引水隧洞充填型溶洞发育机理及处理措施探讨

武兴亮，罗 平，赵应武

（贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002）

引水隧洞充填型溶洞发育机理及处理措施探讨

武兴亮，罗 平，赵应武

（贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002）

黔中水利枢纽一期工程水源平寨水库位于乌江南源三岔河上，坝区为深切的峡谷地貌，地表岩溶形态随处可见，在地下建筑物开挖过程中，遇到极多岩溶现象，其中有规模较大的溶洞、岩溶管道系统，需根据建筑物的性质及溶洞空间分布、规模等，拟定不同的处理方案。以桩号K0+244-K0+312处溶洞为代表的独特发育机理，形成了溶洞内充填物多为大块石及少量粘土，且块石密实度较好，根据其特点，提出采用桩基跨越的处理措施。处理后，试运行期未出现异常。方案评价结果表明：该方案安全可靠，但耗时长，资金投入大，相对偏保守。

灌溉引水隧洞；溶洞；发育机理；处理方案

0 前言

黔中水利枢纽一期工程是位于乌江南源三岔河干流中上游的大（1）型水利工程，水库大坝为面板堆石坝，坝高157.5 m，总库容11.89亿m3[1]。库首区属岩溶山区的峡谷地带，岩性主要为三叠系下统永宁镇组灰岩夹泥岩，岩溶极发育。

灌溉引水隧洞布置于库首区左岸，洞轴线方向为146°，与三岔河该河段流向一致，两者平距约500 m；隧洞全长约1.1 km，进口底板高程1297.6 m，出口底板高程在1296.5 m，设计断面为圆形，开挖洞径4.5 m，隧洞出口设渠首电站，为有压隧洞，设计引水流量22.77 m3。为方便施工，开挖时，施工单位将断面调整为马蹄形。

在对灌溉引水隧洞开挖过程中，揭露较多溶洞，其中桩号K0+244-K0+312洞段发育的溶洞比较特殊，主要在于它发育在可溶岩和非可溶岩体中，充填物主要成份为块石和少量粘土，一般溶洞发育在可溶岩中，常为无充填、半充填和全充填型，充填物一般为砂、卵、砾石，以及粘土、粘土夹少量块石等。该溶洞的特殊性与其发育机理休戚相关，因此，研究其发育机理，对查明溶洞发育特征及处理方案有较大的作用。本文就该工程灌溉引水隧洞充填型溶洞发育机理及处理措施进行分析探讨。

1 隧洞基本地质条件

1.1 地形地貌

隧洞穿越岩溶山区地貌，地表高程为1290～1466 m，洞室埋深一般60～100 m，最大埋深145 m。隧洞进口位于坝轴线左岸上游约120 m的斜坡上，地表高程为1290～1310 m，地形坡度20°左右，为顺向坡；出口位于方家寨下方冲沟右侧斜坡上，地表高程在1305～1310 m之间，地形坡度约25°，为顺向坡。该段河流为峡谷地貌，河床高程一般为1184～1185 m。

1.2 地层岩性

隧洞沿线地表岩性多为基岩裸露，覆盖层主要分布在岩溶洼地及冲沟中，成分为第四系残坡积的粘土夹碎石层，厚0～5 m；下伏基岩地层岩性有：

①三叠系永宁镇组第一段第二层（T1yn1-2）：灰色中厚至厚层灰岩夹极少量的泥质灰岩，厚260.3 m，为可溶岩。

②三叠系永宁镇组第二段第一层（T1yn2-1）：深灰色泥岩、泥灰岩夹极少量灰岩，厚29 m，为非可溶岩。

③三叠系永宁镇组第二段第二层（T1yn2-2）：灰、深灰色薄到中厚层泥质灰岩与中厚层灰岩互层夹少量泥岩，厚14.7 m，主要为可溶岩。

1.3 地质构造

鸡场背斜近EW向展布，轴线方向延伸长约6 km，背斜轴部与隧洞交于桩号k0+490附近，交角较大，其西翼岩层产状为 325°～335°∠20°～30°，东翼的岩层产状为 160°～170°∠15°～25°。

