魏光辉,何玉春,王 勇

(新疆塔里木河流域希尼尔水库管理局,新疆 库尔勒 841000)

1 工程概述

希尼尔水库位于新疆尉犁县境内,是塔里木河流域近期综合治理工程之一,地理坐标为86°13′～86°18′E,41°33′～41°38′N。水库是从孔雀河第一分水枢纽引水,经库塔干渠总干渠输水的注入式大(2)型平原水库。水库以农业灌溉为主,兼顾下游生态输水、水产养殖与旅游等功能。一期设计库容为0.98×108m3,相应设计水位为913.6m,最大坝高20m,水面面积16.74km2,死库容为0.1×108m3,死水位905.8m,相应水面面积5.9km2。

希尼尔水库工程包括:主、副坝、引水闸、引水渠、放水闸、分水闸、放水渠及附属设施等。坝体为土工膜斜墙防渗碾压式土石坝,坝顶宽6m,坝长7 650m,上游坝坡1∶2.5,下游坝坡1∶2;坝体防渗采取斜铺复合膜(两布一膜)结构,其中膜厚0.75mm,无纺布规格为200g/m2;坝上游护坡设计为混凝土板(C30W8F300)护坡,混凝土板厚15～22cm。坝基防渗,根据地质情况的不同,分别采取PE塑膜、塑性混凝土防渗墙、水泥土搅拌桩防渗墙三种不同形式。

2 坝基地质条件

2.1 主坝段坝基地质条件

主坝段地形平坦开阔,主要为第三系小台地和第四系洼地组成。第三系小台地位于主坝2+436～3+300m和3+700～4+100m之间,地形有些起伏,地表20cm厚为第四系洪积及残积砂砾石层,其下为第三系砂岩,砂砾岩及泥岩,强风化层厚4～8m,地下11m以上的砂岩透水率为9.26～16.93Lu,属中等透水地层。在4.5～5.5m和11～16m之间有两层泥岩不连续分布,属弱透水地层。第四系洼地有两段,分别位于3+300～3+700m和4+100～7+100m之间,地形平坦开阔,两洼地上部多为第四系冲洪积亚砂土夹亚粘土,局部为风积砂,厚1.3～4.2m,结构疏松,其下均为第三系砂岩泥岩互层,该段强风化层厚5～8m,在西侧洼地3+550～3+650m和东侧洼地5+400～6+050m之间16m以上无泥岩分布,透水性较强,其它坝段在埋深5～15m之间均有不同层厚的泥岩,粉砂质泥岩,泥质粉砂岩分布,较密实,可作为相对隔水层。

主坝段地下水位较高,特别是在第四系洼地坝段,地下水位埋深一般在0.7～1.7m之间,局部溢出地表。另外,在14m深度以下有承压水分布,特别是19m以下承压水具有一定的水头和压力,防渗时不要破坏其隔水顶板,以免承压水出露破坏坝基稳定。

2.2 副坝地质条件

(1)西副坝地质条件。西副坝主要为第三系地层构成的台地。上部有0.5～2.0m厚的第四系洪积砂砾石,其下为第三系含砾中粗砂岩,中细砂岩,局部夹泥岩。强风化层厚4～6m,5m以上属强透水带,5～20m属中等透水带,无理想隔水底板。地下水埋深8.6～13.5m,由北向南水位逐渐降低,无承压性质,属第三系地层潜水。

(2)东副坝地质条件。东副坝位于第三系地层平台上,地形平坦开阔,无任何植被。表部有0.4m左右厚的砂砾石,其下均为第三系泥岩夹砂岩,强风化层厚4～5m,在地面1～3m深度以下分布一层厚度较大(约3m)且连续较好的第三系泥岩层,透水性微弱或不透水,可作为相对不透水层。

该坝段地下水位埋深较大,一般都大于10m。

3 坝基清基设计

3.1 主坝坝基清基设计

3.1.1 原设计主坝坝基清基设计

主坝第三系台地坝段,第三系砂岩、泥岩直接出露,表层沙岩、泥岩风化强烈,孔隙率较大,遇水后软化,作为坝基不易压实,而又易形成软弱面,因此设计清除表层1～2m厚的第三系砂岩、泥岩,达到较为密实的砂岩泥岩层。

