贵州三口河水库坝区岩溶发育特征及隧洞冒顶处理方案研究

伍登浩 顾兴华 余加松

(贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550002)

1 工程概况

三口河水库工程位于贵州省开阳县城东南面禾丰乡境内，距开阳县城约10km。建库河流为长江流域乌江水系清水河的二级支流公鸡河(南江河左岸一级支流)，水库坝址位于公鸡河中上游河段，建坝河段为峡谷型河谷。该水库挡水坝为C20混凝土双曲拱坝，坝顶长119.50m，最大坝高87.0m，宽高比为0.8；坝址以上流域面积26.9km2，水库正常蓄水位1084.00m，水库总库容为373万m3，水库功能主要以灌溉和供水为主。水库坝址区无公路连通，需新开挖施工交通洞、取水隧洞，由于两岸地形较陡、坝高较高，两岸设置上下两层灌浆平洞用于岸坡帷幕灌浆施工。

2 水库工程地质概况

2.1 地形地貌

三口河水库坝址河段为一深切峡谷，河谷与两岸高差达160m以上，两岸山体高大雄厚，地形坡度上缓下陡；高程1160m以上，两岸地形坡度较平缓，右岸缓坡段分布有青岗林村寨及农田；高程1100～1160m，两岸地形坡度40°左右；高程1100m以下，两岸地形陡峻狭窄，地形坡度50°～80°，仰望呈一线天之势。坝址区为碳酸盐岩分布区，地貌类型属溶蚀峡谷型。坝址河段河流较平直，河流总体流向南东，平水期河水面宽2～8m，水深0.5～1.2m；河床高程993～1025m，坡降4.8%左右，坝址河段河床无大的裂点及深槽存在；正常蓄水位1084.00m时，坝址河谷宽64m。

2.2 地层岩性

坝址河段基岩出露，覆盖层零星分布，主要出露地层二叠系、寒武系地层。

第四系(Q)：主要为残坡积孤石、块石、碎石、黏土夹碎石以及冲洪积砂卵砾石层，零星分布于河床及两岸缓坡地段，厚0～4.5m。

二叠系(P)、中统栖霞组(P2q)：岩性为深灰色中厚层灰岩，常含燧石结核、泥质及沥青质，底部层间夹灰色、灰黑色页岩及炭质页岩，分布于坝址两岸正常蓄水位高程以上。下统梁山组(P1l)：岩性为灰、深灰色、黑色页岩，褐色石英砂岩，粉砂岩夹硅质岩及煤线数层，厚25m，不整合于寒武系中上统娄山关群之上，分布于坝址两岸正常蓄水位以上。

寒武系(∈)：中上统娄山关群(∈2-3ls)岩性为浅灰、灰白色中至厚层白云岩夹白云质灰岩，顶部常夹燧石团块和硅质白云岩，底部夹角砾状、鲕状白云岩；分布于坝址区及库盆。

2.3 地质构造

工程区大地构造单元属贵阳复杂构造变形区，区域上主要以北东向构造为主，构造走向控制了区内山势和岩层展布方向。坝区无大规模的构造发育，主要构造类型有断层、节理裂隙等。

f1断层：坝肩开挖过程中，在左坝肩揭露了一条小断层，断层走向为北西—南东向，倾向南西，倾角80°～85°，断层两盘地层岩性及岩层产状基本一致，断层性质不明；沿该断层走向有串珠状溶洞、溶槽发育。

裂隙：据施工、勘探平洞及地表裂隙统计，坝区岩体主要发育四组裂隙；其中，以①组裂隙最为发育，裂隙走向与河流方向夹角5°～15°，两岸由于河谷深切，边岸卸荷作用形成卸荷裂隙，构成坝基(肩)岩体中纵向结构面；②、③组裂隙次发育，裂隙走向与河流方向夹角较大，构成坝基(肩)岩体中横向结构面；④组裂隙不发育。部分裂隙受溶蚀作用扩大呈溶隙、溶槽、溶洞等，尤其是多组裂隙交汇部位岩溶作用更为明显(见表1)。

表1 坝区裂隙统计

2.4 岩溶及水文地质特征

岩溶发育特征：区域上碳酸盐岩大面积分布，岩溶较为发育，主要岩溶类型有岩溶洼地、落水洞、溶洞、岩溶管道、溶隙、溶孔等。坝址区分布地层岩性主要为∈2-3ls的中至厚层白云岩，根据地表调查及坝基、交通洞、灌浆平洞等开挖情况，坝区发育的主要岩溶类型有溶洞、溶隙、溶孔、溶沟、溶槽、岩溶管道等(见表2)。

水文地质特征：工程区总体岩溶发育中等，地下水以岩溶水为主，基岩裂隙水为辅，由于坝址区裂隙较为发育，部分裂隙受溶蚀后形成溶隙，且深度达数十米，故两岸地下水位总体较低。由两岸水文孔观测的地下水位情况及地表地质调查可知，库区两岸地下水补给河水，库区河段河谷为补给型河谷，两岸地下水水力坡降平缓，约为7%。交通洞、灌浆平洞施工过程中有多处渗水，局部地段水量较大，如取水兼下基坑交通洞中揭露的K1溶洞旁侧出现了流量20～30L/s的泉水点。钻孔压水试验表明，强风化带岩体透水率较强，最大可达20Lu左右；弱风化以下岩体透水率较小，多在5～8Lu之间，微风化以下岩体透水率多为1Lu或小于1Lu，属弱至微透水岩体。

