希尼爾水庫壩基基巖滲透性分析

李戰國，沈紀安,夏衛華，周海鷹,徐勁松

(1.新疆昌吉方匯水電設計有限公司，新疆 昌吉 831100；2.新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒 841000)

0 引 言

滲透系數對于水利工程勘察設計是一項重要的參數指標，特別對水庫工程壩基防滲處理尤為重要，滲透系數大小直接影響工程設計方案、防滲深度、施工處理效果及工程投資等。

滲透系數指標與地層形成地質時代、成因、地層巖性、地質構造及巖土體節理、裂隙發育等因素均有直接關系，因此滲透系數取值應緊密結合場區工程地質條件，采用多種方法進行綜合對比分析確定。文章以新疆塔里木河流域希尼爾水庫除險加固工程壩基防滲為例，重點闡述水庫壩基巖體滲透性問題。

1 工程概況

希尼爾水庫位于新疆巴音郭楞蒙古自治州開孔河流域(開都河-孔雀河)孔雀河中部的庫爾勒市境內，庫區處于孔雀河中部洼地內，是為下游灌溉用水和向塔里木河下游供給生態水的注入式反調節平原水庫。

水庫工程由西副壩(樁號0+000-2+436)、主壩(樁號2+436-7+100)、東副壩(樁號7+100-7+650)、引水建筑物、放水建筑物及分水建筑物組成，壩線長7650m，壩頂高程916.5m，最大壩高20.0m，壩型為復合土工膜防滲砂礫石壩，設計總庫容9800萬m3。

希尼爾水庫自2005年下閘蓄水，在蓄水運行中存在西副壩及主壩壩基滲漏等問題。其中以主壩樁號(3+900-7+000)壩段壩基滲漏量較大，下游壩腳排水溝內積水嚴重，正常蓄水位工況下壩后滲透壓力大，下游壩坡逸出點高，下游壩坡及壩腳附近滲透穩定不滿足規范要求。因此需對滲漏段壩基進行防滲處理。

2 水庫工程地質條件簡述

2.1 地質構造

工程場區在地質構造上處于塔里木地臺北部塔北隆起東段的孔雀河斜坡部分，介于北部的庫魯克塔格隆起(庫魯克塔格斷褶帶)和南部的塔中凹陷之間。根據《中國地震動參數區劃圖》GB18306-2015確定：工程場區地震動峰值加速度為0.20g，對應地震基本烈度為Ⅷ度，區域構造穩定性較差。

2.2 庫區地形地貌

庫區在地貌上位于庫魯克塔格山前剝蝕平原地帶的洼地內。洼地南北長6.5-8.0km，東西寬3.0-4.5km，地勢北高南低，地面高程901.0-921.0m。庫區東、西兩岸為新近系地層組成的平臺，地面高程906.0-921.0m，高出庫盤5.0-8.0m，為東、西副壩段；庫盤南側主要處于洼地中，地形平坦，為主壩段。

圖1 區域地質構造圖

圖2 區域地質構造綱要圖

2.3 壩基地層巖性

水庫壩基上部為第四系沖洪積砂土、粉土及砂礫石層，其下為新近系泥巖、砂巖互層局部夾砂礫巖。該套地層呈互層狀分布，巖層呈水平狀，強度低，屬極軟巖。

1) 西副壩：上部巖性為第四系沖洪積中粗砂，層厚1.0-4.0m，滲透系數為2.3-6.5×10-3cm/s，為中等透水層；下伏地層巖性以新近系砂巖為主夾泥巖(局部夾薄層礫巖透鏡體)，強風化層厚5.0-8.0m，其中砂巖膠結與成巖差，易風化，遇水后結構疏松呈散體狀。

圖3 水庫庫區地形地貌

2)主壩：壩基上部為第四系沖洪積中粗砂夾砂礫石及局部低液限粉土，層厚在1.3m-4.2m之間，滲透系數2.5×10-3-3.3×10-4cm/s，具有中等透水性；下伏地層巖性為新近系砂巖、泥巖，多呈互層狀。

3)東副壩：東副壩處于天然臺地之上，表層為砂礫石層，層厚0.3-0.6m，滲透系數>1.0×10-2cm/s，具有強透水性，下伏地層巖性主要以泥巖為主夾砂巖、礫巖。

表1 壩基巖體物理力學參數表

3 壩基巖體滲透性分析

如前所述，水庫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，層位不連續，層厚差異較大；東副壩基巖性以泥巖為主，局部夾薄層砂巖、礫巖層。為查明水庫壩基基巖滲透性，勘察過程中采用3種方法對巖體進行滲透試驗，①對各巖體進行野外注水試驗；②對泥巖、砂巖采取原狀樣進行室內滲透試驗；③鉆孔壓水試驗；現分述如下：

3.1 野外注水試驗：

結合水庫壩址區地下水埋深(0.0-6.0m)及基巖出露條件，野外試驗采用單環注水試驗(試驗深度1.0-5.0m)，共進行試驗28組，其中泥巖10組，砂巖13組，礫巖5組，各巖體滲透系數統計見表2。

