杨莉英，王玉生

(1.四川省绵阳武都引水工程建设管理局，四川绵阳，621000；

2.中国水电基础局有限公司，天津，301700)

1 前言

岩溶作为一种特殊的地质条件下形成的现象，它是石灰岩、泥灰岩、白云岩、大理岩、石膏、盐岩层等可溶性岩受到水的化学和机械作用而形成的溶洞、溶沟、裂隙、暗河、漏斗、钟乳石等奇特的地面以及地下形态的总称。常见岩溶形态有：溶洞、土洞、溶沟(槽)、落水洞、漏斗等。

四川武都水库大坝坝址区的主要工程地质缺陷是两岸强烈发育的规模较大的岩溶系统，左岸发育的较大型岩溶系统(编号为：K108)，其平面展布长450m，宽约200m，形成两支岩溶管道渗漏通道：①分布于左岸帷幕防渗地段和1#坝段，地表落水洞顺层分别向下发育与K108-1、K108-2支洞连通；②分布在2#-7#坝段的地表落水洞顺层分布向下发育与K108主洞、K108-3、K108-5、K108-7支洞连通。

根据设计要求，对大坝应力及防渗有较大影响的K108大型水平岩溶通道的主洞进行封堵，堵头段位于5#及6#坝段下部，轴线长度31.3m，宽度4m～6m，高度18m～20m，顶拱距坝基面厚度15m～20m。该部位岩溶属半充填型，充填物类型为粘土、粘土夹块碎石、粘土夹卵砾石、含泥砂卵砾石等。

2 堵头处理的难点与特点

2.1 堵头混凝土温控问题

为了保证混凝土质量，防止裂缝的产生，从浇筑块的划分、混凝土配合比和各外加剂的选用到浇筑温度的控制、通水冷却和混凝土养护等有效的温度控制措施，是堵头混凝土施工的质量控制重点。

图1 堵头段平面布置

图2堵头段纵剖面

2.2 堵头段施工工艺质量控制问题

堵头段岩溶系统形成的岩溶管道渗漏通道对大坝应力及渗漏产生较大影响，如果处理不好将对大坝后续正常运行产生重大隐患，故在施工期间对堵头段各施工工艺的统筹安排以及质量控制将是堵头成败的关键。

3 堵头处理设计要求

(1)堵头段范围内发育的落水洞追踪清挖并浇筑混凝土回填封闭，在对堵头段进行封堵前，要求彻底清除洞内的堆积物与洞壁的钟乳石、钙华，并对洞壁进行充分凿毛处理。

(2)混凝土应采用微膨胀混凝土，设计指标同堵头混凝土。堵头段混凝土设计指标为：混凝土设计强度等级为C2820，抗渗标号为W8，膨胀率不小于80×10-6。

(3)堵头段全断面按梅花形布置固结灌浆孔，深入围岩8m，间、排距2m。

(4)堵头段全断面布设M30砂浆φ25锚杆，间、排距5m，锚杆长6m，深入基岩5m，深入封堵混凝土1m。

(5)堵头段顶部进行回填灌浆。

(6)堵头段两侧边墙及顶部回填灌浆2m以下范围内的围岩与堵头混凝土之间进行接触灌浆。

(7)堵头分两段施工，中间设置横缝，进行接缝灌浆。

4 堵头段施工主要工艺流程

施工主要内容包括：充填物清挖、洞壁钙华层凿除、锚杆施工、固结灌浆、监测仪器埋设、回填混凝土、回填灌浆、接触灌浆、接缝灌浆，以及监测仪器埋设和观测。

图3 堵头段施工工艺流程

5 岩溶清挖、锚杆和围岩固结灌浆施工

5.1 充填物清挖

采用人工优先把主洞连通的各落水洞及支洞内岩溶充填物清挖运输至K108主洞。当堵头段支洞及落水洞的水力连通条件好时，用高压水将充填物冲射至主洞段，再由小型机械设备清挖拉运。