1.4 岩溶及水文地质条件

隧洞穿越地层岩性主要为可溶岩，地表岩溶形态主要有岩溶洼地、落水洞、溶沟、溶槽等。岩溶洼地主要分布鸡场背斜轴部附近，其高程在1390 m左右；隧洞沿线附近落水洞主要有：进口附近靠岸边的K15（地表高程为1326.5 m）及隧洞出口渠首电站的下游的两个落水洞（地表高程在1290 m左右）；隧洞在桩号0+594～K0+597 m处穿越罗家大洞至躲兵洞岩溶系统（KS1岩溶管道系统）。根据地表调查、钻孔资料及隧洞开挖揭露，溶洞主要发育在T1yn1-2地层中，在不同高程上均有发育，且规模较大，有些部位T1yn2-1泥岩已成为溶洞顶部的冒落带。

根据地表地质调查及钻孔水位观测，隧洞段地下水位埋深在1190.21～1255.9 m，地下水位低于隧洞底板，谷坡中、上部未见泉水出露水。岩体含水性及透水性受地层岩性、地质构造及风化卸荷的影响，存在一定差异，挤压破碎带、节理密集带含水相对较丰富。

1.5 工程地质岩组分类

根据试验数据，T1yn1-2的灰岩属中硬岩，饱和抗压强度一般为50～60 MPa；T1yn2泥岩、灰岩及泥质灰岩的饱和抗压强度平均值分别为 26.33 MPa、57.87 MPa、45.83 MPa，T1yn1-2的岩性为硬质岩类岩组，T1yn2的岩性为软硬相间岩类岩组。

2 溶洞发育形态及发育机理

2.1 溶洞发育形态

在对灌溉引水隧洞开挖过程中，桩号K0+244处遇到充填型溶洞，采用格栅拱架进行了支护，格栅中心距约1 m，格栅之间采用钢筋网片加喷护，顺利完成了溶洞段的开挖，揭露出桩号K0+244-K0+312段为溶洞，溶洞全充填，充填物为块石夹粘土，初估块石占充填物体积的60%～70%，其母岩多为灰岩、泥质灰岩，直径一般分布于40～100 cm，揭露的溶洞主要发育于T1yn1-2薄至中厚层灰岩中，靠近鸡场背斜核部偏西翼。约2个月后，发现隧洞内溶洞段的格栅拱架变形严重，隧洞顶部充填物向下垂直位移，格栅拱顶部向洞内凸出，边墙局部发生垮塌；溶洞顶部地表发生塌陷，塌坑呈圆形，直径约10 m，地表下陷深度约1.5 m；塌陷处原地表为半封闭洼地，底部平坦，直径约30 m，结合周边钻孔资料及地形分析，地表属典型的岩溶塌陷型盆地，底部地表高程约1363 m，至隧洞底板高差约65.4 m。

为查明溶洞底部发育规模，在隧洞底板溶洞范围内补充3个勘探孔，钻孔成果表明：在桩号K0+260处，隧洞底板至基岩面最大深度为9 m，底部高程为1288.6 m，块石夹粘土充填，其余两个钻孔布置于K0+240、K0+280处，揭露的溶洞深度分别为0.8 m、1.3 m。

结合前期勘察及开挖揭露的地质资料综合分析，溶洞空间主要分布在T1yn1-2、T1yn2-2灰岩及T1yn2-1、T1yn2-3泥岩地层中，溶洞在灌溉引水隧洞内跨越的空间约有68 m，溶洞底部至塌陷处地表高差约74.4 m，溶洞上小下大，呈“葫芦”型，在隧洞底板以下至溶洞内基岩面的充填物体积约有1222 m3，该溶洞形态如图1所示。

地表塌陷后，及时对原格栅拱进行加密，间距增至0.5 m，同时对地表塌坑周围做好排水措施，塌坑采用防雨布遮挡，防止地表水沿溶洞通道下渗，通过加密及地表水引排处理后，监测格稳定，未发现继续变形趋势，在隧洞衬砌前，溶洞段该段雨季渗水严重，枯季有滴水现象。

