翟福春，周海鷹，張 娜，夏衛(wèi)華，雷進(jìn)東

(1.新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫(kù)爾勒 841000;2.新疆水利管理總站，新疆 烏魯木齊 830000; 3.新疆昌吉方匯水電設(shè)計(jì)有限公司，新疆 昌吉 831100)

1 工程概況

希尼爾水庫(kù)是一座以灌溉為主的注入式反調(diào)節(jié)的平原水庫(kù)。水庫(kù)大壩為砂礫石壩，壩頂寬度6 m，上游壩坡坡比1∶2.5，下游壩坡坡比1∶2。大壩壩長(zhǎng)7.650 km，包括主壩4.664 km及副壩2.986 km，壩頂高程916.5 m。水庫(kù)總庫(kù)容9800萬(wàn)m3，死庫(kù)容1000萬(wàn)m3，正常蓄水位庫(kù)水面積16.67 km2，水庫(kù)引、放水建筑物設(shè)計(jì)流量分別為30 m3/s和45 m3/s。水庫(kù)建成于2005年，壩基防滲采取垂直防滲與水平防滲相組合的形式，主要防滲形式采用0.75 mm PE復(fù)合膜。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)出現(xiàn)管涌冒砂現(xiàn)象。因壩基滲水嚴(yán)重，水庫(kù)最大蓄水量?jī)H為7000萬(wàn)m3，常蓄水量不到4000萬(wàn)m3。

對(duì)大壩壩基進(jìn)一步工程地勘發(fā)現(xiàn)，大壩0+000～7+100壩段壩基防滲深度均在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)范要求5 Lu線，導(dǎo)致壩基滲水。分析其原因，一方面，壩基防滲施工時(shí)，垂直鋪塑及塑性混凝土防滲墻均在透水性較大的基巖中開(kāi)挖成槽，然后埋入復(fù)合土工膜進(jìn)行壩基防滲，地下基巖窄槽開(kāi)挖至5 Lu線施工難度較大，防滲深度淺，不能滿足設(shè)計(jì)要求；另一方面，壩基防滲槽的開(kāi)挖難度很大，為了在地下基巖中成槽，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未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)合希尼爾水庫(kù)壩基地質(zhì)條件和特性，采取適宜的防滲處理技術(shù)，對(duì)于確保水庫(kù)安全運(yùn)行是十分重要的。

2 工程地質(zhì)特性及防滲處理深度

2.1 壩基工程地質(zhì)特性

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(lèi)，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)勘探及土工試驗(yàn)，水庫(kù)壩基主要工程地質(zhì)特性體現(xiàn)在以下三個(gè)方面。

(1)地層巖性變化及分布較復(fù)雜、巖體屬極軟巖。水庫(kù)壩基基巖巖性為新近系泥巖、砂巖及礫巖，其中西壩段壩基主要以砂巖為主，局部夾薄層泥巖、礫巖；主壩段以泥巖、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；東副壩基巖性以泥巖為主，局部夾薄層砂巖、礫巖層。

根據(jù)巖體試驗(yàn)，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0.022～0.67 MPa；砂巖干燥狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度在1.10～4.50 MPa，均屬極軟巖。

(2)基巖透水率變化較大，總體呈上大下小趨勢(shì)。依據(jù)鉆孔壓水試驗(yàn)結(jié)果，壩基巖體透水率情況分述如下：

①西副壩(0+000-2+436)：15.10 m以上基巖面巖體為中等透水層，透水率通常超過(guò)5.00 Lu，最高達(dá)到27.80 Lu；15.10 m以下基巖面巖體為弱透水層，透水率小于5.00 Lu。

②主壩段(2+436-7+100)：16.20 m以上基巖面巖體為中或強(qiáng)透水層，透水率多超過(guò)5.00 Lu，最高達(dá)到96.88 Lu；16.20 m以下基巖面為弱透水層，透水率為0.17～4.80 Lu。

③東副壩(7+100-7+650)：5.00 m以下基巖面巖體為透水率為 0.28～0.38 Lu，透水性甚微。

(3)壩址區(qū)水文地質(zhì)條件較復(fù)雜。庫(kù)壩區(qū)地下水受地層巖性和構(gòu)造控制，主要可分為潛水和承壓水兩種類(lèi)型，分述如下：

