紫坪铺工程枢纽区地下采空区的处理对策.doc

紫坪铺工程枢纽区地下采空区的处理对策
杨培忠
（四川省水利水电勘测设计研究院勘察分院，四川 郫县 611731）
摘要：紫坪铺水利枢纽工程枢纽区历史上小窑采煤形成较多的采空区域，这些无序开采造成的地下采空区给工程施工和安全运行带来了严重危害，尤其是重要建筑物部位。本文根据黄委会勘测规划设计研究院物探总队采用瞬变电磁法对地下采空区实测的良好成果，针对工区地质条件和地下采空区分布特点，初步分析了地下采空区对工程的影响，并提出了相应的处理对策。
关键词：地下采空区；影响；对策；紫坪铺水利枢纽工程
1 工程概况
紫坪铺水利枢纽工程为钢筋砼面板堆石坝，最大坝高156m，正常蓄水位877.0m，总库容11.12亿m3，总装机容量76万KW。主要水工建筑物有拦河大坝，坝后地面厂房，右岸开敞式溢洪道，4条引水发电隧洞，1条冲砂放空隧洞和2条由导流隧洞改造而成的龙抬头式泄洪排砂隧洞。
2 地质概况
坝址位于岷江上游沙金坝河弯转折段，下游距都江堰市9km，工区出露基岩为一套湖沼相沉积的三迭系上统须家河组（T33xj）含煤砂页岩地层，其特点是上下粗细交替具有明显的韵律性，横向变化大，标志层不明显。按其成层特征在工区共有15个韵律层。每个韵律层由底部含砾石的中粒砂岩开始往上逐渐递变为细粒砂岩、粉砂岩及泥质页岩和煤质页岩，越往上部不但颗粒变细且含煤量有增高的趋势。区内主要含煤地层有T33xj12-②（L9）、T33xj12-④（L10）、T33xj13-③（L11）、T33xj13-⑨（L12）、T33xj14-②（L13）、T33xj14-⑤（L14）等六层及F3、F2-1两个断层破碎带含煤层。
工区主要地质构造为沙金坝向斜，沿右岸条形山脊展布，轴向N50～70οE，向NE方向（河床）倾伏，倾伏角25～35ο，北西翼较陡，岩层产状N25οE/SE∠60～70ο南东翼稍缓，岩层产状N45οE/NW∠45ο～60ο。受向斜控制，使得北西和南东两翼含煤地层重复出现。
2000年6月工程开工后，在施工开挖中从5#、6#、7#公路，1#、2#导流洞，溢洪道，引水洞进口，厂房后坡及大坝左右坝肩等多处遇见废旧煤洞，其数量比原勘察揭示煤洞多一倍左右。为此，为进一步查明坝址区废旧煤洞分布，业主方委托黄委会勘测规划设计研究院物探总队采用瞬变电磁法对地下采空区进行了实测，探测发现在大坝轴线上下游、左右坝肩、引水洞及厂房等探测区域，尤其是左右坝肩及趾板地基均分布较多的废旧煤洞、地下采空区，多条煤洞已穿过趾板地基，并且最终确定“探测区域为采空区发育区”。
3 地下采空区分布特点
根据枢纽区含煤地层沉积韵律，已发现的新、旧煤洞洞口地表分布及采空区探测成果资料，大致可将枢纽区地下采空区分为以下三种类型：
a、受煤质页岩层分布控制的隧道型通道。由于多次重复开采，又可分为单层型（右岸FMD8号煤洞）和多层型（左岸FMD38号煤洞），也可以根据是否穿过砂岩层分为顺层型（厂房后坡FMD37号煤洞）或切层型（左岸FMD43号煤洞）；
b、以局部扩挖开采为主的洞穴型空洞（右岸FMD42号煤洞）；
c、由上述两种类型组合而成的采空区，例如右岸大坝地基；
4 地下采空区对工程的影响
首先如果坝址区左右坝肩及河床部位，尤其是趾板部位存在着上、下游贯通的小煤窑废旧煤洞通道，蓄水后将成为库水集中渗漏的主要通道，将严重影响大坝的安全及水库的正常运行。
其次是坝基部位，尤其是大坝轴线上游地基部位，承受上部荷载，填筑后在一定的深度范围内由于地基中废旧煤洞存在，会发生塌落变形，特别是采空发育区的连通塌陷，将可能引起大坝不均匀变形，从而危及上游过渡区、垫层区和钢筋砼面板安全，以至溃坝失事。
另外分布在水工隧洞附近或与水工隧洞交叉部位的煤洞，将可能影响到洞室之间岩柱围岩和基础的稳定性。分布在岸坡及永久建筑物基础部位的煤洞，将影响到边坡稳定和造成地基塌陷变形，危及建筑物安全。
5 地下采空区的处理原则及处理对策
5.1 地下采空区的处理原则
（1）、对有可能穿越帷幕灌浆线的废旧煤洞处理，主要是处理受煤质页岩分布控制的隧道型通道。从目前物探资料来看，左岸有三处，右岸有近十处，分布最深处高程达685m，离该处地面约145 m左右，查明洞口并顺洞清挖再回填混凝土是最有效的封堵方法，如果难以找到准确位置的，只能以物探资料结合煤质页岩产状进行高压灌浆为主的封堵。另外还采取国内一些水库处理大型溶洞的成功灌浆经验，对煤洞进行高压灌浆。
（2）、对于大坝等主要建筑物地基中的废旧煤洞处理，重点应优先处理大坝轴线上游基础部位一定埋深以内的密集采空区及贯穿趾板地基上游的废旧煤洞通道。物探资料显示右岸部位存在大量由隧洞型通道和洞穴型空洞组成的采空区，对于该部位的处理，宜尽可能采取先堵后灌，尤其是离建基面不深的部位，尽可能地找准煤洞位置查明其洞向，进行清挖后采用混凝土回填并再进行灌浆等方法使之充填密实，达到设计要求处理的范围。
（3）、在帷幕线上进行废旧煤洞灌浆处理时，首先要明确防渗帷幕下限和左右防渗边界，要通过灌浆试验确定灌浆参数和灌浆工艺，对重点部位要采取特殊措施，通过灌浆试验对不同岩体、不同部位给出不同灌浆参数并在施工过程中适当进行调整。对特殊部位的钻孔孔排距可适当增加，孔排距视灌浆试验成果而定，通过分序灌浆加密满足防渗设计要求。立足于高压灌浆，建立高标准的防渗帷幕。与高压灌浆相适应，宜使用稠浆以提高灌浆的稳定性，只有采用更稠的稳定不泌水的浆液才能获得密实的结石，并在一定的传播半径内形成均匀的充填体。
5.2 具体处理对策
（1）、穿越帷幕灌浆线（大坝趾板及左右岸帷幕线）的煤洞与帷幕轴线垂直距离上游30m，下游20m范围内所有煤洞填灌密实。
（2）、永久建筑物基础底部的煤洞与永久建筑物基础边线垂直距离25m范围内所有煤洞填灌密实。
（3）、在水工隧洞附近或与水工隧洞交叉的煤洞与水工隧洞垂直距离3倍水工隧洞洞径范围内所有煤洞填灌密实。
（4）、坝基、岸坡及永久建筑物基础部位的煤洞洞宽与煤洞上覆岩体厚度如下表2所示，在此范围内煤洞要求填灌密实。

