基于壩基水泥土防滲的希尼爾水庫(kù)大壩滲流分析

魏光輝

（1.新疆塔里木河流域管理局，新疆庫(kù)爾勒，841000；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆烏魯木齊，830052）

1 工程概況

希尼爾水庫(kù)位于新疆庫(kù)爾勒市西尼爾鎮(zhèn)境內(nèi)，地理坐標(biāo)介于 86°13′～86°18′E，41°33′～41°38′N。該水庫(kù)是從孔雀河第一分水樞紐引水，經(jīng)庫(kù)塔干渠總干渠輸水注入的中型平原水庫(kù)[1]，總庫(kù)容為9 800萬(wàn)m3。水庫(kù)工程包括：水庫(kù)大壩、引水閘、引水渠、放水閘、放水渠、壩后排水護(hù)坡及附屬設(shè)施。大壩總長(zhǎng)7.65 km，最大壩高20 m，平均設(shè)計(jì)水深6 m。壩體防滲采取斜鋪復(fù)合膜（兩布一膜）結(jié)構(gòu)，其中膜厚0.75 mm，無(wú)紡布規(guī)格為200 g/m2；上游護(hù)坡設(shè)計(jì)為混凝土面板（C30W8F300），厚15～22 cm。根據(jù)地質(zhì)情況的不同，壩基防滲分別采取PE塑膜、塑性混凝土防滲墻、水泥土攪拌樁防滲墻三種不同形式。

筆者以希尼爾水庫(kù)主壩4+575與5+175斷面為例，對(duì)壩基采用水泥土防滲下的水庫(kù)壩體、壩基滲流情況（2004～2012年觀測(cè)數(shù)據(jù)）進(jìn)行分析，取得了一些有價(jià)值的研究成果。

2 主壩水泥土防滲典型斷面滲流分析

2.1 主壩4+575斷面

該斷面共埋設(shè)五支測(cè)壓管，編號(hào)分別為UP30～UP34，埋設(shè)高程分別為895.42 m、900.08 m、900.08 m、901.08 m和895.78 m。4+575斷面儀器布置、測(cè)壓管水位及滲流位勢(shì)過(guò)程線分別見(jiàn)圖1～5。

該斷面壩基采用防滲深度約12.0 m的水泥土防滲墻，墻底坐落在厚約2.8 m、弱微透水性的第三系泥巖層上，泥巖層以下為透水率約5～10 Lu的第三系砂巖。由圖2～5可知：

圖1 4+575斷面儀器布設(shè)及庫(kù)水位912.26m時(shí)壩基滲壓水位線與壩體水位線Fig.1 Instrument layout on section 4+575 and piezometric level at dam foundation and water level line of dam body with reservoir water level 912.26 m

圖2 4+575斷面測(cè)壓管水位過(guò)程線圖（壩基）Fig.2 Piezometric level of section 4+575(dam foundation)

圖3 4+575斷面測(cè)壓管水位過(guò)程線圖（壩體）Fig.3 piezometric level of section 4+575(dam body)

圖4 4+575斷面測(cè)壓管滲流位勢(shì)過(guò)程線圖（壩基）Fig.4 Seepage potential of section 4+575(dam foundation)

圖5 4+575斷面測(cè)壓管滲流位勢(shì)水位過(guò)程線圖（壩體）Fig.5 Seepage potential of section 4+575(dam body)

（1）壩基UP30、UP32、UP34三支測(cè)壓管水位均持續(xù)較高，明顯受庫(kù)水位變化的影響，與庫(kù)水位的相關(guān)性好；從上游至下游，管水位具有一定程度的削減。在高庫(kù)水位912.26 m時(shí)，壩基滲壓水位高出設(shè)置在建基面以上的壩體橫向排水體頂高程約3.0～4.5 m，超過(guò)設(shè)計(jì)要求。