①潛水：主要賦存于第四系沖洪積砂土及新近系強(qiáng)風(fēng)化砂巖層中，第四系潛水主要出露于主壩段洼地一帶，地下水埋深較淺，一般埋深0.20～1.70 m，水位變幅0.30～1.20 m，局部低洼處溢出地表，且向下游排泄不暢通，造成主壩段洼地中出現(xiàn)嚴(yán)重鹽堿化和沼澤化現(xiàn)象。潛水主要接受側(cè)區(qū)東北部和北部高山區(qū)中的基巖裂隙水、孔雀河水及少量大氣降水滲入補(bǔ)給。新近系潛水主要分布在東、西副壩臺(tái)地一帶，地下水賦存于新近系砂巖中，無(wú)承壓性質(zhì)，地下水埋深6.23～14.25 m，水力坡降1‰～2‰，地下水由北東往南西方向緩緩運(yùn)移。

②承壓水：壩址區(qū)承壓水主要分布于主壩段東西兩洼地內(nèi)(即樁號(hào)3+130-3+600；樁號(hào)3+900-7+100段)，承壓含水層分布于透水性較強(qiáng)的新近系砂礫巖層內(nèi)，而隔水層為新近系泥巖層。水庫(kù)建設(shè)前期地質(zhì)勘探時(shí)在主壩壩軸線及壩后共布設(shè)鉆孔28個(gè)，其中明顯揭露有承壓水的鉆孔有9個(gè)，承壓水最大水頭26.29 m，相應(yīng)水頭水位902.70 m。

由承壓水出露高程及分布特征分析，壩址區(qū)承壓含水層厚度有限，隔水層頂板泥巖厚度也不大(多在2.00～3.50 m之間)，加之補(bǔ)給源也有限，因此水頭不是很高，壓力不大，在地形較高處一般不會(huì)溢出地面，在低洼處才顯示一定壓力水頭。

從鉆孔揭露的承壓水水頭和埋深分析，壩址區(qū)承壓水可分為兩層，第一層埋深9.98～14.20 m(高程884.40 m)，該層承壓水涌水量和壓力均較小，分布范圍有限，僅在局部地段分布，且不連續(xù)，展開(kāi)分布；第二層埋深在17.00～25.87 m(高程876.41 m)以下，承壓含水層連續(xù)性相對(duì)較好，泥巖隔水頂板較穩(wěn)定，雖然有些鉆孔在該高程以下未發(fā)現(xiàn)有承壓水現(xiàn)象，這主要是該層承壓水與埋深很淺的潛水混為一體，在各處所表現(xiàn)出壓力不大以及地形變化等所導(dǎo)致。經(jīng)分析，埋深17.00 m 以下承壓含水層在主壩線一帶至庫(kù)盤(pán)內(nèi)有較大面積的分布。在主壩線下游柳樹(shù)泉一帶發(fā)育F1斷層，該斷層為壓性特征，沿主斷面有0.50～2.00 m厚的泥巖構(gòu)造巖，起到一定的阻水作用，使壩址區(qū)和庫(kù)盤(pán)內(nèi)承壓水呈半封閉狀態(tài)賦存，但同時(shí)在斷層帶附近排泄(柳樹(shù)泉)。

該區(qū)承壓水主要接受孔雀河及北部基巖裂隙水補(bǔ)給，根據(jù)水質(zhì)檢測(cè)成果對(duì)比，承壓水水質(zhì)較好，礦化度比地表水及潛水均低，說(shuō)明承壓水補(bǔ)給源為較遠(yuǎn)淡水體，補(bǔ)給徑流途徑較長(zhǎng)，埋藏較淺，水頭值有限。

2.2 壩基防滲深度

防滲深度根據(jù)鉆孔壓水試驗(yàn)、地下水出露深度及水位變幅結(jié)合地層巖性(泥巖相對(duì)隔水層)分布情況綜合確定，其中，西副壩(0+000-2+436)段防滲處理深度為自基巖面始至以下15.10 m處，主壩段(2+436～7+100)防滲處理深度為自基巖面始至以下16.20 m(樁號(hào)6+800-7+100段防滲深度自基巖面始至以下7.50～8.00 m)。東副壩(7+100～7+650)段基巖透水率僅為 0.28～0.38 Lu，透水性很小，可不進(jìn)行防滲處理。