3 施工期洞冒顶事故及原因分析

在两岸交通洞、取水隧洞、灌浆平洞施工过程中，发生了两次规模最大的事故，即为K10溶槽和K7溶洞冒顶事故。

3.1 K10溶槽冒顶事故

K10溶槽位于坝址区左岸，距离左坝肩岸坡约37m，在左岸上层灌浆平洞施工过程中揭露，溶槽沿断层f1发育，倾角近80°。溶槽连通地表，灌浆平洞底板距地表约87m，溶槽总体上宽下窄，内部有黏土及少量碎石充填，充填物密实度很低，加上溶槽内有地下水发育，导致充填物含水量过高，充填物稳定性较差，首次揭露该溶槽即发生了大规模的垮塌。在清除垮塌的充填物后采用工字形钢拱架进行临时支护，但由于降雨期间大量地表水汇入溶槽内进一步加大了充填物的含水量，充填物垮塌更为严重，坍塌物直接将工字形钢拱架冲击变形，导致大量充填物涌入灌浆平洞内，严重影响了灌浆平洞施工。该溶槽共进行了两次工字形钢拱架临时支护，均被坍塌物冲击变形，前后经历多次垮塌后，最后在溶槽上部形成地表“天窗”。

3.2 K7溶洞冒顶事故

右岸下层灌浆平洞施工过程中，在距岸坡约270m处发育了K7溶洞，内部充填物主要由黏土夹碎石组成，密实度差，稳定性较差；该溶洞旁有一流量较大的岩溶泉发育，溶洞内部亦有明显的渗水现象，导致溶洞充填物自稳能力较差，在平洞掘进过程中出现了垮塌。经多次垮塌、清方后，溶洞顶部充填物基本稳定，形成距平洞底板约20m的空腔，但还未形成天窗。

4 冒顶处理方案研究

隧洞掘进过程中，小规模的坍塌、掉块等不良物理地质现象时有发生，对于这类事故仅需采取喷锚支护或进行局部衬砌即可；但对于规模较大的冒顶事故需进行特殊处理，且不同类型和规模的事故处理方式亦有区别。隧洞冒顶处理通常采用工字形钢拱架进行支护[1-5]、超前注浆[3]、地表治理[4]、钢筋混凝土衬砌等方式进行处理，对于地下水较发育地区可同时进行钻孔排水[2]。

4.1 K10溶槽冒顶事故处理方案研究

该溶槽沿断层发育，发育深度较大，隧洞上部充填物体积较大，在隧洞掘进的过程中不断发生垮塌，直至最后形成天窗。在垮塌初期，施工单位曾采用工字形钢拱架强支撑的方式进行处理，但效果不佳，两次工字形钢拱架临时支护均被垮塌的土体击毁，拱架支撑结构严重变形，大量的充填物涌入平洞内。由于溶槽顶部宽度较大，上部亦有大量不稳定充填物分布，充填物距离平洞底板高差较大，一旦失稳垮塌将产生巨大的冲击力，下部支撑结构亦无法承受。结合现场实际情况及本水库工程的工期，经多方案比选研究，最终采用溶洞充填+固结灌浆+二次掘进、支护+钢筋混凝土衬砌支护的方式进行处理。首先，溶槽顶部将坝肩开挖弃渣倒入溶槽内，将其内部空腔全部充填，并进行一定的夯实；然后从溶槽顶部钻孔(钻孔布置方式见图1)，对灌浆平洞高程附近的充填物进行固结灌浆，让其形成一个整体，增加充填物的稳定性；待固结灌浆达到预期效果后再次对平洞内的充填物进行开挖掘进，并及时采用工字形钢拱架支撑及钢筋混凝土衬砌支护。通过上述方式进行处理后，在二次掘进过程中均未出现充填物垮塌现象。

图1 K10溶槽处理方式示意图

4.2 K7溶洞冒顶事故处理方案研究

该溶洞冒顶进行了多次清方后基本趋于稳定，给衬砌施工赢得了足够的时间，而且处理方式较为简单。结合溶洞上部充填物的稳定性以及溶洞下部形态特征，对隧洞底板处的溶洞进行块石充填后在上部采用混凝土充填固结，形成上大下小的混凝土塞，最后在混凝土塞上部采用钢筋混凝土再次加固；而隧洞顶板和侧壁采用钢筋混凝土衬砌支护。

5 冒顶处理效果

K10溶槽冒顶经处理后，洞内充填物的稳定性得到了显著提高，未出现垮塌及掉块现象，在二次掘进过程中洞顶基本上可以自稳，为临时支护及最终衬砌赢得了足够的时间；最后采用钢筋混凝土衬砌后，左岸上层灌浆平洞K10溶槽处至今未出现变形破坏迹象，取得了预期的处理效果(见图2)。K7溶洞通过衬砌支护后顶拱及侧壁均未出现变形破坏迹象，稳定性较好；底板混凝土塞亦未出现沉降、裂缝等迹象，处理方案效果较好。

图2 K10溶槽处理前后效果对比

6 结 论

坝址区地形较陡，植被较发育，部分溶洞、溶槽在地表调查中不易被发现，加上溶洞、溶槽多为沿陡倾裂隙、断层发育，钻孔施工过程中也不易被发现，在勘察过程中需采用多种勘察手段进行综合分析研究。隧洞掘进过程中，对于强支撑无法进行处理的冒顶事故，可考虑利用弃渣充填+固结灌浆加固+二次掘进、支护+钢筋混凝土衬砌的方式进行处理。鉴于岩溶地区岩溶形态具有多样性，且分布随机、隐蔽性强，隧洞施工过程中需加强超前地质预报工作，以避免工程安全事故的发生。