新疆下坂地水利枢纽工程深厚覆盖层防渗技术

秦鹏飞，郑亚平

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）

新疆下坂地水利枢纽工程深厚覆盖层防渗技术

秦鹏飞1，2，郑亚平1

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）

新疆下坂地水利枢纽工程是国家和新疆维吾尔自治区的重点建设项目，坝址砂砾石土覆盖层厚达150 m，土性成因复杂多样，工程地质条件复杂，防渗难度国内外罕见。通过对深厚覆盖层地质资料的研究分析，提出“上墙下幕”垂直防渗方案，即上部采取80 m深、1.0 m厚的塑性混凝土防渗墙，下接70 m深的灌浆帷幕。水库蓄水后对防渗墙的挠度、应力应变及坝基渗流情况进行了监测分析，发现大坝防渗系统在初蓄期间工作性态良好，“上墙下幕”垂直防渗结构在深厚砂砾石覆盖层中发挥了理想的防渗效果。新疆下坂地水利枢纽工程深厚砂砾石土覆盖层“上墙下幕”垂直防渗技术的成功应用，为我国西南、西北山区同类大坝的兴建积累了宝贵的经验，为推动砂砾石土地基筑坝技术的发展提供了重要的参考和借鉴。

新疆下坂地；砂砾石土；深厚覆盖层；垂直防渗技术

1 研究背景

新疆下坂地水利枢纽工程是2001年国务院批准的《塔里木河流域近期综合治理规划》中唯一的山区水利枢纽工程，是国家和新疆维吾尔自治区重点建设项目［1-2］。工程位于帕米尔高原塔里木河水系叶尔羌河支流塔什库尔干河的中下游，是一项以生态补水和春旱供水为主，并同时结合发电的综合性Ⅱ等大型工程。水库正常挡水位2960 m，总库容8.67亿m3，电站总装机150 MW［3-5］。

下坂地水利枢纽工程的兴建，可以替代塔河下游16座平原水库的蓄水能力，同时能满足叶尔羌河向塔里木河多年的输水量，使被灌农区扩大十几倍，而且还能缓解喀什和克州等地的严重缺电问题，对促进地区经济发展、边疆政治安定和社会稳固都具有十分重要的意义［6］。

2 工程地质条件

下坂地水利枢纽工程建设区域具有地理海拔高、地震烈度大、覆盖层深厚等国内外罕见的地质难题。下坂地坝址河床覆盖层厚达150 m，其岩性成因复杂多样，工程地质条件复杂。地质勘探表明，下坂地坝址区深厚覆盖层由上至下可划分为五层［7］，其分别为：

②湖积淤泥质土及软黏土（Q4l）：为全新世早期与中期“堰寒湖”的产物，按空间结构分上下两层，中间夹一层砂砾石组成。分布于坝轴线上游120 m处至库区。

图1 新疆下坂地水利枢纽工程坝基地质剖面图

河床深厚覆盖层坝址区的工程地质问题［8］是：①在工程荷载作用下河床深厚覆盖层差异沉降；②河床深厚覆盖层坝基渗漏、渗透变形；③河床深厚覆盖层地震液化；④软土强度及稳定问题等。本工程的地质问题是第②个问题。

3 垂直防渗方案

综合考虑坝基地质条件、施工技术水平及经济性等因素的影响，针对150多m的深厚砂砾石覆盖层，现场采取了“上墙下幕”的垂直防渗方案［9-10］。上部为80 m深、1.0 m厚的塑性混凝土防渗墙，防渗墙的下部接3排70 m深的灌浆帷幕。防渗墙施工前，沿墙轴线方向，在距墙轴线2.5 m的上、下游各布置一排钻孔，孔距2.5 m，埋设70 m灌浆管；防渗墙施工时，在墙内预埋1排灌浆管（Φ150 mm焊接钢管，每隔10 m设一定位架），孔距2.5 m。防渗墙施工完毕后，通过预埋管向墙下钻孔灌浆，形成封闭帷幕。墙幕结合防渗方案示意图见图2。

由于下坂地工程位于帕米尔高原，自然条件差，工作环境恶劣，若采用水平铺盖防渗形式，则其后期运行中将需要大量持续的维修工作量，不利于工程管理，甚至会引起安全隐患。因此综合考虑防渗效果和运行管理因素，认为采用垂直防渗方案是适宜的。

图2 “上墙下幕”垂直防渗方案示意图

4 防渗墙施工

防渗强施工主要包括导向槽槽孔开挖、防渗墙槽孔开挖、泥浆护壁、清孔换浆、混凝土浇筑、接头管下设和浇筑导管及拔管等工序。下坂地防渗墙施工时采用了Ⅰ期槽孔6.4 m、Ⅱ期槽孔6.6 m两种形式划分槽段，可同时满足3台冲击钻施工操作。

