布爾津縣也拉曼水庫(kù)大壩防滲方案的擬定

許玉梅

（新疆阿勒泰地區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院 新疆 阿勒泰 836500）

1 工程概況

也拉曼水庫(kù)工程位于布爾津縣北部低山丘陵區(qū)與高中山地區(qū)分界處，在窩依莫克鄉(xiāng)也拉曼村南部1.5km，其地理坐標(biāo)在東經(jīng) 86°47′54″～86°49′31″，北緯 48°09′25″～48°10′30″之間。

也拉曼水庫(kù)是以灌溉為主的攔河式水庫(kù)，水庫(kù)總庫(kù)容703.39萬(wàn)m3，水庫(kù)正常蓄水位735.45m，相應(yīng)庫(kù)容503.91萬(wàn)m3，最大壩高31.76m，壩長(zhǎng)300m。水庫(kù)控制灌溉面積3.66萬(wàn)畝。根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2000），也拉曼水庫(kù)工程屬Ⅳ等?。ㄒ唬┬凸こ獭?/p>

2 壩址區(qū)工程地質(zhì)概況

壩址區(qū)地處盆地南側(cè)隆起的低山丘陵基巖沖蝕啞口處，海拔高程715m～750m，壩址區(qū)河谷兩岸基本對(duì)稱，河谷呈“U”型，兩岸發(fā)育Ⅰ、Ⅱ級(jí)堆積階地，右岸Ⅱ級(jí)堆積階地寬度120m，高出河床5m～7m，階面平坦，Ⅰ級(jí)階地僅在庫(kù)區(qū)發(fā)育，壩址區(qū)不發(fā)育。現(xiàn)代河床寬約10m，河道縱坡20‰。壩址左右岸基巖裸露，谷坡坡度10°～50°不等。

2.1 大壩建基面

也拉曼水庫(kù)河床段為現(xiàn)代河谷，左右岸均發(fā)育Ⅰ、Ⅱ級(jí)階地，Ⅰ級(jí)階地較窄，寬度3m～5m，覆蓋有0.3m～0.6m的粉質(zhì)土砂。Ⅱ級(jí)階地開(kāi)闊、平坦，高程718m～721m，寬度達(dá)150m，階地堆積物具有明顯的多元結(jié)構(gòu)。據(jù)鉆孔揭露及物探波速測(cè)試表明，從上到下依次沉積有：淤泥質(zhì)粉土、中細(xì)砂、低液限粉土、中細(xì)砂、含土漂石夾砂卵礫石。河床平水期河水位715.5m，河床底部基巖裸露。其中樁號(hào)0+050～0+100段為左岸坡腳，表層為0.5m的含砂粉土，下部為1.5m厚的坡積碎石土，下伏為眼球狀斜長(zhǎng)花崗巖，基巖強(qiáng)風(fēng)化層厚度一般在1.0m～1.5m，弱風(fēng)化層厚度在10.0m左右。

作為建壩基礎(chǔ)，淤泥質(zhì)粉土屬高壓縮性土，作壩殼基礎(chǔ)沉陷量較大；下部中細(xì)砂層（第二層）雖然屬于中等壓縮性土，作壩殼基礎(chǔ)沉陷量不大，但存在地震液化的可能性。而以下低液限粉土、中細(xì)砂及砂卵礫石層均屬中等壓縮性土，作為壩殼基礎(chǔ)沉陷量不大，且不存在地震液化問(wèn)題。因此，壩體在清除表層淤泥質(zhì)粉土和中細(xì)砂層后，壩殼基礎(chǔ)坐落在低液限粉土上，瀝青心墻防滲體基礎(chǔ)坐落在基巖弱風(fēng)化層上部。

