秦鵬飛，鄭亞平

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038）

新疆下坂地水利樞紐工程深厚覆蓋層防滲技術(shù)

秦鵬飛1，2，鄭亞平1

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038）

新疆下坂地水利樞紐工程是國家和新疆維吾爾自治區(qū)的重點建設(shè)項目，壩址砂礫石土覆蓋層厚達(dá)150 m，土性成因復(fù)雜多樣，工程地質(zhì)條件復(fù)雜，防滲難度國內(nèi)外罕見。通過對深厚覆蓋層地質(zhì)資料的研究分析，提出“上墻下幕”垂直防滲方案，即上部采取80 m深、1.0 m厚的塑性混凝土防滲墻，下接70 m深的灌漿帷幕。水庫蓄水后對防滲墻的撓度、應(yīng)力應(yīng)變及壩基滲流情況進(jìn)行了監(jiān)測分析，發(fā)現(xiàn)大壩防滲系統(tǒng)在初蓄期間工作性態(tài)良好，“上墻下幕”垂直防滲結(jié)構(gòu)在深厚砂礫石覆蓋層中發(fā)揮了理想的防滲效果。新疆下坂地水利樞紐工程深厚砂礫石土覆蓋層“上墻下幕”垂直防滲技術(shù)的成功應(yīng)用，為我國西南、西北山區(qū)同類大壩的興建積累了寶貴的經(jīng)驗，為推動砂礫石土地基筑壩技術(shù)的發(fā)展提供了重要的參考和借鑒。

新疆下坂地；砂礫石土；深厚覆蓋層；垂直防滲技術(shù)

1 研究背景

新疆下坂地水利樞紐工程是2001年國務(wù)院批準(zhǔn)的《塔里木河流域近期綜合治理規(guī)劃》中唯一的山區(qū)水利樞紐工程，是國家和新疆維吾爾自治區(qū)重點建設(shè)項目［1-2］。工程位于帕米爾高原塔里木河水系葉爾羌河支流塔什庫爾干河的中下游，是一項以生態(tài)補(bǔ)水和春旱供水為主，并同時結(jié)合發(fā)電的綜合性Ⅱ等大型工程。水庫正常擋水位2960 m，總庫容8.67億m3，電站總裝機(jī)150 MW［3-5］。

下坂地水利樞紐工程的興建，可以替代塔河下游16座平原水庫的蓄水能力，同時能滿足葉爾羌河向塔里木河多年的輸水量，使被灌農(nóng)區(qū)擴(kuò)大十幾倍，而且還能緩解喀什和克州等地的嚴(yán)重缺電問題，對促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、邊疆政治安定和社會穩(wěn)固都具有十分重要的意義［6］。

2 工程地質(zhì)條件

下坂地水利樞紐工程建設(shè)區(qū)域具有地理海拔高、地震烈度大、覆蓋層深厚等國內(nèi)外罕見的地質(zhì)難題。下坂地壩址河床覆蓋層厚達(dá)150 m，其巖性成因復(fù)雜多樣，工程地質(zhì)條件復(fù)雜。地質(zhì)勘探表明，下坂地壩址區(qū)深厚覆蓋層由上至下可劃分為五層［7］，其分別為：

②湖積淤泥質(zhì)土及軟黏土（Q4l）：為全新世早期與中期“堰寒湖”的產(chǎn)物，按空間結(jié)構(gòu)分上下兩層，中間夾一層砂礫石組成。分布于壩軸線上游120 m處至庫區(qū)。

圖1 新疆下坂地水利樞紐工程壩基地質(zhì)剖面圖

河床深厚覆蓋層壩址區(qū)的工程地質(zhì)問題［8］是：①在工程荷載作用下河床深厚覆蓋層差異沉降；②河床深厚覆蓋層壩基滲漏、滲透變形；③河床深厚覆蓋層地震液化；④軟土強(qiáng)度及穩(wěn)定問題等。本工程的地質(zhì)問題是第②個問題。

3 垂直防滲方案

綜合考慮壩基地質(zhì)條件、施工技術(shù)水平及經(jīng)濟(jì)性等因素的影響，針對150多m的深厚砂礫石覆蓋層，現(xiàn)場采取了“上墻下幕”的垂直防滲方案［9-10］。上部為80 m深、1.0 m厚的塑性混凝土防滲墻，防滲墻的下部接3排70 m深的灌漿帷幕。防滲墻施工前，沿墻軸線方向，在距墻軸線2.5 m的上、下游各布置一排鉆孔，孔距2.5 m，埋設(shè)70 m灌漿管；防滲墻施工時，在墻內(nèi)預(yù)埋1排灌漿管（Φ150 mm焊接鋼管，每隔10 m設(shè)一定位架），孔距2.5 m。防滲墻施工完畢后，通過預(yù)埋管向墻下鉆孔灌漿，形成封閉帷幕。墻幕結(jié)合防滲方案示意圖見圖2。

