新疆希尼尔水库坝基防渗技术及经济方案比较

李新广 杨锐 赵喆

摘要：新疆希尼尔水库为西北平原水库的典型代表，坝基地质情况较为复杂，防渗方案是主要技术问题，在进行方案比选时要结合工程实际情况，优先选用安全可靠、防渗效果好、投资少的防渗方案。分别从希尼尔坝基地质特性、施工可行性、经济比较等多个方面，分析研究该水库除险加固坝基防渗处理方案，通过对各方案的综合比较，最终采用CSM铣削深层搅拌防渗墙方案对希尼尔水库进行坝基防渗加固。加固后，墙体抗压强度、抗渗系数均满足设计要求，该方案可为类似工程除险加固提供借鉴。

关键词：水库除险加固;坝基防渗;技术经济方案比选;希尼尔水库;新疆

中图法分类号：TV543文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.07.012

文章编号：1006 - 0081（2021）07 - 0059 - 05

1 研究背景

平原水库一般位于河道下游平原地区，具有坝轴线长、地质条件较差、需水水头较低、蒸发量较大等特点[1]。我国众多平原水库在国民经济发展中有着重要的作用，但其中部分水库由于修建年代久，建设标准较低，施工技术水平不高，以至于不少水库运行至今，面临着坝基渗漏、下游坝坡脚滑塌等诸多影响大坝安全问题[2]。不同的病险土石坝水库产生渗透破坏的原因不尽相同，对该类水库实施除险加固，各种技术工艺、材料都有一定的局限性和最优的适应范围， 在加固方案比选时， 应在可靠性、可行性等安全分析的同时，进行经济对比[2]。本文以希尼尔水库除险加固工程为实例对防渗加固方案进行比选研究。

2 工程概况

希尼尔水库位于新疆库尔勒市境内，建成于2005年，是一座以灌溉为主的注入式反调节Ⅲ等中型平原水库，水库坝体为砂砾石均质土坝，大坝全长7 650 m，最大坝高20 m、水库总库容9 800万m3，死库容1 000万m3，正常蓄水位913.6 m，水面面积16.74 km2。

坝面结构从上到下依次为20 cm厚混凝土护坡面板，3 cm厚苯板保护层，防渗膜（两布一膜，0.75 mmPE膜，布200 g/m2）;坝基垂直防渗布置在上游坝坡脚外8.0～10.0 m，采用垂直铺塑、搅拌桩及塑性混凝土防渗墙多种形式;背坝坡采用混凝土网格护坡;坝后设明渠式排水沟，用干砌块石护坡，干砌块石与土接触部位铺设无纺布反滤层。

水库蓄水后，根据大坝监测和调查，大部分坝基存在渗漏问题，部分坝段坝后排水沟内还出现管涌冒砂现象。2017年经水利部大坝安全鉴定中心鉴定为三类坝，需除险加固。

3 工程地质情况

希尼尔水库位于库鲁克塔格山前剥蚀平原区，库坝区出露地层主要为第四系冲洪积物和新近系沉积物，新近系地层为一套河湖相沉积的泥岩与砂岩类，并夹砂砾岩，该套地层呈互层状分布，岩层呈水平状。

根据地质勘探及钻孔压水试验，西坝段（0+000～2+436）坝基主要以砂岩为主，局部夹薄层泥岩、砾岩，自基岩面13.3～15.1 m以上砂岩透水率一般大于5 Lu，最大为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;主坝段（2+436～7+100）以泥岩、砂岩互层为主，局部分布有砾岩，泥岩及砂岩出露高程变化较大，呈交互沉积，层位不连续，层厚差异大，自基岩面9.2～16.2 m以上岩体透水率多数大于5.0 Lu，在5.4～46.6 Lu之間，个别为96.88 Lu;9.2～16.2 m以下岩体透水率多在0.17～4.80 Lu之间，渗透性较弱;东副坝（7+100～7+650）基岩性以泥岩为主，局部夹薄层砂岩、砾岩层，自基岩面4.5～5.0 m以下透水率为 0.28～0.38 Lu，透水性甚微，详见钻孔柱状图（图1）。

根据岩体试验（表1），坝基泥岩干燥状态下抗压强度在1.24～4.35 MPa、饱和状态下抗压强度在0.02～0.67 MPa;大部分砂岩干燥状态下抗压强度在1.10～4.50 MPa，属极软岩，在工程力学方面其性能更接近土的特性，但个别外露及钻孔取样砂岩抗压强度可达20.00 MPa，属软质岩。

