吐鲁番大河沿引水工程深覆盖层基础处理技术研究

周 亮，赵万强

(吐鲁番市水利水电勘测设计研究院，新疆 吐鲁番 838000)

1 概述

大河沿引水工程拟建坝址距乌鲁木齐120km，距吐鲁番市60km，距大河沿镇17km。工程主要由挡水大坝、溢洪道、灌溉洞及泄洪放空冲砂兼导流洞组成，是一座具有城镇供水、农业灌溉和重点工业供水任务的综合性水利枢纽工程。

大河沿引水工程水库总库容3024万m3，为Ⅲ等中型工程，挡水建筑物采用沥青混凝土心墙坝，最大坝高75.00m，大坝级别为2级，永久建筑物溢洪道、灌溉洞和泄洪放空冲砂兼导流洞级别3级，边坡级别为4级、公路等建筑物级别为4级。挡水建筑物土石坝设计洪水标准为50年一遇，校核洪水标准为1000年一遇；消能防冲设计洪水标准为30年一遇。各永久建筑物合理使用年限为50年。

2 基础覆盖层特性

2.1 覆盖层的分布及物理组成

坝址位于峡谷出口段，处于“U”形河谷内，河床基岩面呈“V”字形，两侧基岩面坡度为55°～60°，河床面高程21540～1555m，河床面宽260～320m，河床覆盖层最深处达174m时水面宽4～10m，水深0.4～0.8m，大致分二股蜿、曲于河滩之中，总体流向由北向南，河床坡降较陡，其纵坡坡度平均为30.4‰，水流湍急。两岸山顶相对高差120～130m，山坡坡度40°左右，一般基岩裸露。左岸由上、下游冲沟切割山体较单薄。左岸下游及右岸上、下游分布有连续的Ⅳ级阶地，其后缘多为坡洪积物所覆盖。

坝区基岩为石炭系上统博格达下亚群第二组(C3bga- 2)一套火山碎屑岩类，岩性主要为火山角砾岩。

第四系覆盖层主要为：

(1)上更新统冲洪积堆积(Q3al)，分布于Ⅳ级阶地。堆积为碎屑砂砾石，厚度30～50m。

(2)全新统冲积堆积(Q4al)，分布于河床及高漫滩，堆积为含漂石砂卵砾石层，呈“V”分布于深切河谷内，最大厚度达173.8m。

(3)第四系坡积堆积(Qdl)：为褐灰色碎、块石夹土，呈松散状，分布于两岸坡脚及冲沟内，厚度般1～5m。

2.2 覆盖层的土力学特性

坝址处位于河床堆积深厚的含少量漂石砂卵砾石层，最厚度达174m，结构较密实，层理间夹泥质、砂质壤土条带。

工程河床坝基含漂石砂卵砾石层级配不良，经现场试验，含漂石砂卵砾石层最小干密度1.62g/cm3，最大干密度2.05g/cm3，颗粒比重2.70g/cm3。河床浅部(厚0～3.5m)的含漂石砂卵砾石层天然干密度1.90g/cm3，相对密度0.71，经物探声波测井，声波纵波波速Vp<1500m/s，经物探地震波测试，剪切波波速Vs<300m/s；3.5m以下天然干密度2.2g/cm3，相对密度0.81，属密实状态，其经物探地震波测井，声波纵波波速Vp在2200m/s以上，地震剪切波波速Vs>300m/s。

址坝两岸Ⅳ级阶地堆积冲洪积层厚度30～50m。结构较紧密，经对阶地高天然陡坎颗分，粒径以小于2～40mm的碎屑砾石为主，大于40mm的粒径在10%以内，不大于0.075mm的土粒含量少于5%。砾石主要成分为砂岩、矽质粉砂岩、安山岩及火山碎屑岩，磨圆度较差，以次梭角形为主。

