平原水庫飽和黏性土地基筑壩關鍵技術

李文新，石 嵚，李衛(wèi)鵬，王繼堯

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

庫木蘇水庫工程位于新疆哈密地區(qū)巴里坤縣境內，工程距巴里坤縣城253km，距烏魯木齊市516km，交通條件良好。水庫位于STH調水工程輸水線路末端，承擔著天山東部礦區(qū)受水區(qū)調節(jié)配水及事故檢修備用作用。水庫正常蓄水位685.000m，總庫容2700萬m3。本工程主要建筑物為二級建筑物。

庫木蘇水庫為注入式平原水庫，水庫四面圍壩而成，壩軸線處尺寸南北方向長1820m，東西寬1650m，壩軸線總長6081.6m。水庫由擋水大壩、入庫建筑物、供水兼退水建筑物等組成。

土工膜斜墻壩壩頂高程689.00m，最大壩高18m。壩頂寬8～10m，設有2.2m高“L”型鋼筋砼防浪墻，上游壩坡為1∶2.5，下游壩坡為1∶2.0，上下游反壓平臺頂寬30m，平臺坡度為1∶3。下游反壓平臺兼做庫區(qū)開挖清基料棄渣場。北壩段和南壩段各布置一條上壩道路，東壩段布置兩條上壩道路。入庫建筑物由水庫西壩段進入庫內。供水兼退水建筑物布置在東壩段，由岸塔式供水兼退水雙孔閘井、城門洞形雙孔壩下埋涵、流量計閥井、消力池和退水明渠組成。其中供水埋涵內置壓力鋼管，接入流量計閥井承擔供水任務。退水明渠總長3156m，水庫事故檢修時將庫水退至洼地東部最低處。

2 關鍵技術問題

庫木蘇水庫位于庫木蘇洼地西側洪積扇前沿，地形開闊，地勢西高東低。庫盤內覆蓋層巨厚，巖性主要為第四系全新統(tǒng)-上更新統(tǒng)洪積含土角礫和低液限黏土，夾中-粉細砂和粉土層。含土角礫和低液限黏土在庫盤內分布不均一，其中含土角礫主要分布于西庫盤，低液限黏土廣泛分布于東庫盤。

西壩段壩高較低，含土角礫工程性質穩(wěn)定，抗剪強度較高，作為土石壩基礎僅存在防滲問題，不存在整體穩(wěn)定和變形問題。東壩段是高壩部分，供水兼退水建筑物位于該壩段，地基巖性主要為低液限黏土，地下水位較高，作為工程重點研究的部位。 水庫庫盤在30m深度內未形成連續(xù)、穩(wěn)定的天然防滲層，水庫蓄水后庫盤存在著永久滲漏和腐蝕性地下水污染問題需進行防滲處理，本工程采取了全庫盤土工膜防滲方式。從20世紀50年代開始土工膜廣泛應用于渠道和土石壩的防滲中，一些工程在運行過程中存在滲漏、氣脹、浮膜現象。本工程鋪膜面積達到281萬m2，對土工膜膜下氣場進行分析研究，做好排水排氣工程措施是非常必要的。

本工程設計階段開展了飽和黏性土地基物理力學性能試驗研究、大壩邊坡穩(wěn)定及基礎處理、供水兼退水建筑物基礎處理、供水兼退水涵洞底坡設計以及庫區(qū)復合土工膜膜下排水排氣等技術問題的研究分析工作。

3 飽和黏性土地基物理力學性能試驗研究

水庫飽和黏性土地基壩段長約3.4km，沿壩線地形平緩，地面高程672.0～674.5m。在樁號壩2+840處布置供水兼退水涵洞。根據鉆孔和探坑揭露，80m深度范圍內的巖性可分為四大層：第①層主要為第四系全新統(tǒng)洪積、風積作用形成的粉土。層厚1.5～2.8m，結構松散～中密。第②層主要為洪積低液限黏土，局部夾薄層粉土透鏡體，總厚度18.5～25m，呈流塑至硬可塑狀。第③層為洪積粉細砂，層厚1.6～4m，結構中密～密實，其頂面埋深21～27m。第④層為洪積低液限黏土，厚度未揭穿，其物理力學性質與第②層基本相同。

