希尼爾水庫壩體填筑材料設計

余紅慧

(巴州水利水電勘測設計院，新疆庫爾勒 841000)

希尼爾水庫位于新疆巴州尉犁縣境內，是塔里木河流域近期綜合治理工程之一，水庫從孔雀河第一分水樞紐引水，經庫塔干渠總干渠輸水的注入式大⑵型平原水庫。水庫工程以農業灌溉為主，兼有下游生態輸水、水產養殖與旅游等功能，一期設計庫容為0.98×108m3，相應設計水位為913.6m，最大壩高20m，水面面積16.74km2，死庫容為0.1×108m3，死水位905.8m，相應水面面積5.9km2。

希尼爾水庫工程包括:主、副壩、引水閘、引水渠、放水閘、分水閘、放水渠及附屬設施等。壩體為土工膜斜墻防滲碾壓式土石壩，壩頂寬6m，壩長7650m，上游壩坡1:2.5，下游壩坡1:2；壩體防滲采取斜鋪復合膜(兩布一膜)結構，其中膜厚0.75mm，無紡布規格為 200g/m2；壩上游護坡設計為混凝土板(C30W8F300)護坡，混凝土板厚 15～22cm。壩基防滲，根據地質情況的不同，分別采取PE塑膜、塑性混凝土防滲墻、水泥土攪拌樁防滲墻三種不同形式的防滲方式。

1 原初設筑壩材料勘測結果

希尼爾水庫工程壩體為砂礫料均質壩。根據地質報告，在近壩區內無理想的砂礫石壩殼料場，為此在庫壩區范圍內選擇了C1～C66個砂礫料場。其中，C2，C3，C4，C54個料場主要分布在第三系臺地上，屬同一成因類型，多由第三系風化砂礫石和第四系洪積砂礫石組成；C1，C6料場主要分布在山前沖洪積扇及下游一帶，多由第四系洪積砂礫碎石組成。現分別對各料場的特性敘述如下。

1.1 C1、C6砂礫料場概述

C1料場位于東壩肩以東或東北方向2～3.5km之間的山前洪積扇上。C1料場又分為C1-1、C1-2、C1-33個產地，其中C1-1、C1-2為Q4洪積砂碎石層，結構松散，厚度1～2m，地形平坦開闊，面積較大，開采運輸方便。C1-3料場為 Q3洪積含土碎石層，碎石層微膠結或半膠結，結構密實，堅硬，厚度一般為4.5～6m，最厚處9m，1.5m以上松散，1.5m以下半膠結，開采困難，地形稍起伏，較C1-1，C1-2不易開采。

C6料場位于水庫主壩下游南東方向 8～12km處，屬山前洪積扇或第三系地層組成的開闊平地，地表為第四系洪積砂礫石，分布較穩定，厚度 1～2m，上部無用層厚0.5m，下部有用層厚1～1.5m，地形平坦開闊，開采運輸方便。

C1，C6料場顆粒分析試驗結果見表1。

由以上料場顆粒分析試驗結果可知，C1料場礫石(5～40mm)含量占 40.82%，砂(＜5mm)含量占59.18%。C6料場礫石占50.1，砂(小于5mm)含量占49.9%。C1、C6料場均為砂多礫少，為礫質砂，質量較差，其中C1-3為Q3洪積碎石土，有半膠結現象，堅硬，不宜開采使用，而 C1-1，C1-2，C6為 Q4洪積砂碎石，結構松散，地形平坦開闊，開采運輸方便。其中 C1-1料場儲量 100×104m3，C1-2料場儲量 142×104m3，C6料場儲量 900×104m3。

表1 C1、C6料場顆粒分析試驗結果

1.2 C2、C3、C4、C5 砂礫料場

C2料場位于主壩3+900北側0.8～3.2km之間庫區中下部第三系小臺地上(國防公路東西兩側)，呈條形分布，該料場表部有1～1.5m厚的第四系洪積礫質砂層，結構松散，分布不連續，局部最厚達到2～3m。其下為第三系砂巖、泥巖。該料場地面高程908～917m，高出庫盤9～11m，地形平坦開闊，開采運輸方便。

C3料場位于主壩段4+100以南600～650m處，呈條帶狀順國防公路南側展布，長1.8km，寬100m。料場表部覆蓋0.5～0.8m厚的第四系砂土層，含腐植質和鹽堿，其下有約 2～2.5m 厚的第三系砂礫巖、砂巖，松散，為可用層；但該料場內有排污渠和高壓線通過，離國防公路太近，不易開采。

