新疆希尼爾水庫(kù)壩基防滲技術(shù)及經(jīng)濟(jì)方案比較

李新廣 楊銳 趙喆

摘要：新疆希尼爾水庫(kù)為西北平原水庫(kù)的典型代表，壩基地質(zhì)情況較為復(fù)雜，防滲方案是主要技術(shù)問(wèn)題，在進(jìn)行方案比選時(shí)要結(jié)合工程實(shí)際情況，優(yōu)先選用安全可靠、防滲效果好、投資少的防滲方案。分別從希尼爾壩基地質(zhì)特性、施工可行性、經(jīng)濟(jì)比較等多個(gè)方面，分析研究該水庫(kù)除險(xiǎn)加固壩基防滲處理方案，通過(guò)對(duì)各方案的綜合比較，最終采用CSM銑削深層攪拌防滲墻方案對(duì)希尼爾水庫(kù)進(jìn)行壩基防滲加固。加固后，墻體抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B系數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求，該方案可為類似工程除險(xiǎn)加固提供借鑒。

關(guān)鍵詞：水庫(kù)除險(xiǎn)加固;壩基防滲;技術(shù)經(jīng)濟(jì)方案比選;希尼爾水庫(kù);新疆

中圖法分類號(hào)：TV543文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.07.012

文章編號(hào)：1006 - 0081（2021）07 - 0059 - 05

1 研究背景

平原水庫(kù)一般位于河道下游平原地區(qū)，具有壩軸線長(zhǎng)、地質(zhì)條件較差、需水水頭較低、蒸發(fā)量較大等特點(diǎn)[1]。我國(guó)眾多平原水庫(kù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中有著重要的作用，但其中部分水庫(kù)由于修建年代久，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較低，施工技術(shù)水平不高，以至于不少水庫(kù)運(yùn)行至今，面臨著壩基滲漏、下游壩坡腳滑塌等諸多影響大壩安全問(wèn)題[2]。不同的病險(xiǎn)土石壩水庫(kù)產(chǎn)生滲透破壞的原因不盡相同，對(duì)該類水庫(kù)實(shí)施除險(xiǎn)加固，各種技術(shù)工藝、材料都有一定的局限性和最優(yōu)的適應(yīng)范圍， 在加固方案比選時(shí)， 應(yīng)在可靠性、可行性等安全分析的同時(shí)，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)對(duì)比[2]。本文以希尼爾水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程為實(shí)例對(duì)防滲加固方案進(jìn)行比選研究。

2 工程概況

希尼爾水庫(kù)位于新疆庫(kù)爾勒市境內(nèi)，建成于2005年，是一座以灌溉為主的注入式反調(diào)節(jié)Ⅲ等中型平原水庫(kù)，水庫(kù)壩體為砂礫石均質(zhì)土壩，大壩全長(zhǎng)7 650 m，最大壩高20 m、水庫(kù)總庫(kù)容9 800萬(wàn)m3，死庫(kù)容1 000萬(wàn)m3，正常蓄水位913.6 m，水面面積16.74 km2。

壩面結(jié)構(gòu)從上到下依次為20 cm厚混凝土護(hù)坡面板，3 cm厚苯板保護(hù)層，防滲膜（兩布一膜，0.75 mmPE膜，布200 g/m2）;壩基垂直防滲布置在上游壩坡腳外8.0～10.0 m，采用垂直鋪塑、攪拌樁及塑性混凝土防滲墻多種形式;背壩坡采用混凝土網(wǎng)格護(hù)坡;壩后設(shè)明渠式排水溝，用干砌塊石護(hù)坡，干砌塊石與土接觸部位鋪設(shè)無(wú)紡布反濾層。

水庫(kù)蓄水后，根據(jù)大壩監(jiān)測(cè)和調(diào)查，大部分壩基存在滲漏問(wèn)題，部分壩段壩后排水溝內(nèi)還出現(xiàn)管涌冒砂現(xiàn)象。2017年經(jīng)水利部大壩安全鑒定中心鑒定為三類壩，需除險(xiǎn)加固。

3 工程地質(zhì)情況

希尼爾水庫(kù)位于庫(kù)魯克塔格山前剝蝕平原區(qū)，庫(kù)壩區(qū)出露地層主要為第四系沖洪積物和新近系沉積物，新近系地層為一套河湖相沉積的泥巖與砂巖類，并夾砂礫巖，該套地層呈互層狀分布，巖層呈水平狀。

