新疆克孜爾水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程F2斷層防滲墻設(shè)計(jì)及施工技術(shù)

張宏科，劉湘成

（1.新疆克孜爾水庫(kù)管理局，新疆庫(kù)車(chē)842313；2.葛洲壩新疆工程局基礎(chǔ)處理公司，新疆烏魯木齊830011）

1 工程概況

克孜爾水庫(kù)位于阿克蘇地區(qū)拜城縣境內(nèi)，壩址西距拜城縣約60 km,東距庫(kù)車(chē)縣約70 km，是目前塔里木河水系渭干河流域上一座以灌溉、防洪為主、兼有水力發(fā)電等綜合效益的大型控制性水利樞紐工程。

克孜爾水庫(kù)除險(xiǎn)加固后設(shè)計(jì)總庫(kù)容17.00億m3（原庫(kù)容9.75億m3），正常高水位1149.6 m，相應(yīng)庫(kù)容4.28億m3，工程規(guī)模為一等大（1）型，場(chǎng)區(qū)基本烈度為Ⅷ度，主要建筑物為1級(jí)，次要建筑物為3級(jí)。大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)按重現(xiàn)期500年洪水標(biāo)準(zhǔn)（7214 m3/s）設(shè)計(jì)，按重現(xiàn)期5000年洪水標(biāo)準(zhǔn)（11156 m3/s）校核，水庫(kù)承擔(dān)下游河道的防洪標(biāo)準(zhǔn)按重現(xiàn)期100年洪水（4627 m3/s）設(shè)計(jì)。水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程主要包括主、副壩壩體加高、F2斷層防滲處理、右壩肩傾倒變形體加固、泄水建筑物加高、加固及水庫(kù)安全監(jiān)

測(cè)設(shè)施完善等內(nèi)容。

圖1 克孜爾水庫(kù)工程樞紐布置圖Fig.1 Sketch drawing of the Kezier hydropower project

2 副壩右壩肩及F2斷層帶工程地質(zhì)概況

副壩右壩肩位于副壩樁號(hào)1+135.0～1+288.0之間（見(jiàn)圖1）,壩基巖層主要為第三系上新統(tǒng)和第三系中新統(tǒng)的蒼綠色砂巖(Sc)、灰色泥質(zhì)粉砂巖(Sm)、灰褐色泥巖(Cc)、灰色砂質(zhì)泥巖(Cm)。該巖體遇水易軟化、崩解為軟巖，透水性強(qiáng)，物理力學(xué)性質(zhì)很差。副壩右壩肩有一活動(dòng)斷層（F2）貫穿壩基,走向NE∠60°～70°,傾角SE23°,與壩軸線(xiàn)交角70°左右，斷層破碎帶影響寬度約90 m，位于副壩樁號(hào)1+193～1+288之間。受其影響,在副壩右壩肩又有數(shù)條派生的次級(jí)斷層,這些次級(jí)斷層互層呈疊瓦狀分布,巖石破碎、節(jié)理裂隙非常發(fā)育，屬全新世、具有壓扭蠕變性質(zhì)的活動(dòng)斷層。

3 原副壩右壩肩工程基礎(chǔ)處理方案

鑒于副壩右壩肩地質(zhì)條件較為惡劣、相對(duì)不透水層分布較深的特點(diǎn)，為提高壩基巖體的強(qiáng)度和整體性，滿(mǎn)足防滲要求，原工程主要采取三項(xiàng)技術(shù)處理措施：（1）進(jìn)行強(qiáng)破碎體的基礎(chǔ)擴(kuò)大開(kāi)挖；（2）對(duì)該壩段壩基進(jìn)行大規(guī)模的深層固結(jié)灌漿和帷幕灌漿；（3）沿F2斷層帶（副壩1+198～主壩0-143）巖面熱噴乳化瀝青，其它壩段巖面均為現(xiàn)澆分離式C15混凝土墊層50 cm左右，詳見(jiàn)圖2。

圖2 副壩右壩肩基礎(chǔ)處理圖Fig.2 Foundation treatment of the right abutment of auxiliary dam

4 F2斷層防滲處理方案及施工技術(shù)要求

4.1 F2斷層帶防滲處理原因

（1）位于F2斷層帶上盤(pán)的6個(gè)勘探孔壓水試驗(yàn)成果見(jiàn)表1。

表1 F2斷層帶壓水試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 1:Result of the water pressure test at the fault F2