4 水库渗漏初步分析

进一步对大坝坝基工程地勘发现，大坝0+000～-7+100坝段原坝基防渗深度均在10.0～15.0 m之间，透水率在10～30 Lu之间，防渗深度不够，未达到现行规范5 Lu线要求[3]，导致坝基渗水。分析其原因，坝基防渗施工时，垂直铺塑均在透水性较大的基岩中开挖成槽，然后埋入复合土工膜，地下基岩窄槽开挖至5 Lu线施工难度较大，施工时使用了很多非常规的施工方法，甚至还采用了小药量爆破，但部分坝段基岩的成槽效果还是很不理想。因开挖困难，部分主坝段采用水泥土搅拌桩防渗墙、塑性混凝土防渗墙防渗，各防渗体连接部位处理情况存疑。蓄水后主坝段4+250、4+350处坝后排水沟内曾出现涌水翻沙、无纺布隆起现象，6+350处坝段下游坝坡及压盖回填清基料曾出现踏坑、滑塌现象。经测算现状坝基渗漏量1 231万m3/a，占总库容的12.6%[4]，采取适宜的加固防渗处理措施，对于确保水库安全运行及蓄水效益的发挥十分重要。

5 坝基防渗方案比选

本次除险加固拟在坝前新建坝基防渗体系，对于土坝的坝基渗漏处理， 总的原则是“上堵下排”。“上堵”的措施有垂直防渗和水平防渗两类措施，其实质是延长土坝渗径，使其渗透坡降不超过允许坡降， 保持土坝的渗透稳定[5]。对于本水库而言，其坝线长，库盘面积大，库盘地层主要为第四系冲洪积物和新近系沉积物，泥岩与砂岩呈互层状分布，若按水平防渗措施考虑，施工量巨大且库底死水位以下积水排出困难，其耐久性和防渗效果不甚理想[2]。垂直防渗措施与水平防渗措施相比， 截渗效果更为显著，目前垂直防渗加固技术主要有：混凝土防渗墙、帷幕灌浆、深层搅拌防渗板墙、铣削深层搅拌（CSM工法）防渗墙等，下面分别分析各种防渗技术在本项目实施的优劣。

5.1 混凝土防渗墙

混凝土防渗墙是利用液压抓斗、液压铣槽机、钻机等设备在地基中挖槽形成槽孔，孔内用泥浆护壁，然后通过导管采用水下浇筑混凝土技术，在槽孔内浇筑塑性混凝土或普通混凝土，形成地下连续防渗墙[6]。其特点为：①对地质适应性广，可在各类地层中通过“抓、钻、铣、爆”等各种方式成孔成墙[7];②安全、耐久、可靠，成墙后墙体渗透系数一般可达到1×10-6～1×10-8  cm/s，允许渗透比降值达 60～100，墙体间连接可靠;③造价高，施工速度相对较慢。

5.2 帷幕灌浆

帷幕灌浆原理是将一定比例的胶凝材料配置成浆液，利用压力装置将浆液通过钻孔灌入到基岩或土体的裂隙或孔隙结构里，使浆液充分扩散、充填至钻孔周边的土体内，然后胶凝、固化来提高基岩或土体的强度，增加稳定性和抗渗性，以达到改善岩土体物理力学性质的目的[7]，帷幕灌浆孔按一定的间距成排成组布置，形成一个连续的阻水帷幕。其特点为：①成本低、安全性高，若采用化学灌浆则造价高;②对地质适应性差，覆盖层灌浆需通过现场试验确定可灌比[8];③防渗效果不理想，灌浆后砂砾石地层渗透系数降低到1×10-5～1×10-4  cm/s即可认为合格[8];④施工速度較慢，大范围作业投入设备较多。

根据实测坝轴线地基砂岩层颗粒分析数据（表2）及曲线（图2）计算可灌比[8]M=D15/d85=0.3 mm/0.06 mm=5，常规水泥灌浆可灌性差。

5.3 深层搅拌防渗板墙

深层搅拌防渗板墙是利用深层搅拌机械将水泥浆等材料与土体强制搅拌，从而在土体内产生物理-化学反应形成的具有一定强度的、具有整体性和水稳定性的柱状水泥土搅拌桩，再由连续套接的水泥土搅拌桩组成墙体[9]。其特点为：①对地质适应性差，主要适用于粘性土、粉土、砂土，以及黄土、淤泥质土等软土类地质;②使用深度偏浅，地层发生软硬变化时桩体垂直度难以保证，易造成桩间搭接不严密;③防渗效果好，墙体渗透系数小于1×10-5  cm/s;④造价低，施工效率低，大范围作业投入设备较多。