根據(jù)地質(zhì)勘探及鉆孔壓水試驗(yàn)，西壩段（0+000～2+436）壩基主要以砂巖為主，局部夾薄層泥巖、礫巖，自基巖面13.3～15.1 m以上砂巖透水率一般大于5 Lu，最大為27.8 Lu，具有中等透水性，13.3～15.1 m以下透水率均小于5 Lu，透水性弱;主壩段（2+436～7+100）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，呈交互沉積，層位不連續(xù)，層厚差異大，自基巖面9.2～16.2 m以上巖體透水率多數(shù)大于5.0 Lu，在5.4～46.6 Lu之間，個(gè)別為96.88 Lu;9.2～16.2 m以下巖體透水率多在0.17～4.80 Lu之間，滲透性較弱;東副壩（7+100～7+650）基巖性以泥巖為主，局部夾薄層砂巖、礫巖層，自基巖面4.5～5.0 m以下透水率為 0.28～0.38 Lu，透水性甚微，詳見鉆孔柱狀圖（圖1）。

根據(jù)巖體試驗(yàn)（表1），壩基泥巖干燥狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度在1.24～4.35 MPa、飽和狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度在0.02～0.67 MPa;大部分砂巖干燥狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度在1.10～4.50 MPa，屬極軟巖，在工程力學(xué)方面其性能更接近土的特性，但個(gè)別外露及鉆孔取樣砂巖抗壓強(qiáng)度可達(dá)20.00 MPa，屬軟質(zhì)巖。

4 水庫(kù)滲漏初步分析

進(jìn)一步對(duì)大壩壩基工程地勘發(fā)現(xiàn)，大壩0+000～-7+100壩段原壩基防滲深度均在10.0～15.0 m之間，透水率在10～30 Lu之間，防滲深度不夠，未達(dá)到現(xiàn)行規(guī)范5 Lu線要求[3]，導(dǎo)致壩基滲水。分析其原因，壩基防滲施工時(shí)，垂直鋪塑均在透水性較大的基巖中開挖成槽，然后埋入復(fù)合土工膜，地下基巖窄槽開挖至5 Lu線施工難度較大，施工時(shí)使用了很多非常規(guī)的施工方法，甚至還采用了小藥量爆破，但部分壩段基巖的成槽效果還是很不理想。因開挖困難，部分主壩段采用水泥土攪拌樁防滲墻、塑性混凝土防滲墻防滲，各防滲體連接部位處理情況存疑。蓄水后主壩段4+250、4+350處壩后排水溝內(nèi)曾出現(xiàn)涌水翻沙、無(wú)紡布隆起現(xiàn)象，6+350處壩段下游壩坡及壓蓋回填清基料曾出現(xiàn)踏坑、滑塌現(xiàn)象。經(jīng)測(cè)算現(xiàn)狀壩基滲漏量1 231萬(wàn)m3/a，占總庫(kù)容的12.6%[4]，采取適宜的加固防滲處理措施，對(duì)于確保水庫(kù)安全運(yùn)行及蓄水效益的發(fā)揮十分重要。

5 壩基防滲方案比選

本次除險(xiǎn)加固擬在壩前新建壩基防滲體系，對(duì)于土壩的壩基滲漏處理， 總的原則是“上堵下排”?！吧隙隆钡拇胧┯写怪狈罎B和水平防滲兩類措施，其實(shí)質(zhì)是延長(zhǎng)土壩滲徑，使其滲透坡降不超過(guò)允許坡降， 保持土壩的滲透穩(wěn)定[5]。對(duì)于本水庫(kù)而言，其壩線長(zhǎng)，庫(kù)盤面積大，庫(kù)盤地層主要為第四系沖洪積物和新近系沉積物，泥巖與砂巖呈互層狀分布，若按水平防滲措施考慮，施工量巨大且?guī)斓姿浪灰韵路e水排出困難，其耐久性和防滲效果不甚理想[2]。垂直防滲措施與水平防滲措施相比， 截滲效果更為顯著，目前垂直防滲加固技術(shù)主要有：混凝土防滲墻、帷幕灌漿、深層攪拌防滲板墻、銑削深層攪拌（CSM工法）防滲墻等，下面分別分析各種防滲技術(shù)在本項(xiàng)目實(shí)施的優(yōu)劣。

