滇中引水工程大理Ⅰ段积福村渡槽岩溶处理设计

王伦文，何俊荣，尤 岭，李世平

(长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

滇中引水工程是国务院确定的“十三五”期间要规划建设的172项节水供水重大水利工程之一，是解决滇中地区严重缺水的特大型跨流域调水工程。滇中引水输水工程自丽江石鼓镇望城坡开始，途经丽江市、大理州、楚雄州、昆明市、玉溪市，终点为红河州新坡背，线路全长663.9km。

云南是我国典型的喀斯特地貌区，输水线路区地处滇西北青藏高原东南部。区内构造极为发育，新构造和地震活动强烈，地形地质复杂，单元类型多样，这些因素非常有利于区内岩溶发育。因此，长距离输水工程不可避免地会遇到岩溶地质问题。

岩溶问题对输水工程的危害和影响主要表示为潜伏溶洞对结构基础稳定性的影响，如溶洞的塌陷；基坑在开挖过程中遇到突泥、涌水等难以预料的地灾风险[1]，给周围环境及施工安全带来巨大的经济损失和安全隐患，并且可能会威胁到输水工程运营安全，如边坡失稳和地基的不均匀沉降等。因此，解决岩溶问题是输水工程中较为重要且艰巨的部分，是决定工程成败的关键因素之一。

基于此，本文主要介绍滇中引水工程积福村渡槽岩溶区域不良地质条件所采用的工程措施，并对工程措施比较进行了详细的阐述，为引水工程设计提供科学、合理的依据，同时也为国内外其他输水工程的设计提供借鉴。

1 工程概况

滇中引水输水工程主要由明渠、渡槽、隧洞、暗涵和倒虹吸等建筑物组成。其中，大理Ⅰ段积福村渡槽位于大理白族自治州鹤庆县情人谷内，主体建筑物属Ⅰ级建筑物，设计流量135m3/s，连接香炉山隧洞出口和积福村隧道进口。渡槽全长595m,采用双线U形布置。出口渐变段与积福村隧洞进口段相接。其中，出口连接段、事故闸室段和渐变段均为落地式渡槽，根据渡槽最不利荷载工况计算结果，渡槽基底最大压应力约200kPa。而渡槽出口明渠段基础下方约7.5m处发育K9岩溶系统，经地质超前预测，岩溶管道高度为20～60m，对渡槽地基持力层的安全性带来隐患。积福村渡槽立面布置如图1所示。

2 地质条件

2.1 工程地质概况

根据滇中引水工程的地勘资料，积福村隧洞进口斜坡体基岩地层主要由三叠系上统松桂组(T3sn)砂岩、泥岩和中窝组(T3z)灰岩组成，其中全风化带10～37m厚，岩体破碎，渗透性较强，完整性差；强风化带9～49m厚，岩体较破碎，多见溶洞、溶缝，中等-强透水，完整性较差；弱风化带厚度大于35m，透水性弱，岩体坚硬、较为完整。斜坡坡脚处分布0～24m厚的冲洪积(Qpal)含砾粘土层，结构松散，渗透性弱。积福村隧洞进口斜坡区现状稳定，地表未见明显滑坡、崩塌、严重卸荷、岩堆等不良地质现象，主要存在岩溶地质问题。

图1 积福村渡槽立面布置图注：高程和里程桩号的单位以m计，其余尺寸以cm计。

2.2 岩溶地质条件

根据地勘资料，输水线路区中窝组(T3z)灰岩为中等岩溶化岩组，岩溶较发育。强溶蚀风化带一般厚12～60m，岩体完整性差，溶洞、溶缝发育；钻孔共揭示9个溶洞，高度一般3～8m，最大为27.5m(K9溶洞)，多数呈空洞状，少部分充填黏土；溶缝多顺层发育，多充填黏土。

