株溪口水電站位于資水干流中游，為低水頭河床式電站，水庫正常蓄水位87．5 m，相應庫容0．333億m3，電站裝機容量為4×18．5MW，多年平均發(fā)電量為2．95億kW·h，是以發(fā)電為主，兼有航運、交通等綜合效益的工程。
株溪口水電站的一期基坑以強巖溶地基為主，在施工過程中，大壩及廠房基坑均出現(xiàn)了大規(guī)模的涌水問題，基坑內最大涌水量曾達到5 000 m3 /h，給工程建設帶來嚴重的困擾，一度使工期延期3 個月。后采取了“在各涌水點設立多級集水井及多級閘閥，滲流梯次引排減壓結合混凝土壓蓋封閉”技術，不僅成功解決了大流量涌水基坑澆注混凝土和灌漿施工技術難題，還趕回了推遲的工期，保證了二期工程的如期進行。
1 工程地質概況
株溪口水電站壩址處地形為“U”形河谷，河流流向為N41°E，河床高程77．6～79．0 m，河床表面部分布厚2～3 m的砂卵礫石層，基巖面高程74．5～76．5m，壩軸線部位主要分布寒武系中統(tǒng)() 深灰－灰黑色炭質板狀頁巖、含炭泥質灰?guī)r、紋層狀灰?guī)r、泥質條帶灰?guī)r等。其中強巖溶涌水地基巖性主要為寒武系中統(tǒng)第四及第五巖組() 紋層狀灰?guī)r及泥質條帶灰?guī)r，分布于河床右側一期基坑部位。巖層呈中厚－厚層狀，產狀主要為N65°～85°E、SE∠40°～70°，與河流斜交，傾向右岸偏上游。與巖層走向基本一致的NEE 向陡傾角斷層構造發(fā)育，一期基坑部位主要的斷層構造有F28、F28 '、F29、F36等。順斷層帶巖溶發(fā)育，斷層溶蝕帶最寬達9．0 m，影響帶寬達20～30 m，斷層影響帶巖層嚴重扭曲。巖體中層理面及橫河向的節(jié)理面均較發(fā)育。壩基淺中部巖體巖溶呈網狀分布，深部沿斷層構造及層面方向的管道狀溶洞穴發(fā)育，溶洞呈串珠狀分布，連通性好。
壩址區(qū)地質平面簡圖見圖1。
2 基坑巖溶涌水與堵漏
2．1 壩基基坑巖溶涌水分析與堵漏
工程于2005 年11月2日開工，設計分二期施工，一期先圍右岸電站廠房和5．5 孔溢流壩。2006 年3月，一期圍堰完成，在對一期基坑進行抽排水過程中，未發(fā)現(xiàn)基坑有集中的巖溶涌水現(xiàn)象，因此開始進行1～6 號閘壩及廠房基礎的開挖。最先在5、6 號上齒槽至堰體偏左側揭露到一沿層面方向發(fā)育的較大溶槽，隨著開挖深度的增大，沿溶槽出現(xiàn)較集中的涌水，流量約為1．0 m3 /s(3 600 m3 /h) 。隨后在進行2、3、4 號閘壩基礎開挖時，基坑多處出現(xiàn)大量涌水，導致基坑被淹，最大涌水流量增加到1．4 m3 /s(5 000 m3 /h) ，施工開挖被迫停止(一期基坑布置及漏水分析見圖2) 。
根據壩址區(qū)地層、構造發(fā)育特征分析，壩址區(qū)巖溶發(fā)育有如下規(guī)律: 強巖溶均發(fā)育于寒武系中統(tǒng)第四巖組及第五巖組() 紋層狀灰?guī)r及泥質條帶灰?guī)r中，沿層面或斷層方向(均為NEE 向) 形成連通性好、透水性強的管道狀層間溶蝕帶及斷層溶蝕帶，順2、3、4 號壩塊向左上游延伸至縱向圍堰與上游圍堰的結合部位。該部位處于F28斷層及其影響帶，為一期基坑巖溶最發(fā)育的部位。溶洞多呈半充填狀，充填物為含泥砂卵石、黏土夾塊石等，少量無充填。由此判斷一期基坑大量涌水的原因是: 縱向圍堰上游及上游圍堰地基下部沿NEE 向延伸的巖溶通道發(fā)育，連通性好，尤其是沿斷層溶蝕帶形成貫通性好的管道狀溶洞，在壩基部位的砂卵礫石蓋層及淺部基巖被挖除后，巖溶通道被揭露出地表，外河水沿巖溶通道進入一期基坑，在壩基部位形成了多處串珠狀分布的集中涌水現(xiàn)象。