由表1可知，在庫(kù)水位911.00 m左右及912.26 m時(shí)，壩軸線上游側(cè)1.88 m處的壩基UP30測(cè)點(diǎn)滲流位勢(shì)在37.94%～44.70%之間，位于壩軸線下游側(cè)15.95 m、38.02 m處的壩基UP32、UP34兩測(cè)點(diǎn)滲流位勢(shì)分別在31.51%～36.94%、19.11%～38.29%之間。

在庫(kù)水位911.00 m左右及912.26 m時(shí)，UP32、UP34兩測(cè)點(diǎn)壩基水平向滲透坡降均小于0.07（見(jiàn)表1）；UP34至排水溝處壩基水平向滲透坡降在0.138～0.247之間。在2004年6月14日庫(kù)水位910.95 m時(shí)，UP34測(cè)壓管水位為902.85 m，滲流位勢(shì)為20.90%，而在2004年6月21日庫(kù)水位911.10 m及2006年10月24日庫(kù)水位911.00 m時(shí)，管水位則分別抬升至904.39 m和904.65 m，滲流位勢(shì)增大至35.42%和38.29%；相應(yīng)地，排水溝處壩基水平滲透坡降在2004年6月14日為0.134，而在2004年6月21日及2006年10月24日分別增大至0.230和0.247。該斷面清基后的壩基表層主要為遇水后呈散砂狀的第三系砂巖，并在砂巖上部自上而下夾有亞砂土、較密實(shí)但遇水后呈變軟的第三系堅(jiān)硬泥巖，因此，以第三系砂巖為主進(jìn)行臨界滲透坡降分析。根據(jù)前述分析，臨界坡降Jcr=1.069；考慮到主壩該斷面壩段的重要性，壩基巖土體的允許滲透坡降J允許可用臨界滲透坡降除以3.0的安全系數(shù)，按計(jì)算所得為0.356?？梢?jiàn)，在庫(kù)水位911.00 m及912.26 m時(shí)，UP32、UP34兩測(cè)點(diǎn)壩基水平向滲透坡降小于允許值，滿足規(guī)范要求[2]。

表1 壩基UP30、UP32、UP34測(cè)壓管水位、滲流位勢(shì)及水平向滲透坡降Table 1 Piezometric level,seepage potential and horizontal seepage gradient of UP30,UP32 and UP34

除對(duì)壩基水平滲透坡降進(jìn)行分析外，還需對(duì)壩后坡排水溝處反濾墊層料進(jìn)行滲透坡降分析。經(jīng)計(jì)算，4+575斷面壩后坡排水溝反濾墊層料的臨界滲透坡降為Jcr=2.2×（2.69-1）×（1-0.274）2×0.13/0.39=0.653。考慮到主壩該斷面壩段的重要性，反濾墊層料的允許滲透坡降可用臨界滲透坡降除以3.0的安全系數(shù)，計(jì)算得允許滲透坡降J允許=Jcr/3.0=0.218?？梢?jiàn)，在2004年6月21日庫(kù)水位911.10 m及2006年10月24日庫(kù)水位911.00 m時(shí)，排水溝處壩基水平向滲透坡降分別為0.230和0.247，超過(guò)允許值，不滿足規(guī)范要求。

（2）壩體UP31和UP33兩支測(cè)壓管水位接近，與庫(kù)水位的相關(guān)性一般，但均低于同期壩基測(cè)壓管水位。在高庫(kù)水位912.26 m時(shí)，壩體水位高出設(shè)置在建基面以上的壩體橫向排水體頂高程約1.0～1.5m，超過(guò)設(shè)計(jì)要求。

由表2可知，在庫(kù)水位911.00 m左右及912.26 m時(shí)，位于壩軸線上游1.88 m、下游15.95 m處的壩體UP31、UP33兩測(cè)點(diǎn)滲流位勢(shì)分別在2.23%～11.37%、9.65%～16.40%之間。值得關(guān)注的是，在2008年10月后的高庫(kù)水位運(yùn)行期，壩體UP33測(cè)點(diǎn)滲流位勢(shì)有小幅度增大趨勢(shì)，應(yīng)予以關(guān)注。

