新疆克孜尔水库除险加固工程F2断层防渗墙设计及施工技术

张宏科，刘湘成

（1.新疆克孜尔水库管理局，新疆库车842313；2.葛洲坝新疆工程局基础处理公司，新疆乌鲁木齐830011）

1 工程概况

克孜尔水库位于阿克苏地区拜城县境内，坝址西距拜城县约60 km,东距库车县约70 km，是目前塔里木河水系渭干河流域上一座以灌溉、防洪为主、兼有水力发电等综合效益的大型控制性水利枢纽工程。

克孜尔水库除险加固后设计总库容17.00亿m3（原库容9.75亿m3），正常高水位1149.6 m，相应库容4.28亿m3，工程规模为一等大（1）型，场区基本烈度为Ⅷ度，主要建筑物为1级，次要建筑物为3级。大坝防洪标准按重现期500年洪水标准（7214 m3/s）设计，按重现期5000年洪水标准（11156 m3/s）校核，水库承担下游河道的防洪标准按重现期100年洪水（4627 m3/s）设计。水库除险加固工程主要包括主、副坝坝体加高、F2断层防渗处理、右坝肩倾倒变形体加固、泄水建筑物加高、加固及水库安全监

测设施完善等内容。

图1 克孜尔水库工程枢纽布置图Fig.1 Sketch drawing of the Kezier hydropower project

2 副坝右坝肩及F2断层带工程地质概况

副坝右坝肩位于副坝桩号1+135.0～1+288.0之间（见图1）,坝基岩层主要为第三系上新统和第三系中新统的苍绿色砂岩(Sc)、灰色泥质粉砂岩(Sm)、灰褐色泥岩(Cc)、灰色砂质泥岩(Cm)。该岩体遇水易软化、崩解为软岩，透水性强，物理力学性质很差。副坝右坝肩有一活动断层（F2）贯穿坝基,走向NE∠60°～70°,倾角SE23°,与坝轴线交角70°左右，断层破碎带影响宽度约90 m，位于副坝桩号1+193～1+288之间。受其影响,在副坝右坝肩又有数条派生的次级断层,这些次级断层互层呈叠瓦状分布,岩石破碎、节理裂隙非常发育，属全新世、具有压扭蠕变性质的活动断层。

3 原副坝右坝肩工程基础处理方案

鉴于副坝右坝肩地质条件较为恶劣、相对不透水层分布较深的特点，为提高坝基岩体的强度和整体性，满足防渗要求，原工程主要采取三项技术处理措施：（1）进行强破碎体的基础扩大开挖；（2）对该坝段坝基进行大规模的深层固结灌浆和帷幕灌浆；（3）沿F2断层带（副坝1+198～主坝0-143）岩面热喷乳化沥青，其它坝段岩面均为现浇分离式C15混凝土垫层50 cm左右，详见图2。

图2 副坝右坝肩基础处理图Fig.2 Foundation treatment of the right abutment of auxiliary dam

4 F2断层防渗处理方案及施工技术要求

4.1 F2断层带防渗处理原因

（1）位于F2断层带上盘的6个勘探孔压水试验成果见表1。

表1 F2断层带压水试验结果统计Table 1:Result of the water pressure test at the fault F2

由表1可知，F2断层带的透水率平均值约5～17.3 Lu之间。其中ZK6孔透水率最大值为81.9 Lu，位于高程1140.17～1135.17 m之间，高程1140.17～1110.17 m的透水率平均值为26.4 Lu，属中等透水层；ZK5孔透水率最大值为16.3 Lu，位于高程1139.81～1144.81 m，属于中等透水层；且最大透水率值更集中于副坝1+250～主坝0-090坝段。因此，F2断层带的帷幕防渗效果有所下降。

（2）F2断层带轴线至轴线下游50 m范围内的地下水质检分析结果见表2。

F2断层带环境水对混凝土有碳酸型中～强腐蚀、硫酸盐（SO42-）强腐蚀，部分环境水对抗硫酸盐水泥有弱～强腐蚀。因此，环境水对F2断层带早期的普通硅酸盐水泥防渗帷幕有一定程度的腐蚀作用。

