阿爾塔什深厚覆蓋層高面板堆石壩防滲體系布置及關(guān)鍵施工技術(shù)

張正勇 石永剛

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610000)

1 工程概況

阿爾塔什水利樞紐工程是南疆葉爾羌河干流山區(qū)下游河段的控制性水利樞紐工程，是葉爾羌河干流梯級規(guī)劃中“兩庫十四級”的第十一個(gè)梯級，在保證向塔里木河生態(tài)供水3.3億m3的前提下，工程承擔(dān)防洪、灌溉、發(fā)電等綜合利用任務(wù)。水庫總庫容22.49億m3，最大壩高164.8m，電站裝機(jī)容量755MW，為大(1)型Ⅰ等工程。樞紐擋水壩為混凝土面板砂礫石堆石壩，由于其具有高面板堆石壩、高陡邊坡、高地震烈度和深厚覆蓋層的“三高一深”的行業(yè)重難點(diǎn)，被譽(yù)為“新疆三峽”工程。

2 壩址區(qū)工程地質(zhì)

壩址區(qū)位于中山峽谷區(qū)，河谷走向NWW，呈不對稱“U”形，相對高差400～600m，現(xiàn)代河床寬260～450m，兩岸基巖裸露，右岸邊坡高陡，自然坡度55°～80°，局部近直立，最大坡高610m，左岸發(fā)育高17～20m、階面寬約134m的Ⅱ級基座階地，階地以上自然坡度35°～40°，最大坡高426m。壩址區(qū)主要出露地層有石炭系及第四系，基巖巖性主要有頁巖、灰?guī)r、泥晶灰?guī)r、白云巖、石英砂巖等。壩址右岸基巖裂隙水水位略高于河水位；左岸基巖裂隙水水位與河水位接近。據(jù)鉆孔壓水試驗(yàn)成果，壩址基巖透水率q≤10Lu的界線在兩岸埋深為基巖面以下14～90m，在河床段一般為18～58m；透水率q≤5Lu的界線埋深在兩岸為基巖面以下17～105m，局部達(dá)120.0m；在河床段埋深一般為基巖面以下7.0～70m；基巖透水率q≤3Lu的界線一般在基巖面以下40～120m；據(jù)ZK46鉆孔壓水試驗(yàn)，F(xiàn)9斷層帶透水率為10～20Lu。

壩址區(qū)物理地質(zhì)現(xiàn)象較為發(fā)育，壩址出露基巖主要為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、石英砂巖，抗壓強(qiáng)度42～97MPa，屬中硬—堅(jiān)硬巖，局部夾軟巖。主要有滑坡、不穩(wěn)定巖體、卸荷、風(fēng)化和微巖溶。壩址區(qū)各帶風(fēng)化深度見表1。

表1 壩址區(qū)巖體風(fēng)化深度(下限值)

壩址區(qū)河床覆蓋層最大厚度94m，總體劃分為兩大層。Ⅰ巖組：分布于現(xiàn)代河床覆蓋層上部，組成物以漂石、卵礫石為主，局部夾砂層透鏡體，天然干密度平均值為2.24g/cm3，相對密度平均值為0.85；Ⅱ巖組：分布于河床覆蓋層下部，組成物以砂礫石為主，具弱—微膠結(jié)現(xiàn)象，夾多層缺細(xì)粒充填的卵礫石層，局部夾雜塊石和孤石，厚度80～95m。河床砂卵礫石層中砂層厚度不大，一般0.3～0.5m，個(gè)別達(dá)2.0m，呈透鏡體狀(雞窩狀)分布，對壩基砂卵礫石的物理力學(xué)性質(zhì)影響不大。壩址區(qū)河床覆蓋層物理力學(xué)地質(zhì)建議值見表2。

