平原水库饱和黏性土地基筑坝关键技术

李文新，石 嵚，李卫鹏，王继尧

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 工程概况

库木苏水库工程位于新疆哈密地区巴里坤县境内，工程距巴里坤县城253km，距乌鲁木齐市516km，交通条件良好。水库位于STH调水工程输水线路末端，承担着天山东部矿区受水区调节配水及事故检修备用作用。水库正常蓄水位685.000m，总库容2700万m3。本工程主要建筑物为二级建筑物。

库木苏水库为注入式平原水库，水库四面围坝而成，坝轴线处尺寸南北方向长1820m，东西宽1650m，坝轴线总长6081.6m。水库由挡水大坝、入库建筑物、供水兼退水建筑物等组成。

土工膜斜墙坝坝顶高程689.00m，最大坝高18m。坝顶宽8～10m，设有2.2m高“L”型钢筋砼防浪墙，上游坝坡为1∶2.5，下游坝坡为1∶2.0，上下游反压平台顶宽30m，平台坡度为1∶3。下游反压平台兼做库区开挖清基料弃渣场。北坝段和南坝段各布置一条上坝道路，东坝段布置两条上坝道路。入库建筑物由水库西坝段进入库内。供水兼退水建筑物布置在东坝段，由岸塔式供水兼退水双孔闸井、城门洞形双孔坝下埋涵、流量计阀井、消力池和退水明渠组成。其中供水埋涵内置压力钢管，接入流量计阀井承担供水任务。退水明渠总长3156m，水库事故检修时将库水退至洼地东部最低处。

2 关键技术问题

库木苏水库位于库木苏洼地西侧洪积扇前沿，地形开阔，地势西高东低。库盘内覆盖层巨厚，岩性主要为第四系全新统-上更新统洪积含土角砾和低液限黏土，夹中-粉细砂和粉土层。含土角砾和低液限黏土在库盘内分布不均一，其中含土角砾主要分布于西库盘，低液限黏土广泛分布于东库盘。

西坝段坝高较低，含土角砾工程性质稳定，抗剪强度较高，作为土石坝基础仅存在防渗问题，不存在整体稳定和变形问题。东坝段是高坝部分，供水兼退水建筑物位于该坝段，地基岩性主要为低液限黏土，地下水位较高，作为工程重点研究的部位。 水库库盘在30m深度内未形成连续、稳定的天然防渗层，水库蓄水后库盘存在着永久渗漏和腐蚀性地下水污染问题需进行防渗处理，本工程采取了全库盘土工膜防渗方式。从20世纪50年代开始土工膜广泛应用于渠道和土石坝的防渗中，一些工程在运行过程中存在渗漏、气胀、浮膜现象。本工程铺膜面积达到281万m2，对土工膜膜下气场进行分析研究，做好排水排气工程措施是非常必要的。

本工程设计阶段开展了饱和黏性土地基物理力学性能试验研究、大坝边坡稳定及基础处理、供水兼退水建筑物基础处理、供水兼退水涵洞底坡设计以及库区复合土工膜膜下排水排气等技术问题的研究分析工作。

3 饱和黏性土地基物理力学性能试验研究

水库饱和黏性土地基坝段长约3.4km，沿坝线地形平缓，地面高程672.0～674.5m。在桩号坝2+840处布置供水兼退水涵洞。根据钻孔和探坑揭露，80m深度范围内的岩性可分为四大层：第①层主要为第四系全新统洪积、风积作用形成的粉土。层厚1.5～2.8m，结构松散～中密。第②层主要为洪积低液限黏土，局部夹薄层粉土透镜体，总厚度18.5～25m，呈流塑至硬可塑状。第③层为洪积粉细砂，层厚1.6～4m，结构中密～密实，其顶面埋深21～27m。第④层为洪积低液限黏土，厚度未揭穿，其物理力学性质与第②层基本相同。

本工程设计及实施阶段进行了大量的室内、现场试验研究工作。室内试验项目包括颗分、天然密度、含水率、塑限、液限、渗透、标准固结试验、直剪试验、三轴压缩试验等；现场试验项目包括标准贯入试验、静力触探、十字板剪切试验、旁压试验、现场抽水试验。

颗分试验结果低液限黏土黏粒平均含量约37.1%，塑性指数为6.0～18.5，液性指数0.37～1.7；物理力学试验结果天然干密度为1.43～1.61g/cm3，天然含水率13.3～26.2%；标准固结试验初始空隙比0.522～1.189，压缩系数av1～3=0.260～0.755MPa-1，压缩模量Es1～3=2.52～6.23MPa，属中等～高压缩性土；直剪强度C=14.1～16.7kPa，φ=19.0°～22.5°；三轴压缩试验总强度指标Ccu=13.7～68.6kPa，φcu=19.8°～27.4°，有效强度指标Cd=4.7～70kPa，φd=20.1～30°。