5.2 钙华层清理

根据设计要求，在溶洞洞壁内因岩溶作用形成的钙华层需全部清理干净，因该部位高度约18m～20m，为方便洞壁及洞顶的钙华清理、凿毛处理以及锚杆和固结灌浆施工，洞内搭设扣件式钢管脚手架施工平台。分布在洞壁的钙华层，通过搭设的架管平台从上往下逐层清理。厚块状钙华用膨胀剂或风镐破碎，薄层状钙华人工用铁錾凿除，直至出露岩石面。

5.3 锚杆

堵头段全断面布设M30砂浆φ25锚杆，间、排距5m，锚杆长6m，深入基岩5m，深入封堵混凝土1m。

5.4 固结灌浆

洞周固结灌浆采用无盖重灌浆，在堵头浇筑之前进行，固结灌浆孔按梅花形布置固结灌浆孔，深入围岩8m，间、排距2m，灌浆压力为0.5MPa。灌浆按环间分序、环内加密的原则进行。

6 堵头混凝土施工

6.1 检测仪器埋设

以接触裂缝开合度监测为主，辅以温度与渗透压力监测。主要监测堵头段混凝土与围岩接触面的开合度，新浇筑混凝土与原先浇筑的混凝土之间的接缝开合度，混凝土内温度的变化(为接触接缝灌浆条件提供依据)，以及洞壁围岩内的渗透压力(固结灌浆完成后)，主要监测项目及埋设仪器设备有：

(1)裂缝监测：主要了解回填混凝土与溶洞洞壁的开合度及新老混凝土之间接缝开合度的变化规律。共布设7支单向测缝计。

(2)温度监测：对回填混凝土的温度进行检测，主要为接触及接缝灌浆提供依据，也为混凝土浇筑过程中温度控制提供依据。共布设4支温度计。

(3)渗透压力监测：监测该区域固结灌浆后围岩的渗透压力。共布设3支渗压计。

6.2 混凝土浇筑施工

6.2.1 原材料的选用

根据设计要求，堵头混凝土采用C20微膨胀混凝土，在施工前通过多次试验及研究讨论，选取适合本工程的原材料、外加剂、掺合料并最终确定最适合的施工配合比。水泥采用具有水化热低、抗硫酸盐性能强、干缩低、耐磨性能好等优点的P.MH42.5中热硅酸盐水泥。堵头混凝土中掺入高效减水剂和缓凝剂，另外掺入优质粉煤灰。根据配合比性能检测后推荐混凝土施工配合比如表1所示。

表1 堵头混凝土配合比

6.2.2 分段分仓

堵头段混凝土总共4800m3，为保证混凝土质量，防止裂缝的产生，根据浇筑入仓条件和设备配置情况详细研究堵头的分仓分块。最终确定将堵头从平面位置分为2段：即第1段堵0+010.2～堵0+031.2、第2段堵0+000～堵0+010.2。立面分仓高度按不大于2m控制，总共分为18仓。

6.2.3 浇筑顺序安排

先回填堵头段范围的支洞、落水洞，再回填堵头段主洞混凝土。主洞混凝土第1段浇筑两仓后，再浇筑第2段第1仓，然后第1段和第2段跳仓往上浇筑。要求下层混凝土浇筑至少3d后，才能浇筑上一层混凝土，浇筑顺序按图4所示。

图4 堵头段分仓及浇筑顺序示意

6.2.4 混凝土运输入仓

受现场通道限制，采用3m3的混凝土罐车运输至交通支洞与K108主洞交叉口，再用HBT60混凝土输送泵将混凝土送入浇筑仓面。

6.2.5 铺料振捣

混凝土入仓落差不能大于2m，根据布料情况及时调整入仓口位置，采用分层法平浇，分层厚度20cm～40cm。混凝土振捣时，距埋设仪器及预埋管必须有一定的安全距离，仪器及预埋管附近的混凝土用人工振捣密实。