在庫(kù)水位911.00 m及912.26 m時(shí)，UP33測(cè)點(diǎn)壩體水平向滲透坡降均小于0.01（見(jiàn)表2）。據(jù)前所述，壩體Ⅰ區(qū)砂礫料的允許滲透坡降為J允許=0.167，Ⅱ區(qū)砂礫料允許滲透坡降為J允許=0.166?？梢?jiàn)，UP33測(cè)點(diǎn)壩體水平向滲透坡降小于允許值，滿足規(guī)范要求。但現(xiàn)場(chǎng)檢查及運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，下游壩后回填清基料出逸點(diǎn)高程較高，不利于下游壩坡、壩后回填清基料以及排水溝開(kāi)挖回填料的滲透穩(wěn)定。

2.2 主壩5+175斷面

該斷面共埋設(shè)五支測(cè)壓管，編號(hào)分別為UP35～UP39，埋設(shè)高程分別為896.284 m、901.278 m、900.092 m、901.092 m和895.474 m。5+175斷面儀器布置圖、測(cè)壓管水位、滲流位勢(shì)過(guò)程線分別見(jiàn)圖6～10。

表2 壩體UP31、UP33測(cè)壓管水位、滲流位勢(shì)及水平向滲透坡降Table 2 Piezometric level,seepage potential and horizontal seepage gradient of UP31 and UP33

圖6 5+175斷面儀器布設(shè)及庫(kù)水位912.26 m時(shí)壩基滲壓水位線與壩體水位線Fig.6 Instrument layout on section 5+175 and piezometric level of dam foundation and water level line of dam body with reservoir water level 912.26 m

圖7 5+175斷面測(cè)壓管水位過(guò)程線圖（壩基）Fig.7 Piezometric level of section 5+175(dam foundation)

圖8 5+175斷面測(cè)壓管水位過(guò)程線圖（壩體）Fig.8 Piezometric level of section 5+175(dam body)

圖9 5+175斷面測(cè)壓管滲流位勢(shì)過(guò)程線圖（壩基）Fig.9 Seepage potential of section 5+175(dam foundation)

圖10 5+175斷面測(cè)壓管滲流位勢(shì)過(guò)程線圖（壩體）Fig.10 Seepage potential of section 5+175(dam body)

該斷面壩基采用防滲深度約16.05 m的水泥土防滲墻，墻底坐落在厚約2.1 m、弱微透水性第三系泥巖層上。由圖7～10可知：

（1）壩基UP35、UP37、UP39三支測(cè)壓管水位很高。其中，UP35、UP37兩支測(cè)壓管水位接近，且均明顯受庫(kù)水位變化的影響，與庫(kù)水位相關(guān)性好；UP39測(cè)壓管水位與庫(kù)水位相關(guān)性一般，在高庫(kù)水位912.26 m時(shí)，壩基滲壓水位高出設(shè)置在建基面以上的壩體橫向排水體頂高程約4.0～5.5 m，超過(guò)設(shè)計(jì)要求。

由表3可知，在庫(kù)水位911.00 m左右及912.26 m時(shí)，UP37測(cè)點(diǎn)壩基水平向滲透坡降均小于0.10；UP39測(cè)點(diǎn)壩基水平向滲透坡降在2004年6月14日和2006年6月21日分別為0.178和0.142，而2006年6月21日后，減小到0.10以下。值得關(guān)注的是，在2004年6月21日和2006年6月21日庫(kù)水位分別為910.95 m和911.10 m時(shí)，UP39測(cè)壓管水位分別為903.16 m和903.72 m，滲流位勢(shì)分別為19.94%和25.30%，而在2006年10月24日后庫(kù)水位911.00 m左右時(shí)，管水位則抬升至905.20 m以上，滲流位勢(shì)增大至40.00%以上；相應(yīng)地，排水溝處壩基水平滲透坡降在2004年6月14日和2006年6月21日分別為0.153和0.188，但2006年6月21日后，在0.280～0.328之間。根據(jù)前述分析，壩基土體的允許滲透坡降J允許為0.356?？梢?jiàn)，在庫(kù)水位911.00 m及912.26 m時(shí)，UP37與UP39這兩測(cè)點(diǎn)壩基水平向滲透坡降均小于允許值，滿足規(guī)范要求；排水溝處壩基水平向滲透坡降較大，稍小于允許值。