地基土试验室原状样渗透系数3.9×10-6～1.4×10-8cm/s，现场抽水试验渗透系数2.57×10-4～6.52×10-5cm/s。

标准贯入试验结果14～32击；静力触探试验侧阻力fs最大值220.1kPa，最小值14.0 kPa，端阻力qc最大值9.29MPa，最小值0.67MPa；十字板剪切试验原状土样最大值276.1kPa，最小值50.1 kPa，重塑样最大值84.8kPa，最小值15.1 kPa，灵敏度2.06～6.13。旁压试验旁压模量Em为3.74～20.8MPa，变形模量E0为14.1～48.6MPa。

4 大坝边坡稳定及基础处理

软土地基是指淤泥、淤泥质土、冲填土、杂填土及高压缩性土。一般具有含水量较高，孔隙比较大、抗剪强度很低、压缩性较高、渗透性很小、具有明显的结构性和流变性等工程特性。参考已建软土地基筑坝的工程实例，针对各工程地基土不同工程性质一般有采取振冲碎石桩、砂井预压、分期施工、放缓坝坡、反压平台等方法。

对比软土地基工程地基土的性质，本工程地基土主要问题有以下几点：

(1)室内试验渗透系数较小，筑坝施工期和满蓄期坝基内有较高的超静孔压，地基未固结完成，大坝后期沉降较大。

(2)地层不均一，十字板剪切试验和静力触探试验结果表明在地下水位附近存在高孔隙比、低强度的欠固结黏土层，厚度1～1.7m。该土层不排水剪强度较低，施工期边坡抗滑稳定安全系数不满足规范要求。

(3)钻孔、探坑取得试样的三轴试验K值(反映标准大气压的下的初始模量)较小，标准固结试验压缩系数较大。有限元应力应变计算最大沉降量1.58m；分层总和法计算总沉降量1.55m。

库区低液限黏土层较厚，坝线较长。但不属于典型的软土地基范围。大面积进行坝基振冲碎石桩、砂井预压处理代价也相当高。因此设计考虑对供水兼退水涵洞坝段基础进行重点处理。其他坝段采用分期施工、反压平台等方法。

坝址区覆盖层巨厚，低液限黏土广泛分布于东库盘高坝段。库区地下水位较高，低液限黏土不固结不排水剪强度较低，施工期大坝快速填筑可能造成坝体连带地基黏土的整体滑坡，需要在黏性土地基坝段采取分期施工措施。计划一期2019年填筑高程678m；二期2020年填筑高程684m；三期2021年填筑高程689m。

分期施工的本质相当于预压法，初级荷载在满足地基承载力前提下施加，历时一年后，地基土排水固结引起抗剪强度增长，提高了地基承载力，再施加下一级荷载。每级荷载下地基的固结度和抗剪强度增长均需要较为准确的渗透系数和固结系数参数。表1是固结系数为4×10-2cm2/s及初始不排水剪强度为59.3kPa时通过预压地基土强度提高计算结果。

表1 预压地基土强度提高计算结果表

依据上述经分期施工提高的抗剪强度计算大坝边坡稳定，施工期安全系数仍然达不到规范要求。参考大坝竣工期位移矢量图，大坝上游地基向库区隆起的位移较大，反压平台的作用是增加潜在滑动体滑出段抗滑力，防止坝基软土侧向挤出而发生破坏，达到增加堤坝稳定性的目的。因此设计在一般坝段采用反压平台+分期施工的方法。大坝上下游均设有顶宽30m、高6m的反压平台，上游反压平台采用水库区开挖料填筑，下游反压平台采用清基弃料填筑。

5 供水兼退水建筑物基础处理

5.1 供水兼退水建筑物结构

供水兼退水闸井为岸塔式钢筋混凝土结构，闸井高21m，底面积12.6m×17m。供水兼退水闸后接坝下双孔拱形钢筋混凝土埋涵，埋涵供水孔口内尺寸(b×h)为4.50m×5.15m，埋涵供水孔口内布置压力供水钢管；埋涵退水孔口内尺寸(b×h)为3.50m×5.15m，退水埋涵采取无压明流泄水方式。埋涵沿水流方向每节长度均为8m，共11节，总长度88m。

