希尼尔水库坝基地层特性及其防渗处理技术研究

翟福春，周海鹰，张 娜，夏卫华，雷进东

(1.新疆塔里木河流域管理局，新疆 库尔勒 841000;2.新疆水利管理总站，新疆 乌鲁木齐 830000; 3.新疆昌吉方汇水电设计有限公司，新疆 昌吉 831100)

1 工程概况

希尼尔水库是一座以灌溉为主的注入式反调节的平原水库。水库大坝为砂砾石坝，坝顶宽度6 m，上游坝坡坡比1∶2.5，下游坝坡坡比1∶2。大坝坝长7.650 km，包括主坝4.664 km及副坝2.986 km，坝顶高程916.5 m。水库总库容9800万m3，死库容1000万m3，正常蓄水位库水面积16.67 km2，水库引、放水建筑物设计流量分别为30 m3/s和45 m3/s。水库建成于2005年，坝基防渗采取垂直防渗与水平防渗相组合的形式，主要防渗形式采用0.75 mm PE复合膜。水库蓄水后，根据大坝监测和调查，大部分坝基存在渗漏问题，部分坝段坝后排水沟内出现管涌冒砂现象。因坝基渗水严重，水库最大蓄水量仅为7000万m3，常蓄水量不到4000万m3。

对大坝坝基进一步工程地勘发现，大坝0+000～7+100坝段坝基防渗深度均在10.0～15.0 m 之间，透水率在10～30 Lu之间，防渗深度不够，未达到现行规范要求5 Lu线，导致坝基渗水。分析其原因，一方面，坝基防渗施工时，垂直铺塑及塑性混凝土防渗墙均在透水性较大的基岩中开挖成槽，然后埋入复合土工膜进行坝基防渗，地下基岩窄槽开挖至5 Lu线施工难度较大，防渗深度浅，不能满足设计要求；另一方面，坝基防渗槽的开挖难度很大，为了在地下基岩中成槽，施工时使用了很多非常规的施工方法，甚至还采用了小药量爆破，但部分坝段基岩的成槽效果未达到设计标准。

结合希尼尔水库坝基地质条件和特性，采取适宜的防渗处理技术，对于确保水库安全运行是十分重要的。

2 工程地质特性及防渗处理深度

2.1 坝基工程地质特性

希尼尔水库位于库鲁克塔格山前剥蚀平原区，库坝区出露地层主要为第四系冲洪积物和新近系沉积物，新近系地层为一套河湖相沉积的泥岩与砂岩类，并夹砂砾岩，该套地层呈互层状分布，岩层呈水平状。根据地质勘探及土工试验，水库坝基主要工程地质特性体现在以下三个方面。

(1)地层岩性变化及分布较复杂、岩体属极软岩。水库坝基基岩岩性为新近系泥岩、砂岩及砾岩，其中西坝段坝基主要以砂岩为主，局部夹薄层泥岩、砾岩；主坝段以泥岩、砂岩互层为主，局部分布有砾岩，泥岩及砂岩出露高程变化较大，呈交互沉积，层位不连续，层厚差异大；东副坝基岩性以泥岩为主，局部夹薄层砂岩、砾岩层。

根据岩体试验，坝基泥岩干燥状态下抗压强度在1.24～4.35 MPa，饱和状态下抗压强度在0.022～0.67 MPa；砂岩干燥状态下抗压强度在1.10～4.50 MPa，均属极软岩。

(2)基岩透水率变化较大，总体呈上大下小趋势。依据钻孔压水试验结果，坝基岩体透水率情况分述如下：

①西副坝(0+000-2+436)：15.10 m以上基岩面岩体为中等透水层，透水率通常超过5.00 Lu，最高达到27.80 Lu；15.10 m以下基岩面岩体为弱透水层，透水率小于5.00 Lu。

②主坝段(2+436-7+100)：16.20 m以上基岩面岩体为中或强透水层，透水率多超过5.00 Lu，最高达到96.88 Lu；16.20 m以下基岩面为弱透水层，透水率为0.17～4.80 Lu。

③东副坝(7+100-7+650)：5.00 m以下基岩面岩体为透水率为 0.28～0.38 Lu，透水性甚微。

(3)坝址区水文地质条件较复杂。库坝区地下水受地层岩性和构造控制，主要可分为潜水和承压水两种类型，分述如下：

①潜水：主要赋存于第四系冲洪积砂土及新近系强风化砂岩层中，第四系潜水主要出露于主坝段洼地一带，地下水埋深较浅，一般埋深0.20～1.70 m，水位变幅0.30～1.20 m，局部低洼处溢出地表，且向下游排泄不畅通，造成主坝段洼地中出现严重盐碱化和沼泽化现象。潜水主要接受侧区东北部和北部高山区中的基岩裂隙水、孔雀河水及少量大气降水渗入补给。新近系潜水主要分布在东、西副坝台地一带，地下水赋存于新近系砂岩中，无承压性质，地下水埋深6.23～14.25 m，水力坡降1‰～2‰，地下水由北东往南西方向缓缓运移。