2.2 地基承載力與變形問(wèn)題

據(jù)鉆孔揭露及物探波速測(cè)試河床段地層自上而下可分為5層：

（1）表層深度0m～1.2m為灰黑色淤泥質(zhì)粉土，厚度約1.2m，有機(jī)質(zhì)含量較高。根據(jù)取樣試驗(yàn)分析，天然干密度ρd=1.48g/cm3，孔隙比e=0.75，壓縮系數(shù)αv1-3=0.43MPa-1，壓縮模量Es1-3=4.56MPa，液限Wl=40%～49%，塑限Wp=21.9%～25.4%，塑性指數(shù)Ip=17.1～27.0，滲透系數(shù) K20=1.1×10-4cm/s～4.0×10-5cm/s，屬高壓縮性、弱透水層，鉆孔標(biāo)貫試驗(yàn)N=3～5擊，承載力標(biāo)準(zhǔn)值fk=120kPa～140kPa。

（2）深度1.2m～3.2m為中細(xì)砂，厚度約2.0m，局部含少量礫石。該層分布較連續(xù)、穩(wěn)定，青灰色，結(jié)構(gòu)中密。根據(jù)取樣試驗(yàn)分析，天然干密度1.60g/cm3～1.75g/cm3，比重Gs=2.70，孔隙比e=0.55～0.61，壓縮系數(shù)αv1-3=0.28MPa-1，壓縮模量Es1-3=8.43MPa，飽和抗剪c=16.5kPa，Φ=24°，滲透系數(shù) K20=5.0×10-4cm/s，屬中壓縮性、中等透水層，鉆孔標(biāo)貫試驗(yàn)N=4～6擊，承載力標(biāo)準(zhǔn)值fk=140kPa～160kPa。

（3）深度3.2m～7.6m為低液限粉土，厚度約4.4m，該層分布較連續(xù)、穩(wěn)定，土黃、灰褐色，結(jié)構(gòu)較密實(shí)。根據(jù)取樣試驗(yàn)分析，低液限粉土天然干密度ρd=1.45g/cm3～1.52g/cm3，比重Gs=2.70，孔隙比 e=0.50～0.55，壓縮系數(shù) αv1-3=0.19MPa-1，壓縮模量 Es1-3=10.25MPa，飽和抗剪 c=17.7kPa～18.9kPa，Φ=24°～27°，塑限Wp=18%，塑性指數(shù)Ip=17，滲透系數(shù)K20=1.1×10-4cm/s～4.0×10-5cm/s，屬中等壓縮性、微透水層，鉆孔標(biāo)貫試驗(yàn)N=9～11擊，承載力標(biāo)準(zhǔn)值fk=150kPa～200kPa。

（4）深度7.6m～10.6m為中細(xì)砂，厚度約3.0m，局部含少量礫石。該層分布較連續(xù)、穩(wěn)定，青灰色，結(jié)構(gòu)較密實(shí)。根據(jù)取樣試驗(yàn)分析，天然干密度1.65g/cm3～1.78g/cm3，比重Gs=2.71，孔隙比e=0.60～0.65，壓縮系數(shù)αv1-3=0.21MPa-1，壓縮模量Es1-3=9.12MPa，飽和抗剪 c=19.6kPa，Φ=24.0°，滲透系數(shù)K20=7.0×10-4cm/s，屬中等壓縮性、中等透水層，鉆孔標(biāo)貫試驗(yàn)N=17～20擊，承載力標(biāo)準(zhǔn)值fk=160kPa～220kPa。

（5）深度10.6m～13.6m為含土漂石夾砂卵礫石，土黃、灰色，厚度約3.0m，分布較連續(xù)穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)密實(shí)。根據(jù)取樣試驗(yàn)分析，含土漂石、卵礫石夾砂礫石天然干密度ρd=2.1g/cm3，比重Gs=2.73，飽和抗剪 c=25kPa～55kPa ，Φ=37°～41°，壓縮系數(shù)αv1-3=0.01MPa-1，壓縮模量Es1-3=15MPa，滲透系數(shù)K20=4.7×10-4cm/s，屬低壓縮性、中等透水層，承載力標(biāo)準(zhǔn)值fk=300kPa～400kPa。

深度13.6m以下巖性為斜長(zhǎng)花崗巖，基巖強(qiáng)風(fēng)化帶厚度一般在1.8m～3.7m，裂隙發(fā)育，縱波速度Vp＝2500m/s～3000m/s。弱巖風(fēng)化帶厚度在6.0m～12.5m，巖體較完整，縱波速度Vp＝3500m/s～4000m/s。微新巖體完整，縱波速度Vp＝4500m/s～5000m/s。