主坝第四系洼地坝段:地表为第四系沉积物覆盖,下卧第三系砂岩、泥岩。第四系沉积物为第四系冲洪积亚砂土夹亚粘土,干容重低,孔隙比大(为0.52～1.67),较高压缩系数,较低压缩模量,属中-高压缩性土,同时该土层含盐量较高,1m以上含盐量为4.35%～19.42%,特别是表层0.2～0.3m,最高可达32.1%。但洼地坝段地下水位较高,清基施工较困难,考虑利用一部分第四系地层作为坝基,设计利用埋深在3m以下的第四系地层,因此设计清基为:第四系地层厚度小于3m的坝段设计全部清除第四系覆盖层,大于3m的坝段设计清基深度3.0m。

3.1.2 优化设计后主坝坝基清基设计

主坝第三系台地坝段,清基设计与原设计相同,第三系砂岩、泥岩直接出露,表层沙岩、泥岩风化强烈,孔隙率较大,遇水后软化,作为坝基不易压实,而又易形成软弱面,因此设计清除表层1～2m厚的第三系砂岩、泥岩,达到较为密实的砂岩泥岩层。

主坝第四系洼地坝段,根据补充地质勘察结果,3m以下的第四系覆盖层的亚砂土夹亚粘土,干容重也低,孔隙比大(为0.5～0.9),较高压缩系数,较低压缩模量,属中-高压缩性土,对大坝安全极为不利。因此设计全部清除第四系覆盖层,清基深度在1.3～5.0m。

3.2 副坝坝基清基设计

副坝清基优化设计与原设计相同,西副坝主要为第三系台地构成,其表层大部分为第四系洪积砂砾石层,厚度0.5～2.0m,其表层0.5m厚含盐量较高,为3.17%；另外,局部坝段第三系砂岩、泥岩直接出露。表面风化强烈,呈散砂状。因此,设计西副坝清基深度:第三系地层直接出露的坝段设计清基深度1～2m,第四系洪积砂砾石层覆盖的坝段,设计清基深度1m。东副坝处于第三系平台上,表层为第四系洪积砂砾石层,厚约0.4m,其下均为第三系泥岩夹砂岩,设计清除表层0.4m厚的砂砾石层,把第三系地层作为坝基。

4 坝基防渗设计

4.1 坝基防渗深度设计

根据坝基地质条件、实际施工的难易程度和补充地质勘察结果,优化坝基防渗深度方案,即垂直防渗与水平防渗相结合的防渗方案。优化设计方案和原设计方案的具体设计如下:

(1)原设计方案。对于主坝和东副坝,在地层16m以上有泥岩连续分布,并且泥岩层厚大于2m,这层泥岩的渗透系数为10-6cm/s,属微弱透水性地层,能够很好地起到隔水作用,把泥岩层作为相对不透水层,设计垂直防渗深度达到此层泥岩。在地层16m以上无泥岩分布的坝段,大致在5+400～6+125m坝段,防渗处理深度较难达到弱透水层。但又据钻孔ZK43揭露,埋深16m以下的砂岩透水率在0.8Lu,而其上层砂岩透水率为10.34Lu,证明埋深16m以下的砂岩相对上层砂岩密实。把此层砂岩作为隔水底板,设计防渗深度达到此层弱透水性砂岩,设计防渗最大深度15.5m(从清基面算起)。

对于西副坝,坐落于第三系台地上,坝基为第三系地层,地面高程907～916.5m,据钻孔揭露,基本上都为第三系砂岩,局部坝段透镜状分布些泥岩层,钻孔30m砂岩层都未见底。砂岩表部强风化层厚5～8m,此强风化砂岩层结构松散,透水率较大,其下部砂岩逐渐密实,透水率逐渐降低，但都是透水地层,没有相对不透水的隔水底板,因此防渗深度不能达到相对不透水层,设计为倒挂式防渗体结构,设计垂直防渗深度达到强弱岩层风化分界线,尽量降低坝基渗漏量和满足坝基渗流稳定的要求即可。