5.2 基底应力

供水兼退水建筑物地基岩性主要为低液限黏土，局部夹粉土和粉细砂层。根据试验综合分析，低液限黏土(局部透镜体粉细砂)0～5范围的允许承载力为100～120kPa。根据闸井、埋涵稳定及基底应力计算成果：供水兼退水闸闸井最大基底应力为300.98kPa，坝下埋涵最大基底应力454.9kPa，各工况基底应力均大于修正后的地基承载能力，不满足规范要求，需对闸井天然地基进行加固处理。

5.3 基础处理方案

本工程设计阶段选取了两个基础处理方案：方案一混凝土预制桩方案；方案二砂井预压方案。考虑到地基为低液限黏性土，承载能力不足表现在发生地基沉降量过大的问题，影响建筑物的正常使用。方案比选以地基处理后建筑物沉降量为控制性指标，在相同沉降量基础上进行预制桩方案和砂井预压方案的比较。

计算结果两种方案均能有效降低坝基沉降量，混凝土预制桩方案较为经济。但是混凝土预制桩方案存在一些问题难以解决：混凝土预制桩方案提高了地基承载力，闸井及埋涵施工初期沉降量不大。随着闸井涵洞周围大坝填筑和水库蓄水运行，其大面积地面堆载造成地基沉陷对基桩产生很大的负摩阻力，造成保护桩全桩长产生负摩阻力变为下拉荷载失去承载力。可以预知预制桩方案初期沉降较小，水库运行后期沉降较大。 砂井预压方案在施工期即可完成附加应力较大的砂桩范围内的固结沉降，并减少了砂桩以下土体的排水距离。

研究后决定供水兼退水闸井及坝下埋涵基础处理采用砂井预压+换填垫层方案，砂井采用正方形布置，砂井间距为3.0m，井径为0.3m。砂井一般深度在泄水建筑物基础范围内打穿坝基深度25处的砂层，并向上下游和两侧坝段逐渐变小。砂井深度为25～9m，砂井总数1934根。砂井完成后对闸井和埋涵基础进行开挖换填，开挖深度为6.3m。开挖边坡坝轴线方向采用1∶10，上下游方向采用1∶4.0，开挖完成后依次铺设0.3m厚的反滤层、3.5m厚的碎石垫层，碎石垫层内布设钢塑复合加筋土工格栅。

预压体一期填筑底面尺寸为：144m×140m(上下游方向尺寸×坝轴线方向尺寸)，填筑边坡上下游方向采用1∶3.0，坝轴线方向采用1∶2.5。压实标准同两侧坝体，压实度采用P≥98%。二期、三期预压体填筑边坡均为1∶2.5，预压体顶部平台尺寸为44m×40m(上下游方向尺寸×坝轴线方向尺寸)。预压体采用库区含土角砾料分期填筑，一期填筑顶高程为678.000m，填筑高度6m，填筑时间为60d。二期填筑顶高程为684.000m，填筑高度6m，填筑时间为60d。三期填筑顶高程为692.000m，填筑高度8m，填筑时间为60d。预压期结束后，先对预压体在坝体轮廓线以外部分拆除修坡，拆除完成后进行闸井和埋涵基础的V字型开挖工作，临时开挖边坡采用1∶1.5，供水兼退水建筑物混凝土浇筑结束后进行开挖范围内坝体填筑工作。预压体与大坝、泄水建筑物相关位置示意图如图1所示。

6 供水兼退水建筑物坝段沉降计算及涵洞纵坡设计

供水兼退水建筑物坝段的最终沉降量按照SL 274—2020《碾压式土石坝设计规范》规定的分层总和法进行计算，地基计算深度为88m，施工期附加应力为预压体自重，每段涵洞结构缝底板处为计算点。预压体荷载及涵基计算点位置如图2所示。考虑到本工程全库盘土工膜防渗，水库运行期附加应力为蓄水后的水压力和坝体自重。大坝泄水建筑物预压体引起的沉降量与总沉降量见表2第5、7行。

黏性土的沉降与时间有关，大坝地基固结度的计算采用改进的太沙基法和改进的高木俊介法进行各级荷载下的固结度计算。在计算坝基和涵洞基础预压后的地基固结度时，固结系数的选取合适与否对计算结果有很大的影响，而固结系数和天然地基的渗透系数密切相关。本工程水库地基土渗透系数室内试验值较小，现场抽水试验值较大。结合室内固结实验值和渗透系数推算值，选取固结系数为4×10-2cm2/s。

