措施：

(1) 對風機室進行擴挖，以挖除受巖溶影響區(qū)域，對溶洞影響范圍超出設計開挖斷面的部位進行噴錨支護，對巖溶影響較大的底部及邊墻采取混凝土回填封堵措施。

(2) 在上層排水廊道靠山側設置排水洞，進一步探尋巖溶管道水源源頭，引排溶洞水經由上層排水廊道排至河道，并布置排水孔，有效截斷巖溶管道涌水，降低廠房圍巖和壓力鋼管周邊地下水位，保障廠房施工及運行安全。

(3) 對于上、下層排水廊道揭露處的巖溶采取錨噴支護+襯砌支護+排水孔引排的措施，保障排水廊道圍巖穩(wěn)定。

(4) 在上層排水廊道以下布設全廠防滲帷幕，對廠區(qū)進行封閉，防止溶洞涌水及洞室滲漏情況發(fā)生。在上層排水廊道以上布設頂拱排水帷幕，減輕山體內滲漏對廠房主要洞室的影響。

(5) 對安裝間下游側巖壁吊車梁段，調整了巖壁吊車梁形式，采用框架柱吊車梁，保障了主廠房吊車梁的安全運行。

4 防滲效果

(1) 地下廠房的防滲帷幕和排水系統施工后，基本截斷了廠房周邊巖溶管道向廠內滲水的通道；靠山體側的排水洞內布置的排水孔，起到了帷幕幕前排水減壓效果，暴雨時段均有返水現象。

(2) 受巖溶影響的安裝間頂部及上游側巖體，調整了支護措施和結構設計型式，保證了安裝間巖體安全穩(wěn)定；

(3) 上、下層排水廊道內巖溶按支護措施處理后，其巖體安全穩(wěn)定，內滲水量明顯減少；經過處理后，地下廠房已安全度過2018年汛期，廠房巖溶處理效果良好。

(4) 根據地下廠房布置的測縫計、多點位移計、錨桿應力計和滲壓計的監(jiān)測情況，其測值均在正常范圍內，滿足安全運行要求。

5 結 語

經過對馬嶺水利樞紐地下廠房巖溶管道處理的實踐經歷，馬嶺地下廠房巖溶處理是比較成功的范例。雖然其在前期勘察中未揭露，給施工過程中帶來了一些影響，但因其規(guī)模不大，施工期處理得當，基本上避免了其危害。在巖溶地區(qū)，遇到巖溶問題是不可避免的，即使在前期勘察中未見巖溶痕跡，但也應該儲備相關處理措施技術手段，以及施工預案和相應的工程量。遇到巖溶后，及早的查清其發(fā)育規(guī)律，是制定正確的防滲設計方案的關鍵，并且在施工過程中根據具體情況，對設計方案進行相應調整和優(yōu)化。