(2)优化设计方案。根据地质报告,全坝段强风化岩层厚度一般为4～8m,确定垂直防渗截断强风化岩层,设计垂直防渗深度一般为6m,有泥岩分布,且泥岩层厚大于2m,埋深小于6m时,防渗体达到此层泥岩即可；为了满足坝基渗透稳定和减少渗漏量,设计水平铺盖与垂直防渗连为一整体,根据各坝段的具体地质条件,设计水平铺盖长度不同,各坝段的水平铺盖长度见表1。

4.2 渗流计算

计算方法。参考《水工设计手册》第15节渗流计算中“透水地基上有铺盖的土坝渗流”及“渗透水地基上有截水墙的土坝渗流”,对于本工程,坝基两种防渗方案分别简化为以下两种形式计算:

原设计方案简化为:垂直防渗折算为水平铺盖,按水平铺盖和坝体斜墙防渗的情况计算。

优化设计方案简化为:垂直防渗折算为水平铺盖、并加上水平铺盖,按水平铺盖和坝体斜墙防渗的情况计算。

计算过程:先把垂直防渗折算为等效的水平铺盖长度,然后用毛昶熙提出的铺盖与斜墙联合防渗的土坝渗流计算。

优化设计方案计算结果见表1。

表1 优化设计方案防渗计算结果

5 坝基防渗结构设计

5.1 原设计防渗结构设计

原设计防渗型式选择。0+000～0+800m坝段,设计防渗深度较浅,防渗层基本上为砂岩,采取垂直铺设塑膜防渗型式,0+800～2+436m坝段,设计防渗深度深,且又处于重点防渗坝段,采取板桩灌注防渗墙型式。

2+436～2+850m坝段,坝基设计防渗深度10～11.5m,设计防渗深度达到第一层连续分布的泥岩层；并嵌入泥岩层0.5m。在此层泥岩层以上,有一层不连续分布的泥岩,但该层泥岩较薄,呈透镜体状分布,其余均为砂岩、砾质砂岩,此段设计为板桩灌注防渗墙型式。板桩在砂岩层中成槽相对较容易,泥岩层较薄,板桩成槽也将比垂直铺膜机容易,又与西副坝相邻段的防渗型式相同,便于连接。

2+850～5+050m坝段,坝基设计防渗深度为3.5～11.5m,其中大部分坝段防渗深度在7m左右,只有少部分坝段,即4+550～4+675m坝段,防渗深度在10～11.5m间。此坝段设计防渗深度基本上达到第一层泥岩,除4+550～4+750m坝段设计防渗深度以上有一厚约5m的透镜状泥岩分布外,其设计防渗深度以上均为砂岩和砾质砂岩,开槽成孔相对较容易,因此设计此段防渗型式为垂直铺膜防渗。对此段局部防渗层中有泥岩分布的坝段,即4+550～4+750m坝段,因为较短,采用特别的开槽方式进行垂直铺膜即可。

5+050～6+025m坝段,坝基设计防渗深度为11～15.5m,设计防渗深度较深,此坝段基本上无泥岩分布,如采用垂直铺膜防渗,施工极为困难,铺膜的质量也难以保证。因此,此段设计为板桩灌注防渗墙型式,对于砂岩地层,板桩成槽也将容易,灌注墙也易形成扩散墙,成墙质量较好。

6+025～7+100m坝段,坝基设计防渗深度为3.0～10.5m,大部分坝段设计防渗深度都在6.0m左右,只有极短的坝段防渗深度达到10.5m。此坝段设计防渗深度基本上达到第一层泥岩,在防渗层内基本上无泥岩分布,此段地质条件相对较好,设计为垂直铺膜防渗型式。