地基加载按照坝体实际填筑过程进行，涵基固结度计算按照未打穿砂井理论分为砂井处理层和砂井底部下卧层。在进行固结度计算时，竖井深度范围内的处理区地基按竖井贯穿整个软土层的方法计算，取竖井深度作为竖向排水距离；对于竖井以下的下卧层地基按单面排水的一维固结理论计算，并将竖井底面作为排水面。即砂井地基按三维固结计算，下卧层地基按一维固结计算。涵基各计算点在预压结束时刻(990d)砂井深度范围和下卧层平均固结度计算结果分别见表2第3、4行。

供水兼退水涵洞永久设计底坡为1/200。供水兼退水建筑物预压后地基运行期沉降量计算的目的在于合理设计涵洞施工期纵向底坡，避免施工结束后随着沉降的发展，涵洞纵向出现逆坡。供水兼退水建筑物地基采用砂井预压处理后，将运行期各计算点的地基沉降量进行连线，然后以水平面为参考面对沉降值连线进行镜像，依据沉降值连线镜像线设计出的底坡，在运行期沉降结束后，涵洞纵向底坡将变为零坡。设计要求为1/200，因此需将沉降值连线镜像线和设计底坡1/200引起的高差进行叠加，得到涵洞施工期纵向底坡计算值，见表2第9行。施工期设计底坡的实际取值最小为1∶200，其他依据计算值设计为由缓到陡类抛物线形状，避免运行初期发生洞内水跃。

水库东坝线地下水位埋深2.64m，为加速砂井施工期沉降，在预压体上下游及中心点设有5个抽水井，预压荷载施加时开始抽排至竣工。

本工程供水兼退水建筑物为座落于饱和黏性地基的穿坝建筑物，参考国内类似工程的经验，涵洞采取短洞(8m分缝)、宽缝隙(3cm结构缝)、伸缩缝处涵洞地板下设置混凝土垫梁的工程措施，避免因地基不均匀沉降引起的结构破坏。

图1 预压体与大坝、泄水建筑物相关位置图

图2 预压体荷载及涵基计算点位置图

表2 砂井预压后各计算点涵基沉降计算结果表

7 库区复合土工膜膜下排水排气

7.1 库盘防渗设计

库盘内覆盖层岩性主要为第四系全新统～上更新统洪积含土角砾和低液限黏土，夹中-粉细砂和粉土层。含土角砾和低液限黏土在库盘内分布不均一，其中含土角砾主要分布于西库盘，低液限黏土广泛分布于东库盘。库盘开挖后674.0m高程以下深水区防渗材料采用膜厚0.8mm复合土工膜(一布一膜+一布，布重200g/m2+300g/m2)，674.0m高程以上浅水区防渗材料采用膜厚0.6mm复合土工膜(布重200g/m2+200g/m2)。

库木苏水库为平原水库，部分库容通过库盘开挖获得，对开挖完成后开挖面为含土角砾、含砾砂或含角砾土的区域进行换填黏土处理，深度为0.4m，对开挖面为黏土或粉土的区域需要清除植物根系处理，进行碾压夯实处理后的整个库盘形成低液限黏土和粉土层，作为土工膜的垫层。铺完土工膜后，在膜上铺设0.5m厚的黏土、粉土保护层，铺设范围同土工膜铺设范围。保护层上部为0.5m厚盖重料，为水库开挖料。

本工程设有6个地下水位长期观测孔。根据开工前4个水文年连续观测资料，库区饱和黏性土地基地下水位变幅一般在30cm以内。根据库木苏水库地下水等水位线资料，库区地下水位最高处位于西南角，此处最大挖深8m，地下水埋深8.75m。水库地下水埋深最浅处位于东坝段，地下水位埋深2.3～4.2m，此处最大挖深2m。其他部位开挖线位于地下水位线以上0.5～1.5m。

7.2 水库库盘膜下气场数值分析成果

采用数值计算的方法，通过建立水库大坝和地基的三维有限元模型，分析土工膜下气场的变化规律，验证膜上压重覆土厚及排气盲沟设计方案的合理性。计算工况有施工完建期工况、水库正常运行工况、水库水位骤降工况、土工膜存在缺陷工况。计算结果初次蓄水时、库区水位骤降至死水位时以及土工膜缺陷渗漏时膜下气压值有可能大于膜上荷载，导致土工膜被顶起。设置排气盲沟对于减小膜下气压，加快膜下气压的消散速度效果十分显著，可大大降低土工膜发生气胀的概率。

对可能发生气胀的最不利工况计算设计盲沟间距下，排入盲沟的渗水量。采用等效结点流量法计算得到渗入盲沟的单宽渗水量为0.187m3/(h·m)。排水方向由西向东，总长度1820m，则全库盘渗水量为340.34m3/h。

