希尼爾水庫壩基地層特性及其防滲處理技術(shù)研究

翟福春，周海鷹，張 娜，夏衛(wèi)華，雷進東

(1.新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒 841000;2.新疆水利管理總站，新疆 烏魯木齊 830000; 3.新疆昌吉方匯水電設(shè)計有限公司，新疆 昌吉 831100)

1 工程概況

希尼爾水庫是一座以灌溉為主的注入式反調(diào)節(jié)的平原水庫。水庫大壩為砂礫石壩，壩頂寬度6 m，上游壩坡坡比1∶2.5，下游壩坡坡比1∶2。大壩壩長7.650 km，包括主壩4.664 km及副壩2.986 km，壩頂高程916.5 m。水庫總庫容9800萬m3，死庫容1000萬m3，正常蓄水位庫水面積16.67 km2，水庫引、放水建筑物設(shè)計流量分別為30 m3/s和45 m3/s。水庫建成于2005年，壩基防滲采取垂直防滲與水平防滲相組合的形式，主要防滲形式采用0.75 mm PE復(fù)合膜。水庫蓄水后，根據(jù)大壩監(jiān)測和調(diào)查，大部分壩基存在滲漏問題，部分壩段壩后排水溝內(nèi)出現(xiàn)管涌冒砂現(xiàn)象。因壩基滲水嚴(yán)重，水庫最大蓄水量僅為7000萬m3，常蓄水量不到4000萬m3。

對大壩壩基進一步工程地勘發(fā)現(xiàn)，大壩0+000～7+100壩段壩基防滲深度均在10.0～15.0 m 之間，透水率在10～30 Lu之間，防滲深度不夠，未達到現(xiàn)行規(guī)范要求5 Lu線，導(dǎo)致壩基滲水。分析其原因，一方面，壩基防滲施工時，垂直鋪塑及塑性混凝土防滲墻均在透水性較大的基巖中開挖成槽，然后埋入復(fù)合土工膜進行壩基防滲，地下基巖窄槽開挖至5 Lu線施工難度較大，防滲深度淺，不能滿足設(shè)計要求；另一方面，壩基防滲槽的開挖難度很大，為了在地下基巖中成槽，施工時使用了很多非常規(guī)的施工方法，甚至還采用了小藥量爆破，但部分壩段基巖的成槽效果未達到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)合希尼爾水庫壩基地質(zhì)條件和特性，采取適宜的防滲處理技術(shù)，對于確保水庫安全運行是十分重要的。

2 工程地質(zhì)特性及防滲處理深度

2.1 壩基工程地質(zhì)特性

希尼爾水庫位于庫魯克塔格山前剝蝕平原區(qū)，庫壩區(qū)出露地層主要為第四系沖洪積物和新近系沉積物，新近系地層為一套河湖相沉積的泥巖與砂巖類，并夾砂礫巖，該套地層呈互層狀分布，巖層呈水平狀。根據(jù)地質(zhì)勘探及土工試驗，水庫壩基主要工程地質(zhì)特性體現(xiàn)在以下三個方面。

(1)地層巖性變化及分布較復(fù)雜、巖體屬極軟巖。水庫壩基基巖巖性為新近系泥巖、砂巖及礫巖，其中西壩段壩基主要以砂巖為主，局部夾薄層泥巖、礫巖；主壩段以泥巖、砂巖互層為主，局部分布有礫巖，泥巖及砂巖出露高程變化較大，呈交互沉積，層位不連續(xù)，層厚差異大；東副壩基巖性以泥巖為主，局部夾薄層砂巖、礫巖層。

根據(jù)巖體試驗，壩基泥巖干燥狀態(tài)下抗壓強度在1.24～4.35 MPa，飽和狀態(tài)下抗壓強度在0.022～0.67 MPa；砂巖干燥狀態(tài)下抗壓強度在1.10～4.50 MPa，均屬極軟巖。