据超前地质预测，发育K9岩溶管道系统(包含K9溶洞，如图2所示)，位于积福村渡槽出口明渠段基础下方约7.5m，推测管道起点位于出口明渠段西南方约240m处的溶槽，经过K9溶洞、R01岩溶洼地。推测管道大体发育方向约60°，延伸长度大于400m，推测管道高度20～60m，溶蚀宽度30～70m，溶蚀上下限高程分别为1989m、1922m，最大溶蚀深度可达近70m。管道多充填黏土或呈空洞状，其内发育数条溶缝，不规则发育且多充泥，管道周缘岩体多破碎。管道具有顺层发育特点，管道处地下水埋深70～80m，地下水位于岩溶管道下方。

图2 积福村渡槽出口明渠段岩溶形态简图注：高程和里程桩号的单位以m计，其余尺寸以cm计

《滇中引水工程初步设计大理Ⅰ段工程地质勘察报告》对积福村渡槽出口事故闸室段地质的主要评价，该渡槽基础下方7.5m处为K9岩溶管道系统，范围大，管道多充填黏土或呈空洞状，对地基稳定性存在影响，建议对出口事故闸室段渡槽地基下方K9岩溶采取岩溶处理措施。

3 岩溶处理对策及方案选择

3.1 岩溶处理对策

为确保积福村岩溶区渡槽基础的造价合理、结构安全和工期可控，首先应开展有效的地质勘测工作，然后在查明渡槽基础地质情况的前提下，确定合理可行的岩溶处理方案。

(1)位于岩溶区地基的地勘工作应采用物探为主、地质钻探为辅的补充地质勘察方法，便于全面掌握渡槽基础工程的地质情况。

(2)岩溶处理时，应视挖方区和填方区的差异调整处理原则。挖方区应采用先挖方后岩溶处理的原则，填方去应采用先岩溶处理后填方的原则。当溶洞内部具有足够的空间时，可通过填充片石或溶洞底部支撑等洞内施工措施来进行岩溶处理。

(3)当岩溶区有地下暗河存在时，应采用梁板跨越或针对暗河排水的处理措施，不宜采用强夯处理；对于特大型溶洞，应进行专项研究。

(4)对于稳定性较差的岩溶，应结合洞穴现有的形态特征，发育规模和埋藏深度考虑对应的处理措施。如置换法，桥梁跨越法，桩基础支撑法等措施。在喀斯特发育的线路中，可能存在松散的填充物，并且洞穴通常被填充或半填充，此时有必要改变地下水的渗流通道，并进行注浆处理。

3.2 积福村渡槽岩溶处理方案的选择

3.2.1岩溶稳定性的判定

当输水线路位于岩溶区时，岩溶的发育程度会对渡槽基础的稳定性产生较大的影响。在设计初期分析岩溶地基的稳定性将有利于岩溶处理措施的选择。根据文献[2—3]，岩溶溶洞的稳定性分析需要考虑两个因素：内因和外因。内因由岩溶岩体形态，产状分布和力学特性等因素引起的地基不稳定，另外溶洞内是否充满填充物也会影响地基的稳定性。外因是动(静)荷载和机械作用引起的地基不稳定，包括受荷状况，岩石的含水率，温度变化及溶洞内水流机械搬运作用等因素。

由于岩溶溶洞的稳定性受内外多重因素的影响，国内目前尚无统一的稳定性分析方法。评估溶洞稳定性的常用方法可分为定性评估法和半定量评方法。文献[4]介绍了半定量稳定性评估方法——溶洞顶板厚跨比(h/L)法。该方法假定溶洞和上部顶板为理想化模型，通过溶洞顶板最小厚度与跨度的比值来判定溶洞的稳定性。结合实际工程经验：①当厚跨比大于0.5时，溶洞处于安全状态；②当厚跨比不大于0.5时，溶洞处于不稳定状态；③当厚跨比不小于1.0时，可作为安全评定标准，即厚跨比大于1.0时，溶洞具有较高的稳定性。