本工程設計及實施階段進行了大量的室內、現場試驗研究工作。室內試驗項目包括顆分、天然密度、含水率、塑限、液限、滲透、標準固結試驗、直剪試驗、三軸壓縮試驗等；現場試驗項目包括標準貫入試驗、靜力觸探、十字板剪切試驗、旁壓試驗、現場抽水試驗。

顆分試驗結果低液限黏土黏粒平均含量約37.1%，塑性指數為6.0～18.5，液性指數0.37～1.7；物理力學試驗結果天然干密度為1.43～1.61g/cm3，天然含水率13.3～26.2%；標準固結試驗初始空隙比0.522～1.189，壓縮系數av1～3=0.260～0.755MPa-1，壓縮模量Es1～3=2.52～6.23MPa，屬中等～高壓縮性土；直剪強度C=14.1～16.7kPa，φ=19.0°～22.5°；三軸壓縮試驗總強度指標Ccu=13.7～68.6kPa，φcu=19.8°～27.4°，有效強度指標Cd=4.7～70kPa，φd=20.1～30°。

地基土試驗室原狀樣滲透系數3.9×10-6～1.4×10-8cm/s，現場抽水試驗滲透系數2.57×10-4～6.52×10-5cm/s。

標準貫入試驗結果14～32擊；靜力觸探試驗側阻力fs最大值220.1kPa，最小值14.0 kPa，端阻力qc最大值9.29MPa，最小值0.67MPa；十字板剪切試驗原狀土樣最大值276.1kPa，最小值50.1 kPa，重塑樣最大值84.8kPa，最小值15.1 kPa，靈敏度2.06～6.13。旁壓試驗旁壓模量Em為3.74～20.8MPa，變形模量E0為14.1～48.6MPa。

4 大壩邊坡穩(wěn)定及基礎處理

軟土地基是指淤泥、淤泥質土、沖填土、雜填土及高壓縮性土。一般具有含水量較高，孔隙比較大、抗剪強度很低、壓縮性較高、滲透性很小、具有明顯的結構性和流變性等工程特性。參考已建軟土地基筑壩的工程實例，針對各工程地基土不同工程性質一般有采取振沖碎石樁、砂井預壓、分期施工、放緩壩坡、反壓平臺等方法。

對比軟土地基工程地基土的性質，本工程地基土主要問題有以下幾點：

(1)室內試驗滲透系數較小，筑壩施工期和滿蓄期壩基內有較高的超靜孔壓，地基未固結完成，大壩后期沉降較大。

(2)地層不均一，十字板剪切試驗和靜力觸探試驗結果表明在地下水位附近存在高孔隙比、低強度的欠固結黏土層，厚度1～1.7m。該土層不排水剪強度較低，施工期邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數不滿足規(guī)范要求。

(3)鉆孔、探坑取得試樣的三軸試驗K值(反映標準大氣壓的下的初始模量)較小，標準固結試驗壓縮系數較大。有限元應力應變計算最大沉降量1.58m；分層總和法計算總沉降量1.55m。

庫區(qū)低液限黏土層較厚，壩線較長。但不屬于典型的軟土地基范圍。大面積進行壩基振沖碎石樁、砂井預壓處理代價也相當高。因此設計考慮對供水兼退水涵洞壩段基礎進行重點處理。其他壩段采用分期施工、反壓平臺等方法。

壩址區(qū)覆蓋層巨厚，低液限黏土廣泛分布于東庫盤高壩段。庫區(qū)地下水位較高，低液限黏土不固結不排水剪強度較低，施工期大壩快速填筑可能造成壩體連帶地基黏土的整體滑坡，需要在黏性土地基壩段采取分期施工措施。計劃一期2019年填筑高程678m；二期2020年填筑高程684m；三期2021年填筑高程689m。