(2)基巖透水率變化較大，總體呈上大下小趨勢。依據(jù)鉆孔壓水試驗結(jié)果，壩基巖體透水率情況分述如下：

①西副壩(0+000-2+436)：15.10 m以上基巖面巖體為中等透水層，透水率通常超過5.00 Lu，最高達到27.80 Lu；15.10 m以下基巖面巖體為弱透水層，透水率小于5.00 Lu。

②主壩段(2+436-7+100)：16.20 m以上基巖面巖體為中或強透水層，透水率多超過5.00 Lu，最高達到96.88 Lu；16.20 m以下基巖面為弱透水層，透水率為0.17～4.80 Lu。

③東副壩(7+100-7+650)：5.00 m以下基巖面巖體為透水率為 0.28～0.38 Lu，透水性甚微。

(3)壩址區(qū)水文地質(zhì)條件較復(fù)雜。庫壩區(qū)地下水受地層巖性和構(gòu)造控制，主要可分為潛水和承壓水兩種類型，分述如下：

①潛水：主要賦存于第四系沖洪積砂土及新近系強風(fēng)化砂巖層中，第四系潛水主要出露于主壩段洼地一帶，地下水埋深較淺，一般埋深0.20～1.70 m，水位變幅0.30～1.20 m，局部低洼處溢出地表，且向下游排泄不暢通，造成主壩段洼地中出現(xiàn)嚴(yán)重鹽堿化和沼澤化現(xiàn)象。潛水主要接受側(cè)區(qū)東北部和北部高山區(qū)中的基巖裂隙水、孔雀河水及少量大氣降水滲入補給。新近系潛水主要分布在東、西副壩臺地一帶，地下水賦存于新近系砂巖中，無承壓性質(zhì)，地下水埋深6.23～14.25 m，水力坡降1‰～2‰，地下水由北東往南西方向緩緩運移。

②承壓水：壩址區(qū)承壓水主要分布于主壩段東西兩洼地內(nèi)(即樁號3+130-3+600；樁號3+900-7+100段)，承壓含水層分布于透水性較強的新近系砂礫巖層內(nèi)，而隔水層為新近系泥巖層。水庫建設(shè)前期地質(zhì)勘探時在主壩壩軸線及壩后共布設(shè)鉆孔28個，其中明顯揭露有承壓水的鉆孔有9個，承壓水最大水頭26.29 m，相應(yīng)水頭水位902.70 m。

由承壓水出露高程及分布特征分析，壩址區(qū)承壓含水層厚度有限，隔水層頂板泥巖厚度也不大(多在2.00～3.50 m之間)，加之補給源也有限，因此水頭不是很高，壓力不大，在地形較高處一般不會溢出地面，在低洼處才顯示一定壓力水頭。

從鉆孔揭露的承壓水水頭和埋深分析，壩址區(qū)承壓水可分為兩層，第一層埋深9.98～14.20 m(高程884.40 m)，該層承壓水涌水量和壓力均較小，分布范圍有限，僅在局部地段分布，且不連續(xù)，展開分布；第二層埋深在17.00～25.87 m(高程876.41 m)以下，承壓含水層連續(xù)性相對較好，泥巖隔水頂板較穩(wěn)定，雖然有些鉆孔在該高程以下未發(fā)現(xiàn)有承壓水現(xiàn)象，這主要是該層承壓水與埋深很淺的潛水混為一體，在各處所表現(xiàn)出壓力不大以及地形變化等所導(dǎo)致。經(jīng)分析，埋深17.00 m 以下承壓含水層在主壩線一帶至庫盤內(nèi)有較大面積的分布。在主壩線下游柳樹泉一帶發(fā)育F1斷層，該斷層為壓性特征，沿主斷面有0.50～2.00 m厚的泥巖構(gòu)造巖，起到一定的阻水作用，使壩址區(qū)和庫盤內(nèi)承壓水呈半封閉狀態(tài)賦存，但同時在斷層帶附近排泄(柳樹泉)。

該區(qū)承壓水主要接受孔雀河及北部基巖裂隙水補給，根據(jù)水質(zhì)檢測成果對比，承壓水水質(zhì)較好，礦化度比地表水及潛水均低，說明承壓水補給源為較遠淡水體，補給徑流途徑較長，埋藏較淺，水頭值有限。