根据地质勘察资料，积福村渡槽K9溶洞顶板最小厚度约为7.5m，溶洞沿渡槽纵向水平投影长度约为51m，h/L=0.147<0.5，可以初步判定溶洞处于不稳定状态。可以发现该结论与地勘报告给出的渡槽基础的地质评价基本一致。

3.2.2岩溶处理方案的选择

结合前述分析和实际工程经验，积福村渡槽K9溶洞处理方案可分为以下四类：①注浆处理，②桩基础进行洞顶支撑，③桥梁跨越，④换填处理。而依据已探明的地质条件，可以初步排除桥梁跨越和换填处理两种方案。首先，从平面布置来看，积福村渡槽出口渐变段连接与积福村隧洞进口相接，K9溶洞的右侧边界已处于隧洞的正下方，平面上已不具备布置桥梁墩台的空间。其次，从渡槽跨径考虑，K9溶洞的水平投影长度约51m，为避免溶洞对桥梁的影响，同时考虑施工的安全距离，渡槽的最大跨度超过60m，从而会带来渡槽结构设计上的难题。最后，考虑到溶洞顶板最小厚度为7.5m，采用换填法处理溶洞会造成大量的挖方，基坑深度达60m，施工难度过大，并且该项措施可能会破坏地层结构的整体稳定性，故上两项措施不宜考虑。

下面针对岩溶注浆和桩基础方案进行详细的比选：

(1)注浆处理。将水泥砂浆或纯水泥浆注入岩溶裂隙或洞体充填物中，通过水泥浆液的联结作用，使洞体强度提高，地层坍塌风险降低，沉降减小的处理方法。

该工艺技术成熟，处理效果明显，应用广泛于公路、铁路、地铁、水利工程等领域。对于充满填充物的溶洞较为适合注浆处理，积福村渡槽K9岩溶管道系统部分溶洞为填充状态，部分为空洞状态，经初步地质勘察，溶洞体积约39000m3，注浆处理所需水泥浆液工程量较大，造价相对较高，必要时可采用片石回填以降低造价。

从施工安全性来看，注浆措施采用小型注浆机具即可完成，无需大型施工机械设备，影响的施工安全因素仅有电击、坠物打击等。

(2)桩基础处理。该方法采用桩基础穿过溶洞进行洞底支撑，同时考虑在溶洞顶板沿桩周布设锚杆加强洞体的整体连接性。

桩基础是工程中较为常用的基础形式，但在岩溶处理中采用桩基础使得该工艺略微复杂，施工难度增大。相比注浆处理，桩基础处理的工程造价偏低，但其施工风险性高于注浆处理工艺。首先，K9溶洞存在空洞部分，桩基成孔困难，根据文献[5]，对于高度大于5m的溶洞，内部空洞或渗漏严重时，为避免造成重大塌孔事故和成桩风险，需要采取钢护筒跟进法施工，对实际桩长超过60m的桩基增设钢护筒，施工难度较大；其次，K9溶洞位于地下水上方，属于干作业施工，不适合桩基的机械成孔，若采用人工挖孔，施工风险较大；最后，桩基础施工过程中可能因为土体潜蚀和崩解作用引起岩溶塌陷[6]，从而造成施工安全事故。因此，桩基础施工时的安全影响因素除电击和坠物打击外，施工工艺本身存在较大的潜在风险因素。根据文献[3]，桩基础施工可能成为引起岩溶地基不稳定的外因。

另外，从工期比较，正常情况下桩基施工工期短于注浆处理，但注浆处理质量可控，工期可控，而桩基施工难度集中在钻孔上，当需要调整钻孔方式时，其工期将不可控[7]。

综合造价、施工难度、工期各项比较，注浆处理和桩基础处理各有优劣，但积福村渡槽作为大型输水工程的关键组成部分，施工安全的可控性，洞体整体的稳定性以及工程质量的可靠性是首要考虑因素。因此，积福村渡槽K9溶洞宜采用注浆处理，应慎用桩基础处理。