4.1 钻劈成槽由于深厚覆盖层地基中存在大块漂石及局部地段架空等不利因素的干扰，采用钻抓成槽施工容易造成塌孔、漏浆甚至卡斗等事故，因此下坂地防渗墙采取了“钻劈成槽”法施工。施工时使用高性能冲击钻设备进行主孔钻进，然后劈打副孔。劈打副孔时在相邻的两个主孔中放置接渣斗接住大部分劈落的钻渣，并直接提出槽孔，大大提高了施工工效。

“钻劈成槽法”在槽孔钻进过程中常遇到大块石、漂石等呈“探头”状态的孤石，致使钻进速度显著降低并使钻孔出现偏斜。为便于顺利施工，采取了定位爆破、岩芯钻机钻孔爆破等方法将这些“探头石”炸掉。

4.2 接头与拔管防渗墙槽段的连接部位是防渗墙止水防渗成功的关键所在，必须采取可靠连接措施使防渗墙完整封闭。下坂地防渗墙槽段连接的接头工艺采用的是接头管法和钻凿法。深部槽段接头采用接头管法，而部分深度小于50 m的槽段采用钻凿法。

槽孔内混凝土浇筑完成后需及时将接头管拔出。为了准确掌握接头管起拔时间，按现场浇筑的混凝土配合比配制0.1 m3混凝土观测其初凝时间。经观测发现该配比混凝土的初凝时间为7 h～14 h，确定接头管起拔时间为7 h～14 h。拔管机采用中国水电基础局的专利产品BG1000型拔管机。

5 帷幕灌浆

5.1 灌浆材料下坂地坝基覆盖层帷幕灌浆采用水泥黏土浆浆液灌注。黏土取自新疆乌恰县生产的红黏土，水泥则选用喀什飞龙水泥有限责任公司生产的P.O32.5早强硅酸盐水泥。乌恰红黏土物理性能参数见表1所示。

表1 乌恰红黏土物理性能参数

根据设计要求，实际施工中采用的固料配比为：水泥与黏土质量比为1∶1～1∶0.6，水泥细度为通过80 μm方孔筛的筛余量不大于5%。实际灌浆施工中采用水固比4∶1开灌，水固比4∶1、3∶1、2∶1和1∶1四级浆液变换。对部分黏度较大的浆液适当添加高效减水剂，以增强浆液的流动性。

由于砂砾石土覆盖层钻孔过程中容易出现塌孔、漏浆、卡钻、埋钻等事故，现场施工中采用密度大、黏度高的泥浆，并掺加优质膨润土。部分特殊施工地段还在水泥浆中加入纯碱、正电胶、羟甲基纤维素、低分子量聚丙烯酰胺、腐植酸钾等无机盐和有机分散剂、增稠剂以提高膨润土的性能和造浆率，达到良好的护壁效果。

5.2 孔口封闭灌浆法新疆下坂地深厚覆盖层帷幕灌浆施工是在80 m以下的砂砾石土层中进行的，采用了孔口封闭灌浆施工工艺。孔口封闭灌浆法单孔施工程序为：孔口管段钻进→孔口管段灌浆→镶铸孔口管→待凝72 h以上→第一灌浆段钻进→灌浆→下一灌浆段钻孔、灌浆→……直至终孔→封孔。孔口封闭法施工工艺请见图3所示。

孔口封闭灌浆法的使用，使灌浆技术由低压灌浆发展到高压灌浆，是灌浆技术的一次飞跃。低压灌浆大多是充填和渗透灌浆，而高压灌浆则基本上是劈裂和挤密灌浆。理论分析表明，灌浆时灌浆孔孔壁处土体承受的拉应力等于灌浆压力，因此在高压灌浆时灌浆孔周围的土体被灌浆压力劈裂，原有的孔隙通道被扩宽和延伸，大大地提高了砂砾石土的可灌性，并增加了吸浆量。浆液在高压状况下发生泌水固结，固结体强度大大提高，从而增强了灌浆效果。

现场施工时根据不同的地质条件选取不同的灌浆压力，其中边排孔为1.5～2.5 MPa，中间排孔为2.5～3.5 MPa。当灌浆压力保持不变，注入率持续减少时，或当注入率不变而压力持续升高时，不得改变水灰比；当每级浆液灌入量达到1000 L或灌注时间已达1 h而灌浆压力和注入率均无改变或改变不显著时，应变浓一级；当同一孔段内注入率不大于1 L/min时，可延续灌注30 min，结束灌浆。

5.3 压水试验为了检查新疆下坂地深厚覆盖层帷幕灌浆的防渗效果，在工地现场进行了压水试验。压水试验结果显示，防渗帷幕透水率为0.15～15.64 Lu，渗透系数为2.27×10-6～2.37×10-4cm/s，达到了预期的防渗目标。