該段巖體透水率q＜10Lu界限在基巖面以下埋深20m～27m，q＜5Lu界限在基巖面以下埋深30m～36m。

2.3 壩基滲漏穩(wěn)定問(wèn)題

根據(jù)壩址區(qū)勘探揭露，壩基地表從上至下0m～13.6m深度內(nèi)主要分布有淤泥質(zhì)低液限粉土、中細(xì)砂、低液限粉土和含土砂礫石層，表層淤泥質(zhì)低液限粉土厚度較薄，工程地質(zhì)條件較差，需全部清除，可不計(jì)算，只對(duì)下部的中細(xì)砂、低液限粉土進(jìn)行土的滲透變形判別。

根據(jù)水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范允許水力坡降需取安全系數(shù)，其值為1.5～2.0。因此，壩基中細(xì)砂的的管涌允許水力比降取0.20～0.25，壩基低液限粉土的管涌允許水力比降取 0.5～0.6。

2.4 壩肩邊坡穩(wěn)定

左右壩肩基巖裸露，巖性眼球狀斜長(zhǎng)花崗巖，左壩肩段發(fā)育有一條規(guī)模較小的斷層，此斷層走向在NW320°左右，傾角近直立，與壩軸線夾角在15°左右，從左壩端起，向庫(kù)盆內(nèi)延伸，右壩肩出露的基巖山體均有發(fā)育，但在鉆孔未曾發(fā)現(xiàn)，其寬度在10cm～20cm，呈波狀起伏，局部呈羽狀，斷層面粗糙不平，充填有巖屑、斷層泥等，此斷層規(guī)模較小，且未發(fā)現(xiàn)近期活動(dòng)的痕跡，穩(wěn)定性較好，對(duì)水庫(kù)及大壩穩(wěn)定無(wú)較大影響。從基巖露頭上發(fā)現(xiàn)節(jié)理裂隙較為發(fā)育，基巖強(qiáng)風(fēng)化帶厚度一般在3.0m～4.0m，縱波速度Vp＝2500m/s～3000m/s，基巖弱風(fēng)化帶厚度在12.0m～14.0m，巖體較完整，縱波速度 Vp＝3500m/s～4000m/s。

3 壩型選擇

壩型比選主要從各壩型對(duì)地形地質(zhì)條件的適應(yīng)性、筑壩材料、工程布置、施工條件、工程投資等方面進(jìn)行綜合比較。由于當(dāng)?shù)?5km范圍內(nèi)沒(méi)有合適的粘土料場(chǎng)，所以修建粘土心墻壩的條件不具備，擬選了瀝青砼心墻砂礫石壩、土工膜斜墻壩和砼面板砂礫石壩方案進(jìn)行比選。

3.1 擬選壩型的比選

（1）壩型對(duì)地形地質(zhì)條件的適應(yīng)性分析

左右壩肩基巖裸露，巖性眼球狀斜長(zhǎng)花崗巖，巖石較堅(jiān)硬。主河床寬約120m，主流靠河床右岸。三種壩型對(duì)該地形地質(zhì)條件均適合，壩址處覆蓋層不深，在技術(shù)上都是可行的。左岸岸坡較陡，對(duì)面板的影響較大，趾板布置困難，趾板基礎(chǔ)開(kāi)挖機(jī)支護(hù)處理工程量大。

（2）樞紐布置

從樞紐布置上來(lái)看，各方案均是合理可行的。瀝青砼心墻壩和砼面板壩溢洪道均可布置在大壩右壩肩，規(guī)模相同。

（3）壩基處理

瀝青砼心墻壩下的基礎(chǔ)處理灌漿工作在壩體填筑前應(yīng)全部完成，但可以完成上游壩壩體的填筑，圍堰和壩體結(jié)合，施工干擾較小，面板壩地基處理范圍集中在趾板部位，面積大，并且施工與壩體填筑干擾小。