C4料場位于西副壩西壩端以東1.6～3.2km之間的庫盤內，屬第三系小臺地。料場南北長1.6km，東西寬 460m。料場表部為第四系洪積砂礫石，厚1～2m，但分布不連續，常有第三系風化砂巖出露地表。砂礫石之下為第三系砂巖夾砂礫巖，有部分風化未成巖，松散，約2～3m以下鈣質膠結，較堅硬，不易采用。

C5料場位于西付壩西壩端壩后 0.4～1.0km之間，第三系地層組成的小山包或臺地，又分為C5-1，C5-2兩產地，該料場的地形起伏較大，呈近南北向兩個小山包展布，山包高 5～6m。料場表部為第四系砂礫石層，厚 1.3～2m，但分布不連續，在 2～3m深度以下為鈣質膠結硬的砂巖，不易開采。

此四個料場表部無用層厚 0.5m左右，其下砂礫石有用層厚1m左右，且分布不連續。

4個料場的顆粒分析試驗結果見表2。

表2 C2、C3、C4、C5砂礫料場顆粒分析試驗結果

據以上顆粒試驗分析結果可知，該四個料場，砂多礫石少，為礫質砂，其中粒徑5～40mm的礫石含量僅占16%～21%，其余均為小于5mm的砂。作為壩料，其砂含量偏高，緊密容重偏小，不均勻系數小，顆粒級配為不良級配，質量差。C2-1料場儲量25×104m3，C2-2料場儲量 75×104m3，C3料場儲量 36×104m3，C4料場儲量 37×104m3，C5料場儲量 82×104m3，總計 225×104m3。

2 初設補充階段料場復查結果

2.1 料場復查概述

在初設補充設計階段對所選料場 C1、C2、C5作了詳細勘查工作，又重新勘察了C7料場，在原確定的料場范圍內每間隔 100m布置一個探坑，對壩料的物理力學性質、顆粒級配、儲藏深度等作了詳細勘查，其具體情況如下。

C1料場位于東付壩以北及北東方向 2～4km的山前洪積扇上，又分為C1-1，C1-2兩個料場，C1-1料場產地面積 200×104m2，總儲量 262.2×104m3，主要為第四系洪積砂碎石層，平均厚度1.3m，大于5mm的礫石含量在 10.6%～59.0%之間，平均礫石含量36.3%，料場中心距主壩中心距離為 4.6 km。C1-2料場產地面積143×104m2，總儲量150.61×104m3，主要為第四系洪積砂碎石層，平均厚度 1.05m，大于5mm的礫石含量在2.82%～54.9%之間，平均礫石含量34.7%，料場中心距主壩中心距離為4.4 km。

在C1料場局部區域富積結晶石膏層，其水溶性CaSO4含量為17.99%，此層含量約13×104m3，開采時清除此層。

C2料場位于主壩以北、西付壩以東1km的國防公路兩側水庫庫盤中的第三系臺地上，呈長條形。分為又分為 C2-1，C2-2兩個料場，C2-1料場產地面積22×104m2，總儲量17.1×104m3，主要為第三系風化的砂礫巖及砂巖，平均厚度0.78m，大于5mm的礫石含量在0～19.6%之間，平均礫石含量5.45%，為礫質砂。C2-2料場產地面積60×104m2，總儲量98.82×104m3，為第三系風化的砂礫巖及砂巖，平均厚度1.05m，大于5mm的礫石含量在1.7%～45.4%之間，平均礫石含量14.4%。

C5料場位于西付壩以西 0.5～1km的第三系臺地上，呈長條形，地形起伏較大，表層為第四系洪積砂礫石層，底部為第三系砂巖和砂礫巖，風化強烈，較松散。又分為C5-1、C5-2兩個料場，C5-1料場產地面積 12×104m2，總儲量 9.63×104m3，平均厚度 0.8m，大于 5mm的礫石含量較少，平均礫石含量13.3%，為礫質砂。C5-2料場產地面積30×104m2，總儲量28×104m3，平均厚度0.93m，大于5mm的礫石含量較少，平均礫石含量12.9%，為礫質砂。

C7料場位于 C1料場以北 2～5km的山前洪積扇上，與C1料場的成因基本相同，壩料的質量和開采條件都與C1料場相近。

2.2 壩料質量

對選擇的四個場的顆粒分析試驗結果見表3。

表3 料場顆粒分析試驗結果

據以上顆粒試驗分析結果和物理力學性質可知:C1、C7料場的礫石含量2.82%～59%，平均礫石含量35.5%，平均Cu=24.1、Cc=1.02，顆粒級配良好；飽和固結快剪Φ=34～40.5°，平均Φ=37.6°，抗剪強度指標高；壩料壓實后平均滲透系數 k=1.26×10-3，屬于中等透水性。