7.3 膜下排水排气设计

库盘排水排气盲沟间距30～50m，盲沟为尺寸下底宽300mm、上底宽700mm、高400mm的中粗砂沟，内埋直径150mm软式透水管。库区排水排气盲沟总的趋势为向南、向东排水，向西、向北排气。

排气通过坝体上游DN110PE管沿坝坡面穿过防浪墙至坝顶。

水库东坝段地势较低，坝高较大，地下水位高，地下水中氯离子对钢材具有中等腐蚀性，水库使用寿命为100年，坝下排水管只能采用防腐钢管，没有检修条件，运行期存在一定风险。因此本工程设计的理念是排水管尽量不穿坝。

在库底672.0m高程平台下设有环向和5条东西向、1条南北向排水干管汇集渗水，靠近供水兼退水涵洞的3条干管与供水兼退水涵洞结合布置，汇入供水兼退水涵洞排入退水渠内。其余3根排水干管在大坝上游汇入集水井，采用抽水方式跨越坝顶排入大坝下游排水沟。

7.4 排水排气管管材选择

原设计排水排气盲沟内为直径150mm软式透水管，排水干管管材为直径200mm双壁波纹管，大坝上游反压平台下排水干管管材为直径200mm3PE钢管。

水库蓄水深度13m，土工膜上盖重1m，在水库不漏水的前提下软式透水管与双壁波纹管外压力均为150kPa。按照JC 937—2004 《软式透水管》和CECS 164—2004《埋地聚乙烯排水管管道工程技术规程》规定计算竖向变形均不满足要求。

为了解管道在周围土体约束条件下可能的超载能力，施工期在坝址区平整出25m×15m的场地布置了纵横交错的排水排气盲沟，盲沟内按照设计要求埋设了Φ150mm软式透水管、Φ200mm双壁波纹管(设计要求环刚度SN8，实际供货SN4)、连接三通、四通管件并在试验场地管顶高程处预埋一振弦式土压力计，盲沟回填砂料后铺设0.6mm厚复合土工膜。按照CECS 164—2004中5.2.4条公式和施工现场已有的26t震动平碾和作用在管道上的地面堆载标准值，反算出盲沟顶覆土厚度30cm。

试验结果26t振动平碾静压时，管顶最大土压力176kPa，双壁波纹管即发生压曲、裂缝等现象；软式透水管没有损伤。为测试软式透水管承载力，在打开最大激震力振动碾碾压2遍、4遍后，挖开排水排气盲沟检查软式透水管，软式透水管仍然能够维持加载前状态，仅在振动碾起步、搓压部位有破坏现象，表现在滤布内钢丝失稳，钢丝聚乙烯防腐层与钢丝分离，滤布毛糙等现象。

试验结束后设计方将双壁波纹管调整为壁厚16mmPE管，结构计算结果满足规范要求。

8 结语

(1)平原水库由于地质条件所限、坝高不大等因素常常座落于饱和黏性土地基上，我国东部沿海地区较为常见。地基土体存在地下水位埋深浅、含水率高、孔隙比大、抗剪强度低、压缩性较高、渗透性小等工程特性，不经处理大坝可能发生连同坝基的滑坡破坏。同时入库、供水、泄水建筑物存在承载力不足、沉降过大、穿坝涵洞运行期出现反坡等现象，严重影响了水库的正常运行。新疆库木苏水库总结了国内类似工程的经验教训，对地基土物理力学性能、固结沉降、坝体稳定、涵洞纵坡设计等方面进行了深入的研究分析工作并将成果应用于工程设计，为水库将来安全运行提供了保证。本工程于2018年11月开工建设，2020年完成了二期坝体填筑。填筑过程中设计方将会收集大坝沉降、渗压力等监测资料，用来验证计算成果，反演计算参数，对大坝竣工后的预留沉陷超高、涵洞纵坡设计进行修正完善。

(2)全库盘防渗的平原水库初期蓄水、地下水位上升、水库水位降落、土工膜缺陷渗漏时，膜下气体聚集而无法迅速排出，形成较大孔隙压力，当膜上荷重减小时，会产生气涨或土工膜浮膜等现象。本工程外委科研院校进行了数学模型分析计算，揭示了膜下气场发生的机理、膜下气场的分布、发展规律及相关影响因素，为排水排气设计提供了理论依据。设计过程中对排水排气盲沟间距、排水排气方式、管材等方面进行多方案经济技术比较。总之，合理的膜下排水排气设计对工程安全运行非常重要。