由表1可知，F(xiàn)2斷層帶的透水率平均值約5～17.3 Lu之間。其中ZK6孔透水率最大值為81.9 Lu，位于高程1140.17～1135.17 m之間，高程1140.17～1110.17 m的透水率平均值為26.4 Lu，屬中等透水層；ZK5孔透水率最大值為16.3 Lu，位于高程1139.81～1144.81 m，屬于中等透水層；且最大透水率值更集中于副壩1+250～主壩0-090壩段。因此，F(xiàn)2斷層帶的帷幕防滲效果有所下降。

（2）F2斷層帶軸線(xiàn)至軸線(xiàn)下游50 m范圍內(nèi)的地下水質(zhì)檢分析結(jié)果見(jiàn)表2。

F2斷層帶環(huán)境水對(duì)混凝土有碳酸型中～強(qiáng)腐蝕、硫酸鹽（SO42-）強(qiáng)腐蝕，部分環(huán)境水對(duì)抗硫酸鹽水泥有弱～強(qiáng)腐蝕。因此，環(huán)境水對(duì)F2斷層帶早期的普通硅酸鹽水泥防滲帷幕有一定程度的腐蝕作用。

（3）F2斷層帶滲流觀測(cè)值有逐年增加的趨勢(shì)。

斷層帶滲流觀測(cè)成果見(jiàn)表3。

表3分別統(tǒng)計(jì)了位于副壩右壩肩F2斷層帶1+137斷面的壩后集中滲流觀測(cè)井、1+213斷面及1+256斷面3根不同位置測(cè)壓管，在近5年來(lái)庫(kù)水位相對(duì)穩(wěn)定在1148.0～1148.7 m高程（水庫(kù)高水位）時(shí)F2斷層帶的滲流量及地下水位觀測(cè)平均值。從抽取的53組庫(kù)水位、滲流量及測(cè)壓管樣本數(shù)據(jù)均值看，壩后集中滲流井的滲流量觀測(cè)極值在2.47 L/s左右；F2斷層上盤(pán)的地下水位（1142.6 m）略高于下盤(pán)（1138.6 m）；滲流量、地下水位總體反映了水庫(kù)在高水位（大于1148.0 m高程）運(yùn)行時(shí)滲流量及斷層帶地下水位呈逐年上升的趨勢(shì)。

表2 F2斷層帶地下水質(zhì)檢分析成果Table 2:Result of the quality check test for the groundwater of fault F2

表3 F2斷層帶壩后滲流量及地下水位觀測(cè)成果統(tǒng)計(jì)Table 3:Seepage at dam toe and water level of groundwater at the fault F2

綜合以上因素，水庫(kù)運(yùn)行近16年來(lái)，由于F2斷層破碎帶及裂縫中含有的石膏等水溶鹽經(jīng)地下水溶蝕后帶出，加之地下水水質(zhì)對(duì)普通硅酸鹽水泥具有較強(qiáng)的腐蝕作用和受F2活動(dòng)斷層蠕變影響，導(dǎo)致F2斷層帶帷幕防滲效果有所下降，壩后滲流呈逐年上升趨勢(shì)。如果滲漏趨勢(shì)和范圍擴(kuò)大、壩后地下水位繼續(xù)升高，將影響到方山南坡的穩(wěn)定。因此，有必要對(duì)位于副壩右壩肩的F2斷層帶進(jìn)行加固處理。

4.2 F2斷層帶加固處理方案比選

F2斷層帶由三支斷層（F2-1、F2-2、F2-3）組成，斷層帶巖體主要為弱膠結(jié)的軟巖，根據(jù)其活動(dòng)特性及地質(zhì)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)進(jìn)行超細(xì)水泥化學(xué)復(fù)合灌漿和塑性混凝土防滲墻兩種方案。比較后認(rèn)為：塑性混凝土防滲墻處理方案耐久性好，在材料加入膨潤(rùn)土且采用抗硫酸鹽水泥后，其抗侵蝕能力較強(qiáng)，即使防滲墻產(chǎn)生裂縫，其滲漏量也不大，具有投資相對(duì)較小、施工效果好的優(yōu)勢(shì)，所以確定采用塑性混凝土防滲墻加固處理方案。