C2料場的礫石含量 1.7%～45.4%，平均礫石含量9.9%，平均Cu=3.95、Cc=1.22，顆粒級配較差。飽和固結快剪Φ=32～36°，平均Φ=33.6°，抗剪強度指標較高。壩料壓實后平均滲透系數 k=5.39×10-4，屬于中等透水性。

C5料場的礫石含量 2.2%～27.8%，平均礫石含量13.1%，平均Cu=4.49、Cc=1.09，顆粒級配較差。飽和固結快剪Φ=33～37.5°，平均Φ=34.95°，抗剪強度指標較高。壩料壓實后平均滲透系數k=1.08×10-3，屬于中等透水性。

2.3 壩料評價

C1、C7料場為第四系洪積砂碎石層和第三系洪積含土碎石層，礫石含量較高，顆粒級配良好，其物理力學性質指標較好，能滿足壩體結構設計要求，但壩料壓實后滲透系數偏低，為中等不透水料。C1料場壩料儲藏厚度0.5～3.4m，平均1.18m，料場中心距主壩的距離為2.7～5.7km，平均4.5km，砂礫石厚度大于 0.5m的儲量為 265.23×104m3。C7料場砂礫石厚度大于0.5m的儲量為50.0×104m3。

C2料場為第四系洪積砂礫石層和第三系中粗砂，礫石含量較少，顆粒級配較差，顆粒偏細并較均勻，作為壩料壓實較為困難。其物理力學性質指標較好，能滿足壩體結構設計要求，但壩料壓實后滲透系數偏低，為中等不透水料。壩料儲藏厚度0.5～2.9m，平均 1.2m，料場中心距主壩的距離為1.9～5.0km，平均2.0km，砂礫石厚度大于0.5m的儲量為115.52×104m3。

C5料場為第四系洪積砂礫石層和第三系中粗砂，礫石含量較少，顆粒級配較差，顆粒偏細并較均勻，作為壩料壓實較為困難。其物理力學性質指標較好，能滿足壩體結構設計要求，但壩料壓實后滲透系數偏低，為中等不透水料。壩料儲藏厚度0.5～1.2m，平均 0.9m，料場中心距西付壩的距離為0.3～1.5km，平均0.6km，砂礫石厚度大于0.5m的儲量為37.23×104m3。

總之，4個料場總儲量467.98×104m3，平均厚度1.0m左右。C1、C7料場在各方面的條件都較好，能滿足壩體設計要求。C2、C5兩料場的質量相近，較C1、C7料場差，顆粒較細，級配又較均勻，壓實較困難，料場的開采條件較差。

3 筑壩材料設計

3.1 初設階段筑壩材料選擇

由于各料場的壩料都為礫少砂多，質量較差，相對來說C1、C6料場的砂礫料質量較好，而C6料場離主壩 8～12km，運輸距離較遠，到達主壩的平均運輸距離8.5km。C4料場離西付壩約 4.0km，但C2，C5料場離西付壩距離約在 1.5km，質量較 C4好，C3料場砂礫料質量差，而且開采又較困難，上層覆蓋無用層較厚，現又被排污渠所占。因此，最后選擇C1，C2，C5，C6料場作為主要料場，C3，C4料場作為備用料場。

3.2 初設補充階段料場選擇

根據初設補充階段料場復查結果，C2、C5料場的壩料由于顆粒細，級配不良，壩料壓實較困難，施工機械無法正常鋪料、碾壓，再加上料場壩料儲藏厚度分布不均勻，開采困難，壩料質量難以控制，不能達到設計壓實相對密度，而且在施工碾壓實驗中，因壩料顆粒細且較均勻，壓實困難，碾壓次數多，運輸車到達工作面后易陷車，振動碾也難以到達鋪好壩料的工作面上；備用料場中的C3、C4的壩料質量、開采條件等比C2、C5差。

C1、C6、C7料場的條件較好，從壩料的質量、儲量、開采、填筑等條件來看，基本上能滿足要求，但運輸距離較遠，C1料場平均遠距 4.6km，C6料場平均運距8.5km，C7料場距西付壩的平均距離5km；原把就近料場質量差的C2、C3、C4、C5的壩料規劃填筑于主壩壩體干燥區和西付壩，現從水庫二期考慮，這部分質量差的壩料填筑于大壩下部，對二期壩體的抗震穩定不利，決定不用這部分壩料，全部選用C1、C6、C7料場的壩料。

