希尼爾水庫大壩壩基處理設計

魏光輝,何玉春,王 勇

(新疆塔里木河流域希尼爾水庫管理局,新疆 庫爾勒 841000)

1 工程概述

希尼爾水庫位于新疆尉犁縣境內,是塔里木河流域近期綜合治理工程之一,地理坐標為86°13′～86°18′E,41°33′～41°38′N。水庫是從孔雀河第一分水樞紐引水,經庫塔干渠總干渠輸水的注入式大(2)型平原水庫。水庫以農業灌溉為主,兼顧下游生態輸水、水產養殖與旅游等功能。一期設計庫容為0.98×108m3,相應設計水位為913.6m,最大壩高20m,水面面積16.74km2,死庫容為0.1×108m3,死水位905.8m,相應水面面積5.9km2。

希尼爾水庫工程包括:主、副壩、引水閘、引水渠、放水閘、分水閘、放水渠及附屬設施等。壩體為土工膜斜墻防滲碾壓式土石壩,壩頂寬6m,壩長7 650m,上游壩坡1∶2.5,下游壩坡1∶2;壩體防滲采取斜鋪復合膜(兩布一膜)結構,其中膜厚0.75mm,無紡布規格為200g/m2;壩上游護坡設計為混凝土板(C30W8F300)護坡,混凝土板厚15～22cm。壩基防滲,根據地質情況的不同,分別采取PE塑膜、塑性混凝土防滲墻、水泥土攪拌樁防滲墻三種不同形式。

2 壩基地質條件

2.1 主壩段壩基地質條件

主壩段地形平坦開闊,主要為第三系小臺地和第四系洼地組成。第三系小臺地位于主壩2+436～3+300m和3+700～4+100m之間,地形有些起伏,地表20cm厚為第四系洪積及殘積砂礫石層,其下為第三系砂巖,砂礫巖及泥巖,強風化層厚4～8m,地下11m以上的砂巖透水率為9.26～16.93Lu,屬中等透水地層。在4.5～5.5m和11～16m之間有兩層泥巖不連續分布,屬弱透水地層。第四系洼地有兩段,分別位于3+300～3+700m和4+100～7+100m之間,地形平坦開闊,兩洼地上部多為第四系沖洪積亞砂土夾亞粘土,局部為風積砂,厚1.3～4.2m,結構疏松,其下均為第三系砂巖泥巖互層,該段強風化層厚5～8m,在西側洼地3+550～3+650m和東側洼地5+400～6+050m之間16m以上無泥巖分布,透水性較強,其它壩段在埋深5～15m之間均有不同層厚的泥巖,粉砂質泥巖,泥質粉砂巖分布,較密實,可作為相對隔水層。

主壩段地下水位較高,特別是在第四系洼地壩段,地下水位埋深一般在0.7～1.7m之間,局部溢出地表。另外,在14m深度以下有承壓水分布,特別是19m以下承壓水具有一定的水頭和壓力,防滲時不要破壞其隔水頂板,以免承壓水出露破壞壩基穩定。

2.2 副壩地質條件

(1)西副壩地質條件。西副壩主要為第三系地層構成的臺地。上部有0.5～2.0m厚的第四系洪積砂礫石,其下為第三系含礫中粗砂巖,中細砂巖,局部夾泥巖。強風化層厚4～6m,5m以上屬強透水帶,5～20m屬中等透水帶,無理想隔水底板。地下水埋深8.6～13.5m,由北向南水位逐漸降低,無承壓性質,屬第三系地層潛水。

(2)東副壩地質條件。東副壩位于第三系地層平臺上,地形平坦開闊,無任何植被。表部有0.4m左右厚的砂礫石,其下均為第三系泥巖夾砂巖,強風化層厚4～5m,在地面1～3m深度以下分布一層厚度較大(約3m)且連續較好的第三系泥巖層,透水性微弱或不透水,可作為相對不透水層。

該壩段地下水位埋深較大,一般都大于10m。

3 壩基清基設計

3.1 主壩壩基清基設計

3.1.1 原設計主壩壩基清基設計

主壩第三系臺地壩段,第三系砂巖、泥巖直接出露,表層沙巖、泥巖風化強烈,孔隙率較大,遇水后軟化,作為壩基不易壓實,而又易形成軟弱面,因此設計清除表層1～2m厚的第三系砂巖、泥巖,達到較為密實的砂巖泥巖層。