煤洞宽度与上覆岩体厚度关系表
表2
煤洞宽度B（m）
≤2
3
4
5
6
备 注
上覆岩体厚度H（m）
20
30
38
45
53
B增大，H也增大

（5）、右岸条形山脊帷幕线以前，884.0m高程以下的所有煤洞全部填灌密实。
（6）、以上（1）～（4）项煤洞处理的长度均不小于25m，对长度不超过25m的煤洞全部处理。
（7）、填灌方式：能够查明洞口或洞向者，清挖后采用人工回填C15砼或泵送C20砼处理，并填灌密实；若查明洞向较困难或虽查明了洞向但煤洞已坍塌，难以清挖，则采用地表打孔，高压灌浆法处理，水泥砂浆或水泥浆采用M10（见附图5所示），孔距可依据现场情况确定，工程师可作调整；对帷幕灌浆线附近的煤洞，填灌密实后要求待凝，再打孔（或扫孔）穿越煤洞底板2m深，用水泥浆灌注，灌浆压力采用相应埋深的帷幕灌浆压力控制。
（8）、每条煤洞处理完成后，由工程师布置打孔进行压水试验检查，要求穿越帷幕灌浆线的煤洞透水率q≤3Lu，其余煤洞透水率q≤10Lu。
（9）、从现有资料分析，枢纽区的煤洞还未完全探明，应尽全力采取勘探检测措施予以查清，进一步落实每条煤洞的空间分布位置及其大小，为设计提供可靠的依据。
（10）、目前工期较紧，尤其是截流后2003年2月将要进行大坝填筑，因此应立即着手趾板及大坝地基部位的煤洞处理。

作者简介：
杨培忠（1965年-），男，四川大邑人，四川省水利水电勘测设计研究院勘察分院项目经理，工程师，学士，从事水电工程地质勘察、施工工作。