由于下坂地工程位于帕米爾高原，自然條件差，工作環(huán)境惡劣，若采用水平鋪蓋防滲形式，則其后期運行中將需要大量持續(xù)的維修工作量，不利于工程管理，甚至?xí)鸢踩[患。因此綜合考慮防滲效果和運行管理因素，認(rèn)為采用垂直防滲方案是適宜的。

圖2 “上墻下幕”垂直防滲方案示意圖

4 防滲墻施工

防滲強(qiáng)施工主要包括導(dǎo)向槽槽孔開挖、防滲墻槽孔開挖、泥漿護(hù)壁、清孔換漿、混凝土澆筑、接頭管下設(shè)和澆筑導(dǎo)管及拔管等工序。下坂地防滲墻施工時采用了Ⅰ期槽孔6.4 m、Ⅱ期槽孔6.6 m兩種形式劃分槽段，可同時滿足3臺沖擊鉆施工操作。

4.1 鉆劈成槽由于深厚覆蓋層地基中存在大塊漂石及局部地段架空等不利因素的干擾，采用鉆抓成槽施工容易造成塌孔、漏漿甚至卡斗等事故，因此下坂地防滲墻采取了“鉆劈成槽”法施工。施工時使用高性能沖擊鉆設(shè)備進(jìn)行主孔鉆進(jìn)，然后劈打副孔。劈打副孔時在相鄰的兩個主孔中放置接渣斗接住大部分劈落的鉆渣，并直接提出槽孔，大大提高了施工工效。

“鉆劈成槽法”在槽孔鉆進(jìn)過程中常遇到大塊石、漂石等呈“探頭”狀態(tài)的孤石，致使鉆進(jìn)速度顯著降低并使鉆孔出現(xiàn)偏斜。為便于順利施工，采取了定位爆破、巖芯鉆機(jī)鉆孔爆破等方法將這些“探頭石”炸掉。

4.2 接頭與拔管防滲墻槽段的連接部位是防滲墻止水防滲成功的關(guān)鍵所在，必須采取可靠連接措施使防滲墻完整封閉。下坂地防滲墻槽段連接的接頭工藝采用的是接頭管法和鉆鑿法。深部槽段接頭采用接頭管法，而部分深度小于50 m的槽段采用鉆鑿法。

槽孔內(nèi)混凝土澆筑完成后需及時將接頭管拔出。為了準(zhǔn)確掌握接頭管起拔時間，按現(xiàn)場澆筑的混凝土配合比配制0.1 m3混凝土觀測其初凝時間。經(jīng)觀測發(fā)現(xiàn)該配比混凝土的初凝時間為7 h～14 h，確定接頭管起拔時間為7 h～14 h。拔管機(jī)采用中國水電基礎(chǔ)局的專利產(chǎn)品BG1000型拔管機(jī)。

5 帷幕灌漿

5.1 灌漿材料下坂地壩基覆蓋層帷幕灌漿采用水泥黏土漿漿液灌注。黏土取自新疆烏恰縣生產(chǎn)的紅黏土，水泥則選用喀什飛龍水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P.O32.5早強(qiáng)硅酸鹽水泥。烏恰紅黏土物理性能參數(shù)見表1所示。

表1 烏恰紅黏土物理性能參數(shù)

根據(jù)設(shè)計要求，實際施工中采用的固料配比為：水泥與黏土質(zhì)量比為1∶1～1∶0.6，水泥細(xì)度為通過80 μm方孔篩的篩余量不大于5%。實際灌漿施工中采用水固比4∶1開灌，水固比4∶1、3∶1、2∶1和1∶1四級漿液變換。對部分黏度較大的漿液適當(dāng)添加高效減水劑，以增強(qiáng)漿液的流動性。

由于砂礫石土覆蓋層鉆孔過程中容易出現(xiàn)塌孔、漏漿、卡鉆、埋鉆等事故，現(xiàn)場施工中采用密度大、黏度高的泥漿，并摻加優(yōu)質(zhì)膨潤土。部分特殊施工地段還在水泥漿中加入純堿、正電膠、羥甲基纖維素、低分子量聚丙烯酰胺、腐植酸鉀等無機(jī)鹽和有機(jī)分散劑、增稠劑以提高膨潤土的性能和造漿率，達(dá)到良好的護(hù)壁效果。

