新疆希尼爾水庫壩基防滲技術及經濟方案比較

李新廣 楊銳 趙喆

摘要：新疆希尼爾水庫為西北平原水庫的典型代表，壩基地質情況較為復雜，防滲方案是主要技術問題，在進行方案比選時要結合工程實際情況，優先選用安全可靠、防滲效果好、投資少的防滲方案。分別從希尼爾壩基地質特性、施工可行性、經濟比較等多個方面，分析研究該水庫除險加固壩基防滲處理方案，通過對各方案的綜合比較，最終采用CSM銑削深層攪拌防滲墻方案對希尼爾水庫進行壩基防滲加固。加固后，墻體抗壓強度、抗滲系數均滿足設計要求，該方案可為類似工程除險加固提供借鑒。

關鍵詞：水庫除險加固;壩基防滲;技術經濟方案比選;希尼爾水庫;新疆

中圖法分類號：TV543文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.07.012

文章編號：1006 - 0081（2021）07 - 0059 - 05

1 研究背景

平原水庫一般位于河道下游平原地區，具有壩軸線長、地質條件較差、需水水頭較低、蒸發量較大等特點[1]。我國眾多平原水庫在國民經濟發展中有著重要的作用，但其中部分水庫由于修建年代久，建設標準較低，施工技術水平不高，以至于不少水庫運行至今，面臨著壩基滲漏、下游壩坡腳滑塌等諸多影響大壩安全問題[2]。不同的病險土石壩水庫產生滲透破壞的原因不盡相同，對該類水庫實施除險加固，各種技術工藝、材料都有一定的局限性和最優的適應范圍， 在加固方案比選時， 應在可靠性、可行性等安全分析的同時，進行經濟對比[2]。本文以希尼爾水庫除險加固工程為實例對防滲加固方案進行比選研究。

2 工程概況

希尼爾水庫位于新疆庫爾勒市境內，建成于2005年，是一座以灌溉為主的注入式反調節Ⅲ等中型平原水庫，水庫壩體為砂礫石均質土壩，大壩全長7 650 m，最大壩高20 m、水庫總庫容9 800萬m3，死庫容1 000萬m3，正常蓄水位913.6 m，水面面積16.74 km2。

壩面結構從上到下依次為20 cm厚混凝土護坡面板，3 cm厚苯板保護層，防滲膜（兩布一膜，0.75 mmPE膜，布200 g/m2）;壩基垂直防滲布置在上游壩坡腳外8.0～10.0 m，采用垂直鋪塑、攪拌樁及塑性混凝土防滲墻多種形式;背壩坡采用混凝土網格護坡;壩后設明渠式排水溝，用干砌塊石護坡，干砌塊石與土接觸部位鋪設無紡布反濾層。

水庫蓄水后，根據大壩監測和調查，大部分壩基存在滲漏問題，部分壩段壩后排水溝內還出現管涌冒砂現象。2017年經水利部大壩安全鑒定中心鑒定為三類壩，需除險加固。

3 工程地質情況

希尼爾水庫位于庫魯克塔格山前剝蝕平原區，庫壩區出露地層主要為第四系沖洪積物和新近系沉積物，新近系地層為一套河湖相沉積的泥巖與砂巖類，并夾砂礫巖，該套地層呈互層狀分布，巖層呈水平狀。

根據地質勘探及鉆孔壓水試驗，西壩段（0+000～2+436）壩基主要以砂巖為主，局部夾薄層泥巖、礫巖，自基巖面13.3～15.1 m以上砂巖透水率一般大于5 Lu，最大為27.8 Lu，具有中等透水性，13.3～15.1 m以下透水率均小于5 Lu，透水性弱;主壩段（2+436～7+100）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，呈交互沉積，層位不連續，層厚差異大，自基巖面9.2～16.2 m以上巖體透水率多數大于5.0 Lu，在5.4～46.6 Lu之間，個別為96.88 Lu;9.2～16.2 m以下巖體透水率多在0.17～4.80 Lu之間，滲透性較弱;東副壩（7+100～7+650）基巖性以泥巖為主，局部夾薄層砂巖、礫巖層，自基巖面4.5～5.0 m以下透水率為 0.28～0.38 Lu，透水性甚微，詳見鉆孔柱狀圖（圖1）。

根據巖體試驗（表1），壩基泥巖干燥狀態下抗壓強度在1.24～4.35 MPa、飽和狀態下抗壓強度在0.02～0.67 MPa;大部分砂巖干燥狀態下抗壓強度在1.10～4.50 MPa，屬極軟巖，在工程力學方面其性能更接近土的特性，但個別外露及鉆孔取樣砂巖抗壓強度可達20.00 MPa，屬軟質巖。