3.2 工程施工條件

（1）氣象條件

工程區(qū)位于嚴(yán)寒地區(qū)，夏季氣候較濕潤(rùn)，溫和，降雨豐沛，冬季寒冷，積雪較深。工程區(qū)多年平均氣溫4.8℃，極端最高氣溫39.4℃；極端最低氣溫-37.6℃，最大凍土深106cm。冬季不能進(jìn)行面板砼壩的澆筑。而且全年中月平均氣溫低于零度有5個(gè)月之久，冬季時(shí)間較長(zhǎng)，施工期較短。澆筑式瀝青砼心墻壩可以在較低溫度時(shí)施工，通過(guò)采取簡(jiǎn)單的保護(hù)措施，可延長(zhǎng)施工時(shí)間。

（2）工程施工

三種壩型施工導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)相同，澆筑式瀝青砼心墻壩上游圍堰可和壩體結(jié)合，節(jié)省壩體填筑的工程量，砼面板壩和土工膜斜墻壩上游圍堰與壩體不能結(jié)合，臨時(shí)工程工程量大。三種壩型第二年均采用壩體臨時(shí)斷面度汛。

瀝青砼心墻澆筑與壩體填筑基本同步上升，相互之間在施工中存在交叉作業(yè)，相互干擾較大，需要工序之間的密切銜接。需要增設(shè)一套瀝青砼骨料的破碎系統(tǒng)及拌和系統(tǒng)。土工膜斜墻鋪蓋施工能與上游壩面整修有效結(jié)合在一起，施工受庫(kù)水位的影響較小。但土工膜有缺點(diǎn)：①土工膜容易被銳物刺穿，覆蓋不到位時(shí)容易老化破壞；②遇到交叉建筑物時(shí)施工困難；③上游圍堰與壩體不能結(jié)合布置，壩體施工中道路等布置較復(fù)雜，壩體擋水后上游圍堰需拆除。面板壩也存在上游圍堰施工問(wèn)題，從施工角度來(lái)講，項(xiàng)目區(qū)屬高寒地區(qū)，面板防裂問(wèn)題比較突出。

（3）防滲材料

瀝青砼心墻位于壩體內(nèi)，受外界溫度、陽(yáng)光輻射等影響很小，故瀝青砼耐久性、抗老化性好。因?yàn)r青砼具有較小的空隙率，沒(méi)有水浸入其中，冰凍作用不會(huì)影響到瀝青砼的工程性質(zhì)，所以瀝青砼心墻不需要防冰保護(hù)。瀝青本身抗侵蝕性強(qiáng)，對(duì)水質(zhì)無(wú)污染。

面板壩防滲體位于表層，右岸邊坡表層巖體較破碎，對(duì)面板有一定的威脅，而且氣溫和冰清對(duì)表層的砼面板也有一定破壞。根據(jù)本工程區(qū)風(fēng)大、氣候干燥、溫差大等氣候特點(diǎn)，砼面板的抗裂問(wèn)題較為嚴(yán)峻。

土工膜斜墻壩對(duì)壩體填筑料要求不高。土工膜的柔性好，塑性變形能力強(qiáng)，它不會(huì)因壩體、壩面的變形，產(chǎn)生拉伸破壞。土工膜防滲可起到與粘土一樣的防滲效果。但塑膜在施工過(guò)程中，容易被破壞，由于塑膜位于現(xiàn)澆砼板下，出現(xiàn)漏水，不便于檢查和維修，而且對(duì)也拉曼壩屬低壩中偏高的壩，也不太適宜土工膜斜墻壩。

（4）主要工程量

瀝青砼心墻壩主要工程量：土石方開(kāi)挖7.90萬(wàn)m3，土石方回填24.67萬(wàn)m3，混凝土1.6萬(wàn)m3，固結(jié)灌漿3479m，帷幕灌漿10838m，鋼筋 43t。

面板壩主要工程量：土石方開(kāi)挖10.46萬(wàn)m3，土石方回填20.68萬(wàn)m3，混凝土0.98萬(wàn)m3，固結(jié)灌漿3399m，帷幕灌漿8563m，鋼筋 272t。

土工膜斜墻主要工程量：土石方開(kāi)挖25.69萬(wàn)m3，土石方回填25.34萬(wàn)m3，混凝土0.49萬(wàn)m3，固結(jié)灌漿4998m，帷幕灌漿 8539m，鋼筋 43.4t。