圖4 壩基典型地質剖面圖

表2 野外單環注水試驗成果統計表

由注水試驗可知，強風化泥巖滲透系數在3.47×10-6-9.72×10-5cm/s(相應透水率在0.35-9.8Lu)，透水性弱；強風化砂巖及礫巖滲透系數多在10-2-10-3cm/s，具有中-強透水性。

3.2 室內滲透試驗

對于泥巖、砂巖采用鉆孔在不同深度范圍采取巖芯，進行室內滲透試驗，共進行室內滲透試驗35組，其中泥巖試驗20組、砂巖15組，巖體滲透系數統計見表3。

表3 室內滲透試驗成果統計表

由室內試驗結果可知，泥巖滲透系數在4.97×10-5-2.8×10-6cm/s，透水性弱，與野外單環注水試驗結果基本相同；砂巖室內試驗滲透系數在5.44×10-3-2.55×10-4cm/s，較野外單環注水試驗結果略小，總體趨勢表現為砂巖埋深越深其滲透系數變小。

3.3 綜合巖體壓水試驗

壓水試驗自基巖出露高程開始至孔底(最大深度32.0m)，采用自上而下進行，每段試驗長度為3-5m，相鄰試驗段相互銜接，試驗開始前采用壓水法進行洗孔，試驗壓力根據水庫水頭壓力及壩基出露地層巖性確定，壓力為0.3-0.5Mpa，止水栓塞長度不小于8倍鉆孔直徑，采用水壓式栓塞。

圖5 鉆孔基巖巖芯

希尼爾水庫布設勘探鉆孔136眼，總進尺2926m，完成壓水試驗共計480段，依據壓水試驗結果，壩基巖體透水率情況分述如下。

1)西副壩(0+000-2+436)：自基巖面13.3-15.1m以上砂巖透水率一般大于5Lu，最大為27.8Lu，具有中等透水性，13.3-15.1m以下透水率均小于5Lu，透水性弱。

2)主壩段(2+436-7+100)：

①樁號(2+436-2+855)段基巖透水率變化較大，透水率總體趨勢為12.0-18.0m以上基巖透水率較大，在10-67.7lu之間，具有中等透水性，12.0-18.0m在以下基巖透水率多小于5.0lu，透水率最小為0.05lu，具有微-弱透水性。

②樁號(2+855-3+900)段：10.0-13.0m以上基巖透水率在21.5-35lu之間，具有中透水性，以下基巖透水率0.15-3.5lu，具有微-弱透水性。

③樁號(3+900-4+200)段：10.0m以上基巖透水率在11-15.5lu之間，以下基巖透水率0.2-4.15lu，具有微-弱透水性。

④樁號(4+200-4+500)段：10.0-15.0m以上基巖透水率多在7.6-14.0lu之間，具有中等透水性，以下基巖透水率0.2-4.1lu，具有微-弱透水性。

⑤樁號(4+500-5+100)段：10.0-19.0m以上基巖透水率多在6.1-90.0lu之間，具有中等透水性，以下基巖透水率0.9-4.65lu，具有微-弱透水性。

⑥樁號(5+100-5+590)段：10.0-15.0m以上基巖透水率多在5.6-17.5lu之間，以下基巖透水率0.8-4.6lu，具有微-弱透水性。

⑦樁號(5+950-7+100)段：8.0-11.0m以上基巖透水率多大于5.0lu，具有中等透水性，以下基巖透水率0.1-4.5lu，具有微-弱透水性。

3)東副壩(7+100-7+650)：自基巖面4.5-5.0m以下透水率為 0.28-0.38Lu，透水性甚微。

圖6 鉆孔壓水試驗

上述3種試驗方法確定壩基基巖滲透性技術成熟，均為常用的試驗方法，具有一定的可行性及可信度，但也存在一定的局限性；其中單環注水試驗為野外試驗，能較真實的反映巖體邊界條件，試驗結果更接近實際情況，但試驗深度具有一定的局限性，一般適用于淺層，地下水位以上地層，因此試驗深度多處于風化基巖層中，滲透性只能反映試驗深度內巖土體透水性大小；室內滲透試驗，操作簡便，不受外界環境影響，試驗深度不受限制，但試驗對象多為單一巖土體，不能全面反映實際地層透水性情況；鉆孔壓水試驗能全面、真實反映壩基巖體綜合透水性情況，與實際情況最為相符，多用于確定基巖透水率，對于較為破碎巖體封孔止水較為困難，試驗所投入的設備及人員較多，成本較大。

根據不同試驗方法，對希尼爾水庫壩基基巖滲透性總體分析：對于泥巖層無論處于風化層內還是新鮮基巖層中，其滲透性均較小，一般在10-5-10-6cm/s之間；對于砂巖、礫巖表現為上部(中-強風化層)巖體透水率較大，但隨深度的增大，巖體滲透性也相應較小。

4 結 語

希尼爾水庫壩基基巖巖性為新近系泥巖、砂巖及礫巖，屬極軟巖，巖層分布不連續，無相對穩定的泥巖層(隔水層)，層厚變化大，且各巖體透水性差異較大，為查明巖體滲透性，勘察過程中采用單環注水試驗、室內滲透試驗及鉆孔壓水試驗確定壩基巖體滲透性，各種試驗方法技術均成熟可靠，均能判定巖體滲透性，試驗過程對巖體透水性數據也可起到相互驗證的作用。