4 水庫滲漏初步分析

進一步對大壩壩基工程地勘發現，大壩0+000～-7+100壩段原壩基防滲深度均在10.0～15.0 m之間，透水率在10～30 Lu之間，防滲深度不夠，未達到現行規范5 Lu線要求[3]，導致壩基滲水。分析其原因，壩基防滲施工時，垂直鋪塑均在透水性較大的基巖中開挖成槽，然后埋入復合土工膜，地下基巖窄槽開挖至5 Lu線施工難度較大，施工時使用了很多非常規的施工方法，甚至還采用了小藥量爆破，但部分壩段基巖的成槽效果還是很不理想。因開挖困難，部分主壩段采用水泥土攪拌樁防滲墻、塑性混凝土防滲墻防滲，各防滲體連接部位處理情況存疑。蓄水后主壩段4+250、4+350處壩后排水溝內曾出現涌水翻沙、無紡布隆起現象，6+350處壩段下游壩坡及壓蓋回填清基料曾出現踏坑、滑塌現象。經測算現狀壩基滲漏量1 231萬m3/a，占總庫容的12.6%[4]，采取適宜的加固防滲處理措施，對于確保水庫安全運行及蓄水效益的發揮十分重要。

5 壩基防滲方案比選

本次除險加固擬在壩前新建壩基防滲體系，對于土壩的壩基滲漏處理， 總的原則是“上堵下排”。“上堵”的措施有垂直防滲和水平防滲兩類措施，其實質是延長土壩滲徑，使其滲透坡降不超過允許坡降， 保持土壩的滲透穩定[5]。對于本水庫而言，其壩線長，庫盤面積大，庫盤地層主要為第四系沖洪積物和新近系沉積物，泥巖與砂巖呈互層狀分布，若按水平防滲措施考慮，施工量巨大且庫底死水位以下積水排出困難，其耐久性和防滲效果不甚理想[2]。垂直防滲措施與水平防滲措施相比， 截滲效果更為顯著，目前垂直防滲加固技術主要有：混凝土防滲墻、帷幕灌漿、深層攪拌防滲板墻、銑削深層攪拌（CSM工法）防滲墻等，下面分別分析各種防滲技術在本項目實施的優劣。

5.1 混凝土防滲墻

混凝土防滲墻是利用液壓抓斗、液壓銑槽機、鉆機等設備在地基中挖槽形成槽孔，孔內用泥漿護壁，然后通過導管采用水下澆筑混凝土技術，在槽孔內澆筑塑性混凝土或普通混凝土，形成地下連續防滲墻[6]。其特點為：①對地質適應性廣，可在各類地層中通過“抓、鉆、銑、爆”等各種方式成孔成墻[7];②安全、耐久、可靠，成墻后墻體滲透系數一般可達到1×10-6～1×10-8? cm/s，允許滲透比降值達 60～100，墻體間連接可靠;③造價高，施工速度相對較慢。

5.2 帷幕灌漿

帷幕灌漿原理是將一定比例的膠凝材料配置成漿液，利用壓力裝置將漿液通過鉆孔灌入到基巖或土體的裂隙或孔隙結構里，使漿液充分擴散、充填至鉆孔周邊的土體內，然后膠凝、固化來提高基巖或土體的強度，增加穩定性和抗滲性，以達到改善巖土體物理力學性質的目的[7]，帷幕灌漿孔按一定的間距成排成組布置，形成一個連續的阻水帷幕。其特點為：①成本低、安全性高，若采用化學灌漿則造價高;②對地質適應性差，覆蓋層灌漿需通過現場試驗確定可灌比[8];③防滲效果不理想，灌漿后砂礫石地層滲透系數降低到1×10-5～1×10-4? cm/s即可認為合格[8];④施工速度較慢，大范圍作業投入設備較多。

根據實測壩軸線地基砂巖層顆粒分析數據（表2）及曲線（圖2）計算可灌比[8]M=D15/d85=0.3 mm/0.06 mm=5，常規水泥灌漿可灌性差。

5.3 深層攪拌防滲板墻

深層攪拌防滲板墻是利用深層攪拌機械將水泥漿等材料與土體強制攪拌，從而在土體內產生物理-化學反應形成的具有一定強度的、具有整體性和水穩定性的柱狀水泥土攪拌樁，再由連續套接的水泥土攪拌樁組成墻體[9]。其特點為：①對地質適應性差，主要適用于粘性土、粉土、砂土，以及黃土、淤泥質土等軟土類地質;②使用深度偏淺，地層發生軟硬變化時樁體垂直度難以保證，易造成樁間搭接不嚴密;③防滲效果好，墻體滲透系數小于1×10-5? cm/s;④造價低，施工效率低，大范圍作業投入設備較多。