5.1 混凝土防滲墻

混凝土防滲墻是利用液壓抓斗、液壓銑槽機(jī)、鉆機(jī)等設(shè)備在地基中挖槽形成槽孔，孔內(nèi)用泥漿護(hù)壁，然后通過(guò)導(dǎo)管采用水下澆筑混凝土技術(shù)，在槽孔內(nèi)澆筑塑性混凝土或普通混凝土，形成地下連續(xù)防滲墻[6]。其特點(diǎn)為：①對(duì)地質(zhì)適應(yīng)性廣，可在各類地層中通過(guò)“抓、鉆、銑、爆”等各種方式成孔成墻[7];②安全、耐久、可靠，成墻后墻體滲透系數(shù)一般可達(dá)到1×10-6～1×10-8? cm/s，允許滲透比降值達(dá) 60～100，墻體間連接可靠;③造價(jià)高，施工速度相對(duì)較慢。

5.2 帷幕灌漿

帷幕灌漿原理是將一定比例的膠凝材料配置成漿液，利用壓力裝置將漿液通過(guò)鉆孔灌入到基巖或土體的裂隙或孔隙結(jié)構(gòu)里，使?jié){液充分?jǐn)U散、充填至鉆孔周邊的土體內(nèi)，然后膠凝、固化來(lái)提高基巖或土體的強(qiáng)度，增加穩(wěn)定性和抗?jié)B性，以達(dá)到改善巖土體物理力學(xué)性質(zhì)的目的[7]，帷幕灌漿孔按一定的間距成排成組布置，形成一個(gè)連續(xù)的阻水帷幕。其特點(diǎn)為：①成本低、安全性高，若采用化學(xué)灌漿則造價(jià)高;②對(duì)地質(zhì)適應(yīng)性差，覆蓋層灌漿需通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定可灌比[8];③防滲效果不理想，灌漿后砂礫石地層滲透系數(shù)降低到1×10-5～1×10-4? cm/s即可認(rèn)為合格[8];④施工速度較慢，大范圍作業(yè)投入設(shè)備較多。

根據(jù)實(shí)測(cè)壩軸線地基砂巖層顆粒分析數(shù)據(jù)（表2）及曲線（圖2）計(jì)算可灌比[8]M=D15/d85=0.3 mm/0.06 mm=5，常規(guī)水泥灌漿可灌性差。

5.3 深層攪拌防滲板墻

深層攪拌防滲板墻是利用深層攪拌機(jī)械將水泥漿等材料與土體強(qiáng)制攪拌，從而在土體內(nèi)產(chǎn)生物理-化學(xué)反應(yīng)形成的具有一定強(qiáng)度的、具有整體性和水穩(wěn)定性的柱狀水泥土攪拌樁，再由連續(xù)套接的水泥土攪拌樁組成墻體[9]。其特點(diǎn)為：①對(duì)地質(zhì)適應(yīng)性差，主要適用于粘性土、粉土、砂土，以及黃土、淤泥質(zhì)土等軟土類地質(zhì);②使用深度偏淺，地層發(fā)生軟硬變化時(shí)樁體垂直度難以保證，易造成樁間搭接不嚴(yán)密;③防滲效果好，墻體滲透系數(shù)小于1×10-5? cm/s;④造價(jià)低，施工效率低，大范圍作業(yè)投入設(shè)備較多。

5.4 CSM銑削深層攪拌防滲墻

銑削深層攪拌（Cutter Soil Mixing，CSM）技術(shù)是國(guó)際上最新研發(fā)的一種水泥土深層攪拌工藝，該工法的原理是在鉆具底端配置兩個(gè)在防水齒輪箱內(nèi)的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的銑輪，并經(jīng)由特制機(jī)架與凱氏鉆桿連接或鋼絲繩懸掛，使用兩組銑輪以水平軸向旋轉(zhuǎn)攪拌方式深入地層削掘、攪拌已松化的土體，并注入固化劑，形成矩形槽段的改良土體[10]。其特點(diǎn)為：①具有高削掘性能，地層適應(yīng)性強(qiáng)，可在密實(shí)的粉土、粉砂等硬質(zhì)地層，及砂卵礫石層中切削掘進(jìn)，經(jīng)實(shí)測(cè)可在抗壓強(qiáng)度20 MPa的砂巖中實(shí)施;②成墻防滲效果好，土體通過(guò)銑輪多排刀具高速旋轉(zhuǎn)被削掘，同時(shí)削掘過(guò)程中注入高壓空氣及固化漿液，使其具有非常優(yōu)良的攪拌混合性能，在水泥摻量為13%的情況下，墻體滲透系數(shù)小于1×10-5 cm/s，成墻抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B性能均隨著水泥摻量的增加而增加[11]，墻體垂直度可精確控制，墻體間連接可靠;③可完成較大深度的施工，導(dǎo)桿式設(shè)備施工深度可達(dá)45 m，懸吊式設(shè)備深度可達(dá)65 m;④造價(jià)略高。