5.2 孔口封閉灌漿法新疆下坂地深厚覆蓋層帷幕灌漿施工是在80 m以下的砂礫石土層中進(jìn)行的，采用了孔口封閉灌漿施工工藝?？卓诜忾]灌漿法單孔施工程序為：孔口管段鉆進(jìn)→孔口管段灌漿→鑲鑄孔口管→待凝72 h以上→第一灌漿段鉆進(jìn)→灌漿→下一灌漿段鉆孔、灌漿→……直至終孔→封孔?？卓诜忾]法施工工藝請見圖3所示。

孔口封閉灌漿法的使用，使灌漿技術(shù)由低壓灌漿發(fā)展到高壓灌漿，是灌漿技術(shù)的一次飛躍。低壓灌漿大多是充填和滲透灌漿，而高壓灌漿則基本上是劈裂和擠密灌漿。理論分析表明，灌漿時灌漿孔孔壁處土體承受的拉應(yīng)力等于灌漿壓力，因此在高壓灌漿時灌漿孔周圍的土體被灌漿壓力劈裂，原有的孔隙通道被擴(kuò)寬和延伸，大大地提高了砂礫石土的可灌性，并增加了吸漿量。漿液在高壓狀況下發(fā)生泌水固結(jié)，固結(jié)體強(qiáng)度大大提高，從而增強(qiáng)了灌漿效果。

現(xiàn)場施工時根據(jù)不同的地質(zhì)條件選取不同的灌漿壓力，其中邊排孔為1.5～2.5 MPa，中間排孔為2.5～3.5 MPa。當(dāng)灌漿壓力保持不變，注入率持續(xù)減少時，或當(dāng)注入率不變而壓力持續(xù)升高時，不得改變水灰比；當(dāng)每級漿液灌入量達(dá)到1000 L或灌注時間已達(dá)1 h而灌漿壓力和注入率均無改變或改變不顯著時，應(yīng)變濃一級；當(dāng)同一孔段內(nèi)注入率不大于1 L/min時，可延續(xù)灌注30 min，結(jié)束灌漿。

5.3 壓水試驗為了檢查新疆下坂地深厚覆蓋層帷幕灌漿的防滲效果，在工地現(xiàn)場進(jìn)行了壓水試驗。壓水試驗結(jié)果顯示，防滲帷幕透水率為0.15～15.64 Lu，滲透系數(shù)為2.27×10-6～2.37×10-4cm/s，達(dá)到了預(yù)期的防滲目標(biāo)。

圖3 孔口封閉法主要施工程序示意圖

6 防滲監(jiān)測分析

為了對下坂地水利樞紐工程“上墻下幕”垂直防滲性能進(jìn)行檢測，客觀評價大壩安全狀況并準(zhǔn)確掌握大壩運行態(tài)勢，及時發(fā)現(xiàn)問題進(jìn)而確保大壩安全和工程效益的發(fā)揮，現(xiàn)場技術(shù)人員對砂礫石土覆蓋層壩基的滲流情況進(jìn)行了跟蹤監(jiān)測。

根據(jù)壩基地質(zhì)情況，壩基滲流監(jiān)測選取的3個監(jiān)測橫斷面為：壩0+160 m、壩0+221 m、壩0+ 294 m，與混凝土防滲墻監(jiān)測斷面相對應(yīng)。同時，在各斷面不同位置選取了不同的觀測垂線，位置為壩軸線的壩上6 m、壩下10 m、壩下70 m、壩下140 m，每一垂線上沿高程設(shè)置了不同的觀測點。壩基滲流監(jiān)測儀器布置見圖4所示。

圖4 壩基滲流監(jiān)測儀器布置圖（單位：m）

2010年1月25日至2010年11月24日蓄水期間，大壩上游6 m處9支滲壓計均隨上游水位上升而上升，上游滲壓計的上升速率在0.082～0.104 m/d之間，上游水位上升速率為0.082 m/d。上游水位過程線見圖11所示。大壩基礎(chǔ)下游的滲壓計在蓄水期間隨上游水位的上升有小幅上升，速率范圍在0.003～0.047 m/d，下游水位過程線見圖5—圖8所示。