3 深覆盖层基础处理研究

3.1 基础防渗的选定

由于基础覆盖层深厚，设计针对坝基150m量级深厚覆盖层的防渗处理问题进行了专题研究，通过水平铺盖和垂直防渗方案从渗流、结构、施工、工期、造价以及运行管理等方面的综合比选，推荐采用防渗墙一墙到底防渗型式作为本工程的最佳防渗方案。

坝基防渗设计对与坝基渗漏量的控制标准根据坝基的地层条件和投资大小及实施的可行性，结合国内有关工程对坝基渗漏量的控制标准确定。如冶勒、下坂地等水电站大坝防渗控制渗漏量为河道多年平均年径流量的1%，大河沿多年平均年径流量为1.01亿m3，大河沿工程设计采用坝基渗漏量的控制标准为多年平均流量的1%，即不大于2767m3/d，工程的防渗难度很大。设计采用坝基砂砾石层允许水力坡降为0.1。

对于坝基防渗处理，可研专题阶段设计针对150m深的覆盖层拟定了悬挂方案、全防渗等2种大方案，其中全防渗方案又细分成全防渗墙方案、全帷幕方案和防渗墙加帷幕等26种不同的防渗方案，对不同防渗型式委托河海大学进行了三维渗流分析计算。

采用悬挂式防渗墙渗透比降能满足要求，但是不能满足控制坝基渗漏量的要求；水平铺盖加悬挂式混凝土防渗墙，在水平铺盖一旦失效的情况下，悬挂式混凝土防渗墙不能确保坝基的渗透稳定；长2000m的水平全库盘铺盖防渗也不能满足对控制坝基渗透流量和渗透稳定的要求；在坝基做80m深的防渗墙情况下，坝基渗漏量为36815m3/d，每年渗漏水量为1343.7万m3，占多年平均径流量的13.29%。因此，坝基必须进行全防渗处理，控制渗漏量，保证坝基渗透稳定。沥青砼心墙+防渗墙计算分析成果见表1。

表1 沥青砼心墙+防渗墙计算分析成果表

为达到渗透稳定和对渗漏量控制的要求，垂直防渗必须全部截断坝基砂砾石层。对垂直防渗方案结合枢纽布置的优化，通过对国内外基础防渗工程施工情况的对比分析，本阶段重点研究如何实现截断174m深的河床砂砾石层的垂直防渗方案。根据当前垂直防渗方案通常采用的防渗处理形式、施工水平，参考西藏旁多水电站、新疆下坂地水电站及四川冶勒水电站等工程经验，结合大河沿坝基覆盖层地质情况，本设计综合考虑推荐一墙到底方案。

3.2 混凝土防渗墙设计

根据《水工设计手册·第六卷·土石坝》(第二版)，防渗墙使用年限估算以梯比利斯研究所公式应用较多。渗水通过防渗墙混凝土使石灰淋蚀而散失强度50%所需的时间T为：

(1)

式中，a—淋蚀混凝土中的石灰，使混凝土的强度降低50%所需的渗水量，m3/kg，根据苏联学者B.M.莫斯克研究，a=1.54m3/kg，按柳什尔的资料，a=2.2m3/kg；b—防渗墙厚度，m；c—1m3混凝土中的水泥用量，kg/m3，根据初定的配合比取350kg/m3；k—防渗墙渗透系数，m/a，取0.00946m/a；J—渗透比降，一般混凝土防渗墙为80～100，取80；β—安全系数，2级建筑物非大块结构(厚度小于2m)时取16。

根据防渗墙使用年限估算公式反算防渗墙厚度，防渗墙使用年限与大坝一致，根据SL 654—2014《水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范》，本工程为Ⅲ等中型工程，合理使用年限为50年。通过计算，a=1.54m3/kg时，防渗墙厚度b为1.12m；a=2.2m3/kg时，防渗墙厚度b为0.79m。从耐久性要求来讲，混凝土厚度不宜小于0.79m。