根據巖溶堵漏“上堵下排”的常規(guī)處理原則，對上游圍堰及縱向圍堰上游基礎實施堵漏灌漿，在約兩個半月的堵漏灌漿施工期內，采取了包括灌砂漿、摻礫石，摻加棉紗、海帶、麻袋、及雙液灌漿等多種方法，共完成堵漏灌漿進尺1 350 m，灌注水泥約2 500 t。以上措施對較小的巖溶裂隙封堵效果較佳，在短時間內使基坑涌水有顯著減少，但對于縱向圍堰與上游圍堰結合部位，由于巖溶通道連通性好、水流速度快，灌注的漿液及添加物多被快速流動的巖溶水沖走，堵漏灌漿的封堵效果不理想，短時間內未能有效堵住大巖溶通道的涌水。此時，工程控制工期受基坑涌水影響，已延期了近1 個月，若要等漏水通道全部封堵后再進行基坑開挖，將造成工期的進一步延誤，將無法如期完成工程建設。因此，決定暫停對圍堰的堵漏灌漿，結合對F28斷層的處理，在大壩基坑下游F28斷層溶蝕帶部位開挖一集水井，將大壩基坑部位所有涌水均引至該集水井進行強排，并且在大壩基礎混凝土施工時，使集水井水位保持在68 m以下，從而使一期工程各項施工能夠繼續(xù)進行。
2．2 廠房基坑巖溶涌水分析與堵漏
2．2．1 基坑涌水分析
上述處理方案使大壩基坑施工得以繼續(xù)進行，但在開挖右側廠房基礎時，隨著開挖深度增大，基坑內外水頭差進一步增加到25 m以上，廠房基坑下游沿F36斷層溶蝕帶方向，又相繼出現(xiàn)了2 處突發(fā)性的基坑涌水，涌水點高程分別為61．0 m和57．0 m，涌水初始時夾帶大量黃色泥砂，在1 d 后即變?yōu)榍逅傆克髁垦杆龠_到4 000 m3 /h 以上，同時，大壩基坑集水井部位的涌水量雖然有所減少，但減少的水量并不多，仍有約1 000 m3 /h，廠房基坑被淹，工程正常施工再次受到嚴重影響。
通過對一期基坑構造及巖溶發(fā)育規(guī)律進行詳細分析后發(fā)現(xiàn)，廠房基坑與大壩基坑的涌水實為同一源頭。一期基坑下游主要由非可溶巖～弱可溶巖組成，不具備發(fā)育大規(guī)模巖溶的基本地質條件，基坑中亦無大規(guī)模的斷層構造與下游河流溝通。因此，廠房基坑下游涌水仍主要來自于基坑上游河流，具體路徑為: 外河水自縱向圍堰及上游圍堰結合部位沿NEE 向的巖溶通道進入一期基坑，在2、3、4 號壩塊斜穿壩軸線后，在一期基坑下游通過橫河向的巖溶通道與F36斷層溶蝕帶溝通，再順F36斷層溶蝕帶按自下游至上游的方向在廠房基坑下游涌出。后在大壩基坑處投入酸性大紅試劑進行示蹤試驗，5 min 后即觀察到廠房基坑涌水明顯變色，也證實廠房基坑與大壩基坑涌水系同一來源。
根據連通試驗，可推算出基坑巖溶水流速度約為0．5～0．6 m/s。廠房基坑出現(xiàn)大規(guī)模涌水后，大壩區(qū)集水井涌水量未見顯著減少，主要是因為廠房涌水點與外河水頭差增大后，巖溶通道中水流速度加快，將巖溶通道中的充填物進一步淘空，巖溶通道擴大，從而導致進入一期基坑的水量增加。
