卡爾巴斯水庫壩基防滲處理設(shè)計

張世雄

（新疆兵團勘測設(shè)計院（集團）有限責(zé)任公司 新疆石河子83200 0）

1 工程概況

卡爾巴斯水庫是一座以灌溉為主的?。?）型山區(qū)水庫，總庫容88.2萬m3，位于新疆卡爾巴斯河出山口處。卡爾巴斯河徑流的補給主要依靠季節(jié)性冰雪融水、降雨及地下水；徑流年內(nèi)分配不均，主要集中在5月、6月，其水量占全年徑流量的45.7%；這部分水量主要是來自山區(qū)季節(jié)性積雪的融化和該時期的降雨。由于當(dāng)?shù)亟?jīng)濟基礎(chǔ)比較薄弱等原因，多年來，該河未修建調(diào)蓄工程，僅在灌溉期做了臨時攔堵措施引水灌溉，隨著近年來干旱頻發(fā)，旱災(zāi)損失越來越大，興建控制性工程進行徑流調(diào)節(jié)，增加供水量、提高灌區(qū)用水保證程度的需要已日益迫切?？柊退顾畮旃こ逃袛r河主壩、防浪副壩、表孔溢洪道、壩下導(dǎo)流放水涵洞及管理道路等組成。擋水主壩壩頂長為242m，正常蓄水位62.60 m，主壩設(shè)1.2m高砼防浪墻，墻頂高程65.50 m，最大壩高為29.3m，壩頂寬5.0 m，壩型為均質(zhì)土壩，大壩上下游坡比均為1:2.0。在壩址左岸存在埡口地形，在天然埡口處布置正堰式無閘溢洪道及副壩，副壩頂高程64.60 m，副壩長36m，壩頂寬3.0 m，壩高最大壩高3.0 m，壩體采用均質(zhì)土壩，上下游坡比均取1:2.0。

2 壩體壩基防滲處理方案的選擇

2.1 壩體填筑材料及壩基工程地質(zhì)條件

根據(jù)當(dāng)?shù)夭牧系膬α考斑\距情況，本工程選擇距離壩址下游1.5km處的低液限黏土料場做當(dāng)?shù)夭牧蠅翁钪?，除天然含水率偏低外，土料場作為心墻防滲土料或均質(zhì)土壩土料，質(zhì)量與儲量均滿足要求，土料設(shè)計壓實度不小于97%，碾壓后滲透系數(shù)為4.4×10-6cm/s。

壩址位于出山口低山丘陵地段，地形相對開闊，兩岸與河底相對高差35～40 m，左岸岸坡在35°～40°，右岸岸坡為40°～45°，坡面沖溝不發(fā)育，表層多以殘坡積物為主，厚度0.5～1.0 m，松散、干燥，下伏基巖。河谷呈“U”型，現(xiàn)代河床寬4～6m。

擬定壩址處河床段覆蓋層為二元結(jié)構(gòu)，上層為淤積物，由于上世紀(jì)80年代當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧民為引水灌溉在壩軸線處臨時堆填了土壩體，因該壩體存在，在壩體以上100 m河床范圍內(nèi)產(chǎn)生淤積物，淤積物厚度2～3m，局部較厚，寬25～30 m，巖性以淤積的粉土、黏土、淤泥互層為主，土層內(nèi)夾雜礫石、植物根系等雜物；根據(jù)現(xiàn)場勘察，壩體及淤積物不滿足上壩作為填筑料的要求。下層為現(xiàn)代河床全新統(tǒng)沖積卵礫石層，覆蓋層總厚度5.0～6.0 m。下伏基巖為凝灰質(zhì)砂巖，層狀結(jié)構(gòu)，為中硬巖，庫區(qū)內(nèi)巖層節(jié)理裂隙較為發(fā)育，主要受構(gòu)造及風(fēng)化影響，表層巖體較為破碎，強風(fēng)化厚度為3～4m，弱風(fēng)化厚度25～26m。基巖體透水性隨孔深增大而透水率變小，軸線壩基滲透系數(shù)小于5Lu深度在基巖面以下12～25m。

根據(jù)選定壩址，左岸存在埡口地形，可能產(chǎn)生鄰谷滲漏問題；左岸局部地面高程為63～65m，經(jīng)過復(fù)核計算該段副壩波浪爬高等后，副壩段防浪高程應(yīng)為64.60 m，正常運行工況下水庫靜水位62.60 m，低于左岸地面高程，但需設(shè)副壩防浪。左岸地面表層多為殘坡積物，厚度約0.5～1.0 m，松散，干燥；下伏基巖巖性同主壩，左岸巖體強風(fēng)化厚度3～4m，弱風(fēng)化厚度25～26m。壩基基巖體透水性隨孔深增大而透水率變小，基礎(chǔ)防滲小于5Lu深度在基巖面以下12m。