表2 河床覆蓋層物理力學(xué)地質(zhì)參數(shù)建議值

左岸趾板基礎(chǔ)位于弱風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r與灰?guī)r層內(nèi)，巖體呈鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，邊坡整體穩(wěn)定。河床趾板、連接板段地基為沖積砂卵礫石層，結(jié)構(gòu)密實(shí)，無不良土層分布，覆蓋層最大深度94m，向兩側(cè)覆蓋層厚度逐漸減小，一般厚約20～76m，河床覆蓋層下部為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，微裂隙發(fā)育，透水率q≤5Lu界線埋深為基巖面以下10～60m。右岸趾板斜切高邊坡中下部，自然坡度50°～70°，沿線基巖裸露，為巨厚層白云質(zhì)灰?guī)r，灰?guī)r互層，巖體呈鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)。壩體范圍內(nèi)兩岸邊坡大部分基巖裸露，巖性以中厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r為主，局部夾輝綠巖脈，承載力及變形指標(biāo)可滿足當(dāng)?shù)夭牧蠅蔚幕A(chǔ)要求。壩殼兩岸基巖邊坡無大的不利結(jié)構(gòu)面組合，邊坡穩(wěn)定。

3 防滲體系布置

基于壩區(qū)地質(zhì)情況，結(jié)合工程擋水指標(biāo)，壩體防滲體系要能夠滿足變形和強(qiáng)度要求。阿爾塔什面板砂礫石堆石壩基礎(chǔ)采用“嵌入式防滲墻+固結(jié)、帷幕灌漿”結(jié)構(gòu)，壩體從上游向下游布置成“趾板、連接板+面板—墊層料區(qū)—過渡料區(qū)—砂礫石主堆石區(qū)—爆破料次堆石區(qū)”。基巖、基礎(chǔ)防滲、嵌入式防滲墻、趾板、連接板、面板和表止水共同構(gòu)成防滲體系的第一道完整擋水隔滲防線，而壩體作為主要擋水結(jié)構(gòu)物，為了實(shí)現(xiàn)擋水和壩體內(nèi)排水通暢的雙重功能，在壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行了合理分區(qū)布料，形成梯度滲透系統(tǒng)，以確保各層間不產(chǎn)生滲透破壞。壩料滲透系數(shù)從上游到下游為：墊層區(qū)(1×10-3～1×10-4cm/s)<過渡區(qū)(1×10-2～1×10-3cm/s)<砂礫石主堆石區(qū)(2.8×10-2～9.5×10-2cm/s)<爆破料次堆石區(qū)(1×10-0～1×10-1cm/s)。壩體防滲體系結(jié)構(gòu)詳見圖1～圖2。

圖1 趾板基礎(chǔ)處理縱剖面

圖2 壩體典型剖面

4 防滲體系關(guān)鍵技術(shù)

4.1 壩基建基面處理

河床段為覆蓋層地基，覆蓋層結(jié)構(gòu)總體上較均一，經(jīng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證其承載力可滿足大壩要求。建基面只清除表層的松散覆蓋層，清基深度為2m。壩體填筑前用重型振動碾碾壓密實(shí)，要求表層1m深度內(nèi)相對密度Dr≥0.9。

岸坡段為基巖地基，建基面只清除表層松散體；堆石體地基在趾板內(nèi)坡至壩軸線范圍內(nèi)的岸坡開挖成不陡于1∶0.5的坡度，若陡于1∶0.5時(shí)，設(shè)置變模區(qū)，確保堆石與岸坡接觸面變形均勻，變模區(qū)采用墊層料加少量水泥和水的碾壓干貧混凝土回填體，強(qiáng)度等級達(dá)到C3～C7。

