希尼爾水庫(kù)壩基基巖滲透性分析

李戰(zhàn)國(guó)，沈紀(jì)安,夏衛(wèi)華，周海鷹,徐勁松

(1.新疆昌吉方匯水電設(shè)計(jì)有限公司，新疆 昌吉 831100；2.新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

0 引 言

滲透系數(shù)對(duì)于水利工程勘察設(shè)計(jì)是一項(xiàng)重要的參數(shù)指標(biāo)，特別對(duì)水庫(kù)工程壩基防滲處理尤為重要，滲透系數(shù)大小直接影響工程設(shè)計(jì)方案、防滲深度、施工處理效果及工程投資等。

滲透系數(shù)指標(biāo)與地層形成地質(zhì)時(shí)代、成因、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及巖土體節(jié)理、裂隙發(fā)育等因素均有直接關(guān)系，因此滲透系數(shù)取值應(yīng)緊密結(jié)合場(chǎng)區(qū)工程地質(zhì)條件，采用多種方法進(jìn)行綜合對(duì)比分析確定。文章以新疆塔里木河流域希尼爾水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程壩基防滲為例，重點(diǎn)闡述水庫(kù)壩基巖體滲透性問(wèn)題。

1 工程概況

希尼爾水庫(kù)位于新疆巴音郭楞蒙古自治州開(kāi)孔河流域(開(kāi)都河-孔雀河)孔雀河中部的庫(kù)爾勒市境內(nèi)，庫(kù)區(qū)處于孔雀河中部洼地內(nèi)，是為下游灌溉用水和向塔里木河下游供給生態(tài)水的注入式反調(diào)節(jié)平原水庫(kù)。

水庫(kù)工程由西副壩(樁號(hào)0+000-2+436)、主壩(樁號(hào)2+436-7+100)、東副壩(樁號(hào)7+100-7+650)、引水建筑物、放水建筑物及分水建筑物組成，壩線長(zhǎng)7650m，壩頂高程916.5m，最大壩高20.0m，壩型為復(fù)合土工膜防滲砂礫石壩，設(shè)計(jì)總庫(kù)容9800萬(wàn)m3。

希尼爾水庫(kù)自2005年下閘蓄水，在蓄水運(yùn)行中存在西副壩及主壩壩基滲漏等問(wèn)題。其中以主壩樁號(hào)(3+900-7+000)壩段壩基滲漏量較大，下游壩腳排水溝內(nèi)積水嚴(yán)重，正常蓄水位工況下壩后滲透壓力大，下游壩坡逸出點(diǎn)高，下游壩坡及壩腳附近滲透穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求。因此需對(duì)滲漏段壩基進(jìn)行防滲處理。

2 水庫(kù)工程地質(zhì)條件簡(jiǎn)述

2.1 地質(zhì)構(gòu)造

工程場(chǎng)區(qū)在地質(zhì)構(gòu)造上處于塔里木地臺(tái)北部塔北隆起東段的孔雀河斜坡部分，介于北部的庫(kù)魯克塔格隆起(庫(kù)魯克塔格斷褶帶)和南部的塔中凹陷之間。根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》GB18306-2015確定：工程場(chǎng)區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.20g，對(duì)應(yīng)地震基本烈度為Ⅷ度，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較差。

2.2 庫(kù)區(qū)地形地貌

庫(kù)區(qū)在地貌上位于庫(kù)魯克塔格山前剝蝕平原地帶的洼地內(nèi)。洼地南北長(zhǎng)6.5-8.0km，東西寬3.0-4.5km，地勢(shì)北高南低，地面高程901.0-921.0m。庫(kù)區(qū)東、西兩岸為新近系地層組成的平臺(tái)，地面高程906.0-921.0m，高出庫(kù)盤(pán)5.0-8.0m，為東、西副壩段；庫(kù)盤(pán)南側(cè)主要處于洼地中，地形平坦，為主壩段。

圖1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造圖

圖2 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造綱要圖

2.3 壩基地層巖性

水庫(kù)壩基上部為第四系沖洪積砂土、粉土及砂礫石層，其下為新近系泥巖、砂巖互層局部夾砂礫巖。該套地層呈互層狀分布，巖層呈水平狀，強(qiáng)度低，屬極軟巖。