（3）F2断层带渗流观测值有逐年增加的趋势。

断层带渗流观测成果见表3。

表3分别统计了位于副坝右坝肩F2断层带1+137断面的坝后集中渗流观测井、1+213断面及1+256断面3根不同位置测压管，在近5年来库水位相对稳定在1148.0～1148.7 m高程（水库高水位）时F2断层带的渗流量及地下水位观测平均值。从抽取的53组库水位、渗流量及测压管样本数据均值看，坝后集中渗流井的渗流量观测极值在2.47 L/s左右；F2断层上盘的地下水位（1142.6 m）略高于下盘（1138.6 m）；渗流量、地下水位总体反映了水库在高水位（大于1148.0 m高程）运行时渗流量及断层带地下水位呈逐年上升的趋势。

表2 F2断层带地下水质检分析成果Table 2:Result of the quality check test for the groundwater of fault F2

表3 F2断层带坝后渗流量及地下水位观测成果统计Table 3:Seepage at dam toe and water level of groundwater at the fault F2

综合以上因素，水库运行近16年来，由于F2断层破碎带及裂缝中含有的石膏等水溶盐经地下水溶蚀后带出，加之地下水水质对普通硅酸盐水泥具有较强的腐蚀作用和受F2活动断层蠕变影响，导致F2断层带帷幕防渗效果有所下降，坝后渗流呈逐年上升趋势。如果渗漏趋势和范围扩大、坝后地下水位继续升高，将影响到方山南坡的稳定。因此，有必要对位于副坝右坝肩的F2断层带进行加固处理。

4.2 F2断层带加固处理方案比选

F2断层带由三支断层（F2-1、F2-2、F2-3）组成，断层带岩体主要为弱胶结的软岩，根据其活动特性及地质特点，设计进行超细水泥化学复合灌浆和塑性混凝土防渗墙两种方案。比较后认为：塑性混凝土防渗墙处理方案耐久性好，在材料加入膨润土且采用抗硫酸盐水泥后，其抗侵蚀能力较强，即使防渗墙产生裂缝，其渗漏量也不大，具有投资相对较小、施工效果好的优势，所以确定采用塑性混凝土防渗墙加固处理方案。

4.3 F2断层防渗墙设计方案

F2断层带防渗处理范围：本次混凝土防渗墙处理范围为副坝1+178.0 m～副坝1+288.6m及主坝0-162.0 m～主坝0-092.0 m，总长180.6 m。

F2断层带防渗墙设计：由于坝基岩体强度较低，饱和抗压强度平均2.34 MPa（平行层理），又处于断层破碎范围，采用塑性混凝土防渗墙进行加固处理，施工难度相对较小。防渗墙设计参数如下：

（1）防渗墙墙体厚度为800 mm，墙体混凝土强度为2～5 MPa，弹性模量400～1000 MPa，水泥采用抗硫硅酸盐水泥。

（2）防渗墙深度及平面布置：防渗墙处理深度为5 Lu线下1.0 m，最深为心墙建基面下约30 m，墙体轴线与原大坝防渗轴线相重合。

（3）防渗墙浇筑高程：塑性混凝土防渗墙从坝顶垂直向下开槽，穿透心墙向下进入岩石，高程最低处为1107.0 m，墙体深入基岩最大深度约30 m。对于坝体心墙内的槽孔，为了保证防渗体的完整性，有利于心墙正常安全运行，亦采用塑性混凝土防渗墙浇筑，故塑性混凝土防渗墙浇筑的顶高程为1154.6 m。

4.4 主要施工技术要求

防渗墙材料采用C5混凝土，其抗渗等级为W6，弹性模量400～1000 MPa，采用抗硫硅酸盐水泥。混凝土入孔时的坍落度控制在18～22 cm，扩散度34～38 cm，混凝土最大骨料粒径不大于4 cm。孔位允许偏差不得大于±3 cm，孔斜率不得大于4‰，当使用粘土泥浆时，孔内泥浆的密度不大于1.3 g/cm3，粘度不大于30 s，含砂量不大于10%。

