伍登浩 顧興華 余加松

(貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550002)

1 工程概況

三口河水庫工程位于貴州省開陽縣城東南面禾豐鄉(xiāng)境內(nèi)，距開陽縣城約10km。建庫河流為長江流域?yàn)踅登逅拥亩壷Я鞴u河(南江河左岸一級支流)，水庫壩址位于公雞河中上游河段，建壩河段為峽谷型河谷。該水庫擋水壩為C20混凝土雙曲拱壩，壩頂長119.50m，最大壩高87.0m，寬高比為0.8；壩址以上流域面積26.9km2，水庫正常蓄水位1084.00m，水庫總庫容為373萬m3，水庫功能主要以灌溉和供水為主。水庫壩址區(qū)無公路連通，需新開挖施工交通洞、取水隧洞，由于兩岸地形較陡、壩高較高，兩岸設(shè)置上下兩層灌漿平洞用于岸坡帷幕灌漿施工。

2 水庫工程地質(zhì)概況

2.1 地形地貌

三口河水庫壩址河段為一深切峽谷，河谷與兩岸高差達(dá)160m以上，兩岸山體高大雄厚，地形坡度上緩下陡；高程1160m以上，兩岸地形坡度較平緩，右岸緩坡段分布有青崗林村寨及農(nóng)田；高程1100～1160m，兩岸地形坡度40°左右；高程1100m以下，兩岸地形陡峻狹窄，地形坡度50°～80°，仰望呈一線天之勢。壩址區(qū)為碳酸鹽巖分布區(qū)，地貌類型屬溶蝕峽谷型。壩址河段河流較平直，河流總體流向南東，平水期河水面寬2～8m，水深0.5～1.2m；河床高程993～1025m，坡降4.8%左右，壩址河段河床無大的裂點(diǎn)及深槽存在；正常蓄水位1084.00m時(shí)，壩址河谷寬64m。

2.2 地層巖性

壩址河段基巖出露，覆蓋層零星分布，主要出露地層二疊系、寒武系地層。

第四系(Q)：主要為殘坡積孤石、塊石、碎石、黏土夾碎石以及沖洪積砂卵礫石層，零星分布于河床及兩岸緩坡地段，厚0～4.5m。

二疊系(P)、中統(tǒng)棲霞組(P2q)：巖性為深灰色中厚層灰?guī)r，常含燧石結(jié)核、泥質(zhì)及瀝青質(zhì)，底部層間夾灰色、灰黑色頁巖及炭質(zhì)頁巖，分布于壩址兩岸正常蓄水位高程以上。下統(tǒng)梁山組(P1l)：巖性為灰、深灰色、黑色頁巖，褐色石英砂巖，粉砂巖夾硅質(zhì)巖及煤線數(shù)層，厚25m，不整合于寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)群之上，分布于壩址兩岸正常蓄水位以上。

寒武系(∈)：中上統(tǒng)婁山關(guān)群(∈2-3ls)巖性為淺灰、灰白色中至厚層白云巖夾白云質(zhì)灰?guī)r，頂部常夾燧石團(tuán)塊和硅質(zhì)白云巖，底部夾角礫狀、鮞狀白云巖；分布于壩址區(qū)及庫盆。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

工程區(qū)大地構(gòu)造單元屬貴陽復(fù)雜構(gòu)造變形區(qū)，區(qū)域上主要以北東向構(gòu)造為主，構(gòu)造走向控制了區(qū)內(nèi)山勢和巖層展布方向。壩區(qū)無大規(guī)模的構(gòu)造發(fā)育，主要構(gòu)造類型有斷層、節(jié)理裂隙等。

f1斷層：壩肩開挖過程中，在左壩肩揭露了一條小斷層，斷層走向?yàn)楸蔽鳌蠔|向，傾向南西，傾角80°～85°，斷層兩盤地層巖性及巖層產(chǎn)狀基本一致，斷層性質(zhì)不明；沿該斷層走向有串珠狀溶洞、溶槽發(fā)育。

裂隙：據(jù)施工、勘探平洞及地表裂隙統(tǒng)計(jì)，壩區(qū)巖體主要發(fā)育四組裂隙；其中，以①組裂隙最為發(fā)育，裂隙走向與河流方向夾角5°～15°，兩岸由于河谷深切，邊岸卸荷作用形成卸荷裂隙，構(gòu)成壩基(肩)巖體中縱向結(jié)構(gòu)面；②、③組裂隙次發(fā)育，裂隙走向與河流方向夾角較大，構(gòu)成壩基(肩)巖體中橫向結(jié)構(gòu)面；④組裂隙不發(fā)育。部分裂隙受溶蝕作用擴(kuò)大呈溶隙、溶槽、溶洞等，尤其是多組裂隙交匯部位巖溶作用更為明顯(見表1)。