（5）壩型比選結(jié)論

從技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較結(jié)果看，瀝青砼心墻壩的施工條件、對(duì)氣候的適應(yīng)性、防滲體的保護(hù)均優(yōu)于面板壩和土工膜斜墻壩。投資方面，三者相比，土工膜斜墻壩最經(jīng)濟(jì)。

3.3 壩型選擇

通過(guò)以上綜合分析可以看出，三種壩型從施工條件、基礎(chǔ)處理、運(yùn)行維修來(lái)看瀝青砼心墻壩方案比較優(yōu)越，施工工期比較長(zhǎng)，受氣溫的影響較小，并且上游圍堰與壩體結(jié)合在一起，可以縮短工期和節(jié)約投資。砼面板壩施工受氣溫影響較大，施工期均短，圍堰不能結(jié)合在壩體內(nèi)，大壩擋水后需拆除圍堰。投資角度來(lái)講，面板壩比較便宜。雖然砼面板壩方案投資略低，但是砼面板施工期受氣候影響較大，施工工藝較瀝青砼心墻壩復(fù)雜，而且布爾津縣處于高寒地區(qū)，冬季漫長(zhǎng)，冰蓋厚達(dá)1m左右，對(duì)水庫(kù)砼面板產(chǎn)生擠壓作用，對(duì)砼面板的抗凍及開(kāi)裂問(wèn)題較為嚴(yán)峻。砼面板壩建成后運(yùn)行管理維修較為困難，而且本地的工程實(shí)例不多。而瀝青砼心墻壩可在較低溫度下施工，施工期較長(zhǎng)，而且建成運(yùn)行期瀝青砼心墻防滲體受嚴(yán)寒氣候影響較小，安全性較高。而且在當(dāng)?shù)剡\(yùn)用瀝青砼心墻壩的實(shí)例也很多，如已建成的中小型水庫(kù)克孜加爾水庫(kù)、東塔勒德水庫(kù)、強(qiáng)罕水庫(kù)等都采用的是瀝青砼心墻壩。

4 結(jié)論及建議

瀝青混凝土做為一種新型的防滲材料已經(jīng)開(kāi)始在水利水電工程中得到推廣應(yīng)用，特別是高寒地區(qū)瀝青心墻壩施工簡(jiǎn)單、工期短，不受氣候的影響等優(yōu)點(diǎn)在阿勒泰地區(qū)被廣泛應(yīng)用。阿勒泰地區(qū)瀝青混凝土心墻壩的興起于2010年，目前已建成和待建瀝青混凝土心墻壩就有7座。它應(yīng)用的主要原因有：

（1）瀝青混凝土心墻壩受氣候影響小，施工周期短。

（2）瀝青混凝土心墻具有良好的自愈能力，廣大工程界專家和學(xué)者一致認(rèn)為瀝青混凝土心墻在其水壓、壩體填料、心墻兩側(cè)過(guò)渡料等共同作用下，具有較強(qiáng)的自愈能力，工程界普遍認(rèn)為，瀝青混凝土心墻在運(yùn)行過(guò)程中，一旦發(fā)生變形甚至裂縫，不容易擴(kuò)大，并且能自愈閉合。

（3）阿勒泰距離克拉瑪依油田大約400km左右，交通便利，而且瀝青的來(lái)源和成本都很低，具有得天獨(dú)厚的地理優(yōu)勢(shì)，所以在防滲材料選擇上比起其它壩型上要節(jié)省更多的勘探工作量。

（4）目前無(wú)論是澆筑式瀝青混凝土心墻壩還是碾壓式瀝青混凝土心墻壩，其施工工程和機(jī)械設(shè)備已在國(guó)內(nèi)外有成功的施工經(jīng)驗(yàn)和施工設(shè)備，所以工程建設(shè)上將更省投資、施工更簡(jiǎn)單快捷，也是其被阿勒泰地區(qū)普及的一個(gè)主要原因。

考慮到上述因素及瀝青砼心墻的特點(diǎn)，也拉曼水庫(kù)大壩選擇瀝青砼心墻壩方案是最佳設(shè)計(jì)方案。※