2.2 壩基防滲深度

防滲深度根據(jù)鉆孔壓水試驗、地下水出露深度及水位變幅結(jié)合地層巖性(泥巖相對隔水層)分布情況綜合確定，其中，西副壩(0+000-2+436)段防滲處理深度為自基巖面始至以下15.10 m處，主壩段(2+436～7+100)防滲處理深度為自基巖面始至以下16.20 m(樁號6+800-7+100段防滲深度自基巖面始至以下7.50～8.00 m)。東副壩(7+100～7+650)段基巖透水率僅為 0.28～0.38 Lu，透水性很小，可不進行防滲處理。

根據(jù)出露地層巖性、巖體透水率等工程地質(zhì)條件，防滲加固措施可采用帷幕灌漿或液壓銑削攪拌水泥土防滲墻等方案，為確保施工質(zhì)量及防滲效果，無論采取何種防滲加固方案，施工前均需進行試驗段試驗，確定其適宜性，并沿防滲線布設(shè)先導(dǎo)孔，根據(jù)先導(dǎo)鉆探、壓水試驗5 Lu線，確定最終防滲深度及進一步查明防滲線沿線地層巖性分布情況。

3 壩基防滲試驗和技術(shù)方案比較

為保證水庫基礎(chǔ)防滲處理安全可靠，前期在庫區(qū)內(nèi)主壩軸線附近選擇較為平坦地段，進行了帷幕灌漿和銑削攪拌水泥土防滲墻試驗，比較兩者的施工工藝和防滲效果。

3.1 帷幕灌漿試驗

帷幕灌漿試驗區(qū)布置在主壩軸線上游側(cè)40 m處，同主壩軸線平行，軸線長36 m，分上、下游兩排，主、副帷幕孔間距1.5 m。副帷幕(上游排)共布置帷幕灌漿孔25個，其中Ⅰ序孔7個(含先導(dǎo)孔3個)、Ⅱ序孔6個、Ⅲ序孔12個，主帷幕(下游排)共布置帷幕灌漿孔24個，其中Ⅰ序孔6個、Ⅱ序孔6個、Ⅲ序孔12個。相應(yīng)布置檢查孔4個、壓水試驗孔2個、植物膠取芯孔2個。

按照主帷幕排前副帷幕排后的順序施工。在同一排內(nèi)，先施工Ⅰ序孔后施工Ⅱ序孔，再施工III序孔。帷幕灌漿采用“自上而下，孔口封閉，孔內(nèi)循環(huán)灌漿法”。 漿液材料為純水泥漿，水泥采用PO.42.5普通硅酸鹽水泥。帷幕灌漿試驗施工工藝順序為鉆孔、沖洗、壓水、灌漿、灌漿質(zhì)量檢查，灌漿后檢查孔采取自上而下分段鉆進，分段阻塞，分段壓水試驗，檢測灌后試區(qū)地層透水率，檢查孔要求采取巖芯。

對帷幕灌漿試驗段防滲墻進孔壓水試驗，主帷幕單位注灰量約43.11～385.43 kg。在灌漿過程中，試驗區(qū)呈現(xiàn)“吃水不吃漿”現(xiàn)象，即壓水試驗巖層透水率很大，但灌漿量很小，灌漿過程中變漿困難，多以稀漿灌注結(jié)束。巖芯取樣分析說明，試驗區(qū)巖芯內(nèi)水泥漿液量較少，部分巖芯未見水泥漿液擴散痕跡，灌漿后漿液影響范圍小，檢查孔的透水率大于5 Lu，試驗區(qū)帷幕灌漿的灌漿效果較差。

以上分析說明，帷幕灌漿防滲方案在該地層中雖起到了一定的效果，但未達到設(shè)計要求的防滲效果，帷幕灌漿施工工藝不適應(yīng)本工程地質(zhì)條件下的防滲處理。為保證希尼爾水庫防滲效果，根據(jù)試驗段施工情況，建議選用其他壩基防滲方案。