表1 壩區(qū)裂隙統(tǒng)計(jì)

2.4 巖溶及水文地質(zhì)特征

巖溶發(fā)育特征：區(qū)域上碳酸鹽巖大面積分布，巖溶較為發(fā)育，主要巖溶類型有巖溶洼地、落水洞、溶洞、巖溶管道、溶隙、溶孔等。壩址區(qū)分布地層巖性主要為∈2-3ls的中至厚層白云巖，根據(jù)地表調(diào)查及壩基、交通洞、灌漿平洞等開挖情況，壩區(qū)發(fā)育的主要巖溶類型有溶洞、溶隙、溶孔、溶溝、溶槽、巖溶管道等(見表2)。

水文地質(zhì)特征：工程區(qū)總體巖溶發(fā)育中等，地下水以巖溶水為主，基巖裂隙水為輔，由于壩址區(qū)裂隙較為發(fā)育，部分裂隙受溶蝕后形成溶隙，且深度達(dá)數(shù)十米，故兩岸地下水位總體較低。由兩岸水文孔觀測的地下水位情況及地表地質(zhì)調(diào)查可知，庫區(qū)兩岸地下水補(bǔ)給河水，庫區(qū)河段河谷為補(bǔ)給型河谷，兩岸地下水水力坡降平緩，約為7%。交通洞、灌漿平洞施工過程中有多處滲水，局部地段水量較大，如取水兼下基坑交通洞中揭露的K1溶洞旁側(cè)出現(xiàn)了流量20～30L/s的泉水點(diǎn)。鉆孔壓水試驗(yàn)表明，強(qiáng)風(fēng)化帶巖體透水率較強(qiáng)，最大可達(dá)20Lu左右；弱風(fēng)化以下巖體透水率較小，多在5～8Lu之間，微風(fēng)化以下巖體透水率多為1Lu或小于1Lu，屬弱至微透水巖體。

3 施工期洞冒頂事故及原因分析

在兩岸交通洞、取水隧洞、灌漿平洞施工過程中，發(fā)生了兩次規(guī)模最大的事故，即為K10溶槽和K7溶洞冒頂事故。

3.1 K10溶槽冒頂事故

K10溶槽位于壩址區(qū)左岸，距離左壩肩岸坡約37m，在左岸上層灌漿平洞施工過程中揭露，溶槽沿?cái)鄬觙1發(fā)育，傾角近80°。溶槽連通地表，灌漿平洞底板距地表約87m，溶槽總體上寬下窄，內(nèi)部有黏土及少量碎石充填，充填物密實(shí)度很低，加上溶槽內(nèi)有地下水發(fā)育，導(dǎo)致充填物含水量過高，充填物穩(wěn)定性較差，首次揭露該溶槽即發(fā)生了大規(guī)模的垮塌。在清除垮塌的充填物后采用工字形鋼拱架進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，但由于降雨期間大量地表水匯入溶槽內(nèi)進(jìn)一步加大了充填物的含水量，充填物垮塌更為嚴(yán)重，坍塌物直接將工字形鋼拱架沖擊變形，導(dǎo)致大量充填物涌入灌漿平洞內(nèi)，嚴(yán)重影響了灌漿平洞施工。該溶槽共進(jìn)行了兩次工字形鋼拱架臨時(shí)支護(hù)，均被坍塌物沖擊變形，前后經(jīng)歷多次垮塌后，最后在溶槽上部形成地表“天窗”。

3.2 K7溶洞冒頂事故

右岸下層灌漿平洞施工過程中，在距岸坡約270m處發(fā)育了K7溶洞，內(nèi)部充填物主要由黏土夾碎石組成，密實(shí)度差，穩(wěn)定性較差；該溶洞旁有一流量較大的巖溶泉發(fā)育，溶洞內(nèi)部亦有明顯的滲水現(xiàn)象，導(dǎo)致溶洞充填物自穩(wěn)能力較差，在平洞掘進(jìn)過程中出現(xiàn)了垮塌。經(jīng)多次垮塌、清方后，溶洞頂部充填物基本穩(wěn)定，形成距平洞底板約20m的空腔，但還未形成天窗。

4 冒頂處理方案研究

隧洞掘進(jìn)過程中，小規(guī)模的坍塌、掉塊等不良物理地質(zhì)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，對于這類事故僅需采取噴錨支護(hù)或進(jìn)行局部襯砌即可；但對于規(guī)模較大的冒頂事故需進(jìn)行特殊處理，且不同類型和規(guī)模的事故處理方式亦有區(qū)別。隧洞冒頂處理通常采用工字形鋼拱架進(jìn)行支護(hù)[1-5]、超前注漿[3]、地表治理[4]、鋼筋混凝土襯砌等方式進(jìn)行處理，對于地下水較發(fā)育地區(qū)可同時(shí)進(jìn)行鉆孔排水[2]。

