紅山灣水庫大壩基礎處理設計方案探討

繆建新，庹世華

(1.臨澤縣水務局，甘肅 臨澤 734200；2.甘肅省張掖市甘蘭水利水電建筑設計院，甘肅 張掖 734000)

1 概述

臨澤縣紅山灣水庫工程項目是甘肅省列入國家“十二五”大中型水庫規劃的11座大中型水庫之一，也是張掖市唯一列入規劃的中型水庫。該水庫位于臨澤縣倪家營鎮梨園河出山口河谷地帶，東鄰梨園新村，南依省道213線(張掖—肅南公路)，北靠閃佛寺山，西接梨園河河道，距臨澤縣城21km，是一座以生活供水和工業供水為主，兼顧生態用水和農業供水的中型水庫。水庫樞紐主要包括大壩、輸水洞、溢洪道及泄洪排沙洞，為Ⅲ等中型工程，水庫設計總庫容為1700萬m3，最大壩高為34.60m，工程靜態總投資為5.52億元。

紅山灣水庫大壩由垂直河道的主壩和右岸順河岸向上游布置的副壩組成，壩頂總長2345m，平面上呈折線，有3處拐點。主壩長416.5m，垂直主河槽布置；副壩長1928.5m，坐落在右岸二級階地上，基本沿階地前緣布置，副壩右端在河床內向上游延伸防滲體1115m。主壩左壩肩緊靠閃佛寺山，壩基處河床砂礫石覆蓋層厚5～12m，副壩壩基處砂礫石覆蓋層厚8～20m，且主副壩壩基覆蓋層下巖石上部10～15m透水性大，大壩壩基防滲處理工程量大，技術較為復雜，是本水庫質量控制的關鍵問題之一。為此，本文通過分析紅山灣水庫壩址區工程地質條件及壩基滲漏與滲透破壞問題，結合類似已建工程經驗，科學合理地提出了紅山灣水庫大壩基礎處理設計方案。

2 壩址區工程地質條件及評價

壩址區位于梨園河山間盆地左側，左岸分布基巖山體，現代河床偏向左岸發育，緊貼基巖山體一側侵蝕通過；河床寬度為150～300m，地面高程為1680m左右，平均縱坡為10‰；現代河床右岸發育Ⅰ～Ⅲ級堆積階地，谷底寬度200～800m不等。利用上述地形條件，選定紅山灣村作為水庫建設壩址。經在壩址區布置20個鉆孔和24個探坑勘探，基本查清了壩址區的工程地質條件。

2.1 主壩段工程地質條件及評價

2.2 副壩段工程地質條件及評價

3 壩基滲漏與滲透破壞問題

由于紅山灣水庫壩基滲漏量大，存在滲透變形及滲透穩定問題。設計對主副壩樁號0+000～2+345段的基巖風化帶按照滲透剖面提供的透水率采取帷幕灌漿的防滲處理措施；樁號2+345～3+460段以泥巖為主，局部夾泥質礫巖的基巖強—弱風化帶，考慮到該段地面以上已無水頭壓力，防滲體上下游地下水位差較小，該段可不進行帷幕灌漿處理。

4 大壩基礎處理

4.1 大壩基礎處理方案選擇

根據紅山灣水庫壩址區工程地質條件及壩基滲漏與滲透破壞分析，按照規范要求，壩基砂卵礫石覆蓋層較厚時宜采用垂直防滲，常用的垂直防滲措施有混凝土防滲墻和高壓噴射灌漿防滲墻兩種。對這兩種防滲措施進行技術經濟比較，具體見表1。

由表1可看出，混凝土防滲墻和高噴防滲墻均為較成熟的防滲技術，在砂卵礫石地層中，高噴防滲墻投資1950.83元/m2，混凝土防滲墻投資2069.81元/m2，混凝土防滲墻投資比高噴防滲墻高6.1%，但混凝土防滲墻可靠性高于高噴防滲墻，且根據SL 274—2001《碾壓式土石壩設計規范》第6.2.6條規定“砂礫石層深度在15m以內，宜采用明挖回填黏土截水槽；砂礫石層深度在80m以內，可采用混凝土防滲墻”。紅山灣水庫主壩0+276～0+416.5段、副壩、副壩右端在河床內向上游延伸防滲體段砂礫石覆蓋層厚度均大于15m，因此采用混凝土防滲墻防滲。主壩0+091～0+276段砂礫石覆蓋層厚度雖然小于15m，考慮該段長度只有185m，占基礎防滲處理長度的5.6%，且位于主河道，采用明挖回填黏土截水槽施工時排水量大，從施工方面考慮，該段壩基也采用混凝土防滲墻防滲。因此，綜合規范、施工、經濟等因素，紅山灣水庫大壩基礎處理采用混凝土防滲墻防滲。

表1 紅山灣水庫壩基砂卵礫石覆蓋層防滲措施比較表

4.2 混凝土防滲墻設計

由于國內防滲墻設計無規范，本工程防滲墻參照已建工程經驗、SL 174—2014《水利水電工程混凝土防滲墻施工技術規范》和相關論文設計。混凝土防滲墻底部嵌入基巖1.0m，頂部設計成楔形，插入壤土斜墻高度為壩高的1/10，壩高較小時插入高度不低于2m。防滲墻的厚度應滿足墻體抗滲性、耐久性的要求，同時還應考慮到施工因素，根據防滲墻破壞時的水力坡降計算墻體厚度δ，計算公式如下：