5.4 CSM铣削深层搅拌防渗墙

铣削深层搅拌（Cutter Soil Mixing，CSM）技术是国际上最新研发的一种水泥土深层搅拌工艺，该工法的原理是在钻具底端配置两个在防水齿轮箱内的马达驱动的铣轮，并经由特制机架与凯氏钻杆连接或钢丝绳悬挂，使用两组铣轮以水平轴向旋转搅拌方式深入地层削掘、搅拌已松化的土体，并注入固化剂，形成矩形槽段的改良土体[10]。其特点为：①具有高削掘性能，地层适应性强，可在密实的粉土、粉砂等硬质地层，及砂卵砾石层中切削掘进，经实测可在抗压强度20 MPa的砂岩中实施;②成墙防渗效果好，土体通过铣轮多排刀具高速旋转被削掘，同时削掘过程中注入高压空气及固化浆液，使其具有非常优良的搅拌混合性能，在水泥掺量为13%的情况下，墙体渗透系数小于1×10-5 cm/s，成墙抗压强度和抗渗性能均随着水泥掺量的增加而增加[11]，墙体垂直度可精确控制，墙体间连接可靠;③可完成较大深度的施工，导杆式设备施工深度可达45 m，悬吊式设备深度可达65 m;④造价略高。

以上分析从地层适应性、防渗可靠性、防渗耐久性、施工功效、施工质量检测等多个技术方面对各防渗工艺进行综合评价，详见表3。

由各防渗工艺的工程量与造价的计算比较可知，CSM铣削深层搅拌防渗墙性价比最优，详见表4。

6 坝基防渗方案选定

依据表3及表4的对比结果，从各施工工艺技术及造价经济性等方面，综合对各方案进行选定。

（1）混凝土防渗墙适应性好，防渗性能可靠，防渗质量有保证，但工期较长，造价高。

（2）CSM铣削深层搅拌防渗墙适应性好，防渗性能可靠，防渗质量有保证，工效高，造价适中，性价比高。

（3）经计算可灌比M=5<10，常规水泥或水泥黏土灌浆在本项目区可灌性差，防渗质量难以保证。

（4）因本项目区部分地基砂岩抗压强度可达20 MPa，不适应深层搅拌防渗板墙，因此不考虑该方案。

根据上述各方案的综合比较，无论从技术方面还是从经济方面，CSM铣削深层搅拌防渗墙方案均优于其他方案，因此最终决定采用CSM铣削深层搅拌防渗墙方案对希尼尔水库进行坝基防渗加固，处理方案为在前坝脚阻滑墙前2.5 m处新建了一道宽70 cm，深度深入地质5 Lu线1 m的水泥土防渗墙。抗压强度经检测墙体抗压强度为1.0～9.8 MPa，均大于设计1 MPa，抗渗系数3.68×10-7～7.03×10-6  cm/s，均小于设计抗渗系数1×10-5  cm/s的水泥土防渗墙。

7 结 语

水利工程尤其是水库大坝，基础地质情况千差万别，在基础防渗处理中，各种施工工艺都有一定的局限性和最优的适用范围， 通过可靠性、可行性、经济性综合比选定能找出最优解。

参考文献：

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[4] 新疆昌吉方汇水电设计有限公司.希尼尔水库除险加固工程初步设计报告[R]. 昌吉：新疆昌吉方汇水电设计有限公司，2017.

[5] 尉高洋.青山水库土石坝低弹模砼混凝土防渗墙加固设计[D]. 杭州：浙江大学， 2003.

[6] 钟鸣辉.飞来峡水利枢纽社岗防护堤除险加固工程防渗方案比选[J].中国水利，2016（6）：33-35.

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[8] SL62-2014  水工建筑物水泥灌浆施工技术规范[S].

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[10] 霍镜，朱进，胡正亮，等.双轮搅深层搅拌水泥土地下连续墙（CSM）工法应用探讨[J].岩土工程学报，2012，34（增1）：666-670.

[11] 卢康林.液压铣削水泥土防渗墙在希尼尔水库除险加固中的应用[J].水利科技与经济，2020，26（3）：72-75.

（编辑：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