小水电岩溶渗漏及处理措施探讨

2012-08-15夏界平

黑龙江水利科技 2012年1期

夏界平

(长江三峡勘测研究院有限公司，武汉 430073)

0 前言

岩溶一词最早表达为亚得里亚海达尔马提亚(Dalmatia)沿岸的石灰岩区喀斯特。中国是个多溶洞的国家，尤以广西境内的溶洞著称，如桂林的七星岩、芦笛岩等。北京西南郊周口店附近的上方山云水洞，深612 m，有7个“大厅”被一条窄长的“走廊”相连，洞的尽头是一个硕大的石笋，美名十八罗汉，石笋背后即是深不可及的落水洞，也有一定规模。

在岩溶带来美景的同时，也为水电工程带来了许多安全隐患。我国现有的病险水库大多修建于解放初期阶段，受当时的技术和历史条件限制，多属于“三边”工程。20世纪70年代乌江渡水电站的建立，是我国在岩溶地区建设高坝大库和大型水电站的标志，随后成功建成了红水河大化水电站、黄泥河鲁布革水电站、红水河岩滩水电站、索风营等大中型水电站。

岩溶地区河谷一般断面狭窄，岩石硬度中等，有质量较优的人工砂石骨料料源，是良好的水库选址之选，但往往存在岩溶渗漏、涌水、边坡稳定、地基稳定等一系列工程地质问题，所以，如何合理勘查和解决岩溶地质问题，成为水电站安全运作的首要地质问题。

1 岩溶渗漏的发生机理

岩溶指可溶性岩石，特别是碳酸盐类岩石(如石灰岩、石膏等)，受含有CO2的流水溶蚀，有时并加以沉积作用而形成的地貌。往往呈奇特形状，有洞穴、石芽、石沟、石林、溶洞、地下河也有峭壁。此种地貌地区，往往奇峰林立。通常指岩石裸露、草木不生、具有洞穴、落水洞、地下河而缺乏地表河流和湖泊的地区。是地下水对可溶性块状石灰岩溶蚀的结果。

1.1 岩溶的形成条件

石灰岩在略有酸性的水中更易于溶解，而这种水在自然界中广泛存在。雨水沿水平的和垂直的裂缝渗透，将石灰岩溶解，并以溶液形式带走。沿节理发育的垂直裂隙逐渐加宽、加深，形成石骨嶙峋的地形。当雨水沿地下裂缝流动时，就不断使裂缝加宽、加深，直到终于形成洞穴系统或地下河道。

1.2 岩溶的形成过程

地表水在运动过程中对所经过的沉积物或岩石有着重要的侵蚀作用，既包括水动力作用下的碎屑物搬运，又包括水对岩石或沉积物的化学溶蚀作用，还包括碎屑物在搬运过程中的磨蚀作用。喀斯特地貌就是地下水对碳酸盐岩侵蚀作用的结果。在水流作用下，形成陡峭的海岸、弯曲的沟壑、高高的冰蚀悬谷、气势磅礴的大峡谷。“滴水穿石”也是水的化学侵蚀作用的写照。

溶洞的形成是石灰岩地区地下水长期溶蚀的结果。石灰岩的主要成分是碳酸钙(CaCO3)，在有水和二氧化碳时发生化学反应生成碳酸氢钙，后者可溶于水，于是有空洞形成并逐步扩大。这种现象在南斯拉夫亚德利亚海岸的喀斯特高原上最为典型，所以常把石灰岩地区的这种地形笼统地称之喀斯特地形。

2 岩溶渗漏的勘查内容及方法

水利水电工程岩溶渗漏勘察不同于非喀斯特地区的渗漏勘察，岩溶水可分为浅层的和深层的两种，岩溶的发育也是相当的复杂，如果利用一般的地质勘查工作进行，是无法满足岩溶勘查的要求的。水文地质条件的勘查需要利用专门的技术支持，才能达到理想的效果，因此需要应用岩溶工程地质学的理论和方法进行分析研究。

2.1 岩溶渗漏的勘查内容

水库岩溶渗漏勘察的任务是查明基础地质条件、岩溶发育规律一级发育程度、岩溶水文地质条件，然后分析评价水库是否存在岩溶渗漏、渗漏的方式，渗漏量及渗漏影响，最后提出渗漏处理的方法以及建议。

2.1.1 基础地质条件勘察

岩溶基础地质条件包括地貌形态与地质结构，构造以及解理的分布情况，发育程度等。主要内容有:①调查可溶岩的可溶性以及与隔水层的接触关系，隔水层的隔水性能，两者的产状与分布情况，连续性及对水库的影响;②查明断层数量、规模、产状及分布情况，断层是否错断隔水层或相对隔水层形成构造切口及构造切口的规模。断定是否与断层有直接的关系，为后期的治理提供资料。

2.1.2 岩溶发育程度及规律调查研究

岩溶发育程度与岩溶发育规律调查研究的主要内容有:①调查岩溶形态特征、规模大小及其空间分布情况，统计点、线、面的岩溶率、钻孔遇洞率等;②分析研究岩溶发育程度、地质构造对其的影响、地下水动力条件以及地下水文网演变历史的关系等。这样分析的目的是研究水库正常蓄水位以下岩溶发育的情况，并分析确定水库岩溶渗漏的形式。

2.1.3 岩溶水文地质条件研究

岩溶水文地质条件研究的可以确定水库岩溶渗漏范围、途径、渗漏量等，其主要内容有:①根据岩性和构造条件，划分岩溶水文地质结构类型;②调查研究岩溶水的补给、径流、排泄条件，研究河水与地下水的关系，确定岩溶水动力类型;③分析研究是否存在地下水分水岭及其分布位置与高程;④分析研究岩溶水文地质参数。