3.3 壩體填筑材料設計

在原初設中，沒有對壩體填筑進行詳細設計，只設計了壩料壓實標準為達到相對密度為0.8。在補充設計中，對壩料填筑進行了具體設計，設計如下。

3.3.1 壩體填筑分區

根據選擇的幾個料場砂礫料的性質，各料場的質量有一定的差別，另外，對于本水庫大壩本身的結構來看，各壩段具有不同的壩高、壩坡、壩基防滲型式，針對本工程具有礫石含量高的壩料少的特點，選用質量較好的壩料填筑于壩體的重要部分，質量較差的砂礫料填筑于非重點部位的壩殼干燥區域，合理利用質量好的壩料；同時，結合壩體結構特點，對不同的區域設計不同的壓實標準，因此對壩體進行分區填筑。

主壩壩體填筑分為兩區，即壩基面以上 2m的區域和以壩頂中軸線為基準、以1:2的坡度線向下延伸的坡前區域為Ⅰ區，其余部分為Ⅱ區。東、西付壩壩體填筑分為兩區，即以壩頂中軸線為基準、以1:2的坡度線向下延伸的坡前區域為Ⅰ區，其余部分為Ⅱ區。具體壩體分區見壩體結構圖。

3.3.2 筑壩材料壓實指標設計

工程處于Ⅶ度地震區，按Ⅶ度地震烈度設防，按《碾壓式土石壩設計規范》(SDJ218-84)規定：無粘性土的壓實標準按相對密度確定，要求不低于0.7～0.75。又按《水工建筑物抗震設計規范》(SDJ10-78)規定:浸潤線以上不低于0.7，浸潤線以下按設計烈度大小，不低于0.75～0.85，當礫石含量小于 50%時，應保證細料(粒徑小于 5mm，下同)的相對密度滿足此要求。

根據本壩實際情況和壩料特點，確定壩體填筑壓實標準為：對于第Ⅰ區，設計壓實相對密度0.85，對于第Ⅱ區，設計壓實相對密度 0.8。同時保證細料的相對密度滿足設計壓實指標要求。

在施工中，根據各料場具體的礫石含量和現場壓實實驗結果，以設計的壓實相對密度來確定施工控制干容重。鑒于水庫為大Ⅱ型工程，通過做碾壓試驗以確定施工壓實干容重。

3.3.3 壩料質量控制

對壩料提出質量控制指標如下。

（1）壩料的礫石含量控制在 15%～70%間，在施工過程中防止礫石集中和少礫的壩料上壩填筑。

（2）壩料的含泥量小于15%，水溶鹽含量小于3%，有機質含量小于5%。

（3）壩料開采過程中，防止把下層砂巖、泥巖開采入壩料內，注重壩料質量控制。

3.3.4 砂礫料抗剪強度指標設計

據經驗：當礫石含量小于30%～40%時，抗剪強度指標基本上由砂來確定。根據料場顆粒分折結果，C1、C6、C7料場礫石含量 40%～50%，抗剪強度指標由砂和礫石一起決定；C1、C6料場砂礫料的自然休止角32°～34°。經驗證明，一般抗剪內摩擦角大于自然休止角，因為砂礫石之間存在一定的咬合力；又據大型直剪實驗結果，C1、C6、C7料場的礫料的抗剪內摩擦角34°～40°，考慮一定的安全因素，因此設計壩料抗剪強度指標為32°，不考慮壩料的粘滯力C值。

3.4 料揚規劃設計

據各料場的特點和實際位置以及與各壩段的相對位置關系，各壩段對壩料的技術指標要求，對各料場進行總體利用規劃。

對于西付壩，壩軸線從北至南大致平行國防公路且距國防公路約200m，而C7料場位于水庫以東的山前，需修建臨時交通道路到達料場，因此選用C7料場的壩料填筑西付壩，平均運輸距離5km。

對于主壩和東付壩，盡量用C1料場的壩料，但C1料場總儲量為265.23×104m3，不能滿足主壩和東付壩的填筑要求，從料場分布及運輸條件考慮，規劃2+436～4+620壩段選用C6料場的壩料，平均運輸距離8km。4+620～7+650壩段選用C1料場的壩料，平均運輸距離4.6km。

對于Ⅰ區壩體選用礫石含量高、級配良好、滲透系數大的壩料填筑，填筑質量和料的質量要求高些，對于Ⅱ區壩體選用規劃的料場的料和設計的壓實標準填筑即可。

4 結 語

通過對希尼爾水庫大壩壩體填筑料場的多方位優選，有力的保證了水庫大壩工程的質量安全。水庫自2003年4月通過蓄水階段驗收以來，大壩運行狀況良好。