2.2 壩基處理方案的選擇

壩基防滲控制一般采用垂直防滲措施，處理深度至相對不透水層，使得壩基、壩體等構(gòu)成封閉的防滲屏障，以減少水庫的滲漏損失。本工程壩基覆蓋層為二元結(jié)構(gòu)，為強透水性，且強風(fēng)化層及弱風(fēng)化上層基巖也為中透水性，需做防滲處理?？紤]以下兩種處理方案如下：

（1）清除壩基二元結(jié)構(gòu)覆蓋層及強風(fēng)化表層基巖，進行壩基固結(jié)灌漿與防滲帷幕灌漿，再填筑壩體至設(shè)計壩高；該方案壩體及防滲效果明顯，但填筑體量較大，且壩基河床開挖覆蓋層不宜作為壩體填料，施工費用明顯較高。

（2）清除壩基二元結(jié)構(gòu)覆蓋層上層的淤積物，僅在壩軸線處開挖截水槽至基巖，并進行壩基固結(jié)灌漿與防滲帷幕灌漿處理，之后填筑壩體至設(shè)計壩高；本工程規(guī)模較小，大壩為均質(zhì)土壩，對壩基承載力要求不高，河床段砂礫石層可作為壩基，該壩基處理方案較適宜本工程。

3 壩基防滲處理設(shè)計

3.1 壩基防滲處理的布置

本次設(shè)計清除壩基范圍內(nèi)淤積物，將現(xiàn)代河床全新統(tǒng)沖積卵礫石層作為本次壩基，填筑前需對該層表面超徑石及雜草等清除，并進行碾壓，碾壓相對密度不低于0.75。根據(jù)規(guī)范及控制滲流量要求，本次設(shè)計均質(zhì)土壩截水槽基礎(chǔ)坐在強風(fēng)化下限，截水槽兩側(cè)上下游巖石開挖邊坡為1:0.75，砂礫石覆蓋層開挖邊坡為1:1.5，并將開挖石料堆填在壩體下游三角區(qū)。截水槽寬度按土料允許滲透比降及施工要求確定，按9.0～4.0 m分段設(shè)置，在截水槽底部澆筑50 cm厚的C20砼蓋板。固結(jié)灌漿：在河床段蓋板下設(shè)置兩排，兩岸壩基設(shè)單排，孔距3.0 m，平均灌漿深度為4.0 m。帷幕灌漿：壩軸線處單排布置，深度按伸入5lu下2m，孔距2m，河床段帷幕平均深度為15.0 m，兩岸帷幕深度為15～12m，帷幕灌漿范圍向兩岸巖體延伸50 m。

考慮到副壩及埡口溢洪道段上下游岸坡坡度較緩，且上游面覆蓋1～1.5m厚坡積碎石及粉土層，植被覆蓋較好，如果考慮清除副壩壩基覆蓋層及強風(fēng)化巖石并做防滲帷幕，則需處理壩段較長且工程投資較大；故設(shè)計中考慮，副壩段僅在水庫高水位才會產(chǎn)生壩基滲漏，本次清除壩基表層覆蓋層及全風(fēng)化基巖后，再填筑土壩體。

3.2 壩體及壩基滲流穩(wěn)定分析

根據(jù)工程區(qū)所處嚴(yán)重干旱區(qū)，且為獨立水系，地表水資源的有效利用顯得尤為重要。本工程壩體滲流分析的主要目的為：①驗算壩體穩(wěn)定性；②分析估算水庫的滲漏損失；③驗算下游壩基面的出逸坡降及壩體相應(yīng)部位土體的滲透穩(wěn)定性。

滲流分析計算采用“北京理正軟件設(shè)計研究所開發(fā)的巖土工程系列軟件—滲流分析軟件6.0版”軟件。滲流服從達(dá)西定律，按有限深透水地基上均質(zhì)土壩模型進行有限元計算。依據(jù)壩體、壩基土特性，壩體為低液限黏土均質(zhì)壩，發(fā)生滲透破壞類型為流土，本次可研階段根據(jù)經(jīng)驗取值，壩體土發(fā)生滲透變形的允許水力比降為0.50；壩基土為第四系全新統(tǒng)沖洪積堆積物（Q4al+pl），巖性為卵石，組成顆粒分選性差，級配不良，發(fā)生滲透破壞類型為管涌，允許水力比降為0.13。

