伴有涌水的大型溶洞地下暗河处理方法及其结构的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种伴有涌水的大型溶洞地下暗河处理方法，该方法包括通过补充勘探和CT物探测试，探明溶洞的形态和发育规模；将该溶洞部位灌浆洞向下游方向扩挖；将封堵该溶洞的堵头的上游侧设在溶洞的高度和宽度大的部位，下游侧设在溶洞的高度和宽度小的部位，以利于封堵体的稳定；在堵头下游侧设置钢管栏栅桩；在钢管栏栅桩上游侧设置灌浆模袋；在灌浆模袋的上游侧充填级配料；对级配料进行预固结灌浆和控制性灌浆；沿帷幕线进行帷幕灌浆。对于溶洞发育规模大、地下暗河水流湍急并伴有涌水的情况下，本发明的钢管栏栅桩结合灌浆膜袋能够在水流湍急的情况下阻水成坝，再结合后期固结灌浆和帷幕灌浆，就能够实现对这种溶洞的封堵。
【专利说明】
伴有涌水的大型溶洞地下暗河处理方法及其结构
技术领域
[0001]本发明涉及水利水电工程中地下暗河处理技术领域，尤其涉及贵州喀斯特高原地貌中伴有涌水的大型溶洞地下暗河处理方法及其所采用的处理结构。
【背景技术】
[0002]在贵州喀斯特高原地貌中的峰丛洼地地貌区，具有分布最广且面积不等但数量最多的喀斯特洼地，由于喀斯特洼地中的落水涧、竖井、漏斗和地下管道发育处理难度大，设计、施工质量无统一规范标准，在以往兴建水库时是尽量避开喀斯特复杂渗流场的。
[0003]然而，在喀斯特洼地建设水库具有占用耕地资源少，库容可由地表库容和地下库容组成，效益更大，开发方式更合理。由于宜建水库的喀斯特洼地基本位于河源地区，可基本实现对受水区的自流供水，是人与自然的和谐工程。同时，由于贵州此种地形分布广泛，两者结合可产生巨大的社会效益和工程效益。
[0004]据此，在喀斯特复杂渗流场的定性、定位、定量可完成前提下，渗流场中深大管道有效封堵成为此种工程可行的最大施工性难题，尤其是溶洞溶蚀结构发育多样且有地下暗河经过的情况下，往往增加处理难度。深层岩溶管道由于埋深大、发育形式复杂等因素制约，采用人工探洞选址然后利用混凝土堵洞成库的方法，是不能适应这一类复杂渗流场环境，故采用钻孔封堵、灌浆成幕阻水成坝的施工工艺具有可行性。帷幕灌浆成单孔布置，在岩溶发育部位可视情况加密钻孔或布置双排、多排帷幕，以形成阻水帷幕，然而溶洞发育规模大、地下暗河水流湍急并伴有涌水的情况下，由于情况复杂，常规的钻孔封堵、灌浆成幕阻水成坝难以达到较好效果，因此这类溶洞的处理难度极大，在国内外均未有相关报道，属于世界性难题。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种贵州喀斯特高原地貌中伴有涌水的大型溶洞地下暗河处理方法及其所采用的处理结构，以解决溶洞发育规模大、地下暗河水流湍急并伴有涌水的情况下溶洞的封堵问题。
[0006]本发明的技术方案是这样的:
根据溶洞补充勘探和CT物探成果，对于这一类溶洞，采用如下封堵思路:①将该部位灌浆洞向下游方向扩挖1m;②将堵头的上游侧设在溶洞的高度和宽度较大处，下游侧设在溶洞的高度和宽度较小处，以利于封堵体的稳定;③在堵头下游侧溶洞断面较小的部位设置钢管栏栅粧;④在钢管栏栅粧上游侧设置灌浆模袋;⑤在灌浆模袋的上游侧充填级配料;⑥对级配料进行预固结灌浆和控制性灌浆;⑦沿帷幕线进行帷幕灌浆。
[0007]具体包括如下步骤:
步骤1:通过补充勘探和CT物探测试，探明溶洞的形态和发育规模；
步骤2:将该溶洞部位灌浆洞向下游方向扩挖；
步骤3:将封堵该溶洞的堵头的上游侧设在溶洞的高度和宽度大的部位，下游侧设在溶洞的高度和宽度小的部位，以利于封堵体的稳定；
步骤4:在堵头下游侧设置钢管栏栅粧；
步骤5:在钢管栏栅粧上游侧设置灌浆模袋；
步骤6:在灌浆模袋的上游侧充填级配料；
步骤7:对级配料进行预固结灌浆和控制性灌浆；
步骤8:沿帷幕线进行帷幕灌浆。
[0008]基于上述方法，本发明采用了这样一种利用钢管栏栅粧封堵溶洞地下暗河的结构，它包括钢管栏栅粧，所述钢管栏栅粧穿过溶洞顶板上方的灰岩和溶洞腔体并深入至溶洞底板下方;在钢管栏栅粧的上游侧设置灌浆模袋并在灌浆膜袋中充填水泥砂浆。在灰岩的顶部设有底板砼，钢管栏栅粧的顶部穿过底板砼并出露在底板砼的上方。
[0009]另外，作为优选方案，钢管栏栅粧的底部深入溶洞底板下方的入岩深度至少为lm，钻孔孔径为150mm。
[0010]由于采用了本发明的技术方案，对于溶洞发育规模大、地下暗河水流湍急并伴有涌水的情况下，本发明的钢管栏栅粧结合灌浆膜袋能够在水流湍急的情况下阻水成坝，再结合后期固结灌浆和帷幕灌浆，就能够实现对这种溶洞的封堵。而且，由于先设置了钢管栏栅粧，可以先形成一道阑珊，对于后面投入的封堵膜袋材料能够起到预先拦截作用，这样就避免了湍急的水流对材料的冲刷，可以大幅度降低溶洞封堵的成本。因此，本发明的技术方案对于缩短工期、缩减工程预算具有重要意义。
【附图说明】
[0011]
图1是本发明的大型溶洞地下暗河处理结构示意图；
附图标记说明:1-底板砼，2-钢管栏栅粧，3-灰岩，4-溶洞顶板，5-水泥砂浆，6-灌浆膜袋，7-溶洞底板，8-孔底。
【具体实施方式】
[0012]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0013]如图1所示，本发明的一种利用钢管栏栅粧封堵溶洞地下暗河的结构，它包括钢管栏栅粧2，所述钢管栏栅粧2穿过溶洞顶板4上方的灰岩3和溶洞腔体并深入至溶洞底板7下方;在钢管栏栅粧2的上游侧设置灌浆模袋6并在灌浆膜袋6中充填水泥砂浆5。在灰岩3的顶部设有底板砼I，所述钢管栏栅粧2的顶部穿过底板砼I并出露在底板砼I的上方。钢管栏栅粧2的底部深入溶洞底板7下方的入岩深度至少为lm，即钻孔的孔底8低于溶洞底板7至少Im，钻孔孔径为150mm。
[0014]本发明采用如下步骤进行施工:
步骤1:通过补充勘探和CT物探测试，探明溶洞的形态和发育规模；
步骤2:将该溶洞部位灌浆洞向下游方向扩挖；
步骤3:将封堵该溶洞的堵头的上游侧设在溶洞的高度和宽度大的部位，下游侧设在溶洞的高度和宽度小的部位，以利于封堵体的稳定；
步骤4:在堵头下游侧设置钢管栏栅粧2; 步骤5:在钢管栏栅粧上游侧设置灌浆模袋6;
步骤6:在灌浆模袋6的上游侧充填级配料；
步骤7:对级配料进行预固结灌浆和控制性灌浆；
步骤8:沿帷幕线进行帷幕灌浆。
[0015]
实施例1:
下面结合贵州鹿角坝水库工程建设中遇到的该类溶洞的封堵说明本发明的技术方案的具体应用。
[0016](I)溶洞发育情况