3.2 銑削攪拌水泥土防滲墻試驗

液壓銑削攪拌水泥土防滲墻工法(CSM工法)又稱雙輪銑深層攪拌技術(shù)[1]，具有成樁質(zhì)量好、施工場地靈活、環(huán)境影響小、施工周期短等優(yōu)點[2]，可以應(yīng)用到更為復(fù)雜的地質(zhì)條件中[3]，最大成墻深度55 m[4]。

希尼爾水庫除險加固基礎(chǔ)處理中，利用雙輪銑槽機設(shè)備開展了銑削攪拌水泥土防滲墻試驗。銑削攪拌水泥土防滲墻試驗布置在帷幕灌漿試驗區(qū)北側(cè)20 m處，同主壩軸線平行，防滲墻厚0.7 m，幅長2.8 m，搭接0.2 m。選取13%、15%和18%三種水泥摻量進行成墻施工試驗，結(jié)果見表1。

表1 銑削攪拌水泥土防滲墻試驗巖芯取樣抗壓強度和滲透系數(shù)試驗結(jié)果

從表1中水泥土試件和墻體芯樣抗壓強度及滲透系數(shù)試驗數(shù)據(jù)可以看出，隨著水泥摻量的增加試驗墻體滲透系數(shù)遞減規(guī)律明顯，在水泥摻量為15%的情況下墻體滿足以下設(shè)計指標(biāo)：(1)滲透系數(shù)均<10-5cm/s；(2)抗壓強度≥1.0 MPa。

銑削攪拌水泥土防滲墻方案施工速度快，施工質(zhì)量有保證，檢測指標(biāo)滿足設(shè)計要求，因此，該施工工藝適應(yīng)本工程地質(zhì)條件下的防滲處理。

3.3 壩基防滲技術(shù)方案比較

除了上述帷幕灌漿和銑削攪拌水泥土防滲墻外，復(fù)合土工膜也是常見的基礎(chǔ)防滲處理形式，由于復(fù)合土工膜具有抗撕裂、防滲漏、耐久度高以及延展性好等優(yōu)勢，逐步在水庫工程除險加固中得到了廣泛應(yīng)用[5]。

近年來，水泥土攪拌樁成墻技術(shù)在軟基處理、邊坡防護及水利水電工程滲水層處理中得到廣泛應(yīng)用。水泥土攪拌樁是用水泥或水泥漿作為膠凝材料，通過特制的施工機械在地基深處就地將松散土層與注入的水泥一起攪拌，經(jīng)物理化學(xué)反應(yīng)結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)性和一定強度的水泥土樁[6]。

本文選取復(fù)合土工膜、帷幕灌漿、銑削攪拌水泥土防滲墻和水泥土攪拌樁防滲墻四種形式，分別從壩基適應(yīng)性、施工難易程度、防滲處理效果等三個技術(shù)層面，對基礎(chǔ)處理進行比較，見表2。

表2 希尼爾水庫除險加固基礎(chǔ)處理措施比較

從表2可以看出，從壩基地層適應(yīng)性、施工難度和防滲效果綜合來看，希尼爾水庫除險加固采取銑削攪拌水泥土防滲墻和水泥土攪拌樁防滲墻處理技術(shù)均能滿足規(guī)范要求，但需要進一步進行經(jīng)濟合理性論證，最終選取施工簡易、防滲效果好、經(jīng)濟合理的基礎(chǔ)防滲處理方案。

4 結(jié) 論

(1)帷幕灌漿試驗表明，試驗區(qū)巖芯內(nèi)水泥漿液量較少，部分巖芯未見水泥漿液擴散痕跡，試驗區(qū)帷幕灌漿的效果較差。

(2)銑削攪拌水泥土防滲墻試驗表明，隨著水泥摻量的增加試驗墻體滲透系數(shù)遞減規(guī)律明顯，在水泥摻量為15%的情況下，墻體滿足設(shè)計指標(biāo)。

(3)從壩基地層適應(yīng)性、施工難度和防滲效果綜合來看，采取銑削攪拌水泥土防滲墻和水泥土攪拌樁防滲墻處理技術(shù)均能滿足規(guī)范要求，但需要進一步進行經(jīng)濟合理性論證。