4.2 防滲墻

4.2.1 防滲墻布置

在河床深覆蓋層段采用一道混凝土防滲墻防滲，防滲墻頂高程為1662.00m，主要截?cái)嗪硬壑械纳奥训[石的滲漏，墻底深入基巖內(nèi)0.5m，最大墻深94m，墻體寬1.2m，槽段長7.2m。防滲墻采用C30混凝土，混凝土抗?jié)B等級采用W12?；炷练罎B墻段墻下設(shè)1排帷幕灌漿，孔距2m，帷幕灌漿最大深度為墻下69m。由于上部變形較大，防滲墻上部10m采用鋼筋混凝土防滲墻。防滲墻鋼筋設(shè)置為雙層單向鋼筋，豎直方向的受力筋采用φ25，水平方向的分布筋采用φ16，間距為200mm。

4.2.2 防滲墻施工

針對砂卵礫石的地質(zhì)情況，防滲墻孔施工工藝主要采取“鉆劈法”，沖擊鉆機(jī)鉆孔成槽，為了避免塌孔現(xiàn)象，采用正電膠復(fù)合泥漿進(jìn)行泥漿固壁，具有攜帶巖屑率大、防露失效果明顯的特點(diǎn)，固壁效果較好。墻體連接部位采用“接頭管法”，能夠保證施工進(jìn)度，節(jié)約墻體材料，使接頭部位具有較大的鑲嵌強(qiáng)度，有利于墻體抗?jié)B。墻體混凝土連續(xù)澆筑，槽孔內(nèi)混凝土上升速度不得小于2m/h，并連續(xù)澆筑上升至墻頂高程不小于0.5m。

4.3 固結(jié)、帷幕灌漿

4.3.1 固結(jié)、帷幕灌漿布置

壩基固結(jié)灌漿包括左、右岸趾板基礎(chǔ)固結(jié)灌漿和河床段趾板和連接板基礎(chǔ)灌漿。左、右岸趾板為基巖灌漿，趾板設(shè)置固結(jié)灌漿孔，孔、排距為3m，灌漿深度為8m。河床段為砂礫石基礎(chǔ)固結(jié)灌漿，在河床趾板下游20m及河床段趾板和連接板范圍內(nèi)進(jìn)行固結(jié)灌漿加固處理，灌漿深度為10m，孔、排距3m，灌漿壓力控制在0.1～0.2MPa，經(jīng)灌漿后波速有明顯的提高，基本消除了縱波波速2200m/s以下的低波速段。

左、右岸壩基帷幕防滲深度按壩基透水率小于5Lu控制，左岸趾板下帷幕深度為52～85m，右岸趾板下帷幕深度為42～84m，雙排，帷幕孔的孔、排距2m。兩壩肩灌漿在壩頂高程處設(shè)置灌漿廊道，左壩肩廊道長15m，帷幕深度34～65m，右壩肩廊道長45m，帷幕深度30～43m，設(shè)置單排帷幕。

4.3.2 固結(jié)、帷幕灌漿施工

河床段砂礫石層固結(jié)灌漿孔采用XY-2地質(zhì)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)鉆進(jìn)，鉆孔深12m，上面2.0m為蓋重，固結(jié)灌漿采用孔口封閉、孔內(nèi)循環(huán)灌漿，接觸段段長為2.0m，其余段長為4.0m,配以灌漿自動記錄儀進(jìn)行。固結(jié)灌漿采用一泵灌注一孔，當(dāng)相互串漿時(shí)，采用群孔并聯(lián)灌注，但并聯(lián)孔數(shù)不多于2個(gè)，并控制灌漿壓力。

帷幕灌漿采用“孔口封閉”灌漿法，孔口管深入基巖2m。由兩排孔組成的帷幕，先進(jìn)行下游排孔的灌漿，然后進(jìn)行上游排孔的灌漿；灌漿嚴(yán)格按分序加密的原則進(jìn)行。每排按分序、分段施工。帷幕灌漿孔口段鉆孔孔徑為110mm，以下孔徑為76mm；灌漿壓力為0.3～0.5MPa，下部最大壓力采用2～2.5MPa。