3.2.1 容许水力梯度

防渗墙在渗透作用下，其耐久性取决于机械力侵蚀和化学溶蚀作用，因为这两种侵蚀破坏作用都与水力梯度密切相关。目前防渗墙厚度主要依据其容许水力梯度、工程类比和施工设备确定，即：

(2)

式中，δ—防渗墙厚度，m；Η—最大运行水头，m；ΙΡ—防渗墙容许水力坡降，刚性混凝土防渗墙可达80～100，塑性混凝土防渗墙多采用50～60。黄河小浪底工程混凝土防渗墙设计容许水力坡降Jp取92，新疆下坂地坝基混凝土防渗墙设计容许水力坡降Jp取80。

工程参照下坂地工程，防渗墙允许渗透坡降Jp取80，选用1m厚混凝土防渗墙进行防渗处理，比照西藏旁多水利枢纽坝高72.3m，混凝土防渗墙最大墙深158m，厚度1.0m，厚度比较合理。

3.2.2 墙体材料及墙厚对应力的影响

(1)墙体材料

为了解防渗墙墙体的弹性模量对其应力的影响，取墙厚为1m，墙体弹性模量分别为30、28、25.5、10、1.0、0.5GPa，利用平面有限元方法进行了坝基防渗墙应力分析。墙体弹性模量与应力的关系平面有限元计算成果见表2。

表2 墙体弹性模量与应力的关系平面有限元计算成果 单位：MPa

根据平面有限元计算结果，混凝土防渗墙弹性模量从25.5GPa提高到30GPa，竣工期的最大压应力变化范围在27.5～28.4MPa之间，蓄水期在16.6～17.8MPa之间，表明墙体应力在常规混凝土C30的抗压强度范围内。考虑到混凝土强度随龄期会有一定增长，槽段防渗墙墙体混凝土设计指标采用C30混凝土，抗渗等级W10，且R180≥35MPa，混凝土弹性模量为28GPa。

(2)墙体厚度

为研究防渗墙厚度对墙体应力的影响，取防渗墙弹性模量25.5GPa，墙厚分别取1.2m、1.0m、0.8m、0.6m进行二维有限元分析，防渗墙厚度对应力的影响见表3。

表3 防渗墙厚度对应力的影响 单位:MPa

计算成果表明随防渗墙厚度的增大，防渗墙的最大应力逐渐减小。墙厚1m时墙体的最大压应力为27.8MPa，从防渗墙受力角度看，采用常规混凝土、墙厚1m满足受力要求。

3.3 防渗墙施工缺陷名感性分析

由于防渗墙较深，施工规范考虑防渗墙施工有一定的施工偏差，本次敏感性分析计算考虑防渗墙在70m深度以下开始出现开叉，直至基岩，偏移百分比分别取0.3%、0.5%，1%，即防渗墙在底部分叉距离分别为0.48、0.8、1.6m，各种工况渗漏量成果见表4。

表4 防渗墙底部开叉各工况渗漏量计算成果

通过计算可知，开叉部位最大渗透坡降出现在上部最先开叉处，大于覆盖层的允许渗透坡降，因此防渗墙上部开叉部位可能会发生渗透破坏。

当防渗墙下部开叉偏移百分比为1%，底部分叉长度达到1.6m时，渗透流量为3188.16m3/t，和全封闭防渗墙工况相比有明显增大，因此在防渗墙施工过程中，要严格控制防渗墙下部的偏移百分比，保证施工质量。

4 结语

深厚覆盖层勘察、设计、施工工作难度较大，大河沿引水工程基础处理特性复杂困难等特点采取多种方法进行分析比较，并通过方案比选和对关键技术问题的分析研究，针对坝基的不同部位和覆盖层分布特点提出了综合处理措施，以保证工程技术可行并尽量节省工程投资。采用防渗墙一墙到底防渗型式作为水库坝基防渗方案，为深覆盖层基础处理提供借鉴依据。