根據(jù)出露地層巖性、巖體透水率等工程地質(zhì)條件，防滲加固措施可采用帷幕灌漿或液壓銑削攪拌水泥土防滲墻等方案，為確保施工質(zhì)量及防滲效果，無(wú)論采取何種防滲加固方案，施工前均需進(jìn)行試驗(yàn)段試驗(yàn)，確定其適宜性，并沿防滲線布設(shè)先導(dǎo)孔，根據(jù)先導(dǎo)鉆探、壓水試驗(yàn)5 Lu線，確定最終防滲深度及進(jìn)一步查明防滲線沿線地層巖性分布情況。

3 壩基防滲試驗(yàn)和技術(shù)方案比較

為保證水庫(kù)基礎(chǔ)防滲處理安全可靠，前期在庫(kù)區(qū)內(nèi)主壩軸線附近選擇較為平坦地段，進(jìn)行了帷幕灌漿和銑削攪拌水泥土防滲墻試驗(yàn)，比較兩者的施工工藝和防滲效果。

3.1 帷幕灌漿試驗(yàn)

帷幕灌漿試驗(yàn)區(qū)布置在主壩軸線上游側(cè)40 m處，同主壩軸線平行，軸線長(zhǎng)36 m，分上、下游兩排，主、副帷幕孔間距1.5 m。副帷幕(上游排)共布置帷幕灌漿孔25個(gè)，其中Ⅰ序孔7個(gè)(含先導(dǎo)孔3個(gè))、Ⅱ序孔6個(gè)、Ⅲ序孔12個(gè)，主帷幕(下游排)共布置帷幕灌漿孔24個(gè)，其中Ⅰ序孔6個(gè)、Ⅱ序孔6個(gè)、Ⅲ序孔12個(gè)。相應(yīng)布置檢查孔4個(gè)、壓水試驗(yàn)孔2個(gè)、植物膠取芯孔2個(gè)。

按照主帷幕排前副帷幕排后的順序施工。在同一排內(nèi)，先施工Ⅰ序孔后施工Ⅱ序孔，再施工III序孔。帷幕灌漿采用“自上而下，孔口封閉，孔內(nèi)循環(huán)灌漿法”。 漿液材料為純水泥漿，水泥采用PO.42.5普通硅酸鹽水泥。帷幕灌漿試驗(yàn)施工工藝順序?yàn)殂@孔、沖洗、壓水、灌漿、灌漿質(zhì)量檢查，灌漿后檢查孔采取自上而下分段鉆進(jìn)，分段阻塞，分段壓水試驗(yàn)，檢測(cè)灌后試區(qū)地層透水率，檢查孔要求采取巖芯。

對(duì)帷幕灌漿試驗(yàn)段防滲墻進(jìn)孔壓水試驗(yàn)，主帷幕單位注灰量約43.11～385.43 kg。在灌漿過(guò)程中，試驗(yàn)區(qū)呈現(xiàn)“吃水不吃漿”現(xiàn)象，即壓水試驗(yàn)巖層透水率很大，但灌漿量很小，灌漿過(guò)程中變漿困難，多以稀漿灌注結(jié)束。巖芯取樣分析說(shuō)明，試驗(yàn)區(qū)巖芯內(nèi)水泥漿液量較少，部分巖芯未見(jiàn)水泥漿液擴(kuò)散痕跡，灌漿后漿液影響范圍小，檢查孔的透水率大于5 Lu，試驗(yàn)區(qū)帷幕灌漿的灌漿效果較差。

以上分析說(shuō)明，帷幕灌漿防滲方案在該地層中雖起到了一定的效果，但未達(dá)到設(shè)計(jì)要求的防滲效果，帷幕灌漿施工工藝不適應(yīng)本工程地質(zhì)條件下的防滲處理。為保證希尼爾水庫(kù)防滲效果，根據(jù)試驗(yàn)段施工情況，建議選用其他壩基防滲方案。

3.2 銑削攪拌水泥土防滲墻試驗(yàn)

液壓銑削攪拌水泥土防滲墻工法(CSM工法)又稱(chēng)雙輪銑深層攪拌技術(shù)[1]，具有成樁質(zhì)量好、施工場(chǎng)地靈活、環(huán)境影響小、施工周期短等優(yōu)點(diǎn)[2]，可以應(yīng)用到更為復(fù)雜的地質(zhì)條件中[3]，最大成墻深度55 m[4]。

