紫坪铺水库工程枢纽地下采空区处理回顾

(四川省水利水电勘测设计研究院，成都，611731)

1 工程概况

紫坪铺水库工程为钢筋混凝土面板堆石坝，最大坝高158m，正常蓄水位877.0m，总库容11.12亿m3，总装机容量76万kW。主要水工建筑物有拦河大坝，坝后地面厂房，右岸开敞式溢洪道，4条引水发电隧洞，1条冲砂放空隧洞和2条由导流隧洞改造而成的龙抬头式泄洪排砂隧洞。

2 地质概况

工区主要地质构造为沙金坝向斜，沿右岸条形山脊展布，轴向N50°～70°E，向NE方向(河床)倾伏，倾伏角25°～35°，北西翼较陡，岩层产状N25°E/SE∠60°～70°南东翼稍缓，岩层产状N45°E/NW∠45°～60°。受向斜控制，使得北西和南东两翼含煤地层重复出现。

2001年3月工程正式开工后，在施工开挖中从5#、6#、7#公路、1#、2#导流洞、溢洪道、引水洞进口、厂房后坡及大坝左右坝肩等多处遇见废旧煤洞。为此，我院向业主方发函，要求对坝址区废旧煤洞作进一步查明，业主方委托黄河勘测规划设计研究院有限公司物探总队采用瞬变电磁法对地下采空区进行了实测，探测发现在大坝轴线上下游、左右坝肩、引水洞及厂房等探测区域，尤其是左右坝肩及趾板地基均分布较多的废旧煤洞、地下采空区，多条煤洞已穿过趾板地基，并且最终确定“探测区域为采空区发育区”。

3 地下采空区分布特点

前期勘察调查及施工揭示，废旧煤洞分布范围较广，上游至1#导流洞进口，下游至1#泄洪排砂洞出口，左右岸均有分布，工程区共发现废旧煤洞126个。废旧煤洞的分布具有以下特点：

(1)煤洞基本上沿煤质页岩组成的层间剪切破碎带L、Lc掘进，其中L占84个，Lc占28个，F3断层破碎带占11个，砂岩中发现的无名洞3个。发现的废旧煤洞主要是在煤质页岩和富含煤的地层中开采，占所发现煤洞的97.6%；

(2)受河床洪枯水位变幅带影响，废旧煤洞主要分布在右岸和750m～850m高程之间；

(3)煤洞开采时间长，加之煤质页岩自稳能力差，大部份已垮塌，只有少部份见洞穴及木桩、木屑等煤窑开采残留物；

(4)从已开挖处理深度范围揭示，煤洞开采可达100m以上，规模都不大，洞径一般1m～2m，随着向山体的延伸，煤洞的分布越来越少。

表1主要含煤地层(层间剪切破碎带)一览表

根据枢纽区含煤地层沉积韵律，已发现的新、旧煤洞洞口地表分布及采空区探测成果资料，大致可将枢纽区地下采空区分为以下三种类型：

(1)受煤质页岩层分布控制的隧道型通道。由于多次重复开采，又可分为单层型(右岸FMD8号煤洞)和多层型(左岸FMD38号煤洞)，也可以根据是否穿过砂岩层分为顺层型(厂房后坡FMD37号煤洞)或切层型(左岸FMD43号煤洞)；

(2)以局部扩挖开采为主的洞穴型空洞(右岸FMD42号煤洞)；

(3)由上述两种类型组合而成的采空区，例如右岸大坝地基。

4 地下采空区对工程的影响

紫坪铺工程面板堆石坝设计的核心问题是满足防渗工程设计，因此，设计者需要关注的是：

(1)在坝址区左右坝肩及河床部位，尤其是趾板部位是否存在着上、下游贯通的小煤窑废旧煤洞通道，如果有这样的情况存在，蓄水后将成为库水集中渗漏的主要通道，将严重影响大坝的安全及水库的正常运行。

(2)坝基部位，尤其是大坝轴线上游地基部位，承受上部荷载，填筑后在一定的深度范围内由于地基中废旧煤洞存在，会发生塌落变形，特别是采空发育区的连通塌陷，将可能引起大坝不均匀变形，从而危及上游过渡区、垫层区和钢筋混凝土面板安全，以至溃坝失事。

(3)分布在水工隧洞附近或与水工隧洞交叉部位的煤洞，将可能影响到洞室之间岩柱围岩和基础的稳定性。分布在岸坡及永久建筑物基础部位的煤洞，将影响到边坡稳定和造成地基塌陷变形，危及建筑物安全。

5 地下采空区的设计处理原则及处理对策

针对紫坪铺工程枢纽地下采空区的分布特点和结合水工建筑物具体布置，先确定大的处理原则，后落实到具体的处理对策。

5.1 地下采空区的处理原则

(1)对有可能穿越帷幕灌浆线的废旧煤洞处理，主要是处理受煤质页岩分布控制的隧道型通道。从当时物探资料来看，左岸有三处，右岸有近十处，分布最深处高程达685m，离该处地面约145m左右，查明洞口并顺洞清挖再回填混凝土是最有效的封堵方法，如果难以找到准确位置的，只能以物探资料结合煤质页岩产状进行高压灌浆为主的封堵。另外还采取国内一些水库处理大型溶洞的成功灌浆经验，对煤洞进行高压灌浆。如我国云南五里冲水库岩溶塌陷体长47m，帷幕线上面积达3200m2，进行加密高压灌浆取得了成功的经验。