圖5 蓄水期間0+160斷面上游6 m處滲壓計水位過程線

圖6 蓄水期間0+160斷面下游10 m處滲壓計水位過程線

圖7 蓄水期間0+160斷面下游70 m處滲壓計水位過程線

圖8 蓄水期間0+160斷面下游140 m處滲壓計水位過程線

監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，大壩防滲系統(tǒng)在初蓄期間工作性態(tài)良好，“上墻下幕”垂直防滲結(jié)構(gòu)在深厚砂礫石覆蓋層中發(fā)揮著良好的防滲效果。

7 結(jié)語

新疆下坂地水利樞紐工程壩址覆蓋層深達(dá)150余m，自然條件惡劣，工程地質(zhì)條件復(fù)雜，壩基防滲難度國內(nèi)外罕見，設(shè)計及施工國內(nèi)沒有先例。通過對深厚覆蓋層地質(zhì)資料的研究分析，提出了符合下坂地工程實際的設(shè)計方案和施工技術(shù)措施。即采取上部80 m深、1.0 m厚的塑性混凝土防滲墻，下接70 m深的灌漿帷幕垂直防滲方案。防滲墻采取“鉆劈成槽法”施工，帷幕灌漿則采取“孔口封閉法”。下坂地水利樞紐已于2010年1月下閘蓄水，3臺機(jī)組已全部發(fā)電，水庫蓄水后對壩基的滲流情況進(jìn)行了監(jiān)測分析，發(fā)現(xiàn)大壩防滲系統(tǒng)在初蓄期間工作性態(tài)良好，“上墻下幕”垂直防滲結(jié)構(gòu)在深厚砂礫石覆蓋層中發(fā)揮著良好的防滲效果。兩年多的運行情況表明，新疆下坂地水利樞紐工程深厚覆蓋層“上墻下幕”垂直防滲方案設(shè)計合理，施工質(zhì)量優(yōu)良。新疆下坂地工程的成功為我國西南、西北山區(qū)同類大壩的興建積累了寶貴的經(jīng)驗，為推動砂礫石土地基筑壩技術(shù)的發(fā)展提供了重要的參考和借鑒。

［1］ 楊曉東，覃新聞，鄭亞平.深厚覆蓋層防滲技術(shù)［M］.北京：中國水利水電出版社，2011．

［2］ 黃小寧，覃新聞，彭立新.深厚覆蓋層壩基防滲設(shè)計與施工［M］.北京：中國水利水電出版社，2011．

［3］ 周春選，楊智睿，王健.新疆下坂地水庫壩基防滲處理設(shè)計［J］.水利學(xué)報，2005，36（S1）：612-616．

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［5］ 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所.塔里木河流域近期綜合治理下坂地水利樞紐工程《近壩區(qū)高陡邊坡穩(wěn)定性研究》［R］.北京：中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，2003．

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［9］ 燕喬，王立彬，畢明亮，等.深厚覆蓋層墻幕結(jié)合技術(shù)關(guān)鍵問題研究［J］.人民長江，2009，40（16）：34-36．

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Seepage control technology of deep overburden in Xiabandi Water Control Project

QIN Peng-fei1，2，ZHENG Ya-ping1
（1.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China；2.Beijing Zhongshuike hydropower technology utilizing limited liability company，Beijing 100038，China）

The dam foundation of the Xiabandi Water Project is sand and gravel soil overburden,whose thickness reaches 150 m.According to the geological circumstances of the project，a scheme of“upper part wall and lower part curtain”was certified and adopted.The plastic concrete wall was 1.0 m thick and 80 m deep,and the grouting curtain was 70 m deep.“Drilling and splitting making trough”was executed in wallconstruction and“orifice-closed”wasadopted in cementgrouting.The walldeflection，stressand strain and dam foundation seepage were monitored after the reservoir impounded water.Results show that the dam seepage control system is in the early good workability state during storage，and vertical anti-seep?age structure in deep sand gravel layer gets ideal anti-seepage effect.The successful example provides valu?able experience for similar dam constructions in southwest，northwest mountain areas in our country，and al?so promotes the development of sandy gravel soil dams.

Xinjiang Xianbandi；sand and gravel layer；deep overburden；vertical anti-seepage

TV543

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.03.003

1672-3031（2014）03-0239-05

（責(zé)任編輯：李 琳）

2014-01-02

國家自然科學(xué)基金（51279217）

秦鵬飛（1984-），男，河南魯山人，博士生，主要從事地基處理方面的研究。E-mail：qinpengfei@emails.bjut.edu.cn