5 F2断层塑性混凝土防渗墙施工

5.1 防渗墙试验段施工

试验槽段选择桩号1+281.0～1+275.8，槽孔长度为5.8 m，孔口高程1154.6 m,墙体厚度为80 cm，槽孔深度为47.6 m。选定冲击钻或回旋钻的造孔设备，确定施工槽段的长度和泥浆的性能指标，获取造孔及成槽经验和处理施工中发生塌孔、缩孔和孔斜的方法；获取造孔的单日进尺，为下一步施工进度的安排提供依据；获取混凝土浇筑的供应强度、坍落度、扩散度以及在浇筑中混凝土的上升速度和导管的布设、提升等指标。

施工设备及主要工序：主孔造孔采用SPC-100型回转钻机，副孔劈孔采用CZ-50型冲击钻机。通过主、副孔成孔、劈孔成槽、清孔验收和塑性混凝土浇筑5个环节后，试验段全部完工，历时33 d。

试验段施工主要结论如下：

（1）施工中采用CZ-50型冲击钻机，施工时间为33 d，试验槽段设计量为227 m2，平均进度为6.88 m2/d；回旋钻钻进至26 m时，钻头扭曲变形，无法继续施工，宜选用冲击钻施工。

（2）粘土心墙塌孔较严重，主要塌孔的部位为导向槽底部，塌孔深度为5～6 m，宽度为2～2.5 m。另据20组孔斜抽样检测结果看：孔斜＞6‰的共有8组，占总数的40%，孔斜＜4‰的共有12组，占总数的60%，说明此试验段易发生孔斜，其主要是受F2断层带坝基岩层中泥岩、砂岩互层及倾向等因素影响，施工中易出现缩孔、孔斜现象。因此，基岩段施工中宜采用“轻打勤放”、配合高密度泥浆、勤抽砂等综合办法，以满足孔壁垂直度要求。

（3）清孔后检测两组数据表明，泥浆粘度、泥浆比重及含砂量分别为17 s、1.02 g/cm3、2.5%，均满足规范要求。

（4）混凝土实际浇筑方量为297.2 m3，超出设计方量30.9%，说明塌孔较严重。施工中也存在基岩段缩孔现象，因此槽段划分不宜选择规范所定槽段7～9 m，设计选定的5 m左右是合适的。

（5）在1+185处的补勘孔中取出近1 m的混凝土芯，与原竣工图中主坝0-092～0-143与副坝1+178～1+198段的防渗墙轴线上有50 cm厚的混凝土盖板不符。如果冲击钻在混凝土盖板处长时间的冲击振动，可能会加剧塌孔、塌槽、甚至发生断钻等事故，为保证心墙结构稳定和安全施工，建议研究有C15混凝土底板两坝段施工工艺。

5.2 防渗墙施工

5.2.1 防渗墙槽段划分及工艺流程

根据防渗墙试验段取得的数据，最终划分为37个槽段，其中一期槽段19个，二期槽段18个，每个槽段长度控制在4.8～5.7 m之间。防渗墙施工按照“修建孔口导墙和施工平台→铺设枕木道轨→安装钻机→修建泥浆池、水泵站、混凝土拌合站→一期槽造孔→一期槽混凝土浇筑→二期槽造孔→打混凝土接头孔→二期槽混凝土浇筑”的工艺流程进行，5个月时间按照设计要求累计完成C5塑性混凝土防渗墙浇筑8399.47 m2，完成C25现浇混凝土108.64 m2。

5.2.2 施工质量控制

防渗墙施工质量控制主要包括成槽施工、清孔施工、混凝土浇筑及原材料质量检测等环节。

（1）防渗墙成孔、成槽施工中共抽检孔位中心偏差736次，其中最大偏差3 cm，最小偏差1 cm；共抽检孔斜834次，其中孔斜率最大为3.9‰，最小为2‰。均符合设计规定的孔位偏差±3 cm、孔斜≤4‰的技术要求。