②承压水：坝址区承压水主要分布于主坝段东西两洼地内(即桩号3+130-3+600；桩号3+900-7+100段)，承压含水层分布于透水性较强的新近系砂砾岩层内，而隔水层为新近系泥岩层。水库建设前期地质勘探时在主坝坝轴线及坝后共布设钻孔28个，其中明显揭露有承压水的钻孔有9个，承压水最大水头26.29 m，相应水头水位902.70 m。

由承压水出露高程及分布特征分析，坝址区承压含水层厚度有限，隔水层顶板泥岩厚度也不大(多在2.00～3.50 m之间)，加之补给源也有限，因此水头不是很高，压力不大，在地形较高处一般不会溢出地面，在低洼处才显示一定压力水头。

从钻孔揭露的承压水水头和埋深分析，坝址区承压水可分为两层，第一层埋深9.98～14.20 m(高程884.40 m)，该层承压水涌水量和压力均较小，分布范围有限，仅在局部地段分布，且不连续，展开分布；第二层埋深在17.00～25.87 m(高程876.41 m)以下，承压含水层连续性相对较好，泥岩隔水顶板较稳定，虽然有些钻孔在该高程以下未发现有承压水现象，这主要是该层承压水与埋深很浅的潜水混为一体，在各处所表现出压力不大以及地形变化等所导致。经分析，埋深17.00 m 以下承压含水层在主坝线一带至库盘内有较大面积的分布。在主坝线下游柳树泉一带发育F1断层，该断层为压性特征，沿主断面有0.50～2.00 m厚的泥岩构造岩，起到一定的阻水作用，使坝址区和库盘内承压水呈半封闭状态赋存，但同时在断层带附近排泄(柳树泉)。

该区承压水主要接受孔雀河及北部基岩裂隙水补给，根据水质检测成果对比，承压水水质较好，矿化度比地表水及潜水均低，说明承压水补给源为较远淡水体，补给径流途径较长，埋藏较浅，水头值有限。

2.2 坝基防渗深度

防渗深度根据钻孔压水试验、地下水出露深度及水位变幅结合地层岩性(泥岩相对隔水层)分布情况综合确定，其中，西副坝(0+000-2+436)段防渗处理深度为自基岩面始至以下15.10 m处，主坝段(2+436～7+100)防渗处理深度为自基岩面始至以下16.20 m(桩号6+800-7+100段防渗深度自基岩面始至以下7.50～8.00 m)。东副坝(7+100～7+650)段基岩透水率仅为 0.28～0.38 Lu，透水性很小，可不进行防渗处理。

根据出露地层岩性、岩体透水率等工程地质条件，防渗加固措施可采用帷幕灌浆或液压铣削搅拌水泥土防渗墙等方案，为确保施工质量及防渗效果，无论采取何种防渗加固方案，施工前均需进行试验段试验，确定其适宜性，并沿防渗线布设先导孔，根据先导钻探、压水试验5 Lu线，确定最终防渗深度及进一步查明防渗线沿线地层岩性分布情况。

3 坝基防渗试验和技术方案比较

为保证水库基础防渗处理安全可靠，前期在库区内主坝轴线附近选择较为平坦地段，进行了帷幕灌浆和铣削搅拌水泥土防渗墙试验，比较两者的施工工艺和防渗效果。

3.1 帷幕灌浆试验

帷幕灌浆试验区布置在主坝轴线上游侧40 m处，同主坝轴线平行，轴线长36 m，分上、下游两排，主、副帷幕孔间距1.5 m。副帷幕(上游排)共布置帷幕灌浆孔25个，其中Ⅰ序孔7个(含先导孔3个)、Ⅱ序孔6个、Ⅲ序孔12个，主帷幕(下游排)共布置帷幕灌浆孔24个，其中Ⅰ序孔6个、Ⅱ序孔6个、Ⅲ序孔12个。相应布置检查孔4个、压水试验孔2个、植物胶取芯孔2个。