分期施工的本質相當于預壓法，初級荷載在滿足地基承載力前提下施加，歷時一年后，地基土排水固結引起抗剪強度增長，提高了地基承載力，再施加下一級荷載。每級荷載下地基的固結度和抗剪強度增長均需要較為準確的滲透系數和固結系數參數。表1是固結系數為4×10-2cm2/s及初始不排水剪強度為59.3kPa時通過預壓地基土強度提高計算結果。

表1 預壓地基土強度提高計算結果表

依據上述經分期施工提高的抗剪強度計算大壩邊坡穩(wěn)定，施工期安全系數仍然達不到規(guī)范要求。參考大壩竣工期位移矢量圖，大壩上游地基向庫區(qū)隆起的位移較大，反壓平臺的作用是增加潛在滑動體滑出段抗滑力，防止壩基軟土側向擠出而發(fā)生破壞，達到增加堤壩穩(wěn)定性的目的。因此設計在一般壩段采用反壓平臺+分期施工的方法。大壩上下游均設有頂寬30m、高6m的反壓平臺，上游反壓平臺采用水庫區(qū)開挖料填筑，下游反壓平臺采用清基棄料填筑。

5 供水兼退水建筑物基礎處理

5.1 供水兼退水建筑物結構

供水兼退水閘井為岸塔式鋼筋混凝土結構，閘井高21m，底面積12.6m×17m。供水兼退水閘后接壩下雙孔拱形鋼筋混凝土埋涵，埋涵供水孔口內尺寸(b×h)為4.50m×5.15m，埋涵供水孔口內布置壓力供水鋼管；埋涵退水孔口內尺寸(b×h)為3.50m×5.15m，退水埋涵采取無壓明流泄水方式。埋涵沿水流方向每節(jié)長度均為8m，共11節(jié)，總長度88m。

5.2 基底應力

供水兼退水建筑物地基巖性主要為低液限黏土，局部夾粉土和粉細砂層。根據試驗綜合分析，低液限黏土(局部透鏡體粉細砂)0～5范圍的允許承載力為100～120kPa。根據閘井、埋涵穩(wěn)定及基底應力計算成果：供水兼退水閘閘井最大基底應力為300.98kPa，壩下埋涵最大基底應力454.9kPa，各工況基底應力均大于修正后的地基承載能力，不滿足規(guī)范要求，需對閘井天然地基進行加固處理。

5.3 基礎處理方案

本工程設計階段選取了兩個基礎處理方案：方案一混凝土預制樁方案；方案二砂井預壓方案?？紤]到地基為低液限黏性土，承載能力不足表現在發(fā)生地基沉降量過大的問題，影響建筑物的正常使用。方案比選以地基處理后建筑物沉降量為控制性指標，在相同沉降量基礎上進行預制樁方案和砂井預壓方案的比較。

計算結果兩種方案均能有效降低壩基沉降量，混凝土預制樁方案較為經濟。但是混凝土預制樁方案存在一些問題難以解決：混凝土預制樁方案提高了地基承載力，閘井及埋涵施工初期沉降量不大。隨著閘井涵洞周圍大壩填筑和水庫蓄水運行，其大面積地面堆載造成地基沉陷對基樁產生很大的負摩阻力，造成保護樁全樁長產生負摩阻力變?yōu)橄吕奢d失去承載力?？梢灶A知預制樁方案初期沉降較小，水庫運行后期沉降較大。 砂井預壓方案在施工期即可完成附加應力較大的砂樁范圍內的固結沉降，并減少了砂樁以下土體的排水距離。

研究后決定供水兼退水閘井及壩下埋涵基礎處理采用砂井預壓+換填墊層方案，砂井采用正方形布置，砂井間距為3.0m，井徑為0.3m。砂井一般深度在泄水建筑物基礎范圍內打穿壩基深度25處的砂層，并向上下游和兩側壩段逐漸變小。砂井深度為25～9m，砂井總數1934根。砂井完成后對閘井和埋涵基礎進行開挖換填，開挖深度為6.3m。開挖邊坡壩軸線方向采用1∶10，上下游方向采用1∶4.0，開挖完成后依次鋪設0.3m厚的反濾層、3.5m厚的碎石墊層，碎石墊層內布設鋼塑復合加筋土工格柵。