4 岩溶处理施工工艺

积福村渡槽K9岩溶系统以及溶缝采用注浆处理，经地质勘测，溶洞体积约39000m3计，部分溶洞内有黏土填充，采用纯水泥浆液进行注浆。

4.1 注浆填充施工顺序

岩溶处理通常在地面施做。施工前应探明是否有地下构筑物或管线与钻孔位置冲突，必要时可调整孔位。施工前宜采用地质雷达探测等手段，便于进一步查明渡槽溶洞的规模。施工过程中应采用先进的地质预测手段：地球物理勘探与钻探相结合的超前地质预报预测。

岩溶处理严格按照以下施工程序执行：现场生产试验→岩溶边界勘探钻→灌浆质量检查→缺陷加固→灌浆质量验收。

现场试验主要包含：根据简易压水试验结果选择注浆浆材。通过现场生产试验，选择合理的灌浆孔布置，灌浆方法，灌浆压力和灌浆材料等。施工过程中逐步完善工艺。

4.2 钻孔注浆工艺

4.2.1注浆方法[8]与浆材选择

积福村渡槽K9岩溶为大型半填充式溶洞，可采用间歇静压灌浆工艺。通常每次灌浆时间控制在20min内，两次灌浆的间隔时间大于6h。第一次灌浆使用较低浓度的水泥浆，第二次灌浆使用稠浆，依此类推，到终孔后结束。为防止浆料流失造成边界孔灌浆压力降低，可考虑增加间歇注浆次数。

4.2.2钻孔

土体内可根据钻孔直径选择合适的钻机，采用非填石灌浆时灌浆孔径不小于110mm，当采用填石灌浆时孔径不小于150mm，钻孔时下设钢套管进行护壁，套管嵌入基岩深度不小于100cm。岩体内灌浆孔径不小于76mm，钻机通常选用冲击钻和回旋钻。

4.2.3注浆压力

周边孔的岩溶注浆压力控制在0.4～0.6MPa范围内，中心孔控制在0.8～1.0MPa范围内。在灌浆过程中应逐渐增加灌浆压力，在达到现场试验确定的设计压力后，灌浆应持续不少于20min。

4.2.4注浆浆材配比

纯水泥浆液的水灰比范围宜为0.5∶1～2.0∶1，具体取值以现场试验为准。

4.2.5注浆结束标准

灌浆结束标准为注入速率和灌浆时间同时满足设计要求，即在设计灌浆压力下，当孔段注入速率小于1.0L/min时，连续注浆20min后方可结束；最大设计注浆压力下的累计注浆时间不少于1h。

4.2.6注浆封孔

灌浆结束后应立即进行全部灌浆孔和检查孔的封孔。注浆封孔浆液建议采用浓浆。

4.3 注浆质量检查

岩溶灌浆结束后应采用钻孔取芯和压水试验相结合的方法进行质量检查。根据溶洞直径的大小，洞径不大于2m的溶洞按10%的比例进行抽样检测，洞径大于2m的溶洞必须全部检测。检测过程中先进行钻芯取样后进行抗压试验。灌浆结束7d后立即进行压水检查试验。

5 结语

本文结合滇中引工程大理Ⅰ段水积福村渡槽项目，就输水工程岩溶的处理方法进行了阐述。积福村渡槽出口段位于碳酸盐地层区域，发育大型K9岩溶管道系统，工程地质十分复杂。通过半定量评价分析法以及已有的地质勘察资料评价了K9溶洞的稳定性。结合积福村渡槽特定的工程环境对4种常见的岩溶处理方法进行比选，最后考虑到施工安全和工程质量等因素，选择采用注浆处理方案，并且对岩溶注浆处理施工工艺进行了详细的阐述，可为类似工程岩溶处理设计提供技术参考。