4.4 趾板、連接板

4.4.1 趾板、連接板布置

趾板、連接板作為一種承上啟下的防滲結(jié)構(gòu)，其作用是通過設(shè)有止水的周邊縫將防滲墻與面板連為一體，形成壩基以上的防滲體，同時(shí)又與經(jīng)過灌漿處理后的建基面連接，封閉地面以下的滲漏通道，從而使上、下防滲結(jié)構(gòu)連為整體。除防滲作用外，還可作為基礎(chǔ)灌漿的蓋板和面板的基座。

大壩趾板設(shè)計(jì)總長度為1154.447m，其中422.433m為左岸邊坡趾板(趾0+000.000～趾0+386.207)，297.006m為河床段邊坡趾板(趾0+386.207～趾0+688.575)，435.118m為右岸邊坡趾板(趾0+688.575～趾1+082.288)。兩岸趾板寬度隨高程增加，依次為寬6m厚0.6m、寬8m厚0.8m和寬10m厚1.0m變化，河床部位采用3m+3m+4m寬的連接板和趾板形式，厚度為1.0m，均采用雙層雙向鋼筋，混凝土采用C30W12F300，遇趾板變厚度和過斷層處，設(shè)結(jié)構(gòu)縫。

4.4.2 趾板、連接板施工

趾板及連接板根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際地形條件、施工道路情況等，選擇混凝土入倉方式(反鏟入倉、溜槽入倉、泵送入倉)，并結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分段澆筑施工，澆筑模板采用鋼、木組合模板，止水及折角部位采用膠合板和木檁組合，岸坡趾板按照“先底部、后上部”的原則進(jìn)行分層連續(xù)澆筑；澆筑前，在基巖面進(jìn)行灑水濕潤，濕潤后立即澆筑。澆筑完畢后6～18h內(nèi)開始灑水養(yǎng)護(hù)，采用灑水覆蓋型養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)周期為澆筑后至大壩蓄水前。

4.5 混凝土面板

4.5.1 面板布置

混凝土面板位于大壩上游迎水面，頂部與壩頂防浪墻連接，混凝土面板頂高程為1821.8m，底部與趾板連接，底部最低高程為1662.4m；混凝土面板共78塊，其中：河床部位受壓區(qū)面板寬12m、共45塊，岸坡部位受拉區(qū)面板寬6m、共27塊，右岸端頭面板寬12m、共6塊；面板厚度按照T=0.4+0.0035H計(jì)算，混凝土采用C300F300W12混凝土，水泥采用普通硅酸鹽水泥。面板鋼筋布置采用雙層雙向鋼筋，鋼筋采用HRB400，鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度為100mm。

4.5.2 面板施工

面板混凝土采用無軌滑模跳倉連續(xù)澆筑施工?；挾葹?.5m，滑模長度分為14m、7m+7m組合、7m+3m組合三種形式，由滑模面板、操作平臺、抹面平臺、遮陽棚四部分結(jié)構(gòu)組成，最大重量為7.182t。滑膜由卷揚(yáng)機(jī)提升，提升速度約為1.5m/h，以延長倉內(nèi)升溫時(shí)間，提高低溫時(shí)段混凝土澆筑質(zhì)量。經(jīng)過面板混凝土配合比試驗(yàn)，得出面板混凝土配合比情況(見表3)。

表3 面板混凝土配合比 單位：kg/m3

4.6 周邊縫及表止水

4.6.1 周邊縫及表止水布置

由于連接板受壩體、面板擠壓，其變形程度相對較大，特在河床連接板上布置了防滲補(bǔ)強(qiáng)土工膜。復(fù)合土工膜采用兩布一膜(400g/1mm/400g)，標(biāo)稱斷裂強(qiáng)度20kN/m，縱向斷裂強(qiáng)度大于20kN/m，耐靜水壓力1.8MPa。復(fù)合土工膜鋪設(shè)范圍為：左岸超出連接板1m，右岸超出連接板4.32m，設(shè)計(jì)鋪設(shè)長度303.58m。