4.3 F2斷層防滲墻設(shè)計(jì)方案

F2斷層帶防滲處理范圍：本次混凝土防滲墻處理范圍為副壩1+178.0 m～副壩1+288.6m及主壩0-162.0 m～主壩0-092.0 m，總長(zhǎng)180.6 m。

F2斷層帶防滲墻設(shè)計(jì)：由于壩基巖體強(qiáng)度較低，飽和抗壓強(qiáng)度平均2.34 MPa（平行層理），又處于斷層破碎范圍，采用塑性混凝土防滲墻進(jìn)行加固處理，施工難度相對(duì)較小。防滲墻設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

（1）防滲墻墻體厚度為800 mm，墻體混凝土強(qiáng)度為2～5 MPa，彈性模量400～1000 MPa，水泥采用抗硫硅酸鹽水泥。

（2）防滲墻深度及平面布置：防滲墻處理深度為5 Lu線(xiàn)下1.0 m，最深為心墻建基面下約30 m，墻體軸線(xiàn)與原大壩防滲軸線(xiàn)相重合。

（3）防滲墻澆筑高程：塑性混凝土防滲墻從壩頂垂直向下開(kāi)槽，穿透心墻向下進(jìn)入巖石，高程最低處為1107.0 m，墻體深入基巖最大深度約30 m。對(duì)于壩體心墻內(nèi)的槽孔，為了保證防滲體的完整性，有利于心墻正常安全運(yùn)行，亦采用塑性混凝土防滲墻澆筑，故塑性混凝土防滲墻澆筑的頂高程為1154.6 m。

4.4 主要施工技術(shù)要求

防滲墻材料采用C5混凝土，其抗?jié)B等級(jí)為W6，彈性模量400～1000 MPa，采用抗硫硅酸鹽水泥。混凝土入孔時(shí)的坍落度控制在18～22 cm，擴(kuò)散度34～38 cm，混凝土最大骨料粒徑不大于4 cm?？孜辉试S偏差不得大于±3 cm，孔斜率不得大于4‰，當(dāng)使用粘土泥漿時(shí)，孔內(nèi)泥漿的密度不大于1.3 g/cm3，粘度不大于30 s，含砂量不大于10%。

5 F2斷層塑性混凝土防滲墻施工

5.1 防滲墻試驗(yàn)段施工

試驗(yàn)槽段選擇樁號(hào)1+281.0～1+275.8，槽孔長(zhǎng)度為5.8 m，孔口高程1154.6 m,墻體厚度為80 cm，槽孔深度為47.6 m。選定沖擊鉆或回旋鉆的造孔設(shè)備，確定施工槽段的長(zhǎng)度和泥漿的性能指標(biāo)，獲取造孔及成槽經(jīng)驗(yàn)和處理施工中發(fā)生塌孔、縮孔和孔斜的方法；獲取造孔的單日進(jìn)尺，為下一步施工進(jìn)度的安排提供依據(jù)；獲取混凝土澆筑的供應(yīng)強(qiáng)度、坍落度、擴(kuò)散度以及在澆筑中混凝土的上升速度和導(dǎo)管的布設(shè)、提升等指標(biāo)。

施工設(shè)備及主要工序：主孔造孔采用SPC-100型回轉(zhuǎn)鉆機(jī)，副孔劈孔采用CZ-50型沖擊鉆機(jī)。通過(guò)主、副孔成孔、劈孔成槽、清孔驗(yàn)收和塑性混凝土澆筑5個(gè)環(huán)節(jié)后，試驗(yàn)段全部完工，歷時(shí)33 d。

試驗(yàn)段施工主要結(jié)論如下：

（1）施工中采用CZ-50型沖擊鉆機(jī)，施工時(shí)間為33 d，試驗(yàn)槽段設(shè)計(jì)量為227 m2，平均進(jìn)度為6.88 m2/d；回旋鉆鉆進(jìn)至26 m時(shí)，鉆頭扭曲變形，無(wú)法繼續(xù)施工，宜選用沖擊鉆施工。

