吐魯番大河沿引水工程深覆蓋層基礎處理技術研究

周 亮，趙萬強

(吐魯番市水利水電勘測設計研究院，新疆 吐魯番 838000)

1 概述

大河沿引水工程擬建壩址距烏魯木齊120km，距吐魯番市60km，距大河沿鎮(zhèn)17km。工程主要由擋水大壩、溢洪道、灌溉洞及泄洪放空沖砂兼導流洞組成，是一座具有城鎮(zhèn)供水、農(nóng)業(yè)灌溉和重點工業(yè)供水任務的綜合性水利樞紐工程。

大河沿引水工程水庫總庫容3024萬m3，為Ⅲ等中型工程，擋水建筑物采用瀝青混凝土心墻壩，最大壩高75.00m，大壩級別為2級，永久建筑物溢洪道、灌溉洞和泄洪放空沖砂兼導流洞級別3級，邊坡級別為4級、公路等建筑物級別為4級。擋水建筑物土石壩設計洪水標準為50年一遇，校核洪水標準為1000年一遇；消能防沖設計洪水標準為30年一遇。各永久建筑物合理使用年限為50年。

2 基礎覆蓋層特性

2.1 覆蓋層的分布及物理組成

壩址位于峽谷出口段，處于“U”形河谷內(nèi)，河床基巖面呈“V”字形，兩側(cè)基巖面坡度為55°～60°，河床面高程21540～1555m，河床面寬260～320m，河床覆蓋層最深處達174m時水面寬4～10m，水深0.4～0.8m，大致分二股蜿、曲于河灘之中，總體流向由北向南，河床坡降較陡，其縱坡坡度平均為30.4‰，水流湍急。兩岸山頂相對高差120～130m，山坡坡度40°左右，一般基巖裸露。左岸由上、下游沖溝切割山體較單薄。左岸下游及右岸上、下游分布有連續(xù)的Ⅳ級階地，其后緣多為坡洪積物所覆蓋。

壩區(qū)基巖為石炭系上統(tǒng)博格達下亞群第二組(C3bga- 2)一套火山碎屑巖類，巖性主要為火山角礫巖。

第四系覆蓋層主要為：

(1)上更新統(tǒng)沖洪積堆積(Q3al)，分布于Ⅳ級階地。堆積為碎屑砂礫石，厚度30～50m。

(2)全新統(tǒng)沖積堆積(Q4al)，分布于河床及高漫灘，堆積為含漂石砂卵礫石層，呈“V”分布于深切河谷內(nèi)，最大厚度達173.8m。

(3)第四系坡積堆積(Qdl)：為褐灰色碎、塊石夾土，呈松散狀，分布于兩岸坡腳及沖溝內(nèi)，厚度般1～5m。

2.2 覆蓋層的土力學特性

壩址處位于河床堆積深厚的含少量漂石砂卵礫石層，最厚度達174m，結(jié)構較密實，層理間夾泥質(zhì)、砂質(zhì)壤土條帶。

工程河床壩基含漂石砂卵礫石層級配不良，經(jīng)現(xiàn)場試驗，含漂石砂卵礫石層最小干密度1.62g/cm3，最大干密度2.05g/cm3，顆粒比重2.70g/cm3。河床淺部(厚0～3.5m)的含漂石砂卵礫石層天然干密度1.90g/cm3，相對密度0.71，經(jīng)物探聲波測井，聲波縱波波速Vp<1500m/s，經(jīng)物探地震波測試，剪切波波速Vs<300m/s；3.5m以下天然干密度2.2g/cm3，相對密度0.81，屬密實狀態(tài)，其經(jīng)物探地震波測井，聲波縱波波速Vp在2200m/s以上，地震剪切波波速Vs>300m/s。

址壩兩岸Ⅳ級階地堆積沖洪積層厚度30～50m。結(jié)構較緊密，經(jīng)對階地高天然陡坎顆分，粒徑以小于2～40mm的碎屑礫石為主，大于40mm的粒徑在10%以內(nèi)，不大于0.075mm的土粒含量少于5%。礫石主要成分為砂巖、矽質(zhì)粉砂巖、安山巖及火山碎屑巖，磨圓度較差，以次梭角形為主。

