紅山灣水庫(kù)大壩基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)方案探討

繆建新，庹世華

(1.臨澤縣水務(wù)局，甘肅 臨澤 734200；2.甘肅省張掖市甘蘭水利水電建筑設(shè)計(jì)院，甘肅 張掖 734000)

1 概述

臨澤縣紅山灣水庫(kù)工程項(xiàng)目是甘肅省列入國(guó)家“十二五”大中型水庫(kù)規(guī)劃的11座大中型水庫(kù)之一，也是張掖市唯一列入規(guī)劃的中型水庫(kù)。該水庫(kù)位于臨澤縣倪家營(yíng)鎮(zhèn)梨園河出山口河谷地帶，東鄰梨園新村，南依省道213線(張掖—肅南公路)，北靠閃佛寺山，西接梨園河河道，距臨澤縣城21km，是一座以生活供水和工業(yè)供水為主，兼顧生態(tài)用水和農(nóng)業(yè)供水的中型水庫(kù)。水庫(kù)樞紐主要包括大壩、輸水洞、溢洪道及泄洪排沙洞，為Ⅲ等中型工程，水庫(kù)設(shè)計(jì)總庫(kù)容為1700萬(wàn)m3，最大壩高為34.60m，工程靜態(tài)總投資為5.52億元。

紅山灣水庫(kù)大壩由垂直河道的主壩和右岸順河岸向上游布置的副壩組成，壩頂總長(zhǎng)2345m，平面上呈折線，有3處拐點(diǎn)。主壩長(zhǎng)416.5m，垂直主河槽布置；副壩長(zhǎng)1928.5m，坐落在右岸二級(jí)階地上，基本沿階地前緣布置，副壩右端在河床內(nèi)向上游延伸防滲體1115m。主壩左壩肩緊靠閃佛寺山，壩基處河床砂礫石覆蓋層厚5～12m，副壩壩基處砂礫石覆蓋層厚8～20m，且主副壩壩基覆蓋層下巖石上部10～15m透水性大，大壩壩基防滲處理工程量大，技術(shù)較為復(fù)雜，是本水庫(kù)質(zhì)量控制的關(guān)鍵問(wèn)題之一。為此，本文通過(guò)分析紅山灣水庫(kù)壩址區(qū)工程地質(zhì)條件及壩基滲漏與滲透破壞問(wèn)題，結(jié)合類(lèi)似已建工程經(jīng)驗(yàn)，科學(xué)合理地提出了紅山灣水庫(kù)大壩基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)方案。

2 壩址區(qū)工程地質(zhì)條件及評(píng)價(jià)

壩址區(qū)位于梨園河山間盆地左側(cè)，左岸分布基巖山體，現(xiàn)代河床偏向左岸發(fā)育，緊貼基巖山體一側(cè)侵蝕通過(guò)；河床寬度為150～300m，地面高程為1680m左右，平均縱坡為10‰；現(xiàn)代河床右岸發(fā)育Ⅰ～Ⅲ級(jí)堆積階地，谷底寬度200～800m不等。利用上述地形條件，選定紅山灣村作為水庫(kù)建設(shè)壩址。經(jīng)在壩址區(qū)布置20個(gè)鉆孔和24個(gè)探坑勘探，基本查清了壩址區(qū)的工程地質(zhì)條件。

2.1 主壩段工程地質(zhì)條件及評(píng)價(jià)

2.2 副壩段工程地質(zhì)條件及評(píng)價(jià)

3 壩基滲漏與滲透破壞問(wèn)題

由于紅山灣水庫(kù)壩基滲漏量大，存在滲透變形及滲透穩(wěn)定問(wèn)題。設(shè)計(jì)對(duì)主副壩樁號(hào)0+000～2+345段的基巖風(fēng)化帶按照滲透剖面提供的透水率采取帷幕灌漿的防滲處理措施；樁號(hào)2+345～3+460段以泥巖為主，局部夾泥質(zhì)礫巖的基巖強(qiáng)—弱風(fēng)化帶，考慮到該段地面以上已無(wú)水頭壓力，防滲體上下游地下水位差較小，該段可不進(jìn)行帷幕灌漿處理。

4 大壩基礎(chǔ)處理

4.1 大壩基礎(chǔ)處理方案選擇

根據(jù)紅山灣水庫(kù)壩址區(qū)工程地質(zhì)條件及壩基滲漏與滲透破壞分析，按照規(guī)范要求，壩基砂卵礫石覆蓋層較厚時(shí)宜采用垂直防滲，常用的垂直防滲措施有混凝土防滲墻和高壓噴射灌漿防滲墻兩種。對(duì)這兩種防滲措施進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，具體見(jiàn)表1。