6.2.6 混凝土养护

终凝后采用洒水养护，混凝土水平层面的养护时间至上层混凝土浇筑之前，混凝土永久外露面的养护时间不小于14d，养护期间使混凝土表面始终保持湿润状态。

6.2.7 浇筑混凝土温度控制

混凝土的允许最高浇筑温度按表2控制。

表2 混凝土允许最高浇筑温度控制标准

混凝土浇筑温度采用温度计测量，测量平仓后本层混凝土5cm～10cm深度处的温度，每个浇筑层不少于2个测点，安排专人进行温度测量并做好实测温度记录。

为保证混凝土入仓温度满足要求，主要采取以下温度控制措施：

(1)在气温较高时，采取搭设遮阳彩条布防止太阳直接暴晒骨料；

(2)气温较高时，混凝土罐车及地表溜槽上方搭设遮阳材料；

(3)避开在较高温度时段内进行混凝土浇筑，安排在早晚和夜间浇筑混凝土。

6.3 混凝土通水冷却

为消减混凝土初期绝热升温以及堵头混凝土接触灌浆和接缝灌浆的需要，在堵头混凝土内埋设冷却水管。冷却水管采用梅花形布置，水管的水平间距1.5m，距离混凝土浇筑块的边缘0.5m，水管的垂直间距1.0m。单根冷却水管的长度不大于200m，采用直径3.26cm的HDPE高密度聚乙烯管。冷却水管在仓面内固定在插筋上，用φ25钢筋插入下层混凝土中作为插筋，插间距2m。

混凝土将冷却水管覆盖12h后，即开始进行初期通水冷却(水泵2台，其中1台备用，水泵流量20m3/h，扬程30m)，通水量按18L/min～20L/min，每12h变换通水方向，通水时间为18d，每天混凝土的最大降温幅度控制在1℃以内。通水冷却期间，专人进行通水冷却，并详细记录通水时间、流量、水温等情况，通水时间为18d。

通水冷却结束后，采用M20水泥砂浆对冷却水管进行回填封堵。

7 回填及接缝灌浆

7.1 灌浆管路埋设

回填灌浆、接触灌浆、接封灌浆所需进浆管采用D38mm黑铁管，进浆支管、布浆管、升浆管用D25mm黑铁管，回浆管、排气管采用D32mm黑铁管。因埋设灌浆管路较多，施工时对各种管路进行编号，在灌浆管路安装好混凝土浇筑之前，必须进行检查，确保连通良好。其中接触及接缝灌浆管路的进浆、回浆及排气管引入下游交通廊道内，待混凝土张开度及温度达到要求后进行灌浆。

7.2 回填灌浆

混凝土至顶拱最后一仓封堵前在顶拱部位预埋回填灌浆管路。回填灌浆管路由进浆管、布浆管、进浆支管、排气管、回浆管组成。

设置要求：布浆管沿顶拱排距2m，全段布置；进浆支管置于洞顶高点，深入围岩10cm，排距2m，每排数量由洞顶形状确定，但每排不少于3支；排气管置于洞顶部，随地形弯转或加支管至洞顶部，接入下游交通洞内。

洞顶混凝土浇筑完成7d后进行回填灌浆。采用PO42.5普硅水泥浆液灌注，浆液水灰比0.5∶1，回填灌浆压力0.5MPa，空隙大的部位可灌注水泥砂浆，掺砂量不大于水泥重量的200%。

在灌浆中当回浆管排出浓浆(接近或等于注入浆液的水灰比)时，将回浆管堵塞后继续灌注，当在规定压力(0.5MPa)下灌浆孔停止吸浆后，并继续灌注5min即可结束。

7.3 接触灌浆

堵头段两侧边墙及顶部回填灌浆2m以下范围内的围岩与堵头混凝土之间进行接触灌浆。

混凝土封堵前，在该仓混凝土范围内的两边壁埋设接触灌浆管路系统。包括进浆管、升浆管、灌浆支管、回浆管、排气管。

分区埋设：沿堵头段分三段埋设(即堵0+000～堵0+010、堵0+010～堵0+020、堵0+020～堵0+031.3)，每段在垂直方向又分为上下两区，共6个区。6个区之间用BW-Ⅱ型膨胀止浆带进行隔浆，止浆带净距30cm，每个区之间形成独立的灌浆管路系统。