根據以上分析，可將一期基坑涌水分析剖面簡化成圖3 所示的模型，從圖3 可以看出，一期基坑地面眾多涌水點具有相同的源頭，各涌水點的水流在地下巖溶通道中也是互相連通的。
2．2．2 基坑堵漏
針對一期基坑再次出現(xiàn)的嚴重巖溶涌水問題，對上游圍堰、縱向圍堰等重點漏水通道進行了第2 次堵漏灌漿。自2006 年9月13日到2006 年12月底，共完成灌漿進尺2 013 m，灌注水泥7 235 t，河砂104m3。但由于巖溶通道連通性好、水流速度快，直接在巖溶滲漏通道部位進行堵漏灌漿時，漿液損耗大，堵漏難度大、效果差，其間雖出現(xiàn)多次漏水通道被部分堵住、基坑短時間出現(xiàn)涌水量減少的現(xiàn)象，但很快巖溶通道又被擊穿，涌水量重新增大。因此，第2 次堵漏灌漿在耗費大量人力、物力后，未能真正有效減少基坑的涌水量，沒有達到預期的堵漏效果。
3 多級集水井結合混凝土壓蓋處理技術
3．1 總體思路
為達到既不影響施工進度，又能保證工程質量的目的，通過反復論證，根據基坑各涌水點的水流在地下巖溶通道中互相連通的特點，提出了在各涌水點設立多級集水井及多級閘閥，滲流梯次引排減壓結合混凝土壓蓋封閉的技術，成功解決了株溪口水電站大流量涌水基坑澆注混凝土和灌漿施工技術難題。此方案采取“自下而上”的思路來解決基坑中的巖溶涌水問題，即通過采取措施，將基坑各部位無序涌水匯合后，在涌水口末端集中封堵，將巖溶水全部封閉于地下巖溶通道中，從而使快速流動的動態(tài)巖溶水變成了相對的靜態(tài)巖溶水，然后再對處于靜水環(huán)境下的巖溶通道進行封堵灌漿處理，從而達到處理巖溶涌水的目的。
具體思路是: 在廠房4 號機中段基底高程56．5 m(下稱4 號集水井) 、3 號機尾水段基底高程62．3 m(下稱3 號集水井) 及2 號閘壩護坦段基底高程72．5m(下稱2 號集水井) 各設置一集水井(見圖4) ，將各集水井附近溶洞、溶槽及斷層內的涌水用鋼管引入集水井，集中抽排，保證集水井以外的混凝土順利澆筑，然后關閉各集水井閘閥，并對各集水井及管路進行封閉充填灌漿。
此方案的優(yōu)點是: 既解決了基坑涌水對現(xiàn)場施工造成的不利影響，使基坑開挖、基礎混凝土澆筑能夠順利進行，對工期影響小，同時在對壩基及廠房進行基礎處理時，漿液浪費少、時間短、見效快，施工質量可控性強。
3．2 方案實施
根據以上設計思路，首先在4 號主機段爆破形成一個9 m×6 m×3 m(長×寬×深) 集水井(4 號集水井) 。將3 號機中段溶蝕坑涌水通過3 根帶閘閥鋼管引至4 號集水井，管口一端連接涌水點，另一端伸至4號集水井。用混凝土回填3 號機尾水平臺處的3 號集水井，僅預留一小坑作為臨時集水井，在尾水閘墩內預埋2 根帶閘閥排水管向外抽排。覆蓋3 號機與尾水交界的斜坡段混凝土時，由于基坑內外水頭相差約25m，為防止閘閥關閉后，混凝土產生抬動破壞，經計算混凝土最小厚度必須大于1．5 m，同時采用錨桿進行加固處理。在澆筑4 號機主機段基礎前，在4 號集水井上鋪設鋼梁、鋼模板，形成蓋板，同時在蓋板上預留4 個灌漿管路系統(tǒng)、通氣管和集水井抽水孔。待以上混凝土澆筑覆蓋完成后，2、3、4 號集水井進行閘閥試關水，檢驗廠房及閘壩基巖有無滲水。通過檢查，將冒水點進行覆蓋。在閘壩處的巖溶通道上造150 mm的大口徑鉆孔，打開4 號集水井閘閥，自鉆孔內先投入砂礫石，利用水頭差及廠房與閘壩巖溶管道的連通性，使砂礫石在巖溶通道中運移，將預埋排水管充填。4號集水井正式關閉閘閥后，立即清理集水井內淤積的灌漿水泥結塊和砂礫石渣等，并對水池墻壁鑿毛處理，埋設接縫灌漿管路，用膨脹混凝土回填。對各預埋灌漿管進行充填灌漿。在3 號閘閥打開情況下，對溢流閘壩2 號集水井進行混凝土覆蓋，最后關閉3 號集水井閘閥。滲流梯次引排減壓示意見圖5。