以上分析從地層適應(yīng)性、防滲可靠性、防滲耐久性、施工功效、施工質(zhì)量檢測(cè)等多個(gè)技術(shù)方面對(duì)各防滲工藝進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，詳見表3。

由各防滲工藝的工程量與造價(jià)的計(jì)算比較可知，CSM銑削深層攪拌防滲墻性價(jià)比最優(yōu)，詳見表4。

6 壩基防滲方案選定

依據(jù)表3及表4的對(duì)比結(jié)果，從各施工工藝技術(shù)及造價(jià)經(jīng)濟(jì)性等方面，綜合對(duì)各方案進(jìn)行選定。

（1）混凝土防滲墻適應(yīng)性好，防滲性能可靠，防滲質(zhì)量有保證，但工期較長(zhǎng)，造價(jià)高。

（2）CSM銑削深層攪拌防滲墻適應(yīng)性好，防滲性能可靠，防滲質(zhì)量有保證，工效高，造價(jià)適中，性價(jià)比高。

（3）經(jīng)計(jì)算可灌比M=5<10，常規(guī)水泥或水泥黏土灌漿在本項(xiàng)目區(qū)可灌性差，防滲質(zhì)量難以保證。

（4）因本項(xiàng)目區(qū)部分地基砂巖抗壓強(qiáng)度可達(dá)20 MPa，不適應(yīng)深層攪拌防滲板墻，因此不考慮該方案。

根據(jù)上述各方案的綜合比較，無(wú)論從技術(shù)方面還是從經(jīng)濟(jì)方面，CSM銑削深層攪拌防滲墻方案均優(yōu)于其他方案，因此最終決定采用CSM銑削深層攪拌防滲墻方案對(duì)希尼爾水庫(kù)進(jìn)行壩基防滲加固，處理方案為在前壩腳阻滑墻前2.5 m處新建了一道寬70 cm，深度深入地質(zhì)5 Lu線1 m的水泥土防滲墻?？箟簭?qiáng)度經(jīng)檢測(cè)墻體抗壓強(qiáng)度為1.0～9.8 MPa，均大于設(shè)計(jì)1 MPa，抗?jié)B系數(shù)3.68×10-7～7.03×10-6? cm/s，均小于設(shè)計(jì)抗?jié)B系數(shù)1×10-5? cm/s的水泥土防滲墻。

7 結(jié) 語(yǔ)

水利工程尤其是水庫(kù)大壩，基礎(chǔ)地質(zhì)情況千差萬(wàn)別，在基礎(chǔ)防滲處理中，各種施工工藝都有一定的局限性和最優(yōu)的適用范圍， 通過(guò)可靠性、可行性、經(jīng)濟(jì)性綜合比選定能找出最優(yōu)解。

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（編輯：李 晗）

A comparative study of technical solutions to seepage control and dam foundation reinforcement cost-effectiveness in danger remove of Shinil Reservoir

LI Xingguang1， YANG Rui1， ZHAO Zhe2

（1. Xinjiang Tarim River Basin Administration， Korla 841000， China;? 2.Sinohydro foundation Co.， Ltd.， Tianjin 300000， China）

Abstract： Shinil reservoir is a typical one on the plain of Northwestern China， with complex geological conditions at the base of the dam. To ensure the sound operation of the reservoir， consideration must be given to seepage control， and the solution must factor into the context in which the project is operated. Preferably， the solution is safe， reliable， effective and economical.This paper provides an analysis of the geological conditions of Shinil Reservior， and compares different seepage control solutions in terms of their feasibility and cost-effectiveness. Through a comprehensive comparison of various schemes， the CSM milling deep mixing cut-off wall scheme was finally used to strengthen the dam foundation of the Shinil Reservoir. After reinforcement， the compressive strength and seepage coefficient of the wall meet the design requirements.This scheme provides a reference for similar projects to remove dangers and strengthening.

Key words： reservoir danger remove nad reinforcement; seepage control of dam foundation; comparative study of technical solutions and cost effectiveness;Shinil Resevoir;Xinjiang