每区的进浆管和回浆管均多设一根备用；升浆管全段布置，排距2m；接触灌浆支管间排距2m，梅花形布置，出口处紧贴围岩面并埋出浆盒；下区排气管置于该区顶部附近，上区排气管置于接触灌浆最高支管上部附近、低于回填灌浆最低支管下部2m；排气支管排距2m，出口紧贴围岩面。

7.3.1 开灌时间

通过观测确定围岩与堵头混凝土之间裂缝张开度大于0.5mm，堵头内混凝土温度达到稳定，且堵头混凝土龄期大于6个月，并且在低温季节进行灌注。

7.3.2 灌浆顺序

由低往高处灌注，即由下游段往上游段、由低区往高区的顺序进行接触灌浆。具体顺序为：堵0+000～堵0+010下区→堵0+010～堵0+020下区→堵0+020～堵0+031.3下区→堵0+000～堵0+010上区→堵0+010～堵0+020上区→堵0+020～堵0+031.3上区。

图5 接触灌浆分区及灌浆顺序

7.3.3 灌注

根据裂缝张开度情况，选择采用1∶1、0.8∶1、0.5∶1三个比级的浆液，开灌水灰比1∶1。

进浆管压力控制在0.4MPa，出浆管压力控制在0.2MPa。规定的灌浆压力下，灌注面停止吸浆，延续灌注5min即可结束。

图6 堵头段典型断面围岩与堵头混凝土接触灌浆(两侧边墙)剖面

图7 横缝接缝灌浆布置

7.4 接缝灌浆

混凝土横缝区埋设进浆管、升浆管、布浆管、出浆盒，在顶部设置回浆管、排气槽及排气管。出浆盒用3mm厚的铁板加工，铜止浆片用0.6mm厚铜板加工。

7.4.1 开灌时间

与接触灌浆的开灌条件相同，即通过观测确定围岩与堵头混凝土之间裂缝张开度大于0.5mm，堵头内混凝土温度达到稳定，且堵头混凝土龄期大于6个月，并且在低温季节进行灌注。该横缝作为一个灌区一次性灌注。

7.4.2 灌注

根据裂缝张开度情况，选择采用3∶1、1∶1、0.5∶1三个比级的浆液，开灌水灰比3∶1。待排气管排浆后，即改为1∶1浆液灌注，当排气管出浆浓度接近1∶1，或者1∶1浆液灌入量约等于缝面容积时，即0.5∶1浆液灌注，直至结束。

另外，当缝面张开度大，管路畅通，两根排气管单开出水量均大于30L/min时，开灌即可采用1∶1浆液灌注。

进浆管压力控制在0.4MPa，出浆管压力控制在0.2MPa。当出浆管出浆浓度达到或接近0.5∶1，排气管口压力达到设计值，注入率≤0.4L/min时，继续灌注20min即可结束。

8 综合评价

K108溶洞堵头处理后，该部位的防渗屏障基本形成，通过监测成果来看，岩溶系统的混凝土回填处理总体效果良好，雨季和导流洞下闸等引起库水位抬升对回填混凝土的渗流渗压、应力应变及裂缝等观测物理量皆带来了一定影响，但总体未见明显异常状态出现。该堵头处理方案达到了预期的效果。

9 结语

岩溶系统堵头处理的效果关系到整个水库工程的成败和长期运行的安全，特别是岩溶渗漏通道的处理至关重要，必须认真对待。在我国已往的水利水电工程建设中，多为导流洞堵头施工，少有岩溶系统渗漏通道堵头处理的案例。本工程K108溶洞分布情况复杂，堵头采用了封堵前先锚杆加固和固结灌浆，然后清理充填物后回填微膨胀混凝土的总体方案，并考虑到大体积混凝土温控要求，采取预埋冷却水管通水冷却的方法较好地降低了混凝土内部温度。混凝土与围岩采用接触灌浆，横缝之间采用接缝灌浆的综合处理方案。实践证明，在岩溶系统大型渗漏通道，采用充填物清理、混凝土封堵的综合方案，行之有效，是完全必要的。