按照主帷幕排前副帷幕排后的顺序施工。在同一排内，先施工Ⅰ序孔后施工Ⅱ序孔，再施工III序孔。帷幕灌浆采用“自上而下，孔口封闭，孔内循环灌浆法”。 浆液材料为纯水泥浆，水泥采用PO.42.5普通硅酸盐水泥。帷幕灌浆试验施工工艺顺序为钻孔、冲洗、压水、灌浆、灌浆质量检查，灌浆后检查孔采取自上而下分段钻进，分段阻塞，分段压水试验，检测灌后试区地层透水率，检查孔要求采取岩芯。

对帷幕灌浆试验段防渗墙进孔压水试验，主帷幕单位注灰量约43.11～385.43 kg。在灌浆过程中，试验区呈现“吃水不吃浆”现象，即压水试验岩层透水率很大，但灌浆量很小，灌浆过程中变浆困难，多以稀浆灌注结束。岩芯取样分析说明，试验区岩芯内水泥浆液量较少，部分岩芯未见水泥浆液扩散痕迹，灌浆后浆液影响范围小，检查孔的透水率大于5 Lu，试验区帷幕灌浆的灌浆效果较差。

以上分析说明，帷幕灌浆防渗方案在该地层中虽起到了一定的效果，但未达到设计要求的防渗效果，帷幕灌浆施工工艺不适应本工程地质条件下的防渗处理。为保证希尼尔水库防渗效果，根据试验段施工情况，建议选用其他坝基防渗方案。

3.2 铣削搅拌水泥土防渗墙试验

液压铣削搅拌水泥土防渗墙工法(CSM工法)又称双轮铣深层搅拌技术[1]，具有成桩质量好、施工场地灵活、环境影响小、施工周期短等优点[2]，可以应用到更为复杂的地质条件中[3]，最大成墙深度55 m[4]。

希尼尔水库除险加固基础处理中，利用双轮铣槽机设备开展了铣削搅拌水泥土防渗墙试验。铣削搅拌水泥土防渗墙试验布置在帷幕灌浆试验区北侧20 m处，同主坝轴线平行，防渗墙厚0.7 m，幅长2.8 m，搭接0.2 m。选取13%、15%和18%三种水泥掺量进行成墙施工试验，结果见表1。

表1 铣削搅拌水泥土防渗墙试验岩芯取样抗压强度和渗透系数试验结果

从表1中水泥土试件和墙体芯样抗压强度及渗透系数试验数据可以看出，随着水泥掺量的增加试验墙体渗透系数递减规律明显，在水泥掺量为15%的情况下墙体满足以下设计指标：(1)渗透系数均<10-5cm/s；(2)抗压强度≥1.0 MPa。

铣削搅拌水泥土防渗墙方案施工速度快，施工质量有保证，检测指标满足设计要求，因此，该施工工艺适应本工程地质条件下的防渗处理。

3.3 坝基防渗技术方案比较

除了上述帷幕灌浆和铣削搅拌水泥土防渗墙外，复合土工膜也是常见的基础防渗处理形式，由于复合土工膜具有抗撕裂、防渗漏、耐久度高以及延展性好等优势，逐步在水库工程除险加固中得到了广泛应用[5]。

近年来，水泥土搅拌桩成墙技术在软基处理、边坡防护及水利水电工程渗水层处理中得到广泛应用。水泥土搅拌桩是用水泥或水泥浆作为胶凝材料，通过特制的施工机械在地基深处就地将松散土层与注入的水泥一起搅拌，经物理化学反应结成具有整体性、水稳性和一定强度的水泥土桩[6]。

本文选取复合土工膜、帷幕灌浆、铣削搅拌水泥土防渗墙和水泥土搅拌桩防渗墙四种形式，分别从坝基适应性、施工难易程度、防渗处理效果等三个技术层面，对基础处理进行比较，见表2。

表2 希尼尔水库除险加固基础处理措施比较

从表2可以看出，从坝基地层适应性、施工难度和防渗效果综合来看，希尼尔水库除险加固采取铣削搅拌水泥土防渗墙和水泥土搅拌桩防渗墙处理技术均能满足规范要求，但需要进一步进行经济合理性论证，最终选取施工简易、防渗效果好、经济合理的基础防渗处理方案。

4 结 论

(1)帷幕灌浆试验表明，试验区岩芯内水泥浆液量较少，部分岩芯未见水泥浆液扩散痕迹，试验区帷幕灌浆的效果较差。

(2)铣削搅拌水泥土防渗墙试验表明，随着水泥掺量的增加试验墙体渗透系数递减规律明显，在水泥掺量为15%的情况下，墙体满足设计指标。

(3)从坝基地层适应性、施工难度和防渗效果综合来看，采取铣削搅拌水泥土防渗墙和水泥土搅拌桩防渗墙处理技术均能满足规范要求，但需要进一步进行经济合理性论证。