东副坝坝基地质条件好,且防渗深度浅,采取垂直塑膜防渗型式即可满足要求。

5.2 优化设计方案防渗结构设计

优化设计方案的垂直防渗深度一般为6m,采取与水平铺盖相结合的防渗形式。

垂直防渗设计为在坝基面上开槽,在直槽内铺设PE膜,并在槽内回填粘土及原位土的结构,即在台地坝段,槽下部4m为直槽,槽宽1m,上部2m为梯形槽,槽底宽3m,边坡为1∶1；在洼地坝段,槽下部4m为梯形槽,底宽1m,口宽2m，上部2m为剃形槽,槽底宽5m,边坡为1∶1。防渗体PE膜厚0.5mm,膜铺设于下游侧,为防止开槽面不平整而破坏PE膜,在槽壁面上先铺一层无纺布进行保护,设计无纺布规格为200g/m2,PE膜的连接与坝体防渗体连接相同，然后在下部槽段回填粘土,在上部槽段回填原位土。

水平铺盖防渗结构为:在第三系台地坝段,平整坝前地面,清除地面杂物；在第四系洼地坝段,第四系地层中富含植物根系,清除坝前地表的第四系覆盖物,达到第三系地层,并平整地面,然后在平整的地面上铺设复合膜,复合膜的结构为:PE膜厚0.75mm,两侧无纺布规格为200g/m2,复合膜的连接与坝体防渗体连接相同,水平铺盖防渗膜要与坝体防渗膜、坝基垂直防渗膜连接为一封闭的整体，最后在复合膜上回填1.5m厚的砂土进行保护。

5.3 坝基防渗方案比较

根据以上的坝基防渗方案设计,原设计方案为:坝基垂直防渗,防渗深度5～16m,采取垂直铺设PE膜和板桩灌注防渗墙形式防渗；优化设计方案为:坝基垂直防渗与水平防渗相结合,垂直防渗深度一般为6m,水平铺盖长为8～20m,采取明挖直槽,并在槽内铺设PE膜进行防渗。对两种方案从工程投资、防渗效果、施工条件等方面进行比较选择。

(1)工程投资比较。两方案的工程投资比较结果见表2。

表2 两方案的工程投资比较

(2)防渗效果比较。根据坝基防渗渗流计算结果,两方案各坝段的平均渗透坡降都大致相当,都小于0.12,根据地质报告,坝基允许渗透坡降为0.4,坝基平均渗透坡降小于允许渗透坡降,因此,坝基渗流稳定。原方案的年渗漏量为188.41×104m3,优化方案的年渗漏量为178.11×104m3,两方案的年渗漏量也相差不大。因此,两方案的防渗效果比较接近。

(3)施工条件比较。原设计方案的垂直铺膜机垂直铺设PE膜防渗的施工条件要求坝基为较软的地层,主要为第四系地层,而本工程坝基为第三系地层,第三系泥岩、砂岩处于风化强烈的地层较软弱,但比第四系地层密实坚硬,另外,设计防渗PE膜厚0.5mm,较一般垂直铺膜厚,对开槽机的要求高,需要改装常规的垂直铺膜机。原设计方案的板桩灌注防渗墙也比较适合较松散的第四系地层,对第三系地层,板桩成槽困难,需要改装板桩成槽机械设备。此两种防渗形式对第三系地层都缺乏施工经验,无工程实例。另外,此两种方法都处于地下施工,施工过程中对质量难以控制。

优化设计方案采取明挖槽,在槽内铺设PE膜进行防渗。在台地坝段,无地下水的影响,开槽采用挖掘机即可,成槽容易；在洼地坝段,要受地下水的影响,成槽要采取机坑排水,采取井点排水,分别在防渗槽的两侧布设井点排水,保证坝基在干燥的条件下开挖,以便成槽；铺设防渗膜采用人工,施工方法都采取常规的方法,施工简单易行,而且明挖槽施工,对防渗体的施工质量容易控制。

6 结束语

综上所述,根据以上坝基防渗方案比较结果,原设计方案对于第三系地层缺乏施工经验,而且施工质量难以控制,工程投资又比优化方案大,在防渗效果上两方案相差不大,优化设计方案具有施工方法简单易行,施工质量容易控制的优点,因此最后选择优化方案作为坝基防渗方案。