图1 溶洞与灌溉引水隧洞关系位置图

2.2 溶洞发育机理

根据隧洞开挖揭露的地质条件分析：溶洞段的围岩为T1yn1-2中厚层灰岩，上伏泥岩主要有厚度约30 m的T1yn2-1地层，以及厚约10 m的T1yn2-3地层。溶洞段两端测得的岩层产状变化较大，桩号K0+235附近测得的岩层产状为48°～57°∠25°～32°，桩号 K0+300 附近测得的岩层产状为 225°～244°∠62°，受鸡场背斜的影响，岩层受到挤压扭曲较严重，是造成岩层产状变化较大的主要原因。洞内横张、纵张节理发育，为地下水径流提供了空间和连通通道，由于厚约30 m的T1yn2-1泥岩分布，阻断了上下两层灰岩透水层的地下水力联系，按一般岩溶发育规律而言，地下水主要在泥岩上伏灰岩中活动较频繁，在其接触带靠上部灰岩中，溶洞发育，易形成岩溶管道系统，而泥岩下部灰岩岩溶发育相对较弱一些[2]。然而，本工程库首左岸独特的水文地质条件，造就了下部T1yn1-2灰岩地层中岩溶极发育，且常形成较大的溶蚀大厅，顶部溶蚀边界为T1yn2-1泥岩，由于下部溶洞空间大，上部T1yn2-1泥岩无法承受自身的重量，在重力作用下，逐渐发生剥离和掉块，掉下的块石逐渐堆积在溶洞底部，并在水的作用下逐渐崩解和风化，形成现状条件下的溶洞充填物。溶洞顶部逐渐剥蚀泥岩或灰岩，扩大溶洞空间，当顶部岩体无法承受上部岩体整体重量时，顶板岩体整体塌落至溶洞中，形成岩溶塌陷，见图2。在长期的内外营力作用下，形成现状地形地貌。

图2 溶洞塌陷发育机理示意图

3 处理措施

处理方案比较时，主要对比直接对溶洞充填物固结灌浆和桩基跨越两种措施，考虑溶洞发育规模大，以及渠首隧洞建筑物的重要性，最终采用桩基跨越[3]，桩基为圆形人工挖孔桩，桩基中心距10 m，桩顶部直径约2.0 m，桩底嵌入基岩4 m，桩身结构采用C20混凝土，桩基顶部设置承台，建筑物及水体荷载全部传至桩基，具体处理方案详见图3。在桩基开挖过程中揭露出溶洞底部基岩高程与补勘推测的高程有差距，主要原因是，块石较大，根据钻孔岩芯，把孤石误判成基岩，再加上勘探孔数量有限，形成了一定误差。

图3 处理方案示意图

4 结论

目前试运行至今约4个月，未出现异常。

从溶洞充填物成份及密实度分析，块石含量大，在长期的重力作用下，溶洞充填物自身荷载足以将充填物达到一定的密实度，开挖揭露充填物的密实度可以佐证；隧洞开挖时，清除大量的溶洞充填物，足以抵消建筑物及水体的荷载，隧洞开挖前与运行时比较，隧洞底板以下的溶洞充填物不会加大荷载，与自然状态基本一致，不会形成欠固结土。因此，在考虑荷载作用时，主要考虑隧洞结构混凝土本身能否承受上部溶洞充填物荷载，隧洞底板以下溶洞充填物变形不会有较大改变。就桩基跨越方案而言，其优点是对隧洞建筑物下部充填物研究透彻，安全可靠；缺点是耗时长，资金投入大。仅从地质角度看，桩基跨越方案相对偏保守。

[1]袁代江，武兴亮，刘子金等，黔中水利枢纽一期工程地质勘察报告[R].2009.

[2]王大纯，张人全，史毅虹等，水文地质学基础[M].地质出版社，1990.

[3]邹成杰，水利水电岩溶工程地质[M].水利电力出版社，1994.

TV554

B

1673-9000（2017）05-0098-03

2017-04-08

武兴亮（1978-），男，贵州江口人，高级工程师，主要从事水利水电水文地质与工程地质勘察工作。