（2）粘土心墻塌孔較嚴(yán)重，主要塌孔的部位為導(dǎo)向槽底部，塌孔深度為5～6 m，寬度為2～2.5 m。另?yè)?jù)20組孔斜抽樣檢測(cè)結(jié)果看：孔斜＞6‰的共有8組，占總數(shù)的40%，孔斜＜4‰的共有12組，占總數(shù)的60%，說(shuō)明此試驗(yàn)段易發(fā)生孔斜，其主要是受F2斷層帶壩基巖層中泥巖、砂巖互層及傾向等因素影響，施工中易出現(xiàn)縮孔、孔斜現(xiàn)象。因此，基巖段施工中宜采用“輕打勤放”、配合高密度泥漿、勤抽砂等綜合辦法，以滿(mǎn)足孔壁垂直度要求。

（3）清孔后檢測(cè)兩組數(shù)據(jù)表明，泥漿粘度、泥漿比重及含砂量分別為17 s、1.02 g/cm3、2.5%，均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

（4）混凝土實(shí)際澆筑方量為297.2 m3，超出設(shè)計(jì)方量30.9%，說(shuō)明塌孔較嚴(yán)重。施工中也存在基巖段縮孔現(xiàn)象，因此槽段劃分不宜選擇規(guī)范所定槽段7～9 m，設(shè)計(jì)選定的5 m左右是合適的。

（5）在1+185處的補(bǔ)勘孔中取出近1 m的混凝土芯，與原竣工圖中主壩0-092～0-143與副壩1+178～1+198段的防滲墻軸線(xiàn)上有50 cm厚的混凝土蓋板不符。如果沖擊鉆在混凝土蓋板處長(zhǎng)時(shí)間的沖擊振動(dòng)，可能會(huì)加劇塌孔、塌槽、甚至發(fā)生斷鉆等事故，為保證心墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和安全施工，建議研究有C15混凝土底板兩壩段施工工藝。

5.2 防滲墻施工

5.2.1 防滲墻槽段劃分及工藝流程

根據(jù)防滲墻試驗(yàn)段取得的數(shù)據(jù)，最終劃分為37個(gè)槽段，其中一期槽段19個(gè)，二期槽段18個(gè)，每個(gè)槽段長(zhǎng)度控制在4.8～5.7 m之間。防滲墻施工按照“修建孔口導(dǎo)墻和施工平臺(tái)→鋪設(shè)枕木道軌→安裝鉆機(jī)→修建泥漿池、水泵站、混凝土拌合站→一期槽造孔→一期槽混凝土澆筑→二期槽造孔→打混凝土接頭孔→二期槽混凝土澆筑”的工藝流程進(jìn)行，5個(gè)月時(shí)間按照設(shè)計(jì)要求累計(jì)完成C5塑性混凝土防滲墻澆筑8399.47 m2，完成C25現(xiàn)澆混凝土108.64 m2。

5.2.2 施工質(zhì)量控制

防滲墻施工質(zhì)量控制主要包括成槽施工、清孔施工、混凝土澆筑及原材料質(zhì)量檢測(cè)等環(huán)節(jié)。

（1）防滲墻成孔、成槽施工中共抽檢孔位中心偏差736次，其中最大偏差3 cm，最小偏差1 cm；共抽檢孔斜834次，其中孔斜率最大為3.9‰，最小為2‰。均符合設(shè)計(jì)規(guī)定的孔位偏差±3 cm、孔斜≤4‰的技術(shù)要求。

（2）各槽段在清孔后1 h進(jìn)行孔內(nèi)泥漿檢測(cè)，取得37組數(shù)據(jù)表明：孔底沉渣厚度在3～9 cm之間，平均值5.6 cm，小于規(guī)范值10 cm；孔內(nèi)泥漿比重在1.01～1.3 g/cm3之間，平均值1.13 g/cm3，小于規(guī)范值1.3 g/cm3；泥漿粘度在15.1～21 s之間，平均值16.6 s，小于規(guī)范值30 s；泥漿含砂量在2%～9%之間，平均值3.8%，小于規(guī)范值10%。

（3）塑性混凝土澆筑過(guò)程中共抽檢原材料（抗硫硅酸鹽水泥、粉煤灰、骨料、膨潤(rùn)土、高效減水劑）29組，質(zhì)量全部合格?；炷撂涠葯z測(cè)376組，在18～22 cm之間，平均值20.4；擴(kuò)散度實(shí)測(cè)376組，在38～42 cm之間，平均值39.7；抗壓強(qiáng)度取樣14組，經(jīng)檢測(cè)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