主壩第四系洼地壩段:地表為第四系沉積物覆蓋,下臥第三系砂巖、泥巖。第四系沉積物為第四系沖洪積亞砂土夾亞粘土,干容重低,孔隙比大(為0.52～1.67),較高壓縮系數,較低壓縮模量,屬中-高壓縮性土,同時該土層含鹽量較高,1m以上含鹽量為4.35%～19.42%,特別是表層0.2～0.3m,最高可達32.1%。但洼地壩段地下水位較高,清基施工較困難,考慮利用一部分第四系地層作為壩基,設計利用埋深在3m以下的第四系地層,因此設計清基為:第四系地層厚度小于3m的壩段設計全部清除第四系覆蓋層,大于3m的壩段設計清基深度3.0m。

3.1.2 優化設計后主壩壩基清基設計

主壩第三系臺地壩段,清基設計與原設計相同,第三系砂巖、泥巖直接出露,表層沙巖、泥巖風化強烈,孔隙率較大,遇水后軟化,作為壩基不易壓實,而又易形成軟弱面,因此設計清除表層1～2m厚的第三系砂巖、泥巖,達到較為密實的砂巖泥巖層。

主壩第四系洼地壩段,根據補充地質勘察結果,3m以下的第四系覆蓋層的亞砂土夾亞粘土,干容重也低,孔隙比大(為0.5～0.9),較高壓縮系數,較低壓縮模量,屬中-高壓縮性土,對大壩安全極為不利。因此設計全部清除第四系覆蓋層,清基深度在1.3～5.0m。

3.2 副壩壩基清基設計

副壩清基優化設計與原設計相同,西副壩主要為第三系臺地構成,其表層大部分為第四系洪積砂礫石層,厚度0.5～2.0m,其表層0.5m厚含鹽量較高,為3.17%；另外,局部壩段第三系砂巖、泥巖直接出露。表面風化強烈,呈散砂狀。因此,設計西副壩清基深度:第三系地層直接出露的壩段設計清基深度1～2m,第四系洪積砂礫石層覆蓋的壩段,設計清基深度1m。東副壩處于第三系平臺上,表層為第四系洪積砂礫石層,厚約0.4m,其下均為第三系泥巖夾砂巖,設計清除表層0.4m厚的砂礫石層,把第三系地層作為壩基。

4 壩基防滲設計

4.1 壩基防滲深度設計

根據壩基地質條件、實際施工的難易程度和補充地質勘察結果,優化壩基防滲深度方案,即垂直防滲與水平防滲相結合的防滲方案。優化設計方案和原設計方案的具體設計如下:

(1)原設計方案。對于主壩和東副壩,在地層16m以上有泥巖連續分布,并且泥巖層厚大于2m,這層泥巖的滲透系數為10-6cm/s,屬微弱透水性地層,能夠很好地起到隔水作用,把泥巖層作為相對不透水層,設計垂直防滲深度達到此層泥巖。在地層16m以上無泥巖分布的壩段,大致在5+400～6+125m壩段,防滲處理深度較難達到弱透水層。但又據鉆孔ZK43揭露,埋深16m以下的砂巖透水率在0.8Lu,而其上層砂巖透水率為10.34Lu,證明埋深16m以下的砂巖相對上層砂巖密實。把此層砂巖作為隔水底板,設計防滲深度達到此層弱透水性砂巖,設計防滲最大深度15.5m(從清基面算起)。

對于西副壩,坐落于第三系臺地上,壩基為第三系地層,地面高程907～916.5m,據鉆孔揭露,基本上都為第三系砂巖,局部壩段透鏡狀分布些泥巖層,鉆孔30m砂巖層都未見底。砂巖表部強風化層厚5～8m,此強風化砂巖層結構松散,透水率較大,其下部砂巖逐漸密實,透水率逐漸降低，但都是透水地層,沒有相對不透水的隔水底板,因此防滲深度不能達到相對不透水層,設計為倒掛式防滲體結構,設計垂直防滲深度達到強弱巖層風化分界線,盡量降低壩基滲漏量和滿足壩基滲流穩定的要求即可。