5.4 CSM銑削深層攪拌防滲墻

銑削深層攪拌（Cutter Soil Mixing，CSM）技術是國際上最新研發的一種水泥土深層攪拌工藝，該工法的原理是在鉆具底端配置兩個在防水齒輪箱內的馬達驅動的銑輪，并經由特制機架與凱氏鉆桿連接或鋼絲繩懸掛，使用兩組銑輪以水平軸向旋轉攪拌方式深入地層削掘、攪拌已松化的土體，并注入固化劑，形成矩形槽段的改良土體[10]。其特點為：①具有高削掘性能，地層適應性強，可在密實的粉土、粉砂等硬質地層，及砂卵礫石層中切削掘進，經實測可在抗壓強度20 MPa的砂巖中實施;②成墻防滲效果好，土體通過銑輪多排刀具高速旋轉被削掘，同時削掘過程中注入高壓空氣及固化漿液，使其具有非常優良的攪拌混合性能，在水泥摻量為13%的情況下，墻體滲透系數小于1×10-5 cm/s，成墻抗壓強度和抗滲性能均隨著水泥摻量的增加而增加[11]，墻體垂直度可精確控制，墻體間連接可靠;③可完成較大深度的施工，導桿式設備施工深度可達45 m，懸吊式設備深度可達65 m;④造價略高。

以上分析從地層適應性、防滲可靠性、防滲耐久性、施工功效、施工質量檢測等多個技術方面對各防滲工藝進行綜合評價，詳見表3。

由各防滲工藝的工程量與造價的計算比較可知，CSM銑削深層攪拌防滲墻性價比最優，詳見表4。

6 壩基防滲方案選定

依據表3及表4的對比結果，從各施工工藝技術及造價經濟性等方面，綜合對各方案進行選定。

（1）混凝土防滲墻適應性好，防滲性能可靠，防滲質量有保證，但工期較長，造價高。

（2）CSM銑削深層攪拌防滲墻適應性好，防滲性能可靠，防滲質量有保證，工效高，造價適中，性價比高。

（3）經計算可灌比M=5<10，常規水泥或水泥黏土灌漿在本項目區可灌性差，防滲質量難以保證。

（4）因本項目區部分地基砂巖抗壓強度可達20 MPa，不適應深層攪拌防滲板墻，因此不考慮該方案。

根據上述各方案的綜合比較，無論從技術方面還是從經濟方面，CSM銑削深層攪拌防滲墻方案均優于其他方案，因此最終決定采用CSM銑削深層攪拌防滲墻方案對希尼爾水庫進行壩基防滲加固，處理方案為在前壩腳阻滑墻前2.5 m處新建了一道寬70 cm，深度深入地質5 Lu線1 m的水泥土防滲墻?？箟簭姸冉洐z測墻體抗壓強度為1.0～9.8 MPa，均大于設計1 MPa，抗滲系數3.68×10-7～7.03×10-6? cm/s，均小于設計抗滲系數1×10-5? cm/s的水泥土防滲墻。

7 結 語

水利工程尤其是水庫大壩，基礎地質情況千差萬別，在基礎防滲處理中，各種施工工藝都有一定的局限性和最優的適用范圍， 通過可靠性、可行性、經濟性綜合比選定能找出最優解。

參考文獻：

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（編輯：李 晗）

A comparative study of technical solutions to seepage control and dam foundation reinforcement cost-effectiveness in danger remove of Shinil Reservoir

LI Xingguang1， YANG Rui1， ZHAO Zhe2

（1. Xinjiang Tarim River Basin Administration， Korla 841000， China;? 2.Sinohydro foundation Co.， Ltd.， Tianjin 300000， China）

Abstract： Shinil reservoir is a typical one on the plain of Northwestern China， with complex geological conditions at the base of the dam. To ensure the sound operation of the reservoir， consideration must be given to seepage control， and the solution must factor into the context in which the project is operated. Preferably， the solution is safe， reliable， effective and economical.This paper provides an analysis of the geological conditions of Shinil Reservior， and compares different seepage control solutions in terms of their feasibility and cost-effectiveness. Through a comprehensive comparison of various schemes， the CSM milling deep mixing cut-off wall scheme was finally used to strengthen the dam foundation of the Shinil Reservoir. After reinforcement， the compressive strength and seepage coefficient of the wall meet the design requirements.This scheme provides a reference for similar projects to remove dangers and strengthening.

Key words： reservoir danger remove nad reinforcement; seepage control of dam foundation; comparative study of technical solutions and cost effectiveness;Shinil Resevoir;Xinjiang