1) 西副壩：上部巖性為第四系沖洪積中粗砂，層厚1.0-4.0m，滲透系數(shù)為2.3-6.5×10-3cm/s，為中等透水層；下伏地層巖性以新近系砂巖為主夾泥巖(局部夾薄層礫巖透鏡體)，強(qiáng)風(fēng)化層厚5.0-8.0m，其中砂巖膠結(jié)與成巖差，易風(fēng)化，遇水后結(jié)構(gòu)疏松呈散體狀。

圖3 水庫(kù)庫(kù)區(qū)地形地貌

2)主壩：壩基上部為第四系沖洪積中粗砂夾砂礫石及局部低液限粉土，層厚在1.3m-4.2m之間，滲透系數(shù)2.5×10-3-3.3×10-4cm/s，具有中等透水性；下伏地層巖性為新近系砂巖、泥巖，多呈互層狀。

3)東副壩：東副壩處于天然臺(tái)地之上，表層為砂礫石層，層厚0.3-0.6m，滲透系數(shù)>1.0×10-2cm/s，具有強(qiáng)透水性，下伏地層巖性主要以泥巖為主夾砂巖、礫巖。

表1 壩基巖體物理力學(xué)參數(shù)表

3 壩基巖體滲透性分析

如前所述，水庫(kù)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，層位不連續(xù)，層厚差異較大；東副壩基巖性以泥巖為主，局部夾薄層砂巖、礫巖層。為查明水庫(kù)壩基基巖滲透性，勘察過(guò)程中采用3種方法對(duì)巖體進(jìn)行滲透試驗(yàn)，①對(duì)各巖體進(jìn)行野外注水試驗(yàn)；②對(duì)泥巖、砂巖采取原狀樣進(jìn)行室內(nèi)滲透試驗(yàn)；③鉆孔壓水試驗(yàn)；現(xiàn)分述如下：

3.1 野外注水試驗(yàn)：

結(jié)合水庫(kù)壩址區(qū)地下水埋深(0.0-6.0m)及基巖出露條件，野外試驗(yàn)采用單環(huán)注水試驗(yàn)(試驗(yàn)深度1.0-5.0m)，共進(jìn)行試驗(yàn)28組，其中泥巖10組，砂巖13組，礫巖5組，各巖體滲透系數(shù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

圖4 壩基典型地質(zhì)剖面圖

表2 野外單環(huán)注水試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表

由注水試驗(yàn)可知，強(qiáng)風(fēng)化泥巖滲透系數(shù)在3.47×10-6-9.72×10-5cm/s(相應(yīng)透水率在0.35-9.8Lu)，透水性弱；強(qiáng)風(fēng)化砂巖及礫巖滲透系數(shù)多在10-2-10-3cm/s，具有中-強(qiáng)透水性。

3.2 室內(nèi)滲透試驗(yàn)

對(duì)于泥巖、砂巖采用鉆孔在不同深度范圍采取巖芯，進(jìn)行室內(nèi)滲透試驗(yàn)，共進(jìn)行室內(nèi)滲透試驗(yàn)35組，其中泥巖試驗(yàn)20組、砂巖15組，巖體滲透系數(shù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 室內(nèi)滲透試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表

由室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果可知，泥巖滲透系數(shù)在4.97×10-5-2.8×10-6cm/s，透水性弱，與野外單環(huán)注水試驗(yàn)結(jié)果基本相同；砂巖室內(nèi)試驗(yàn)滲透系數(shù)在5.44×10-3-2.55×10-4cm/s，較野外單環(huán)注水試驗(yàn)結(jié)果略小，總體趨勢(shì)表現(xiàn)為砂巖埋深越深其滲透系數(shù)變小。

3.3 綜合巖體壓水試驗(yàn)

壓水試驗(yàn)自基巖出露高程開(kāi)始至孔底(最大深度32.0m)，采用自上而下進(jìn)行，每段試驗(yàn)長(zhǎng)度為3-5m，相鄰試驗(yàn)段相互銜接，試驗(yàn)開(kāi)始前采用壓水法進(jìn)行洗孔，試驗(yàn)壓力根據(jù)水庫(kù)水頭壓力及壩基出露地層巖性確定，壓力為0.3-0.5Mpa，止水栓塞長(zhǎng)度不小于8倍鉆孔直徑，采用水壓式栓塞。

圖5 鉆孔基巖巖芯

希尼爾水庫(kù)布設(shè)勘探鉆孔136眼，總進(jìn)尺2926m，完成壓水試驗(yàn)共計(jì)480段，依據(jù)壓水試驗(yàn)結(jié)果，壩基巖體透水率情況分述如下。