4.1 K10溶槽冒頂事故處理方案研究

該溶槽沿?cái)鄬影l(fā)育，發(fā)育深度較大，隧洞上部充填物體積較大，在隧洞掘進(jìn)的過程中不斷發(fā)生垮塌，直至最后形成天窗。在垮塌初期，施工單位曾采用工字形鋼拱架強(qiáng)支撐的方式進(jìn)行處理，但效果不佳，兩次工字形鋼拱架臨時(shí)支護(hù)均被垮塌的土體擊毀，拱架支撐結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形，大量的充填物涌入平洞內(nèi)。由于溶槽頂部寬度較大，上部亦有大量不穩(wěn)定充填物分布，充填物距離平洞底板高差較大，一旦失穩(wěn)垮塌將產(chǎn)生巨大的沖擊力，下部支撐結(jié)構(gòu)亦無法承受。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況及本水庫工程的工期，經(jīng)多方案比選研究，最終采用溶洞充填+固結(jié)灌漿+二次掘進(jìn)、支護(hù)+鋼筋混凝土襯砌支護(hù)的方式進(jìn)行處理。首先，溶槽頂部將壩肩開挖棄渣倒入溶槽內(nèi)，將其內(nèi)部空腔全部充填，并進(jìn)行一定的夯實(shí)；然后從溶槽頂部鉆孔(鉆孔布置方式見圖1)，對灌漿平洞高程附近的充填物進(jìn)行固結(jié)灌漿，讓其形成一個(gè)整體，增加充填物的穩(wěn)定性；待固結(jié)灌漿達(dá)到預(yù)期效果后再次對平洞內(nèi)的充填物進(jìn)行開挖掘進(jìn)，并及時(shí)采用工字形鋼拱架支撐及鋼筋混凝土襯砌支護(hù)。通過上述方式進(jìn)行處理后，在二次掘進(jìn)過程中均未出現(xiàn)充填物垮塌現(xiàn)象。

圖1 K10溶槽處理方式示意圖

4.2 K7溶洞冒頂事故處理方案研究

該溶洞冒頂進(jìn)行了多次清方后基本趨于穩(wěn)定，給襯砌施工贏得了足夠的時(shí)間，而且處理方式較為簡單。結(jié)合溶洞上部充填物的穩(wěn)定性以及溶洞下部形態(tài)特征，對隧洞底板處的溶洞進(jìn)行塊石充填后在上部采用混凝土充填固結(jié)，形成上大下小的混凝土塞，最后在混凝土塞上部采用鋼筋混凝土再次加固；而隧洞頂板和側(cè)壁采用鋼筋混凝土襯砌支護(hù)。

5 冒頂處理效果

K10溶槽冒頂經(jīng)處理后，洞內(nèi)充填物的穩(wěn)定性得到了顯著提高，未出現(xiàn)垮塌及掉塊現(xiàn)象，在二次掘進(jìn)過程中洞頂基本上可以自穩(wěn)，為臨時(shí)支護(hù)及最終襯砌贏得了足夠的時(shí)間；最后采用鋼筋混凝土襯砌后，左岸上層灌漿平洞K10溶槽處至今未出現(xiàn)變形破壞跡象，取得了預(yù)期的處理效果(見圖2)。K7溶洞通過襯砌支護(hù)后頂拱及側(cè)壁均未出現(xiàn)變形破壞跡象，穩(wěn)定性較好；底板混凝土塞亦未出現(xiàn)沉降、裂縫等跡象，處理方案效果較好。

圖2 K10溶槽處理前后效果對比

6 結(jié) 論

壩址區(qū)地形較陡，植被較發(fā)育，部分溶洞、溶槽在地表調(diào)查中不易被發(fā)現(xiàn)，加上溶洞、溶槽多為沿陡傾裂隙、斷層發(fā)育，鉆孔施工過程中也不易被發(fā)現(xiàn)，在勘察過程中需采用多種勘察手段進(jìn)行綜合分析研究。隧洞掘進(jìn)過程中，對于強(qiáng)支撐無法進(jìn)行處理的冒頂事故，可考慮利用棄渣充填+固結(jié)灌漿加固+二次掘進(jìn)、支護(hù)+鋼筋混凝土襯砌的方式進(jìn)行處理。鑒于巖溶地區(qū)巖溶形態(tài)具有多樣性，且分布隨機(jī)、隱蔽性強(qiáng)，隧洞施工過程中需加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，以避免工程安全事故的發(fā)生。