(1)

式中， ΔHmax—作用在防滲墻上的最大水頭差，m，取32.3m；K—抗滲坡降安全系數，取5；Jmax—防滲墻滲透破壞坡降，取300。

防滲墻計算厚度為0.54m。防滲墻最大深度為30m，墻內預埋基巖帷幕灌漿管，壩基砂礫石內有大量漂石，造孔最大孔斜率按0.6%控制，最大孔斜為0.18m，考慮施工因素，防滲墻設計厚度取0.8m。

參考國內外已建防滲墻的經驗，設計采用塑性混凝土作為墻體材料，這種材料具有抗滲性能好、變形模量低、極限應變值大、適應變形能力強等特點。塑性混凝土防滲墻的設計指標為：28d彈性模量為800～1000MPa，抗壓強度≥2.5MPa，滲透系數<(1～9)×10-8cm/s。

4.3 帷幕灌漿設計

根據壩址區地質資料，壩基基巖強—弱風化帶的透水率不滿足水庫蓄水要求，需對透水性基巖采取防滲處理措施。SL 274—2001第6.3.4條規定：“土質防滲體壩，當其基巖透水性較大時，應做帷幕灌漿”，設計對防滲墻下透水性大的巖石進行帷幕灌漿是必要的。根據地質資料，基巖裂隙寬1～3mm，基巖內地下水流速為10～20m/d。SL274—2001第6.3.5條規定：“基巖裂隙寬度大于0.15～0.25mm，應采用水泥灌漿；受灌區的地下水流速不大于600m/d時，可采用水泥灌漿”。因此，采用水泥進行帷幕灌漿是可行的。

帷幕灌漿設計為單排，孔距為2m，深入相對不透水層(基巖透水率≤5Lu)為5m，灌后基巖的透水率≤5Lu。以水泥灌漿為主，為確保灌漿質量，要求使用42.5級普通硅酸鹽水泥，細度要求通過80μm方孔篩的篩余量不大于5%。采用自上而下分段灌漿法，每段灌漿長度為5～6m。壩基設計控制最大灌漿壓力不超過0.6MPa，最終在灌漿施工過程中調整確定。采用機械灌漿法封孔。

帷幕灌漿屬地下隱蔽工程，按照SL 62—94《水工建筑物水泥灌漿施工技術規范》要求施工。灌漿質量對防滲效果影響很大，需對灌漿質量進行檢查，質量檢查以檢查孔壓水試驗成果為主，檢查孔數量為灌漿孔總數的10%，每10個灌漿孔布設1檢查孔，灌后基巖的透水率≤5Lu算作合格，不合格時應補灌到合格。

4.4 大壩右端上游河床防滲處理

大壩右端無壩肩，末端上游盡管地面高于壩頂，但基巖面及地下水水位均低于水庫正常蓄水位，大壩右端上游河床存在庫水滲漏通道。該段河床覆蓋層厚14～23m，設計采用壩基混凝土防滲墻向上游河床延伸防止庫水外滲，基礎防滲處理范圍應逆上游抵達地下水位變幅最低時的高程高于水庫正常蓄水位為止，確定基礎防滲處理范圍終點樁號為3+460。混凝土防滲墻厚0.6m，穿過基巖強風化層，深入基巖中等風化層2.0m，墻頂高程為1710.2m。防滲墻設計同“壩基處理”，不再贅述。考慮到該段地面以上已無水頭壓力，防滲墻上下游地下水水位差較小的因素，不進行帷幕灌漿處理。

4.5 左壩肩處理

左壩肩山脊線高程為1732m，高出壩頂20m左右，岸坡平均地形坡度為20°，基本上順著沖溝清基筑壩作為壩肩，溝寬10～20m，深3～5m，大部分溝底與溝兩岸基巖出露，自然邊坡穩定。在壩體輪廓線內，無斷層存在，巖體完整性較好，基巖強—微風化帶存在繞壩滲漏問題，需對壩肩采取帷幕灌漿的防滲處理措施。左壩肩下游側邊坡高陡，現狀存在一處規模較大的滑塌體，該滑塌體影響后壩體施工與后壩腳運行安全，施工時對影響到的區域應進行徹底清除。

5 結語

紅山灣水庫工程于2014年12月開工，2016年6月主體工程建設任務全部完成。2016年9月委托長江勘測規劃設計研究院有限責任公司對紅山灣水庫進行蓄水安全鑒定，大壩壩基混凝土防滲墻施工質量符合設計及相關規范的要求，大壩運行穩定安全。2017年7月，紅山灣水庫順利通過甘肅省水利廳、省發展和改革委員會組織的下閘蓄水驗收，投入試運行。紅山灣水庫大壩基礎處理采用混凝土防滲墻防滲體的成功實施，徹底解決了紅山灣水庫大壩深覆蓋層、長壩段壩基處理的難題，為河西內流河地區深覆蓋層、長壩段水庫工程防滲體設計方案的確定起到很好的借鑒和示范作用。