希尼尔水库坝体填筑材料设计

2013-10-18余红慧

水利技术监督 2013年1期

余红慧

(巴州水利水电勘测设计院，新疆库尔勒 841000)

希尼尔水库位于新疆巴州尉犁县境内，是塔里木河流域近期综合治理工程之一，水库从孔雀河第一分水枢纽引水，经库塔干渠总干渠输水的注入式大⑵型平原水库。水库工程以农业灌溉为主，兼有下游生态输水、水产养殖与旅游等功能，一期设计库容为0.98×108m3，相应设计水位为913.6m，最大坝高20m，水面面积16.74km2，死库容为0.1×108m3，死水位905.8m，相应水面面积5.9km2。

希尼尔水库工程包括:主、副坝、引水闸、引水渠、放水闸、分水闸、放水渠及附属设施等。坝体为土工膜斜墙防渗碾压式土石坝，坝顶宽6m，坝长7650m，上游坝坡1:2.5，下游坝坡1:2；坝体防渗采取斜铺复合膜(两布一膜)结构，其中膜厚0.75mm，无纺布规格为 200g/m2；坝上游护坡设计为混凝土板(C30W8F300)护坡，混凝土板厚 15～22cm。坝基防渗，根据地质情况的不同，分别采取PE塑膜、塑性混凝土防渗墙、水泥土搅拌桩防渗墙三种不同形式的防渗方式。

1 原初设筑坝材料勘测结果

希尼尔水库工程坝体为砂砾料均质坝。根据地质报告，在近坝区内无理想的砂砾石坝壳料场，为此在库坝区范围内选择了C1～C66个砂砾料场。其中，C2，C3，C4，C54个料场主要分布在第三系台地上，属同一成因类型，多由第三系风化砂砾石和第四系洪积砂砾石组成；C1，C6料场主要分布在山前冲洪积扇及下游一带，多由第四系洪积砂砾碎石组成。现分别对各料场的特性叙述如下。

1.1 C1、C6砂砾料场概述

C1料场位于东坝肩以东或东北方向2～3.5km之间的山前洪积扇上。C1料场又分为C1-1、C1-2、C1-33个产地，其中C1-1、C1-2为Q4洪积砂碎石层，结构松散，厚度1～2m，地形平坦开阔，面积较大，开采运输方便。C1-3料场为 Q3洪积含土碎石层，碎石层微胶结或半胶结，结构密实，坚硬，厚度一般为4.5～6m，最厚处9m，1.5m以上松散，1.5m以下半胶结，开采困难，地形稍起伏，较C1-1，C1-2不易开采。

C6料场位于水库主坝下游南东方向 8～12km处，属山前洪积扇或第三系地层组成的开阔平地，地表为第四系洪积砂砾石，分布较稳定，厚度 1～2m，上部无用层厚0.5m，下部有用层厚1～1.5m，地形平坦开阔，开采运输方便。

C1，C6料场颗粒分析试验结果见表1。

由以上料场颗粒分析试验结果可知，C1料场砾石(5～40mm)含量占 40.82%，砂(＜5mm)含量占59.18%。C6料场砾石占50.1，砂(小于5mm)含量占49.9%。C1、C6料场均为砂多砾少，为砾质砂，质量较差，其中C1-3为Q3洪积碎石土，有半胶结现象，坚硬，不宜开采使用，而 C1-1，C1-2，C6为 Q4洪积砂碎石，结构松散，地形平坦开阔，开采运输方便。其中 C1-1料场储量 100×104m3，C1-2料场储量 142×104m3，C6料场储量 900×104m3。

表1 C1、C6料场颗粒分析试验结果

1.2 C2、C3、C4、C5 砂砾料场

C2料场位于主坝3+900北侧0.8～3.2km之间库区中下部第三系小台地上(国防公路东西两侧)，呈条形分布，该料场表部有1～1.5m厚的第四系洪积砾质砂层，结构松散，分布不连续，局部最厚达到2～3m。其下为第三系砂岩、泥岩。该料场地面高程908～917m，高出库盘9～11m，地形平坦开阔，开采运输方便。