(2)对于大坝等主要建筑物地基中的废旧煤洞处理，重点应优先处理大坝轴线上游基础部位一定埋深以内的密集采空区及贯穿趾板地基上游的废旧煤洞通道。物探资料显示右岸部位存在大量由隧洞型通道和洞穴型空洞组成的采空区，对于该部位的处理，宜尽可能采取先堵后灌，尤其是离建基面不深的部位，尽可能地找准煤洞位置查明其洞向，进行清挖后采用混凝土回填并再进行灌浆等方法使之充填密实，达到设计要求处理的范围。坝体其它部位对建筑物及边坡有影响的采空区，也要根据不同情况进行分析，确定相应的处理措施。

(3)在帷幕线上进行废旧煤洞灌浆处理时，首先要明确防渗帷幕下限和左右防渗边界，要通过灌浆试验确定灌浆参数和灌浆工艺，对重点部位要采取特殊措施，通过灌浆试验对不同岩体、不同部位给出不同灌浆参数并在施工过程中适当进行调整。对特殊部位的钻孔孔排距可适当增加，孔排距视灌浆试验成果而定，通过分序灌浆加密满足防渗设计要求。立足于高压灌浆，建立高标准的防渗帷幕。与高压灌浆相适应，宜使用稠浆以提高灌浆的稳定性，只有采用更稠的稳定不泌水的浆液才能获得密实的结石，并在一定的传播半径内形成均匀的充填体。对于基础深部废旧煤洞封堵，是否采取分层搭接的幕体结构，应根据最终勘测成果资料、坝体允许渗漏水量等进行综合比较分析后确定。

5.2 具体处理对策

鉴于地下采空区处理是本工程成败的关键问题之一，其成败关系到工程安全及效益，我院高度重视，曾多次进行专题研究，在尽可能多地吸取国内外类似工程的成功处理经验基础上，确定了相应的具体处理方案。

(1)穿越帷幕灌浆线(大坝趾板及左右岸帷幕线)的煤洞与帷幕轴线垂直距离上游30m，下游20m范围内所有煤洞填灌密实，见图1所示。

图1 穿越帷幕线者

(2)永久建筑物基础底部的煤洞与永久建筑物基础边线垂直距离25m范围内所有煤洞填灌密实，见图2所示。

图2 永久建筑物基础底部

(3)在水工隧洞附近或与水工隧洞交叉的煤洞与水工隧洞垂直距离3倍水工隧洞洞径范围内所有煤洞填灌密实，见图3所示。

图3 在水工隧洞附近或与隧洞相交者

(4)坝基、岸坡及永久建筑物基础部位的煤洞洞宽与煤洞上覆岩体厚度见表2，在此范围内煤洞要求填灌密实，其中B、H见图4所示。

表2煤洞宽度与上覆岩体厚度关系

图4 坝基或岸坡煤洞宽度和上覆岩厚度示意

(5)右岸条形山脊帷幕线以前，884.0m高程以下的所有煤洞全部填灌密实。

(6)以上(1)-(4)项煤洞处理的长度均不小于25m，对长度不超过25m的煤洞全部处理。

(7)填灌方式：能够查明洞口或洞向者，清挖后采用人工回填C15混凝土或泵送C20混凝土处理，并填灌密实；若查明洞向较困难或虽查明了洞向但煤洞已坍塌，难以清挖，则采用地表打孔，高压灌浆法处理，水泥砂浆或水泥浆采用M10(见图5所示)，孔距可依据现场情况确定，工程师可作调整；对帷幕灌浆线附近的煤洞，填灌密实后要求待凝，再打孔(或扫孔)穿越煤洞底板2m深，用水泥浆灌注，灌浆压力采用相应埋深的帷幕灌浆压力控制。

图5 灌浆示意

(8)每条煤洞处理完成后，由工程师布置打孔进行压水试验检查，要求穿越帷幕灌浆线的煤洞透水率q≤3Lu，其余煤洞透水率q≤10Lu。

6 结语

紫坪铺水库工程于2004年12月开始下闸蓄水，2005年5月第一台机组发电，2006年12月整个工程竣工投入使用，从水库蓄水至地震前的运行情况来看，大坝趾板未产生变形、漏水现象，坝下游及边坡未见异常出水点，邻谷白沙河未出现异常出水点，坝后量水堰渗流量维持在10L/s～17L/s之间；坝基上游部位未发生塌陷变形，大坝坝体未产生大的不均匀变形，多年来测得坝体总沉降量仅20多cm；各水工隧洞进口闸室基础及进出口边坡稳定，未产生地基变形、移位和不均匀沉陷等问题，地下洞室围岩稳定，隧洞混凝土衬砌均未见异常变形、破坏。说明前期设计、施工对地下采空区的处理效果是明显的、成功的。2008年该工程经历了“5·12”汶川8级特大地震考验，震后坝后量水堰最大渗流量为18.34L/s，坝体最大沉降量81cm。经过灾后恢复重建、整治后，目前工程运行良好。通过2008年地震考验，再次表明前期设计上确定的地下采空区处理方案是切实可行的，没有遗留大的安全隐患。