孫正華,王 強(qiáng),況 淵

(中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)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(nèi)，是國家重大水利工程建設(shè)12個(gè)PPP示范性項(xiàng)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(wù)是以城鄉(xiāng)供水為主，結(jié)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(jī)容量45 MW，多年平均發(fā)電量1.24億kWh，年利用小時(shí)2 745 h。右岸城鄉(xiāng)供水設(shè)計(jì)流量為2.82 m3/s，左岸城鄉(xiāng)供水及灌溉設(shè)計(jì)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(nèi)，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(fēng)洞、排水廊道、進(jìn)廠交通洞、主變交通洞等地下洞室和地面中控室組成，主機(jī)間內(nèi)安裝4臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)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(jīng)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(dá)到1 000 m3/h，嚴(yán)重影響到下廠房系統(tǒng)施工及后期運(yùn)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(fēng)機(jī)室處，巖層產(chǎn)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(xiàn)為一個(gè)淺切沖溝，溝內(nèi)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(hào)廠橫0+061.00 m)風(fēng)機(jī)室發(fā)現(xiàn)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(jìn)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(dá)8 m，靠廠房內(nèi)側(cè)向山內(nèi)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(yàn)，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(jù)廠區(qū)地形地貌及巖性分析，認(rèn)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(qiáng)可溶巖，為巖溶發(fā)育墊定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

(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(dǎo)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(cè)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(bǔ)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(jù)廠房區(qū)巖溶發(fā)育條件，結(jié)合前期勘察，開挖期揭露和補(bǔ)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?yàn)镹80°W，其次這沿NNE向裂隙發(fā)育，方向?yàn)镹3°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(duì)較大，且為當(dāng)前排水巖溶道道，貫通廠房后坡沖溝補(bǔ)給區(qū)和河邊泉點(diǎn)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(jīng)連通試驗(yàn)、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(diào)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(jīng)沿線(巖溶管道)調(diào)查，該巖溶管道的水源主要來自2號(hào)渣場洼地地表滲水，巖溶管道途經(jīng)出線平臺(tái)沖溝、地下廠房溶洞、排水廊道、進(jìn)廠交通洞進(jìn)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(jīng)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(xiàn)大量涌水，涌水量達(dá)到1 000 m3/h。同時(shí)，在廠房靠山體側(cè)的1號(hào)支洞發(fā)現(xiàn)2個(gè)裂隙滲水點(diǎn)，流量分別達(dá)到0.15 L/s和0.2 L/s，導(dǎo)致廠房出現(xiàn)涌水情況。

根據(jù)廠區(qū)巖溶發(fā)育條件和巖溶發(fā)育特征，廠房區(qū)東側(cè)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(bǔ)給區(qū)為廠房岸坡后側(cè)沖溝流域。地下廠房岸坡后側(cè)沖溝2號(hào)渣場為一洼地，洼地由于覆蓋層覆蓋，未發(fā)現(xiàn)明顯落水洞，但洼地的存在表明有隱伏落水洞存在。當(dāng)暴雨期，沖溝匯集的地表水在2號(hào)渣場洼地下滲進(jìn)入廠區(qū)巖溶管道向河邊泉點(diǎn)排匯。廠房開挖將廠區(qū)巖溶管道切斷，導(dǎo)致暴雨期巖溶管道水涌入廠房。據(jù)廠房涌水觀察，一般非暴雨時(shí)，涌水很小甚至無水，暴雨時(shí)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(gè)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(nèi)巖溶管道外，其它涌水點(diǎn)為裂隙性涌水，多來自暴雨時(shí)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(shè)計(jì)與處理措施

3.1 廠房巖溶防滲設(shè)計(jì)

根據(jù)地質(zhì)調(diào)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(zhì)灰?guī)r內(nèi)，屬強(qiáng)巖溶透水層，巖層產(chǎn)狀為N80°W/SW ∠ 60°，傾向下游，對(duì)地下廠房建筑物結(jié)構(gòu)影響不大，但對(duì)廠房汛期施工及廠房永久運(yùn)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(xiàn)象。為解決地下廠房洞室涌水問題，經(jīng)研究討論，采用排堵結(jié)合原則，利用溶洞加固+帷幕灌漿+排水帷幕的方案處理，設(shè)計(jì)思路如下[8]：

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

(2) 對(duì)全廠區(qū)采取帷幕灌漿，阻斷廠區(qū)巖溶管道，在外側(cè)(河床側(cè))溶洞及周邊強(qiáng)溶蝕帶約30 m范圍內(nèi)，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(nèi)側(cè)(山體側(cè))增設(shè)排水洞，意在探明廠房山體側(cè)的巖溶管道涌水水源，經(jīng)由上層排水廊道導(dǎo)排巖溶管道水，并在其內(nèi)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(yùn)行安全，結(jié)合現(xiàn)場揭露溶洞發(fā)育情況，并按廠房溶洞治理設(shè)計(jì)思路，制定以下措施：

(1) 對(duì)風(fēng)機(jī)室進(jìn)行擴(kuò)挖，以挖除受巖溶影響區(qū)域，對(duì)溶洞影響范圍超出設(shè)計(jì)開挖斷面的部位進(jìn)行噴錨支護(hù)，對(duì)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(cè)設(shè)置排水洞，進(jìn)一步探尋巖溶管道水源源頭，引排溶洞水經(jīng)由上層排水廊道排至河道，并布置排水孔，有效截?cái)鄮r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(yùn)行安全。

(3) 對(duì)于上、下層排水廊道揭露處的巖溶采取錨噴支護(hù)+襯砌支護(hù)+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(shè)全廠防滲帷幕，對(duì)廠區(qū)進(jìn)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(shè)頂拱排水帷幕，減輕山體內(nèi)滲漏對(duì)廠房主要洞室的影響。

(5) 對(duì)安裝間下游側(cè)巖壁吊車梁段，調(diào)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(yùn)行。

4 防滲效果

(1) 地下廠房的防滲帷幕和排水系統(tǒng)施工后，基本截?cái)嗔藦S房周邊巖溶管道向廠內(nèi)滲水的通道；靠山體側(cè)的排水洞內(nèi)布置的排水孔，起到了帷幕幕前排水減壓效果，暴雨時(shí)段均有返水現(xiàn)象。

(2) 受巖溶影響的安裝間頂部及上游側(cè)巖體，調(diào)整了支護(hù)措施和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)型式，保證了安裝間巖體安全穩(wěn)定；

(3) 上、下層排水廊道內(nèi)巖溶按支護(hù)措施處理后，其巖體安全穩(wěn)定，內(nèi)滲水量明顯減少；經(jīng)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(jù)地下廠房布置的測縫計(jì)、多點(diǎn)位移計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)和滲壓計(jì)的監(jiān)測情況，其測值均在正常范圍內(nèi)，滿足安全運(yùn)行要求。

5 結(jié) 語

經(jīng)過對(duì)馬嶺水利樞紐地下廠房巖溶管道處理的實(shí)踐經(jīng)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(dāng)，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(yīng)該儲(chǔ)備相關(guān)處理措施技術(shù)手段，以及施工預(yù)案和相應(yīng)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(shè)計(jì)方案的關(guān)鍵，并且在施工過程中根據(jù)具體情況，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整和優(yōu)化。