C3料场位于主坝段4+100以南600～650m处，呈条带状顺国防公路南侧展布，长1.8km，宽100m。料场表部覆盖0.5～0.8m厚的第四系砂土层，含腐植质和盐碱，其下有约 2～2.5m 厚的第三系砂砾岩、砂岩，松散，为可用层；但该料场内有排污渠和高压线通过，离国防公路太近，不易开采。

C4料场位于西副坝西坝端以东1.6～3.2km之间的库盘内，属第三系小台地。料场南北长1.6km，东西宽 460m。料场表部为第四系洪积砂砾石，厚1～2m，但分布不连续，常有第三系风化砂岩出露地表。砂砾石之下为第三系砂岩夹砂砾岩，有部分风化未成岩，松散，约2～3m以下钙质胶结，较坚硬，不易采用。

C5料场位于西付坝西坝端坝后 0.4～1.0km之间，第三系地层组成的小山包或台地，又分为C5-1，C5-2两产地，该料场的地形起伏较大，呈近南北向两个小山包展布，山包高 5～6m。料场表部为第四系砂砾石层，厚 1.3～2m，但分布不连续，在 2～3m深度以下为钙质胶结硬的砂岩，不易开采。

此四个料场表部无用层厚 0.5m左右，其下砂砾石有用层厚1m左右，且分布不连续。

4个料场的颗粒分析试验结果见表2。

表2 C2、C3、C4、C5砂砾料场颗粒分析试验结果

据以上颗粒试验分析结果可知，该四个料场，砂多砾石少，为砾质砂，其中粒径5～40mm的砾石含量仅占16%～21%，其余均为小于5mm的砂。作为坝料，其砂含量偏高，紧密容重偏小，不均匀系数小，颗粒级配为不良级配，质量差。C2-1料场储量25×104m3，C2-2料场储量 75×104m3，C3料场储量 36×104m3，C4料场储量 37×104m3，C5料场储量 82×104m3，总计 225×104m3。

2 初设补充阶段料场复查结果

2.1 料场复查概述

在初设补充设计阶段对所选料场 C1、C2、C5作了详细勘查工作，又重新勘察了C7料场，在原确定的料场范围内每间隔 100m布置一个探坑，对坝料的物理力学性质、颗粒级配、储藏深度等作了详细勘查，其具体情况如下。

C1料场位于东付坝以北及北东方向 2～4km的山前洪积扇上，又分为C1-1，C1-2两个料场，C1-1料场产地面积 200×104m2，总储量 262.2×104m3，主要为第四系洪积砂碎石层，平均厚度1.3m，大于5mm的砾石含量在 10.6%～59.0%之间，平均砾石含量36.3%，料场中心距主坝中心距离为 4.6 km。C1-2料场产地面积143×104m2，总储量150.61×104m3，主要为第四系洪积砂碎石层，平均厚度 1.05m，大于5mm的砾石含量在2.82%～54.9%之间，平均砾石含量34.7%，料场中心距主坝中心距离为4.4 km。

在C1料场局部区域富积结晶石膏层，其水溶性CaSO4含量为17.99%，此层含量约13×104m3，开采时清除此层。

C2料场位于主坝以北、西付坝以东1km的国防公路两侧水库库盘中的第三系台地上，呈长条形。分为又分为 C2-1，C2-2两个料场，C2-1料场产地面积22×104m2，总储量17.1×104m3，主要为第三系风化的砂砾岩及砂岩，平均厚度0.78m，大于5mm的砾石含量在0～19.6%之间，平均砾石含量5.45%，为砾质砂。C2-2料场产地面积60×104m2，总储量98.82×104m3，为第三系风化的砂砾岩及砂岩，平均厚度1.05m，大于5mm的砾石含量在1.7%～45.4%之间，平均砾石含量14.4%。

C5料场位于西付坝以西 0.5～1km的第三系台地上，呈长条形，地形起伏较大，表层为第四系洪积砂砾石层，底部为第三系砂岩和砂砾岩，风化强烈，较松散。又分为C5-1、C5-2两个料场，C5-1料场产地面积 12×104m2，总储量 9.63×104m3，平均厚度 0.8m，大于 5mm的砾石含量较少，平均砾石含量13.3%，为砾质砂。C5-2料场产地面积30×104m2，总储量28×104m3，平均厚度0.93m，大于5mm的砾石含量较少，平均砾石含量12.9%，为砾质砂。