周邊縫及垂直縫均采用底部設(shè)置銅止水(“W”“F”型銅止水)、表層設(shè)置表面止水的處理措施。銅止水采用T2M型，銅帶材的抗拉強(qiáng)度應(yīng)不小于205MPa，延伸率大于30%，其化學(xué)成分和物理力學(xué)性能滿足GB/T 2059—2008的規(guī)定，焊接應(yīng)用黃銅焊條氣焊，銅止水異型接頭由廠家沖壓成型。面板垂直縫表面止水Ⅴ形槽深6cm，頂寬10cm，槽底放置PVC棒，Ⅴ形槽內(nèi)部及外側(cè)設(shè)置鼓包形狀GB柔性嵌縫材料，外包8mmGB復(fù)合三元乙丙蓋板。GB復(fù)合三元乙丙采用鍍鋅膨脹螺栓和不銹鋼扁鋼壓條固定。防滲體、連接板、趾板、面板接縫部位的防水結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 防滲墻、連接板、趾板、面板接縫

4.6.2 周邊縫及表止水施工

銅止水作為混凝土澆筑預(yù)埋件，在現(xiàn)場加工成型，并按要求鋪設(shè)。表止水按照“從下至上”的施工原則進(jìn)行，周邊縫縫面止水施工工序?yàn)椋夯A(chǔ)面處理→鋪設(shè)膠棒→涂刷SK底膠→刮涂GB找平密封膠→鋪裝波形橡膠止水帶→安裝扁鋼和螺栓→除塵→嵌填GB填料→鋪設(shè)GB蓋板→刮涂GB找平密封膠→安裝扁鋼和螺栓。其塑性填材以機(jī)械施工為主，由GB填料擠出機(jī)進(jìn)行成型擠壓，波紋橡膠止水帶異型接頭采用廠家一次硫化成型，現(xiàn)場連接時(shí)采用熱硫化焊接工藝進(jìn)行連接。

4.7 壩體填筑

大壩壩體由多種材料組成，由于各種壩料的性質(zhì)不同、使用設(shè)備差異造成壩料不等厚填筑。壩面平起施工是規(guī)定壩料施工工序的銜接，是從關(guān)鍵施工部位保證工序施工質(zhì)量的技術(shù)要求。墊層料、過渡料填筑卸料采用后退法，鋪料厚度40cm，液壓反鏟平料、SD32推土機(jī)平料，振動碾進(jìn)退錯(cuò)距碾壓，振動碾行走速度不大于2.0km/h，與壩軸線平行碾壓；砂礫料、堆石料填筑卸料以進(jìn)占法為主，局部采用后退法，鋪料厚度80cm，SD32推土機(jī)平料，32t振動碾進(jìn)退錯(cuò)距碾壓，各區(qū)料應(yīng)平齊上升。根據(jù)連續(xù)施工要求填筑臨時(shí)斷面，隨著填筑層的上升，形成臺階狀，平均坡不陡于1∶3。各料分區(qū)部位和同料接縫部位采用振動碾騎縫碾壓，以保證交接面的碾壓質(zhì)量。

5 結(jié) 語

根據(jù)深厚覆蓋層、“U”形河床基巖、鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)巖體等壩區(qū)內(nèi)地形地質(zhì)情況，采用固結(jié)、帷幕灌漿進(jìn)行基礎(chǔ)處理，布置嵌入式防滲墻封閉壩基擋水，河床部位設(shè)計(jì)連接、趾板形式，能夠適應(yīng)較大的位移變形，接縫處底部設(shè)置銅止水，表層設(shè)置表面止水，形成軟連接封閉系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)在深厚覆蓋層和高壩的復(fù)雜變形情況下防滲體系的有效性。經(jīng)過蓄水至1721m高程穩(wěn)定后，壩基、連接板、面板等監(jiān)測斷面，滲透壓力基本呈穩(wěn)定狀態(tài)，整體防滲可靠。