由表1可看出，混凝土防滲墻和高噴防滲墻均為較成熟的防滲技術(shù)，在砂卵礫石地層中，高噴防滲墻投資1950.83元/m2，混凝土防滲墻投資2069.81元/m2，混凝土防滲墻投資比高噴防滲墻高6.1%，但混凝土防滲墻可靠性高于高噴防滲墻，且根據(jù)SL 274—2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.2.6條規(guī)定“砂礫石層深度在15m以內(nèi)，宜采用明挖回填黏土截水槽；砂礫石層深度在80m以內(nèi)，可采用混凝土防滲墻”。紅山灣水庫(kù)主壩0+276～0+416.5段、副壩、副壩右端在河床內(nèi)向上游延伸防滲體段砂礫石覆蓋層厚度均大于15m，因此采用混凝土防滲墻防滲。主壩0+091～0+276段砂礫石覆蓋層厚度雖然小于15m，考慮該段長(zhǎng)度只有185m，占基礎(chǔ)防滲處理長(zhǎng)度的5.6%，且位于主河道，采用明挖回填黏土截水槽施工時(shí)排水量大，從施工方面考慮，該段壩基也采用混凝土防滲墻防滲。因此，綜合規(guī)范、施工、經(jīng)濟(jì)等因素，紅山灣水庫(kù)大壩基礎(chǔ)處理采用混凝土防滲墻防滲。

表1 紅山灣水庫(kù)壩基砂卵礫石覆蓋層防滲措施比較表

4.2 混凝土防滲墻設(shè)計(jì)

由于國(guó)內(nèi)防滲墻設(shè)計(jì)無(wú)規(guī)范，本工程防滲墻參照已建工程經(jīng)驗(yàn)、SL 174—2014《水利水電工程混凝土防滲墻施工技術(shù)規(guī)范》和相關(guān)論文設(shè)計(jì)?；炷练罎B墻底部嵌入基巖1.0m，頂部設(shè)計(jì)成楔形，插入壤土斜墻高度為壩高的1/10，壩高較小時(shí)插入高度不低于2m。防滲墻的厚度應(yīng)滿足墻體抗?jié)B性、耐久性的要求，同時(shí)還應(yīng)考慮到施工因素，根據(jù)防滲墻破壞時(shí)的水力坡降計(jì)算墻體厚度δ，計(jì)算公式如下：

(1)

式中， ΔHmax—作用在防滲墻上的最大水頭差，m，取32.3m；K—抗?jié)B坡降安全系數(shù)，取5；Jmax—防滲墻滲透破壞坡降，取300。

防滲墻計(jì)算厚度為0.54m。防滲墻最大深度為30m，墻內(nèi)預(yù)埋基巖帷幕灌漿管，壩基砂礫石內(nèi)有大量漂石，造孔最大孔斜率按0.6%控制，最大孔斜為0.18m，考慮施工因素，防滲墻設(shè)計(jì)厚度取0.8m。

參考國(guó)內(nèi)外已建防滲墻的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)采用塑性混凝土作為墻體材料，這種材料具有抗?jié)B性能好、變形模量低、極限應(yīng)變值大、適應(yīng)變形能力強(qiáng)等特點(diǎn)。塑性混凝土防滲墻的設(shè)計(jì)指標(biāo)為：28d彈性模量為800～1000MPa，抗壓強(qiáng)度≥2.5MPa，滲透系數(shù)<(1～9)×10-8cm/s。

4.3 帷幕灌漿設(shè)計(jì)

根據(jù)壩址區(qū)地質(zhì)資料，壩基基巖強(qiáng)—弱風(fēng)化帶的透水率不滿足水庫(kù)蓄水要求，需對(duì)透水性基巖采取防滲處理措施。SL 274—2001第6.3.4條規(guī)定：“土質(zhì)防滲體壩，當(dāng)其基巖透水性較大時(shí)，應(yīng)做帷幕灌漿”，設(shè)計(jì)對(duì)防滲墻下透水性大的巖石進(jìn)行帷幕灌漿是必要的。根據(jù)地質(zhì)資料，基巖裂隙寬1～3mm，基巖內(nèi)地下水流速為10～20m/d。SL274—2001第6.3.5條規(guī)定：“基巖裂隙寬度大于0.15～0.25mm，應(yīng)采用水泥灌漿；受灌區(qū)的地下水流速不大于600m/d時(shí)，可采用水泥灌漿”。因此，采用水泥進(jìn)行帷幕灌漿是可行的。