3 深覆蓋層基礎處理研究

3.1 基礎防滲的選定

由于基礎覆蓋層深厚，設計針對壩基150m量級深厚覆蓋層的防滲處理問題進行了專題研究，通過水平鋪蓋和垂直防滲方案從滲流、結(jié)構、施工、工期、造價以及運行管理等方面的綜合比選，推薦采用防滲墻一墻到底防滲型式作為本工程的最佳防滲方案。

壩基防滲設計對與壩基滲漏量的控制標準根據(jù)壩基的地層條件和投資大小及實施的可行性，結(jié)合國內(nèi)有關工程對壩基滲漏量的控制標準確定。如冶勒、下坂地等水電站大壩防滲控制滲漏量為河道多年平均年徑流量的1%，大河沿多年平均年徑流量為1.01億m3，大河沿工程設計采用壩基滲漏量的控制標準為多年平均流量的1%，即不大于2767m3/d，工程的防滲難度很大。設計采用壩基砂礫石層允許水力坡降為0.1。

對于壩基防滲處理，可研專題階段設計針對150m深的覆蓋層擬定了懸掛方案、全防滲等2種大方案，其中全防滲方案又細分成全防滲墻方案、全帷幕方案和防滲墻加帷幕等26種不同的防滲方案，對不同防滲型式委托河海大學進行了三維滲流分析計算。

采用懸掛式防滲墻滲透比降能滿足要求，但是不能滿足控制壩基滲漏量的要求；水平鋪蓋加懸掛式混凝土防滲墻，在水平鋪蓋一旦失效的情況下，懸掛式混凝土防滲墻不能確保壩基的滲透穩(wěn)定；長2000m的水平全庫盤鋪蓋防滲也不能滿足對控制壩基滲透流量和滲透穩(wěn)定的要求；在壩基做80m深的防滲墻情況下，壩基滲漏量為36815m3/d，每年滲漏水量為1343.7萬m3，占多年平均徑流量的13.29%。因此，壩基必須進行全防滲處理，控制滲漏量，保證壩基滲透穩(wěn)定。瀝青砼心墻+防滲墻計算分析成果見表1。

表1 瀝青砼心墻+防滲墻計算分析成果表

為達到滲透穩(wěn)定和對滲漏量控制的要求，垂直防滲必須全部截斷壩基砂礫石層。對垂直防滲方案結(jié)合樞紐布置的優(yōu)化，通過對國內(nèi)外基礎防滲工程施工情況的對比分析，本階段重點研究如何實現(xiàn)截斷174m深的河床砂礫石層的垂直防滲方案。根據(jù)當前垂直防滲方案通常采用的防滲處理形式、施工水平，參考西藏旁多水電站、新疆下坂地水電站及四川冶勒水電站等工程經(jīng)驗，結(jié)合大河沿壩基覆蓋層地質(zhì)情況，本設計綜合考慮推薦一墻到底方案。

3.2 混凝土防滲墻設計

根據(jù)《水工設計手冊·第六卷·土石壩》(第二版)，防滲墻使用年限估算以梯比利斯研究所公式應用較多。滲水通過防滲墻混凝土使石灰淋蝕而散失強度50%所需的時間T為：

(1)

式中，a—淋蝕混凝土中的石灰，使混凝土的強度降低50%所需的滲水量，m3/kg，根據(jù)蘇聯(lián)學者B.M.莫斯克研究，a=1.54m3/kg，按柳什爾的資料，a=2.2m3/kg；b—防滲墻厚度，m；c—1m3混凝土中的水泥用量，kg/m3，根據(jù)初定的配合比取350kg/m3；k—防滲墻滲透系數(shù)，m/a，取0.00946m/a；J—滲透比降，一般混凝土防滲墻為80～100，取80；β—安全系數(shù)，2級建筑物非大塊結(jié)構(厚度小于2m)時取16。

根據(jù)防滲墻使用年限估算公式反算防滲墻厚度，防滲墻使用年限與大壩一致，根據(jù)SL 654—2014《水利水電工程合理使用年限及耐久性設計規(guī)范》，本工程為Ⅲ等中型工程，合理使用年限為50年。通過計算，a=1.54m3/kg時，防滲墻厚度b為1.12m；a=2.2m3/kg時，防滲墻厚度b為0.79m。從耐久性要求來講，混凝土厚度不宜小于0.79m。