C7料场位于 C1料场以北 2～5km的山前洪积扇上，与C1料场的成因基本相同，坝料的质量和开采条件都与C1料场相近。

2.2 坝料质量

对选择的四个场的颗粒分析试验结果见表3。

表3 料场颗粒分析试验结果

据以上颗粒试验分析结果和物理力学性质可知:C1、C7料场的砾石含量2.82%～59%，平均砾石含量35.5%，平均Cu=24.1、Cc=1.02，颗粒级配良好；饱和固结快剪Φ=34～40.5°，平均Φ=37.6°，抗剪强度指标高；坝料压实后平均渗透系数 k=1.26×10-3，属于中等透水性。

C2料场的砾石含量 1.7%～45.4%，平均砾石含量9.9%，平均Cu=3.95、Cc=1.22，颗粒级配较差。饱和固结快剪Φ=32～36°，平均Φ=33.6°，抗剪强度指标较高。坝料压实后平均渗透系数 k=5.39×10-4，属于中等透水性。

C5料场的砾石含量 2.2%～27.8%，平均砾石含量13.1%，平均Cu=4.49、Cc=1.09，颗粒级配较差。饱和固结快剪Φ=33～37.5°，平均Φ=34.95°，抗剪强度指标较高。坝料压实后平均渗透系数k=1.08×10-3，属于中等透水性。

2.3 坝料评价

C1、C7料场为第四系洪积砂碎石层和第三系洪积含土碎石层，砾石含量较高，颗粒级配良好，其物理力学性质指标较好，能满足坝体结构设计要求，但坝料压实后渗透系数偏低，为中等不透水料。C1料场坝料储藏厚度0.5～3.4m，平均1.18m，料场中心距主坝的距离为2.7～5.7km，平均4.5km，砂砾石厚度大于 0.5m的储量为 265.23×104m3。C7料场砂砾石厚度大于0.5m的储量为50.0×104m3。

C2料场为第四系洪积砂砾石层和第三系中粗砂，砾石含量较少，颗粒级配较差，颗粒偏细并较均匀，作为坝料压实较为困难。其物理力学性质指标较好，能满足坝体结构设计要求，但坝料压实后渗透系数偏低，为中等不透水料。坝料储藏厚度0.5～2.9m，平均 1.2m，料场中心距主坝的距离为1.9～5.0km，平均2.0km，砂砾石厚度大于0.5m的储量为115.52×104m3。

C5料场为第四系洪积砂砾石层和第三系中粗砂，砾石含量较少，颗粒级配较差，颗粒偏细并较均匀，作为坝料压实较为困难。其物理力学性质指标较好，能满足坝体结构设计要求，但坝料压实后渗透系数偏低，为中等不透水料。坝料储藏厚度0.5～1.2m，平均 0.9m，料场中心距西付坝的距离为0.3～1.5km，平均0.6km，砂砾石厚度大于0.5m的储量为37.23×104m3。

总之，4个料场总储量467.98×104m3，平均厚度1.0m左右。C1、C7料场在各方面的条件都较好，能满足坝体设计要求。C2、C5两料场的质量相近，较C1、C7料场差，颗粒较细，级配又较均匀，压实较困难，料场的开采条件较差。

3 筑坝材料设计

3.1 初设阶段筑坝材料选择

由于各料场的坝料都为砾少砂多，质量较差，相对来说C1、C6料场的砂砾料质量较好，而C6料场离主坝 8～12km，运输距离较远，到达主坝的平均运输距离8.5km。C4料场离西付坝约 4.0km，但C2，C5料场离西付坝距离约在 1.5km，质量较 C4好，C3料场砂砾料质量差，而且开采又较困难，上层覆盖无用层较厚，现又被排污渠所占。因此，最后选择C1，C2，C5，C6料场作为主要料场，C3，C4料场作为备用料场。