帷幕灌漿設(shè)計(jì)為單排，孔距為2m，深入相對(duì)不透水層(基巖透水率≤5Lu)為5m，灌后基巖的透水率≤5Lu。以水泥灌漿為主，為確保灌漿質(zhì)量，要求使用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，細(xì)度要求通過(guò)80μm方孔篩的篩余量不大于5%。采用自上而下分段灌漿法，每段灌漿長(zhǎng)度為5～6m。壩基設(shè)計(jì)控制最大灌漿壓力不超過(guò)0.6MPa，最終在灌漿施工過(guò)程中調(diào)整確定。采用機(jī)械灌漿法封孔。

帷幕灌漿屬地下隱蔽工程，按照SL 62—94《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》要求施工。灌漿質(zhì)量對(duì)防滲效果影響很大，需對(duì)灌漿質(zhì)量進(jìn)行檢查，質(zhì)量檢查以檢查孔壓水試驗(yàn)成果為主，檢查孔數(shù)量為灌漿孔總數(shù)的10%，每10個(gè)灌漿孔布設(shè)1檢查孔，灌后基巖的透水率≤5Lu算作合格，不合格時(shí)應(yīng)補(bǔ)灌到合格。

4.4 大壩右端上游河床防滲處理

大壩右端無(wú)壩肩，末端上游盡管地面高于壩頂，但基巖面及地下水水位均低于水庫(kù)正常蓄水位，大壩右端上游河床存在庫(kù)水滲漏通道。該段河床覆蓋層厚14～23m，設(shè)計(jì)采用壩基混凝土防滲墻向上游河床延伸防止庫(kù)水外滲，基礎(chǔ)防滲處理范圍應(yīng)逆上游抵達(dá)地下水位變幅最低時(shí)的高程高于水庫(kù)正常蓄水位為止，確定基礎(chǔ)防滲處理范圍終點(diǎn)樁號(hào)為3+460?；炷练罎B墻厚0.6m，穿過(guò)基巖強(qiáng)風(fēng)化層，深入基巖中等風(fēng)化層2.0m，墻頂高程為1710.2m。防滲墻設(shè)計(jì)同“壩基處理”，不再贅述。考慮到該段地面以上已無(wú)水頭壓力，防滲墻上下游地下水水位差較小的因素，不進(jìn)行帷幕灌漿處理。

4.5 左壩肩處理

左壩肩山脊線高程為1732m，高出壩頂20m左右，岸坡平均地形坡度為20°，基本上順著沖溝清基筑壩作為壩肩，溝寬10～20m，深3～5m，大部分溝底與溝兩岸基巖出露，自然邊坡穩(wěn)定。在壩體輪廓線內(nèi)，無(wú)斷層存在，巖體完整性較好，基巖強(qiáng)—微風(fēng)化帶存在繞壩滲漏問(wèn)題，需對(duì)壩肩采取帷幕灌漿的防滲處理措施。左壩肩下游側(cè)邊坡高陡，現(xiàn)狀存在一處規(guī)模較大的滑塌體，該滑塌體影響后壩體施工與后壩腳運(yùn)行安全，施工時(shí)對(duì)影響到的區(qū)域應(yīng)進(jìn)行徹底清除。

5 結(jié)語(yǔ)

紅山灣水庫(kù)工程于2014年12月開(kāi)工，2016年6月主體工程建設(shè)任務(wù)全部完成。2016年9月委托長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司對(duì)紅山灣水庫(kù)進(jìn)行蓄水安全鑒定，大壩壩基混凝土防滲墻施工質(zhì)量符合設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)范的要求，大壩運(yùn)行穩(wěn)定安全。2017年7月，紅山灣水庫(kù)順利通過(guò)甘肅省水利廳、省發(fā)展和改革委員會(huì)組織的下閘蓄水驗(yàn)收，投入試運(yùn)行。紅山灣水庫(kù)大壩基礎(chǔ)處理采用混凝土防滲墻防滲體的成功實(shí)施，徹底解決了紅山灣水庫(kù)大壩深覆蓋層、長(zhǎng)壩段壩基處理的難題，為河西內(nèi)流河地區(qū)深覆蓋層、長(zhǎng)壩段水庫(kù)工程防滲體設(shè)計(jì)方案的確定起到很好的借鑒和示范作用。