(2)優化設計方案。根據地質報告,全壩段強風化巖層厚度一般為4～8m,確定垂直防滲截斷強風化巖層,設計垂直防滲深度一般為6m,有泥巖分布,且泥巖層厚大于2m,埋深小于6m時,防滲體達到此層泥巖即可；為了滿足壩基滲透穩定和減少滲漏量,設計水平鋪蓋與垂直防滲連為一整體,根據各壩段的具體地質條件,設計水平鋪蓋長度不同,各壩段的水平鋪蓋長度見表1。

4.2 滲流計算

計算方法。參考《水工設計手冊》第15節滲流計算中“透水地基上有鋪蓋的土壩滲流”及“滲透水地基上有截水墻的土壩滲流”,對于本工程,壩基兩種防滲方案分別簡化為以下兩種形式計算:

原設計方案簡化為:垂直防滲折算為水平鋪蓋,按水平鋪蓋和壩體斜墻防滲的情況計算。

優化設計方案簡化為:垂直防滲折算為水平鋪蓋、并加上水平鋪蓋,按水平鋪蓋和壩體斜墻防滲的情況計算。

計算過程:先把垂直防滲折算為等效的水平鋪蓋長度,然后用毛昶熙提出的鋪蓋與斜墻聯合防滲的土壩滲流計算。

優化設計方案計算結果見表1。

表1 優化設計方案防滲計算結果

5 壩基防滲結構設計

5.1 原設計防滲結構設計

原設計防滲型式選擇。0+000～0+800m壩段,設計防滲深度較淺,防滲層基本上為砂巖,采取垂直鋪設塑膜防滲型式,0+800～2+436m壩段,設計防滲深度深,且又處于重點防滲壩段,采取板樁灌注防滲墻型式。

2+436～2+850m壩段,壩基設計防滲深度10～11.5m,設計防滲深度達到第一層連續分布的泥巖層；并嵌入泥巖層0.5m。在此層泥巖層以上,有一層不連續分布的泥巖,但該層泥巖較薄,呈透鏡體狀分布,其余均為砂巖、礫質砂巖,此段設計為板樁灌注防滲墻型式。板樁在砂巖層中成槽相對較容易,泥巖層較薄,板樁成槽也將比垂直鋪膜機容易,又與西副壩相鄰段的防滲型式相同,便于連接。

2+850～5+050m壩段,壩基設計防滲深度為3.5～11.5m,其中大部分壩段防滲深度在7m左右,只有少部分壩段,即4+550～4+675m壩段,防滲深度在10～11.5m間。此壩段設計防滲深度基本上達到第一層泥巖,除4+550～4+750m壩段設計防滲深度以上有一厚約5m的透鏡狀泥巖分布外,其設計防滲深度以上均為砂巖和礫質砂巖,開槽成孔相對較容易,因此設計此段防滲型式為垂直鋪膜防滲。對此段局部防滲層中有泥巖分布的壩段,即4+550～4+750m壩段,因為較短,采用特別的開槽方式進行垂直鋪膜即可。

5+050～6+025m壩段,壩基設計防滲深度為11～15.5m,設計防滲深度較深,此壩段基本上無泥巖分布,如采用垂直鋪膜防滲,施工極為困難,鋪膜的質量也難以保證。因此,此段設計為板樁灌注防滲墻型式,對于砂巖地層,板樁成槽也將容易,灌注墻也易形成擴散墻,成墻質量較好。

6+025～7+100m壩段,壩基設計防滲深度為3.0～10.5m,大部分壩段設計防滲深度都在6.0m左右,只有極短的壩段防滲深度達到10.5m。此壩段設計防滲深度基本上達到第一層泥巖,在防滲層內基本上無泥巖分布,此段地質條件相對較好,設計為垂直鋪膜防滲型式。