此外，通過(guò)計(jì)算[3]，5+175斷面壩后排水溝上游側(cè)（靠壩一側(cè)）反濾墊層料的臨界滲透坡降為Jcr=2.2×(2.69-1)×(1-0.262)2×0.20/0.59=0.686。取安全系數(shù)為3.0，計(jì)算得允許滲透坡降J允許=Jcr/3.0=0.229?？梢?jiàn)，2004年6月21日后雖經(jīng)排水溝處理及增設(shè)排水溝后減壓井，但排水溝處壩基水平向滲透坡降在庫(kù)水位911.10 m左右時(shí)基本在0.28～0.30之間，在庫(kù)水位912.26 m時(shí)達(dá)到了0.328，超過(guò)反濾墊層料的允許滲透坡降，不滿足規(guī)范要求。

（2）壩體UP36、UP38兩支測(cè)壓管水位均較高且接近，均明顯受庫(kù)水位變化影響，與庫(kù)水位的相關(guān)性顯著，但均低于同期壩基測(cè)壓管水位。在高庫(kù)水位912.26 m時(shí)，壩體水位高出設(shè)置在建基面以上的壩體橫向排水體頂高程約2.0～3.0 m，超過(guò)設(shè)計(jì)要求。

由表4可知，在庫(kù)水位911.00 m左右及912.26 m時(shí)，位于壩軸線上游2.10 m、下游15.60 m處的壩體UP36、UP38兩測(cè)點(diǎn)滲流位勢(shì)分別在24.73%～27.75%和21.89%～26.34%之間。

在庫(kù)水位911.00 m及912.26 m時(shí)，UP38測(cè)點(diǎn)壩體水平向滲透坡降均小于0.030（見(jiàn)表4）。據(jù)前所述，壩體Ⅰ區(qū)砂礫料的允許滲透坡降J允許=0.167，Ⅱ區(qū)砂礫料允許滲透坡降J允許=0.166。可見(jiàn)，UP38測(cè)點(diǎn)壩體水平向滲透坡降小于允許值，滿足規(guī)范要求。

表4 壩體UP36、UP38測(cè)壓管水位、滲流位勢(shì)及水平向滲透坡降Table 4 Piezometric level,seepage potential and horizontal seepage gradient of UP36 and UP38

3 結(jié)語(yǔ)

（1）主壩4+575斷面在高庫(kù)水運(yùn)行期壩基滲壓水位較高、滲透壓力較大，壩體水位及下游壩后回填清基料出逸點(diǎn)高程高，壩軸線下游至排水溝處的壩基水平向滲透坡降雖小于壩基表層巖土體（或排水溝反濾墊層料）的允許滲透坡降，但依然較大，且運(yùn)行過(guò)程中曾出現(xiàn)排水溝處水平向滲透坡降超過(guò)反濾墊層料允許滲透坡降的現(xiàn)象，存在滲流安全隱患。主壩5+175斷面，壩體水位及下游壩后回填清基料出逸點(diǎn)高程高，排水溝處壩基水平向滲透坡降較大，接近或稍小于壩基巖土體的允許滲透坡降，并超過(guò)反濾墊層料的允許滲透坡降，存在滲流安全隱患。上述兩典型斷面的滲流監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，壩基水泥土防滲墻及壩體PE復(fù)合土工膜組成的防滲體系防滲效果不佳。

（2）建議加強(qiáng)大壩滲流觀測(cè)，采取必要措施降低壩基滲壓水位、壩體水位及下游壩后回填清基料出逸點(diǎn)高程，確保大壩安全。

[1]SL 252-2000,水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2]SL 258-2000,水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則[S].

[3]GB 50487-2008,水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].