通过后期补充勘探和物探测试，探明了主要集中渗漏通道溶洞的形态和发育规模。该溶洞位于下层灌楽廊道粧号K 0+300m?K左0+330m范围内，埋深28m?46m之间。根据钻探资料，溶洞高度2.0m?18.0m，最大高度为18m，沿帷幕线长度24m，为不规则椭圆形，洞内水流速度最大0.25m/s，边缘最小流速0.lm/s，平均流速约0.16m/s，估计流量为Im3/s?3 m3/s ；该溶洞与下游相距800m的下层廊道排水洞出口联通，联通时间为25min。在封堵处理工程总出现了大股涌水，涌水压力0.05Mpa?0.1OMpa0
[0017](2)施工方法及工艺流程
根据该溶洞补充勘探和CT物探成果，封堵综合处理方案如下:①将该部位灌浆洞向下游方向扩挖1m;②将堵头的上游侧设在溶洞的高度和宽度较大处，下游侧设在溶洞的高度和宽度较小处，以利于封堵体的稳定;③在堵头下游侧溶洞断面较小的部位设置钢管栏栅粧2;④在钢管栏栅粧2上游侧设置灌浆模袋6;⑤在灌浆模袋6的上游侧充填级配料;⑥对级配料进行预固结灌浆和控制性灌浆;⑦沿帷幕线进行帷幕灌浆。
[0018]具体工艺流程如下:
补充勘探—设置钢管栏栅粧2—设置灌浆模袋6—灌浆模袋6充填灌浆—充填级配料—级配料预固结灌浆(膏状浆液或水泥水玻璃双液灌浆)—灌注砂浆—帷幕灌浆—质量检查。
[0019](3)钻孔
钻孔采用XY-2、XY_2B型回转式地质钻机，清水冲洗，金刚石钻头钻进，下设灌浆模袋的孔径为I 1mm，级配料回填孔直径为Φ 220mm和Φ 150mm，孔斜率控制在0.5%以内。
[0020]每排钻孔分两序施工，从溶洞中心向两侧依次施工。钻孔过程中详细记录孔内情况，以便准确判断溶洞的规模和尺寸。钻孔穿过溶洞后如遇覆盖层，穿过覆盖层再钻进基岩lm。钻孔结束后，孔口安善保护，以免掉入杂物。
[0021](4)钢管栏栅粧
钢管栏栅粧2位于封堵位置的最下游，孔径Φ 110mm，钢管直径Φ 73mm，间距0.Sm。钻孔完成后，根据溶洞高度确定钢管下设长度，保证钢管插入溶洞底部和顶部岩体不小于1.0m。在溶洞底部的覆盖层中难以成孔时，采用跟管钻进法施工。格栅钢管内充填M30砂浆，以提高钢管栏栅粧2的强度和刚度。钢管格栅2为高速水流条件下的灌浆模袋6定位提供了较好的屏障。
[0022]栏栅粧钢管经试验采用了强度较高的地质管，以保证钢管栏栅粧2强度，在进行后续施工时才能保证栏栅不变形，在施工初期由于采用了管壁较薄的焊管在后续施工时出现了栏栅变形的情况，不得已补充了部分栏栅粧。
[0023](5)模袋灌浆
模袋灌浆主要作用是紧贴钢管栏栅粧2上游侧形成类似墙体结构，对暗河形成初步封堵。
[0024](I)模袋材料
模袋材料采用高强机织丙纶模袋土工布;该材料具有高强度、易变形、轻薄、柔软等特点;在高速流水条件下进行充填灌浆，水能析出而水泥颗粒不会被带走;水泥浆经模袋析水后，不但硬化速度加快，而且固化强度有很大的提高。模袋在灌浆压力作用下膨胀，可以堵塞不同形状的漏洞。
[0025](2)模袋绑扎方法
根据模袋分层堆积高度和溶洞空间大小，确定模袋的尺寸。按照理论尺寸两头收口牢固绑扎在Φ 73mm钢管(花管)上，并设置定位箍，以免灌浆时模袋下滑。绑扎模袋时，采用“之”字形折叠法将模袋全部收拢在钢管上，用纸绳绑扎牢固。在灌浆的过程中，模袋能够顺利打开，并保持形状良好，不会影响浆液的灌注。
[0026](3)模袋的下设和定位
模袋绑扎完成后，通过Φ 50mm钻杆与Φ73πιπι钢管连接把模袋下入孔内。根据实测孔深和模袋高度，准确定位下设深度。灌浆完成后，次日退出上部Φ 50mm钻杆。