2.2 岩溶渗漏的勘查方法

水库岩溶渗漏主要勘察方法有水文地质测绘、溶洞调查、钻探、水文地质试验、地球物理勘探、岩溶地下水观测等。

2.2.1 岩溶水文地质测绘

岩溶水文地质测绘是相当复杂的，但是岩溶水文地质测绘在岩溶勘查中起着举足轻重的作用，是岩溶研究工作必不可少的基础工作，是一切岩溶水文研究的基础。主要包括野外的地质调查和室内的分析整理。进行岩溶地貌的观察，推测岩溶发育的因素，查清区内的化学成分、矿物成分、岩性结构已经分布特征。河系的发育情况，松散沉积物的堆积，地下水的运动状态等都是水文地质测绘的研究内容。

2.2.2 钻探工程

钻探是直接取得地下岩层的最有效手段，多用于矿产勘查工程中的最后阶段。它不仅能进行岩性分层，探查地质构造、也可以查明地下水的分布情况，隔水层的厚度已经分布情况，透水层与隔水层的组合关系，透水层的范围等，除了利用钻探工程，利用地质雷达，电法勘探也是取得地下水文地质情况的有效手段。

2.2.3 水文地质试验

水文地质试验分为两类:野外试验和室内试验。目的是为了定量评价含水层的富水性，测定含水层的水文地质参数(K、T、S、μ)和地下水的补给、分布情况，岩溶地下水分水岭及其位置、地下水补给通道和强流位置等。水文地质试验包括钻孔压水试验、钻孔抽水试验、钻孔注水试验、示踪试验等。

2.2.4 地球物理勘探

地球物理勘探是应用物理学原理勘查地下矿产、研究地质构造的一种方法和理论，常用五字总结为:重、磁、电、震、放。是在物理学的基础上，通过地质反演技术，了解地下的地层，构造和水文情况，它具有成本低，周期短，工程量小等优点。在水文地质的勘查中一般用地震勘探、电法勘探和磁法勘探。

2.2.5 岩溶地下水观测

对岩溶地下水的实时状态了解是抵制渗透最直接有效的方法，岩溶地下水观测分简易观测和动态观测。简易观测是对水位，流量等基本水文情况的观察;动态观测是在简易观察的基础上，除了对岩体和水流本身的观察外，还要实时记录气候、季节等外界因素对水文条件的影响。岩溶地下水的观察不仅能够对地下水位，径流，排泄情况进行统计分析，而且能够实时的观察期的变化情况，为岩溶的治理收集完善的水文资料。

3 堵漏方案与措施

防渗方法概括起来就是避、堵、隔、围、铺、截、排、观8个字。即首先尽量避开岩溶发育的地方进行建坝，堵住溶洞，采取防渗截流的方法，防渗铺盖截流墙，灌浆，用竖井或围堤将溶洞围在库外，将坝基地下水或渗水导出坝外，进行较长期的运行观测，再对症下药地进行处理。通常在坝址区常采用堵、铺、截、排的方法，在水库库区常采用堵、隔、围的方法。

3.1 辐射孔施工

辐射孔是在所掌握的地质资料无法判断打孔位置的情况下，可以再坝顶等位置布置辐射孔，查找集中渗漏通道。辐射孔的钻进要按照实际情况进行，在一般情况下，直接钻进到设计深度然后进行灌浆，但是遇见透水严重的情况时，要利用大口径的管道对透水部位进行灌浆。在辐射孔打钻过程中，按照反水情况进行灌浆，以主要成分为水泥、黏土或膨润土、粉煤灰以及外加剂等的浆液进行灌注，不仅可以防止流失，而且这样合成的浆液有较高的韧性和较大的黏度。

灌浆孔结束灌浆后，采用浓浆回填。由于浆液终凝干缩后，在钻孔上部会出现脱空现象，因此采用原配比浆液进行回填，直至灌浆孔不再出现脱空。

3.2 相邻坝段结合部位施工

相邻坝段结合部位灌浆孔可分为铅直孔和斜孔，斜孔的倾角根据岩层的走向确定，通常垂直于基岩的走向。堵漏孔≥3排时，一般先施工背水排，再施工迎水排，最后施工中间排。灌浆孔的排数、孔距、排距根据前期的堵漏效果确定。钻孔灌浆方法与辐射孔相同。

3.3 模袋混凝土施工

当渗漏通道存在空腔时可选用混凝土堵漏，在施工前，应对空腔部位进行探勘查，确定空腔的基本形态特征，例如大小及形状等，以便选择模袋的类型。模袋铺放好后，利用灌浆泵向模袋内灌注水泥浆液。模袋在铺设时垂直和平行的方向都应该留有一定的空间，一般依据施工要求控制。为防止灌浆管堵塞，浆液可以采用由稀到浓的方式灌注。在注浆的过程中为了达到更加快速理想的效果，应该加入一些速凝剂，使其快速固化。

3.4 锚杆加固

模袋施工完成后，为安全起见可以进行锚杆加固工程，这样可以抵制水流再次冲刷而出。锚杆支护具有成本低、支护效果好、操作简便、使用灵活、占用施工净空少等优点。

3.5 化学灌浆

当常规灌浆无法达到预期效果时，可采用化学灌浆。化学灌浆是利用泵压力通过钻孔将硅酸钠或高分子化合物浆液压入岩土微细裂隙或混凝土裂缝内加固或防渗的工程，浆液的凝胶或固化时间可在一定范围内按需要进行调节和控制，凝胶过程可瞬间完成，凝胶体或固结体有良好的抗渗性能，浆液在凝胶或固化时收缩率小或不收缩，灌浆效果好。