預壓體一期填筑底面尺寸為：144m×140m(上下游方向尺寸×壩軸線方向尺寸)，填筑邊坡上下游方向采用1∶3.0，壩軸線方向采用1∶2.5。壓實標準同兩側壩體，壓實度采用P≥98%。二期、三期預壓體填筑邊坡均為1∶2.5，預壓體頂部平臺尺寸為44m×40m(上下游方向尺寸×壩軸線方向尺寸)。預壓體采用庫區(qū)含土角礫料分期填筑，一期填筑頂高程為678.000m，填筑高度6m，填筑時間為60d。二期填筑頂高程為684.000m，填筑高度6m，填筑時間為60d。三期填筑頂高程為692.000m，填筑高度8m，填筑時間為60d。預壓期結束后，先對預壓體在壩體輪廓線以外部分拆除修坡，拆除完成后進行閘井和埋涵基礎的V字型開挖工作，臨時開挖邊坡采用1∶1.5，供水兼退水建筑物混凝土澆筑結束后進行開挖范圍內壩體填筑工作。預壓體與大壩、泄水建筑物相關位置示意圖如圖1所示。

6 供水兼退水建筑物壩段沉降計算及涵洞縱坡設計

供水兼退水建筑物壩段的最終沉降量按照SL 274—2020《碾壓式土石壩設計規(guī)范》規(guī)定的分層總和法進行計算，地基計算深度為88m，施工期附加應力為預壓體自重，每段涵洞結構縫底板處為計算點。預壓體荷載及涵基計算點位置如圖2所示。考慮到本工程全庫盤土工膜防滲，水庫運行期附加應力為蓄水后的水壓力和壩體自重。大壩泄水建筑物預壓體引起的沉降量與總沉降量見表2第5、7行。

黏性土的沉降與時間有關，大壩地基固結度的計算采用改進的太沙基法和改進的高木俊介法進行各級荷載下的固結度計算。在計算壩基和涵洞基礎預壓后的地基固結度時，固結系數的選取合適與否對計算結果有很大的影響，而固結系數和天然地基的滲透系數密切相關。本工程水庫地基土滲透系數室內試驗值較小，現場抽水試驗值較大。結合室內固結實驗值和滲透系數推算值，選取固結系數為4×10-2cm2/s。

地基加載按照壩體實際填筑過程進行，涵基固結度計算按照未打穿砂井理論分為砂井處理層和砂井底部下臥層。在進行固結度計算時，豎井深度范圍內的處理區(qū)地基按豎井貫穿整個軟土層的方法計算，取豎井深度作為豎向排水距離；對于豎井以下的下臥層地基按單面排水的一維固結理論計算，并將豎井底面作為排水面。即砂井地基按三維固結計算，下臥層地基按一維固結計算。涵基各計算點在預壓結束時刻(990d)砂井深度范圍和下臥層平均固結度計算結果分別見表2第3、4行。

供水兼退水涵洞永久設計底坡為1/200。供水兼退水建筑物預壓后地基運行期沉降量計算的目的在于合理設計涵洞施工期縱向底坡，避免施工結束后隨著沉降的發(fā)展，涵洞縱向出現逆坡。供水兼退水建筑物地基采用砂井預壓處理后，將運行期各計算點的地基沉降量進行連線，然后以水平面為參考面對沉降值連線進行鏡像，依據沉降值連線鏡像線設計出的底坡，在運行期沉降結束后，涵洞縱向底坡將變?yōu)榱闫?。設計要求為1/200，因此需將沉降值連線鏡像線和設計底坡1/200引起的高差進行疊加，得到涵洞施工期縱向底坡計算值，見表2第9行。施工期設計底坡的實際取值最小為1∶200，其他依據計算值設計為由緩到陡類拋物線形狀，避免運行初期發(fā)生洞內水躍。

水庫東壩線地下水位埋深2.64m，為加速砂井施工期沉降，在預壓體上下游及中心點設有5個抽水井，預壓荷載施加時開始抽排至竣工。

本工程供水兼退水建筑物為座落于飽和黏性地基的穿壩建筑物，參考國內類似工程的經驗，涵洞采取短洞(8m分縫)、寬縫隙(3cm結構縫)、伸縮縫處涵洞地板下設置混凝土墊梁的工程措施，避免因地基不均勻沉降引起的結構破壞。