5.2.3 心墻底部埋深有C15混凝土底板壩段成槽施工及效果

（1）混凝土底板預(yù)鉆方案：因副壩右肩心墻滲水位高程約在1140.1 m左右，而C15混凝土底板埋深在心墻高度30 m深處（1121.0 m高程），其下與基巖通過(guò)灌漿固結(jié)。因此，為防止造孔過(guò)程中因沖擊鉆施工造成槽孔兩側(cè)原混凝土蓋板破壞及粘土心墻的大面積塌孔、卡鉆或斷鉆等事故發(fā)生，確定對(duì)埋深有混凝土底板的槽段進(jìn)行沖擊鉆施鉆前的地質(zhì)鉆預(yù)鉆施工。

（2）預(yù)鉆施工：選用C300型地質(zhì)鉆在導(dǎo)向槽內(nèi)沿壩軸線(xiàn)方向上、下游兩側(cè)連續(xù)加密造孔，孔間距200 mm；沿導(dǎo)向槽內(nèi)垂直壩軸線(xiàn)方向，間隔80 cm進(jìn)行加密造孔，孔間距同上，孔徑均為91 mm。

（3）施工效果：根據(jù)有混凝土蓋板段的14個(gè)槽段和無(wú)混凝土蓋板段的23個(gè)槽段的混凝土澆筑資料，有混凝土底板段超設(shè)計(jì)混凝土澆筑方量在5%～24.5%之間，平均值12.6%；無(wú)底板段超設(shè)計(jì)混凝土澆筑方量在9.1%～71.6%之間，平均值27.5%?？梢?jiàn)對(duì)粘土心墻下C15混凝土底板進(jìn)行預(yù)鉆后，成槽施工過(guò)程中塌孔概率明顯減小，既滿(mǎn)足了“槽孔穿越心墻下混凝土底板時(shí)不擾動(dòng)防滲墻兩側(cè)原基礎(chǔ)混凝土板”的技術(shù)要求，又保證了心墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，說(shuō)明該處理方案可行。

5.3 F2斷層防滲墻完整性檢測(cè)

按照SL174-96《水利水電工程混凝土防滲墻施工技術(shù)規(guī)范》要求，在F2斷層防滲墻C5塑性混凝土及頂層C25混凝土澆筑完工后一個(gè)月，委托物探檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)混凝土防滲墻墻體質(zhì)量進(jìn)行了低應(yīng)變動(dòng)力無(wú)損檢測(cè)，結(jié)果表明：在所抽檢的47處防滲墻中，連續(xù)性和完整性檢測(cè)點(diǎn)數(shù)均占到總數(shù)的93.6%，實(shí)測(cè)波速基本穩(wěn)定在2413～3155 m/s之間，介于試樣測(cè)試縱波2268～3210 m/s之間，說(shuō)明該墻體連續(xù)完整。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）由于F2斷層帶基巖主要以泥巖、砂巖為主，遇水易軟化，飽和抗壓強(qiáng)度低，且基巖易溶鹽含量較高，水庫(kù)蓄水后隨著地下滲水的形成，環(huán)境水對(duì)普通硅酸鹽水泥有強(qiáng)侵蝕作用，導(dǎo)致原基礎(chǔ)帷幕防滲體防滲效果下降。為防止?jié)B水沿F2斷層帶繼續(xù)向下游擴(kuò)散，影響方山南岸坡穩(wěn)定，經(jīng)方案比選后，確定進(jìn)行塑性混凝土防滲墻加固。

（2）防滲墻施工應(yīng)嚴(yán)格按照施工規(guī)范先進(jìn)行試驗(yàn)段施工，獲取各種施工技術(shù)參數(shù)，這對(duì)后期設(shè)備選型、施工工藝、質(zhì)量控制等措施的制定非常有利。本工程成槽施工中，采取地質(zhì)預(yù)鉆施工措施有效解決了埋深較深的C15混凝土底板施工風(fēng)險(xiǎn)較大的問(wèn)題，既確保了工程質(zhì)量又保證了施工工期，說(shuō)明預(yù)鉆處理方案是可行的?！?/p>

[1]新疆渭干河克孜爾水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,2008.