希尼爾水庫(kù)除險(xiǎn)加固基礎(chǔ)處理中，利用雙輪銑槽機(jī)設(shè)備開(kāi)展了銑削攪拌水泥土防滲墻試驗(yàn)。銑削攪拌水泥土防滲墻試驗(yàn)布置在帷幕灌漿試驗(yàn)區(qū)北側(cè)20 m處，同主壩軸線平行，防滲墻厚0.7 m，幅長(zhǎng)2.8 m，搭接0.2 m。選取13%、15%和18%三種水泥摻量進(jìn)行成墻施工試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 銑削攪拌水泥土防滲墻試驗(yàn)巖芯取樣抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

從表1中水泥土試件和墻體芯樣抗壓強(qiáng)度及滲透系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，隨著水泥摻量的增加試驗(yàn)墻體滲透系數(shù)遞減規(guī)律明顯，在水泥摻量為15%的情況下墻體滿足以下設(shè)計(jì)指標(biāo)：(1)滲透系數(shù)均<10-5cm/s；(2)抗壓強(qiáng)度≥1.0 MPa。

銑削攪拌水泥土防滲墻方案施工速度快，施工質(zhì)量有保證，檢測(cè)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，因此，該施工工藝適應(yīng)本工程地質(zhì)條件下的防滲處理。

3.3 壩基防滲技術(shù)方案比較

除了上述帷幕灌漿和銑削攪拌水泥土防滲墻外，復(fù)合土工膜也是常見(jiàn)的基礎(chǔ)防滲處理形式，由于復(fù)合土工膜具有抗撕裂、防滲漏、耐久度高以及延展性好等優(yōu)勢(shì)，逐步在水庫(kù)工程除險(xiǎn)加固中得到了廣泛應(yīng)用[5]。

近年來(lái)，水泥土攪拌樁成墻技術(shù)在軟基處理、邊坡防護(hù)及水利水電工程滲水層處理中得到廣泛應(yīng)用。水泥土攪拌樁是用水泥或水泥漿作為膠凝材料，通過(guò)特制的施工機(jī)械在地基深處就地將松散土層與注入的水泥一起攪拌，經(jīng)物理化學(xué)反應(yīng)結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)性和一定強(qiáng)度的水泥土樁[6]。

本文選取復(fù)合土工膜、帷幕灌漿、銑削攪拌水泥土防滲墻和水泥土攪拌樁防滲墻四種形式，分別從壩基適應(yīng)性、施工難易程度、防滲處理效果等三個(gè)技術(shù)層面，對(duì)基礎(chǔ)處理進(jìn)行比較，見(jiàn)表2。

表2 希尼爾水庫(kù)除險(xiǎn)加固基礎(chǔ)處理措施比較

從表2可以看出，從壩基地層適應(yīng)性、施工難度和防滲效果綜合來(lái)看，希尼爾水庫(kù)除險(xiǎn)加固采取銑削攪拌水泥土防滲墻和水泥土攪拌樁防滲墻處理技術(shù)均能滿足規(guī)范要求，但需要進(jìn)一步進(jìn)行經(jīng)濟(jì)合理性論證，最終選取施工簡(jiǎn)易、防滲效果好、經(jīng)濟(jì)合理的基礎(chǔ)防滲處理方案。

4 結(jié) 論

(1)帷幕灌漿試驗(yàn)表明，試驗(yàn)區(qū)巖芯內(nèi)水泥漿液量較少，部分巖芯未見(jiàn)水泥漿液擴(kuò)散痕跡，試驗(yàn)區(qū)帷幕灌漿的效果較差。

(2)銑削攪拌水泥土防滲墻試驗(yàn)表明，隨著水泥摻量的增加試驗(yàn)墻體滲透系數(shù)遞減規(guī)律明顯，在水泥摻量為15%的情況下，墻體滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

(3)從壩基地層適應(yīng)性、施工難度和防滲效果綜合來(lái)看，采取銑削攪拌水泥土防滲墻和水泥土攪拌樁防滲墻處理技術(shù)均能滿足規(guī)范要求，但需要進(jìn)一步進(jìn)行經(jīng)濟(jì)合理性論證。