（2）各槽段在清孔后1 h进行孔内泥浆检测，取得37组数据表明：孔底沉渣厚度在3～9 cm之间，平均值5.6 cm，小于规范值10 cm；孔内泥浆比重在1.01～1.3 g/cm3之间，平均值1.13 g/cm3，小于规范值1.3 g/cm3；泥浆粘度在15.1～21 s之间，平均值16.6 s，小于规范值30 s；泥浆含砂量在2%～9%之间，平均值3.8%，小于规范值10%。

（3）塑性混凝土浇筑过程中共抽检原材料（抗硫硅酸盐水泥、粉煤灰、骨料、膨润土、高效减水剂）29组，质量全部合格。混凝土坍落度检测376组，在18～22 cm之间，平均值20.4；扩散度实测376组，在38～42 cm之间，平均值39.7；抗压强度取样14组，经检测均满足设计标准。

5.2.3 心墙底部埋深有C15混凝土底板坝段成槽施工及效果

（1）混凝土底板预钻方案：因副坝右肩心墙渗水位高程约在1140.1 m左右，而C15混凝土底板埋深在心墙高度30 m深处（1121.0 m高程），其下与基岩通过灌浆固结。因此，为防止造孔过程中因冲击钻施工造成槽孔两侧原混凝土盖板破坏及粘土心墙的大面积塌孔、卡钻或断钻等事故发生，确定对埋深有混凝土底板的槽段进行冲击钻施钻前的地质钻预钻施工。

（2）预钻施工：选用C300型地质钻在导向槽内沿坝轴线方向上、下游两侧连续加密造孔，孔间距200 mm；沿导向槽内垂直坝轴线方向，间隔80 cm进行加密造孔，孔间距同上，孔径均为91 mm。

（3）施工效果：根据有混凝土盖板段的14个槽段和无混凝土盖板段的23个槽段的混凝土浇筑资料，有混凝土底板段超设计混凝土浇筑方量在5%～24.5%之间，平均值12.6%；无底板段超设计混凝土浇筑方量在9.1%～71.6%之间，平均值27.5%。可见对粘土心墙下C15混凝土底板进行预钻后，成槽施工过程中塌孔概率明显减小，既满足了“槽孔穿越心墙下混凝土底板时不扰动防渗墙两侧原基础混凝土板”的技术要求，又保证了心墙结构的稳定，说明该处理方案可行。

5.3 F2断层防渗墙完整性检测

按照SL174-96《水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范》要求，在F2断层防渗墙C5塑性混凝土及顶层C25混凝土浇筑完工后一个月，委托物探检测机构对混凝土防渗墙墙体质量进行了低应变动力无损检测，结果表明：在所抽检的47处防渗墙中，连续性和完整性检测点数均占到总数的93.6%，实测波速基本稳定在2413～3155 m/s之间，介于试样测试纵波2268～3210 m/s之间，说明该墙体连续完整。

6 结语

（1）由于F2断层带基岩主要以泥岩、砂岩为主，遇水易软化，饱和抗压强度低，且基岩易溶盐含量较高，水库蓄水后随着地下渗水的形成，环境水对普通硅酸盐水泥有强侵蚀作用，导致原基础帷幕防渗体防渗效果下降。为防止渗水沿F2断层带继续向下游扩散，影响方山南岸坡稳定，经方案比选后，确定进行塑性混凝土防渗墙加固。

（2）防渗墙施工应严格按照施工规范先进行试验段施工，获取各种施工技术参数，这对后期设备选型、施工工艺、质量控制等措施的制定非常有利。本工程成槽施工中，采取地质预钻施工措施有效解决了埋深较深的C15混凝土底板施工风险较大的问题，既确保了工程质量又保证了施工工期，说明预钻处理方案是可行的。■

[1]新疆渭干河克孜尔水库除险加固工程初步设计报告[R].新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院,2008.