在大壩F28斷層下游及廠房兩處涌水點附近設置多級不同高程的集水井，將基坑中的主要涌水引至這幾個集水井中集中向外抽排，集水井引水管的末端設置閘閥，使基坑內無序的涌水變成了可控的水流，保證基坑能夠正常開挖及混凝土澆筑。通過在集水井頂部加蓋鋼板等結構處理，將各集水井均封閉于基礎混凝土以下。待基礎混凝土全部澆筑完成并澆至一定厚度，且經過計算，確認關閉閘閥不致引起基礎混凝土抬動破壞后，按自下而上的順序依次關閉各集水井的閘閥，將巖溶水全部封閉在基礎混凝土以下的巖溶通道中。在關閘初期，可以通過控制關閘順序，保持巖溶通道中的水仍呈流動狀態(tài)，同時在大壩上游的巖溶通道方向上鉆孔并向孔內投擲砂、礫石等粗骨料，使砂、礫石能夠隨著水流移動而逐漸充填壩基及廠房基礎下部較大的巖溶洞穴。待所有集水井閘閥全部關閉后，基礎下部較大的巖溶通道已基本被投擲的砂礫石充滿，封閉于巖溶通道中的水也成了相對的靜態(tài)水，這時按常規(guī)方法對廠房及大壩基礎進行固結灌漿及帷幕灌漿，漿液無浪費、效果好、耗時短，能有效控制質量。
3．3 效果分析
通過采取以上處理措施，成功解決了株溪口水電站一期基坑強巖溶涌水對工程造成的不利影響。2007年4月，已全部完成了一期施工基礎混凝土澆筑，隨后完全關閉閘閥，按常規(guī)方法對大壩帷幕及巖溶管道進行了充填固結灌漿，灌漿過程中未出現(xiàn)漿液流失現(xiàn)象。待大壩和巖溶通道的帷幕及充填固結灌漿完成后，再打開各集水井的閘閥檢驗，各閘閥均無水流出，說明大壩帷幕及固結灌漿效果良好。在此基礎上，建設各方迅速補回了前期因基坑涌水而延誤的工期，如期完成了一期工程建設目標。
由此可見，通過采取多級集水井結合混凝土壓蓋技術，不僅能成功解決了大流量涌水基坑澆注混凝土和灌漿施工技術難題，而且對施工的影響較小，處理效果好。具體參見http://www.northcarolinalenders.com更多相關技術文檔。
2007 年11月10日，株溪口水電站一期工程通過水下工程驗收并正式過流，工程運行多年來，一直處于正常狀態(tài)，工程區(qū)埋設的各變形計及流量計監(jiān)測到的數據均未見異常，也說明株溪口水電站處理巖溶涌水措施得當、效果良好。
4 結語
巖溶涌水對水電站工程建設危害大，處理困難，沒有統(tǒng)一的解決辦法，只有在掌握了巖溶規(guī)律的基礎上，通過細致的地質論證，才能有針對性地提出有效的處理措施。株溪口水電站一期基坑出現(xiàn)強巖溶涌水問題后，曾采取常規(guī)的堵漏灌漿方法進行堵漏處理，前后共耗時近6 個月，灌注水泥量約9 700 t，但仍未達到預期的處理效果，經反復論證分析，最后采用“在各涌水點設立多級集水井及多級閘閥，滲流梯次引排減壓結合混凝土壓蓋封閉”技術，成功解決了大流量涌水基坑澆注混凝土和灌漿施工技術難題。該技術為處理類似強巖溶涌水問題提供了新的方法和思路。