選擇0+120為典型斷面分析，依據(jù)工程勘察對壩基各層的評價，擬定滲流計算參數(shù)如下：①壩殼料低液限黏土，滲透系數(shù)K1為4.4×10-6cm/s；②砂礫石壩基為強透水地基，K2取1.1×10-2cm/s；③強風(fēng)化上層基巖為中等透水性，K3取1.0×10-3cm/s；④強風(fēng)化下層基巖為中等透水性，K4取2.0×10-4cm/s；⑤弱風(fēng)化上層基巖為微透水性，K5取5.0×10-5cm/s；⑥防滲帷幕（順?biāo)鞣较蛉?.5m 厚），K6取5.0×10-5cm/s。

大壩標(biāo)準(zhǔn)斷面圖見圖1。

圖1 大壩標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖

圖2 上游正常水位與下游最低水位壩體（基）準(zhǔn)流網(wǎng)圖

以“上游正常蓄水位與下游相應(yīng)的最低水位”工況為典型，分析壩體壩基土滲透穩(wěn)定情況：由圖2可知，壩體下游三角利用料區(qū)為中硬巖，具排水棱體作用；均質(zhì)壩上、下壩坡均滿足滲透穩(wěn)定要求，但防滲帷幕灌漿孔地表處滲透比降達(dá)3.5，截水槽兩側(cè)及軸線下游側(cè)砂礫石壩基與壩體接觸處滲透比降達(dá)0.25～0.89，均會發(fā)生滲透破壞，設(shè)計中在截水槽底部設(shè)寬4.0～9.0 m厚0.50 m的C20砼蓋板，在截水槽兩側(cè)及壩體下游砂礫石壩基均鋪設(shè)無紡布，做反濾料之用，使土體滿足滲透穩(wěn)定要求。

計算壩體、壩基滲漏量情況：該水庫屬年調(diào)節(jié)水庫，高水位期較短，根據(jù)水庫蓄水過程，分每年高水位期、正常水位期、死水位期等段估算滲漏量，最大斷面高水位期單位長度大壩及壩基滲漏量約為2.43m3/d，合計計算得主壩段年總滲流量約為6.33萬m3/a，占年調(diào)節(jié)庫容158萬 m3的4.2%，防滲效果較好。

壩體穩(wěn)定分析：根據(jù)《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計導(dǎo)則》，結(jié)合本水庫的實際工作特點，穩(wěn)定分析需計算兩種工作狀態(tài)：一是正常運用條件：穩(wěn)定滲流期的下游壩坡；二是非常運用條件：施工期的上、下游壩坡；水庫水位非常降落的上游壩坡。根據(jù)壩體隱患調(diào)查資料，計算斷面選取在高壩段（0+120斷面）進行穩(wěn)定分析。壩坡穩(wěn)定采用北京水利水電科學(xué)研究院出版的《土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析程序》（STAB2009）進行計算，計算參數(shù)根據(jù)試驗指標(biāo)選取，計算采用簡化畢肖普法，得出計算結(jié)論：穩(wěn)定滲流期上游壩坡最小安全系數(shù)為1.33，下游壩坡為1.37，均大于規(guī)范允許值1.15；非常運行：施工期上下游壩坡最小穩(wěn)定安全系數(shù)為1.5，上游水位驟降期上游壩坡最小安全系數(shù)為1.29，均大于規(guī)范允許值1.05；故大壩上、下游壩坡均是穩(wěn)定的。

4 結(jié)語

該工程地處嚴(yán)重干旱區(qū)，水庫的防滲效果對工程效益影響很大，如果壩基處理不善，可能會造成水庫效益不能正常發(fā)揮或影響大壩安全；如果壩基處理部分投資太大，可能會導(dǎo)致工程不經(jīng)濟。依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》要求：3級及其以下壩，灌后基巖的透水率宜為5～10 Lu。本工程為5級建筑物，帷幕灌漿伸入到10 Lu以下即可。但根據(jù)鉆孔壓水試驗成果分析，本工程壩址區(qū)巖體的透水性主要受巖體風(fēng)化程度和斷層及節(jié)理的發(fā)育程度控制，隨深度變化，巖體透水性變化規(guī)律不明顯，其透水性多受貫通性結(jié)構(gòu)面控制，個別試段由于斷層及貫通性裂隙造成透水性較大。

依據(jù)地質(zhì)編繪及參考相關(guān)經(jīng)驗，采用以下壩基防滲措施：

①階段設(shè)計河床段防滲帷幕平均深度為15.0 m，兩岸帷幕深度為15～12m。在壩基帷幕灌漿施工時根據(jù)施工地質(zhì)工程師的判斷，再對施工方案進行靈活調(diào)整。

②本工程合理利用壩址左岸天然埡口地形布置了開敞式溢洪道和防浪副壩，由于該段副壩高度較小，且壩體均在水庫靜水位以上，具有后期補充灌漿的施工條件；可暫不對副壩段壩基進行防滲帷幕等處理，待工程建成蓄水后，觀察壩后滲漏情況，再確定是否需要補做防滲帷幕等措施。