3.2 初设补充阶段料场选择

根据初设补充阶段料场复查结果，C2、C5料场的坝料由于颗粒细，级配不良，坝料压实较困难，施工机械无法正常铺料、碾压，再加上料场坝料储藏厚度分布不均匀，开采困难，坝料质量难以控制，不能达到设计压实相对密度，而且在施工碾压实验中，因坝料颗粒细且较均匀，压实困难，碾压次数多，运输车到达工作面后易陷车，振动碾也难以到达铺好坝料的工作面上；备用料场中的C3、C4的坝料质量、开采条件等比C2、C5差。

C1、C6、C7料场的条件较好，从坝料的质量、储量、开采、填筑等条件来看，基本上能满足要求，但运输距离较远，C1料场平均远距 4.6km，C6料场平均运距8.5km，C7料场距西付坝的平均距离5km；原把就近料场质量差的C2、C3、C4、C5的坝料规划填筑于主坝坝体干燥区和西付坝，现从水库二期考虑，这部分质量差的坝料填筑于大坝下部，对二期坝体的抗震稳定不利，决定不用这部分坝料，全部选用C1、C6、C7料场的坝料。

3.3 坝体填筑材料设计

在原初设中，没有对坝体填筑进行详细设计，只设计了坝料压实标准为达到相对密度为0.8。在补充设计中，对坝料填筑进行了具体设计，设计如下。

3.3.1 坝体填筑分区

根据选择的几个料场砂砾料的性质，各料场的质量有一定的差别，另外，对于本水库大坝本身的结构来看，各坝段具有不同的坝高、坝坡、坝基防渗型式，针对本工程具有砾石含量高的坝料少的特点，选用质量较好的坝料填筑于坝体的重要部分，质量较差的砂砾料填筑于非重点部位的坝壳干燥区域，合理利用质量好的坝料；同时，结合坝体结构特点，对不同的区域设计不同的压实标准，因此对坝体进行分区填筑。

主坝坝体填筑分为两区，即坝基面以上 2m的区域和以坝顶中轴线为基准、以1:2的坡度线向下延伸的坡前区域为Ⅰ区，其余部分为Ⅱ区。东、西付坝坝体填筑分为两区，即以坝顶中轴线为基准、以1:2的坡度线向下延伸的坡前区域为Ⅰ区，其余部分为Ⅱ区。具体坝体分区见坝体结构图。

3.3.2 筑坝材料压实指标设计

工程处于Ⅶ度地震区，按Ⅶ度地震烈度设防，按《碾压式土石坝设计规范》(SDJ218-84)规定：无粘性土的压实标准按相对密度确定，要求不低于0.7～0.75。又按《水工建筑物抗震设计规范》(SDJ10-78)规定:浸润线以上不低于0.7，浸润线以下按设计烈度大小，不低于0.75～0.85，当砾石含量小于 50%时，应保证细料(粒径小于 5mm，下同)的相对密度满足此要求。

根据本坝实际情况和坝料特点，确定坝体填筑压实标准为：对于第Ⅰ区，设计压实相对密度0.85，对于第Ⅱ区，设计压实相对密度 0.8。同时保证细料的相对密度满足设计压实指标要求。

在施工中，根据各料场具体的砾石含量和现场压实实验结果，以设计的压实相对密度来确定施工控制干容重。鉴于水库为大Ⅱ型工程，通过做碾压试验以确定施工压实干容重。

3.3.3 坝料质量控制

对坝料提出质量控制指标如下。

（1）坝料的砾石含量控制在 15%～70%间，在施工过程中防止砾石集中和少砾的坝料上坝填筑。

（2）坝料的含泥量小于15%，水溶盐含量小于3%，有机质含量小于5%。

（3）坝料开采过程中，防止把下层砂岩、泥岩开采入坝料内，注重坝料质量控制。

3.3.4 砂砾料抗剪强度指标设计

据经验：当砾石含量小于30%～40%时，抗剪强度指标基本上由砂来确定。根据料场颗粒分折结果，C1、C6、C7料场砾石含量 40%～50%，抗剪强度指标由砂和砾石一起决定；C1、C6料场砂砾料的自然休止角32°～34°。经验证明，一般抗剪内摩擦角大于自然休止角，因为砂砾石之间存在一定的咬合力；又据大型直剪实验结果，C1、C6、C7料场的砾料的抗剪内摩擦角34°～40°，考虑一定的安全因素，因此设计坝料抗剪强度指标为32°，不考虑坝料的粘滞力C值。