圖1 預壓體與大壩、泄水建筑物相關位置圖

圖2 預壓體荷載及涵基計算點位置圖

表2 砂井預壓后各計算點涵基沉降計算結果表

7 庫區(qū)復合土工膜膜下排水排氣

7.1 庫盤防滲設計

庫盤內覆蓋層巖性主要為第四系全新統(tǒng)～上更新統(tǒng)洪積含土角礫和低液限黏土，夾中-粉細砂和粉土層。含土角礫和低液限黏土在庫盤內分布不均一，其中含土角礫主要分布于西庫盤，低液限黏土廣泛分布于東庫盤。庫盤開挖后674.0m高程以下深水區(qū)防滲材料采用膜厚0.8mm復合土工膜(一布一膜+一布，布重200g/m2+300g/m2)，674.0m高程以上淺水區(qū)防滲材料采用膜厚0.6mm復合土工膜(布重200g/m2+200g/m2)。

庫木蘇水庫為平原水庫，部分庫容通過庫盤開挖獲得，對開挖完成后開挖面為含土角礫、含礫砂或含角礫土的區(qū)域進行換填黏土處理，深度為0.4m，對開挖面為黏土或粉土的區(qū)域需要清除植物根系處理，進行碾壓夯實處理后的整個庫盤形成低液限黏土和粉土層，作為土工膜的墊層。鋪完土工膜后，在膜上鋪設0.5m厚的黏土、粉土保護層，鋪設范圍同土工膜鋪設范圍。保護層上部為0.5m厚蓋重料，為水庫開挖料。

本工程設有6個地下水位長期觀測孔。根據開工前4個水文年連續(xù)觀測資料，庫區(qū)飽和黏性土地基地下水位變幅一般在30cm以內。根據庫木蘇水庫地下水等水位線資料，庫區(qū)地下水位最高處位于西南角，此處最大挖深8m，地下水埋深8.75m。水庫地下水埋深最淺處位于東壩段，地下水位埋深2.3～4.2m，此處最大挖深2m。其他部位開挖線位于地下水位線以上0.5～1.5m。

7.2 水庫庫盤膜下氣場數值分析成果

采用數值計算的方法，通過建立水庫大壩和地基的三維有限元模型，分析土工膜下氣場的變化規(guī)律，驗證膜上壓重覆土厚及排氣盲溝設計方案的合理性。計算工況有施工完建期工況、水庫正常運行工況、水庫水位驟降工況、土工膜存在缺陷工況。計算結果初次蓄水時、庫區(qū)水位驟降至死水位時以及土工膜缺陷滲漏時膜下氣壓值有可能大于膜上荷載，導致土工膜被頂起。設置排氣盲溝對于減小膜下氣壓，加快膜下氣壓的消散速度效果十分顯著，可大大降低土工膜發(fā)生氣脹的概率。

對可能發(fā)生氣脹的最不利工況計算設計盲溝間距下，排入盲溝的滲水量。采用等效結點流量法計算得到滲入盲溝的單寬滲水量為0.187m3/(h·m)。排水方向由西向東，總長度1820m，則全庫盤滲水量為340.34m3/h。

7.3 膜下排水排氣設計

庫盤排水排氣盲溝間距30～50m，盲溝為尺寸下底寬300mm、上底寬700mm、高400mm的中粗砂溝，內埋直徑150mm軟式透水管。庫區(qū)排水排氣盲溝總的趨勢為向南、向東排水，向西、向北排氣。

排氣通過壩體上游DN110PE管沿壩坡面穿過防浪墻至壩頂。

水庫東壩段地勢較低，壩高較大，地下水位高，地下水中氯離子對鋼材具有中等腐蝕性，水庫使用壽命為100年，壩下排水管只能采用防腐鋼管，沒有檢修條件，運行期存在一定風險。因此本工程設計的理念是排水管盡量不穿壩。