3.2.1 容許水力梯度

防滲墻在滲透作用下，其耐久性取決于機械力侵蝕和化學溶蝕作用，因為這兩種侵蝕破壞作用都與水力梯度密切相關。目前防滲墻厚度主要依據(jù)其容許水力梯度、工程類比和施工設備確定，即：

(2)

式中，δ—防滲墻厚度，m；Η—最大運行水頭，m；ΙΡ—防滲墻容許水力坡降，剛性混凝土防滲墻可達80～100，塑性混凝土防滲墻多采用50～60。黃河小浪底工程混凝土防滲墻設計容許水力坡降Jp取92，新疆下坂地壩基混凝土防滲墻設計容許水力坡降Jp取80。

工程參照下坂地工程，防滲墻允許滲透坡降Jp取80，選用1m厚混凝土防滲墻進行防滲處理，比照西藏旁多水利樞紐壩高72.3m，混凝土防滲墻最大墻深158m，厚度1.0m，厚度比較合理。

3.2.2 墻體材料及墻厚對應力的影響

(1)墻體材料

為了解防滲墻墻體的彈性模量對其應力的影響，取墻厚為1m，墻體彈性模量分別為30、28、25.5、10、1.0、0.5GPa，利用平面有限元方法進行了壩基防滲墻應力分析。墻體彈性模量與應力的關系平面有限元計算成果見表2。

表2 墻體彈性模量與應力的關系平面有限元計算成果 單位：MPa

根據(jù)平面有限元計算結(jié)果，混凝土防滲墻彈性模量從25.5GPa提高到30GPa，竣工期的最大壓應力變化范圍在27.5～28.4MPa之間，蓄水期在16.6～17.8MPa之間，表明墻體應力在常規(guī)混凝土C30的抗壓強度范圍內(nèi)?？紤]到混凝土強度隨齡期會有一定增長，槽段防滲墻墻體混凝土設計指標采用C30混凝土，抗?jié)B等級W10，且R180≥35MPa，混凝土彈性模量為28GPa。

(2)墻體厚度

為研究防滲墻厚度對墻體應力的影響，取防滲墻彈性模量25.5GPa，墻厚分別取1.2m、1.0m、0.8m、0.6m進行二維有限元分析，防滲墻厚度對應力的影響見表3。

表3 防滲墻厚度對應力的影響 單位:MPa

計算成果表明隨防滲墻厚度的增大，防滲墻的最大應力逐漸減小。墻厚1m時墻體的最大壓應力為27.8MPa，從防滲墻受力角度看，采用常規(guī)混凝土、墻厚1m滿足受力要求。

3.3 防滲墻施工缺陷名感性分析

由于防滲墻較深，施工規(guī)范考慮防滲墻施工有一定的施工偏差，本次敏感性分析計算考慮防滲墻在70m深度以下開始出現(xiàn)開叉，直至基巖，偏移百分比分別取0.3%、0.5%，1%，即防滲墻在底部分叉距離分別為0.48、0.8、1.6m，各種工況滲漏量成果見表4。

表4 防滲墻底部開叉各工況滲漏量計算成果

通過計算可知，開叉部位最大滲透坡降出現(xiàn)在上部最先開叉處，大于覆蓋層的允許滲透坡降，因此防滲墻上部開叉部位可能會發(fā)生滲透破壞。

當防滲墻下部開叉偏移百分比為1%，底部分叉長度達到1.6m時，滲透流量為3188.16m3/t，和全封閉防滲墻工況相比有明顯增大，因此在防滲墻施工過程中，要嚴格控制防滲墻下部的偏移百分比，保證施工質(zhì)量。

4 結(jié)語

深厚覆蓋層勘察、設計、施工工作難度較大，大河沿引水工程基礎處理特性復雜困難等特點采取多種方法進行分析比較，并通過方案比選和對關鍵技術問題的分析研究，針對壩基的不同部位和覆蓋層分布特點提出了綜合處理措施，以保證工程技術可行并盡量節(jié)省工程投資。采用防滲墻一墻到底防滲型式作為水庫壩基防滲方案，為深覆蓋層基礎處理提供借鑒依據(jù)。