東副壩壩基地質條件好,且防滲深度淺,采取垂直塑膜防滲型式即可滿足要求。

5.2 優化設計方案防滲結構設計

優化設計方案的垂直防滲深度一般為6m,采取與水平鋪蓋相結合的防滲形式。

垂直防滲設計為在壩基面上開槽,在直槽內鋪設PE膜,并在槽內回填粘土及原位土的結構,即在臺地壩段,槽下部4m為直槽,槽寬1m,上部2m為梯形槽,槽底寬3m,邊坡為1∶1；在洼地壩段,槽下部4m為梯形槽,底寬1m,口寬2m，上部2m為剃形槽,槽底寬5m,邊坡為1∶1。防滲體PE膜厚0.5mm,膜鋪設于下游側,為防止開槽面不平整而破壞PE膜,在槽壁面上先鋪一層無紡布進行保護,設計無紡布規格為200g/m2,PE膜的連接與壩體防滲體連接相同，然后在下部槽段回填粘土,在上部槽段回填原位土。

水平鋪蓋防滲結構為:在第三系臺地壩段,平整壩前地面,清除地面雜物；在第四系洼地壩段,第四系地層中富含植物根系,清除壩前地表的第四系覆蓋物,達到第三系地層,并平整地面,然后在平整的地面上鋪設復合膜,復合膜的結構為:PE膜厚0.75mm,兩側無紡布規格為200g/m2,復合膜的連接與壩體防滲體連接相同,水平鋪蓋防滲膜要與壩體防滲膜、壩基垂直防滲膜連接為一封閉的整體，最后在復合膜上回填1.5m厚的砂土進行保護。

5.3 壩基防滲方案比較

根據以上的壩基防滲方案設計,原設計方案為:壩基垂直防滲,防滲深度5～16m,采取垂直鋪設PE膜和板樁灌注防滲墻形式防滲；優化設計方案為:壩基垂直防滲與水平防滲相結合,垂直防滲深度一般為6m,水平鋪蓋長為8～20m,采取明挖直槽,并在槽內鋪設PE膜進行防滲。對兩種方案從工程投資、防滲效果、施工條件等方面進行比較選擇。

(1)工程投資比較。兩方案的工程投資比較結果見表2。

表2 兩方案的工程投資比較

(2)防滲效果比較。根據壩基防滲滲流計算結果,兩方案各壩段的平均滲透坡降都大致相當,都小于0.12,根據地質報告,壩基允許滲透坡降為0.4,壩基平均滲透坡降小于允許滲透坡降,因此,壩基滲流穩定。原方案的年滲漏量為188.41×104m3,優化方案的年滲漏量為178.11×104m3,兩方案的年滲漏量也相差不大。因此,兩方案的防滲效果比較接近。

(3)施工條件比較。原設計方案的垂直鋪膜機垂直鋪設PE膜防滲的施工條件要求壩基為較軟的地層,主要為第四系地層,而本工程壩基為第三系地層,第三系泥巖、砂巖處于風化強烈的地層較軟弱,但比第四系地層密實堅硬,另外,設計防滲PE膜厚0.5mm,較一般垂直鋪膜厚,對開槽機的要求高,需要改裝常規的垂直鋪膜機。原設計方案的板樁灌注防滲墻也比較適合較松散的第四系地層,對第三系地層,板樁成槽困難,需要改裝板樁成槽機械設備。此兩種防滲形式對第三系地層都缺乏施工經驗,無工程實例。另外,此兩種方法都處于地下施工,施工過程中對質量難以控制。

優化設計方案采取明挖槽,在槽內鋪設PE膜進行防滲。在臺地壩段,無地下水的影響,開槽采用挖掘機即可,成槽容易；在洼地壩段,要受地下水的影響,成槽要采取機坑排水,采取井點排水,分別在防滲槽的兩側布設井點排水,保證壩基在干燥的條件下開挖,以便成槽；鋪設防滲膜采用人工,施工方法都采取常規的方法,施工簡單易行,而且明挖槽施工,對防滲體的施工質量容易控制。

6 結束語

綜上所述,根據以上壩基防滲方案比較結果,原設計方案對于第三系地層缺乏施工經驗,而且施工質量難以控制,工程投資又比優化方案大,在防滲效果上兩方案相差不大,優化設計方案具有施工方法簡單易行,施工質量容易控制的優點,因此最后選擇優化方案作為壩基防滲方案。