图3 孔口封闭法主要施工程序示意图

6 防渗监测分析

为了对下坂地水利枢纽工程“上墙下幕”垂直防渗性能进行检测，客观评价大坝安全状况并准确掌握大坝运行态势，及时发现问题进而确保大坝安全和工程效益的发挥，现场技术人员对砂砾石土覆盖层坝基的渗流情况进行了跟踪监测。

根据坝基地质情况，坝基渗流监测选取的3个监测横断面为：坝0+160 m、坝0+221 m、坝0+ 294 m，与混凝土防渗墙监测断面相对应。同时，在各断面不同位置选取了不同的观测垂线，位置为坝轴线的坝上6 m、坝下10 m、坝下70 m、坝下140 m，每一垂线上沿高程设置了不同的观测点。坝基渗流监测仪器布置见图4所示。

图4 坝基渗流监测仪器布置图（单位：m）

2010年1月25日至2010年11月24日蓄水期间，大坝上游6 m处9支渗压计均随上游水位上升而上升，上游渗压计的上升速率在0.082～0.104 m/d之间，上游水位上升速率为0.082 m/d。上游水位过程线见图11所示。大坝基础下游的渗压计在蓄水期间随上游水位的上升有小幅上升，速率范围在0.003～0.047 m/d，下游水位过程线见图5—图8所示。

图5 蓄水期间0+160断面上游6 m处渗压计水位过程线

图6 蓄水期间0+160断面下游10 m处渗压计水位过程线

图7 蓄水期间0+160断面下游70 m处渗压计水位过程线

图8 蓄水期间0+160断面下游140 m处渗压计水位过程线

监测数据表明，大坝防渗系统在初蓄期间工作性态良好，“上墙下幕”垂直防渗结构在深厚砂砾石覆盖层中发挥着良好的防渗效果。

7 结语

新疆下坂地水利枢纽工程坝址覆盖层深达150余m，自然条件恶劣，工程地质条件复杂，坝基防渗难度国内外罕见，设计及施工国内没有先例。通过对深厚覆盖层地质资料的研究分析，提出了符合下坂地工程实际的设计方案和施工技术措施。即采取上部80 m深、1.0 m厚的塑性混凝土防渗墙，下接70 m深的灌浆帷幕垂直防渗方案。防渗墙采取“钻劈成槽法”施工，帷幕灌浆则采取“孔口封闭法”。下坂地水利枢纽已于2010年1月下闸蓄水，3台机组已全部发电，水库蓄水后对坝基的渗流情况进行了监测分析，发现大坝防渗系统在初蓄期间工作性态良好，“上墙下幕”垂直防渗结构在深厚砂砾石覆盖层中发挥着良好的防渗效果。两年多的运行情况表明，新疆下坂地水利枢纽工程深厚覆盖层“上墙下幕”垂直防渗方案设计合理，施工质量优良。新疆下坂地工程的成功为我国西南、西北山区同类大坝的兴建积累了宝贵的经验，为推动砂砾石土地基筑坝技术的发展提供了重要的参考和借鉴。

［1］ 杨晓东，覃新闻，郑亚平.深厚覆盖层防渗技术［M］.北京：中国水利水电出版社，2011．

［2］ 黄小宁，覃新闻，彭立新.深厚覆盖层坝基防渗设计与施工［M］.北京：中国水利水电出版社，2011．

［3］ 周春选，杨智睿，王健.新疆下坂地水库坝基防渗处理设计［J］.水利学报，2005，36（S1）：612-616．

［4］ 黄小宁.下坂地水利枢纽工程主要工程地质问题及对策［J］.水利水电技术，2006，37（9）：12-16．

［5］ 中国科学院地质与地球物理研究所.塔里木河流域近期综合治理下坂地水利枢纽工程《近坝区高陡边坡稳定性研究》［R］.北京：中国科学院地质与地球物理研究所，2003．

［6］ 樊曙光，郑旭荣.下坂地水利枢纽工程坝基防渗工程设计与施工［J］.水利水电技术，2012，43（10）：8-11．

［7］ 水利部陕西水利电力勘测设计研究院．塔里木河流域近期综合治理下坂地水利枢纽工程《工程地质勘察报告》（可行性研究阶段）［R］.西安：水利部陕西水利电力勘测设计研究院，2003．

［8］ 党林才，方光达.深厚覆盖层上建坝的主要技术问题［J］.水力发电，2011，37（2）：24-28．

［9］ 燕乔，王立彬，毕明亮，等.深厚覆盖层墙幕结合技术关键问题研究［J］.人民长江，2009，40（16）：34-36．

［10］ 张文捷，魏迎奇，蔡红.深厚覆盖层垂直防渗措施效果分析［J］.水利水电技术，2009，40（7）：90-93．

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

（责任编辑：李 琳）

2014-01-02

国家自然科学基金（51279217）

秦鹏飞（1984-），男，河南鲁山人，博士生，主要从事地基处理方面的研究。E-mail：qinpengfei@emails.bjut.edu.cn