在庫底672.0m高程平臺下設有環(huán)向和5條東西向、1條南北向排水干管匯集滲水，靠近供水兼退水涵洞的3條干管與供水兼退水涵洞結合布置，匯入供水兼退水涵洞排入退水渠內。其余3根排水干管在大壩上游匯入集水井，采用抽水方式跨越壩頂排入大壩下游排水溝。

7.4 排水排氣管管材選擇

原設計排水排氣盲溝內為直徑150mm軟式透水管，排水干管管材為直徑200mm雙壁波紋管，大壩上游反壓平臺下排水干管管材為直徑200mm3PE鋼管。

水庫蓄水深度13m，土工膜上蓋重1m，在水庫不漏水的前提下軟式透水管與雙壁波紋管外壓力均為150kPa。按照JC 937—2004 《軟式透水管》和CECS 164—2004《埋地聚乙烯排水管管道工程技術規(guī)程》規(guī)定計算豎向變形均不滿足要求。

為了解管道在周圍土體約束條件下可能的超載能力，施工期在壩址區(qū)平整出25m×15m的場地布置了縱橫交錯的排水排氣盲溝，盲溝內按照設計要求埋設了Φ150mm軟式透水管、Φ200mm雙壁波紋管(設計要求環(huán)剛度SN8，實際供貨SN4)、連接三通、四通管件并在試驗場地管頂高程處預埋一振弦式土壓力計，盲溝回填砂料后鋪設0.6mm厚復合土工膜。按照CECS 164—2004中5.2.4條公式和施工現場已有的26t震動平碾和作用在管道上的地面堆載標準值，反算出盲溝頂覆土厚度30cm。

試驗結果26t振動平碾靜壓時，管頂最大土壓力176kPa，雙壁波紋管即發(fā)生壓曲、裂縫等現象；軟式透水管沒有損傷。為測試軟式透水管承載力，在打開最大激震力振動碾碾壓2遍、4遍后，挖開排水排氣盲溝檢查軟式透水管，軟式透水管仍然能夠維持加載前狀態(tài)，僅在振動碾起步、搓壓部位有破壞現象，表現在濾布內鋼絲失穩(wěn)，鋼絲聚乙烯防腐層與鋼絲分離，濾布毛糙等現象。

試驗結束后設計方將雙壁波紋管調整為壁厚16mmPE管，結構計算結果滿足規(guī)范要求。

8 結語

(1)平原水庫由于地質條件所限、壩高不大等因素常常座落于飽和黏性土地基上，我國東部沿海地區(qū)較為常見。地基土體存在地下水位埋深淺、含水率高、孔隙比大、抗剪強度低、壓縮性較高、滲透性小等工程特性，不經處理大壩可能發(fā)生連同壩基的滑坡破壞。同時入庫、供水、泄水建筑物存在承載力不足、沉降過大、穿壩涵洞運行期出現反坡等現象，嚴重影響了水庫的正常運行。新疆庫木蘇水庫總結了國內類似工程的經驗教訓，對地基土物理力學性能、固結沉降、壩體穩(wěn)定、涵洞縱坡設計等方面進行了深入的研究分析工作并將成果應用于工程設計，為水庫將來安全運行提供了保證。本工程于2018年11月開工建設，2020年完成了二期壩體填筑。填筑過程中設計方將會收集大壩沉降、滲壓力等監(jiān)測資料，用來驗證計算成果，反演計算參數，對大壩竣工后的預留沉陷超高、涵洞縱坡設計進行修正完善。

(2)全庫盤防滲的平原水庫初期蓄水、地下水位上升、水庫水位降落、土工膜缺陷滲漏時，膜下氣體聚集而無法迅速排出，形成較大孔隙壓力，當膜上荷重減小時，會產生氣漲或土工膜浮膜等現象。本工程外委科研院校進行了數學模型分析計算，揭示了膜下氣場發(fā)生的機理、膜下氣場的分布、發(fā)展規(guī)律及相關影響因素，為排水排氣設計提供了理論依據。設計過程中對排水排氣盲溝間距、排水排氣方式、管材等方面進行多方案經濟技術比較?？傊?，合理的膜下排水排氣設計對工程安全運行非常重要。