[0027](4)模袋内灌浆
模袋下设完成后，即开始进行模袋内灌浆。采用3SNS灌浆栗灌注0.5:1的纯水泥浆液，灌浆流量不宜大于50L/min。灌浆量可通过理论计算进行控制，通过现场试验，膨胀系数在
1.2?1.5之间。灌浆过程中控制好压力，以免对模袋产生破坏。
[0028](5)级配料充填
下游侧格栅模袋阻隔体形成后，开始进行上游侧封堵体空腔级配料回填。级配料主要采用最大粒径20mm?40mm左右的级配碎石；空腔回填主要通过4个Φ 220mm钻孔进行，其它Φ 150mm钻孔辅助。级配料回填过程中应注意控制速度，避免堵塞钻孔。出现堵塞现象后需进行扫孔作业，在级配料充填后期随着过水通道的大部封堵，水流变的很小，这时可在级配料中掺加部分胶凝材料。
[0029](6)预固结灌浆和回填砂浆
级配料回填的过程中，为了尽快形成稳定的堆积体，避免水流冲走级配料;在级配料回填厚度达到3m以上后，开始对下部级配料进行预固结灌浆。灌浆采用预埋花管出浆，浆液采用膏状浆液或水泥-水玻璃双液灌注。在高速水流条件下，预固结灌浆对级配料的稳定起到了重要的作用。
[0030]为确保上部空腔充填密实，在级配料充填至接近溶洞顶部时，改用MlO水泥砂浆灌注。不同部位的钻孔经过数次复灌后，充填均较密实；帷幕灌浆钻孔过程中，未发现顶部有较大的空腔。
[0031]当然，以上只是本发明的具体应用范例，本发明还有其他的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求的保护范围之内。
【主权项】
1.一种伴有涌水的大型溶洞地下暗河处理方法，其特征在于该方法包括如下步骤: 步骤1:通过补充勘探和CT物探测试，探明溶洞的形态和发育规模； 步骤2:将该溶洞部位灌浆洞向下游方向扩挖； 步骤3:将封堵该溶洞的堵头的上游侧设在溶洞的高度和宽度大的部位，下游侧设在溶洞的高度和宽度小的部位，以利于封堵体的稳定； 步骤4:在堵头下游侧设置钢管栏栅粧； 步骤5:在钢管栏栅粧上游侧设置灌浆模袋； 步骤6:在灌浆模袋的上游侧充填级配料； 步骤7:对级配料进行预固结灌浆和控制性灌浆； 步骤8:沿帷幕线进行帷幕灌浆。2.—种利用钢管栏栅粧封堵溶洞地下暗河的结构，其特征在于:它包括钢管栏栅粧(2)，所述钢管栏栅粧(2)穿过溶洞顶板(4)上方的灰岩(3)和溶洞腔体并深入至溶洞底板(7)下方;在钢管栏栅粧(2)的上游侧设置灌浆模袋(6)并在灌浆膜袋(6)中充填水泥砂浆(5)03.根据权利要求2所述的利用钢管栏栅粧封堵溶洞地下暗河的结构，其特征在于:在所述灰岩(3)的顶部设有底板砼(1)，所述钢管栏栅粧(2)的顶部穿过底板砼(I)并出露在底板砼(I)的上方。4.根据权利要求2或3所述的利用钢管栏栅粧封堵溶洞地下暗河的结构，其特征在于:所述钢管栏栅粧(2)的底部深入溶洞底板(7)下方的入岩深度至少为lm，钻孔孔径为150mm。
【文档编号】E21B33/13GK105821894SQ201610043963
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年1月22日
【发明人】赵克欣, 赵攀峰, 王龙, 陈志强, 高成城, 任水源
【申请人】中国水电基础局有限公司