1)西副壩(0+000-2+436)：自基巖面13.3-15.1m以上砂巖透水率一般大于5Lu，最大為27.8Lu，具有中等透水性，13.3-15.1m以下透水率均小于5Lu，透水性弱。

2)主壩段(2+436-7+100)：

①樁號(hào)(2+436-2+855)段基巖透水率變化較大，透水率總體趨勢(shì)為12.0-18.0m以上基巖透水率較大，在10-67.7lu之間，具有中等透水性，12.0-18.0m在以下基巖透水率多小于5.0lu，透水率最小為0.05lu，具有微-弱透水性。

②樁號(hào)(2+855-3+900)段：10.0-13.0m以上基巖透水率在21.5-35lu之間，具有中透水性，以下基巖透水率0.15-3.5lu，具有微-弱透水性。

③樁號(hào)(3+900-4+200)段：10.0m以上基巖透水率在11-15.5lu之間，以下基巖透水率0.2-4.15lu，具有微-弱透水性。

④樁號(hào)(4+200-4+500)段：10.0-15.0m以上基巖透水率多在7.6-14.0lu之間，具有中等透水性，以下基巖透水率0.2-4.1lu，具有微-弱透水性。

⑤樁號(hào)(4+500-5+100)段：10.0-19.0m以上基巖透水率多在6.1-90.0lu之間，具有中等透水性，以下基巖透水率0.9-4.65lu，具有微-弱透水性。

⑥樁號(hào)(5+100-5+590)段：10.0-15.0m以上基巖透水率多在5.6-17.5lu之間，以下基巖透水率0.8-4.6lu，具有微-弱透水性。

⑦樁號(hào)(5+950-7+100)段：8.0-11.0m以上基巖透水率多大于5.0lu，具有中等透水性，以下基巖透水率0.1-4.5lu，具有微-弱透水性。

3)東副壩(7+100-7+650)：自基巖面4.5-5.0m以下透水率為 0.28-0.38Lu，透水性甚微。

圖6 鉆孔壓水試驗(yàn)

上述3種試驗(yàn)方法確定壩基基巖滲透性技術(shù)成熟，均為常用的試驗(yàn)方法，具有一定的可行性及可信度，但也存在一定的局限性；其中單環(huán)注水試驗(yàn)為野外試驗(yàn)，能較真實(shí)的反映巖體邊界條件，試驗(yàn)結(jié)果更接近實(shí)際情況，但試驗(yàn)深度具有一定的局限性，一般適用于淺層，地下水位以上地層，因此試驗(yàn)深度多處于風(fēng)化基巖層中，滲透性只能反映試驗(yàn)深度內(nèi)巖土體透水性大小；室內(nèi)滲透試驗(yàn)，操作簡(jiǎn)便，不受外界環(huán)境影響，試驗(yàn)深度不受限制，但試驗(yàn)對(duì)象多為單一巖土體，不能全面反映實(shí)際地層透水性情況；鉆孔壓水試驗(yàn)?zāi)苋妗⒄鎸?shí)反映壩基巖體綜合透水性情況，與實(shí)際情況最為相符，多用于確定基巖透水率，對(duì)于較為破碎巖體封孔止水較為困難，試驗(yàn)所投入的設(shè)備及人員較多，成本較大。

根據(jù)不同試驗(yàn)方法，對(duì)希尼爾水庫(kù)壩基基巖滲透性總體分析：對(duì)于泥巖層無(wú)論處于風(fēng)化層內(nèi)還是新鮮基巖層中，其滲透性均較小，一般在10-5-10-6cm/s之間；對(duì)于砂巖、礫巖表現(xiàn)為上部(中-強(qiáng)風(fēng)化層)巖體透水率較大，但隨深度的增大，巖體滲透性也相應(yīng)較小。

4 結(jié) 語(yǔ)

希尼爾水庫(kù)壩基基巖巖性為新近系泥巖、砂巖及礫巖，屬極軟巖，巖層分布不連續(xù)，無(wú)相對(duì)穩(wěn)定的泥巖層(隔水層)，層厚變化大，且各巖體透水性差異較大，為查明巖體滲透性，勘察過(guò)程中采用單環(huán)注水試驗(yàn)、室內(nèi)滲透試驗(yàn)及鉆孔壓水試驗(yàn)確定壩基巖體滲透性，各種試驗(yàn)方法技術(shù)均成熟可靠，均能判定巖體滲透性，試驗(yàn)過(guò)程對(duì)巖體透水性數(shù)據(jù)也可起到相互驗(yàn)證的作用。