卡尔巴斯水库坝基防渗处理设计

张世雄

（新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司 新疆石河子83200 0）

1 工程概况

卡尔巴斯水库是一座以灌溉为主的小（2）型山区水库，总库容88.2万m3，位于新疆卡尔巴斯河出山口处。卡尔巴斯河径流的补给主要依靠季节性冰雪融水、降雨及地下水；径流年内分配不均，主要集中在5月、6月，其水量占全年径流量的45.7%；这部分水量主要是来自山区季节性积雪的融化和该时期的降雨。由于当地经济基础比较薄弱等原因，多年来，该河未修建调蓄工程，仅在灌溉期做了临时拦堵措施引水灌溉，随着近年来干旱频发，旱灾损失越来越大，兴建控制性工程进行径流调节，增加供水量、提高灌区用水保证程度的需要已日益迫切。卡尔巴斯水库工程有拦河主坝、防浪副坝、表孔溢洪道、坝下导流放水涵洞及管理道路等组成。挡水主坝坝顶长为242m，正常蓄水位62.60 m，主坝设1.2m高砼防浪墙，墙顶高程65.50 m，最大坝高为29.3m，坝顶宽5.0 m，坝型为均质土坝，大坝上下游坡比均为1:2.0。在坝址左岸存在垭口地形，在天然垭口处布置正堰式无闸溢洪道及副坝，副坝顶高程64.60 m，副坝长36m，坝顶宽3.0 m，坝高最大坝高3.0 m，坝体采用均质土坝，上下游坡比均取1:2.0。

2 坝体坝基防渗处理方案的选择

2.1 坝体填筑材料及坝基工程地质条件

根据当地材料的储量及运距情况，本工程选择距离坝址下游1.5km处的低液限黏土料场做当地材料坝填筑料，除天然含水率偏低外，土料场作为心墙防渗土料或均质土坝土料，质量与储量均满足要求，土料设计压实度不小于97%，碾压后渗透系数为4.4×10-6cm/s。

坝址位于出山口低山丘陵地段，地形相对开阔，两岸与河底相对高差35～40 m，左岸岸坡在35°～40°，右岸岸坡为40°～45°，坡面冲沟不发育，表层多以残坡积物为主，厚度0.5～1.0 m，松散、干燥，下伏基岩。河谷呈“U”型，现代河床宽4～6m。

拟定坝址处河床段覆盖层为二元结构，上层为淤积物，由于上世纪80年代当地农牧民为引水灌溉在坝轴线处临时堆填了土坝体，因该坝体存在，在坝体以上100 m河床范围内产生淤积物，淤积物厚度2～3m，局部较厚，宽25～30 m，岩性以淤积的粉土、黏土、淤泥互层为主，土层内夹杂砾石、植物根系等杂物；根据现场勘察，坝体及淤积物不满足上坝作为填筑料的要求。下层为现代河床全新统冲积卵砾石层，覆盖层总厚度5.0～6.0 m。下伏基岩为凝灰质砂岩，层状结构，为中硬岩，库区内岩层节理裂隙较为发育，主要受构造及风化影响，表层岩体较为破碎，强风化厚度为3～4m，弱风化厚度25～26m。基岩体透水性随孔深增大而透水率变小，轴线坝基渗透系数小于5Lu深度在基岩面以下12～25m。

根据选定坝址，左岸存在垭口地形，可能产生邻谷渗漏问题；左岸局部地面高程为63～65m，经过复核计算该段副坝波浪爬高等后，副坝段防浪高程应为64.60 m，正常运行工况下水库静水位62.60 m，低于左岸地面高程，但需设副坝防浪。左岸地面表层多为残坡积物，厚度约0.5～1.0 m，松散，干燥；下伏基岩岩性同主坝，左岸岩体强风化厚度3～4m，弱风化厚度25～26m。坝基基岩体透水性随孔深增大而透水率变小，基础防渗小于5Lu深度在基岩面以下12m。

2.2 坝基处理方案的选择

坝基防渗控制一般采用垂直防渗措施，处理深度至相对不透水层，使得坝基、坝体等构成封闭的防渗屏障，以减少水库的渗漏损失。本工程坝基覆盖层为二元结构，为强透水性，且强风化层及弱风化上层基岩也为中透水性，需做防渗处理。考虑以下两种处理方案如下：

（1）清除坝基二元结构覆盖层及强风化表层基岩，进行坝基固结灌浆与防渗帷幕灌浆，再填筑坝体至设计坝高；该方案坝体及防渗效果明显，但填筑体量较大，且坝基河床开挖覆盖层不宜作为坝体填料，施工费用明显较高。

（2）清除坝基二元结构覆盖层上层的淤积物，仅在坝轴线处开挖截水槽至基岩，并进行坝基固结灌浆与防渗帷幕灌浆处理，之后填筑坝体至设计坝高；本工程规模较小，大坝为均质土坝，对坝基承载力要求不高，河床段砂砾石层可作为坝基，该坝基处理方案较适宜本工程。

3 坝基防渗处理设计

3.1 坝基防渗处理的布置

本次设计清除坝基范围内淤积物，将现代河床全新统冲积卵砾石层作为本次坝基，填筑前需对该层表面超径石及杂草等清除，并进行碾压，碾压相对密度不低于0.75。根据规范及控制渗流量要求，本次设计均质土坝截水槽基础坐在强风化下限，截水槽两侧上下游岩石开挖边坡为1:0.75，砂砾石覆盖层开挖边坡为1:1.5，并将开挖石料堆填在坝体下游三角区。截水槽宽度按土料允许渗透比降及施工要求确定，按9.0～4.0 m分段设置，在截水槽底部浇筑50 cm厚的C20砼盖板。固结灌浆：在河床段盖板下设置两排，两岸坝基设单排，孔距3.0 m，平均灌浆深度为4.0 m。帷幕灌浆：坝轴线处单排布置，深度按伸入5lu下2m，孔距2m，河床段帷幕平均深度为15.0 m，两岸帷幕深度为15～12m，帷幕灌浆范围向两岸岩体延伸50 m。

考虑到副坝及垭口溢洪道段上下游岸坡坡度较缓，且上游面覆盖1～1.5m厚坡积碎石及粉土层，植被覆盖较好，如果考虑清除副坝坝基覆盖层及强风化岩石并做防渗帷幕，则需处理坝段较长且工程投资较大；故设计中考虑，副坝段仅在水库高水位才会产生坝基渗漏，本次清除坝基表层覆盖层及全风化基岩后，再填筑土坝体。

3.2 坝体及坝基渗流稳定分析

根据工程区所处严重干旱区，且为独立水系，地表水资源的有效利用显得尤为重要。本工程坝体渗流分析的主要目的为：①验算坝体稳定性；②分析估算水库的渗漏损失；③验算下游坝基面的出逸坡降及坝体相应部位土体的渗透稳定性。

渗流分析计算采用“北京理正软件设计研究所开发的岩土工程系列软件—渗流分析软件6.0版”软件。渗流服从达西定律，按有限深透水地基上均质土坝模型进行有限元计算。依据坝体、坝基土特性，坝体为低液限黏土均质坝，发生渗透破坏类型为流土，本次可研阶段根据经验取值，坝体土发生渗透变形的允许水力比降为0.50；坝基土为第四系全新统冲洪积堆积物（Q4al+pl），岩性为卵石，组成颗粒分选性差，级配不良，发生渗透破坏类型为管涌，允许水力比降为0.13。

选择0+120为典型断面分析，依据工程勘察对坝基各层的评价，拟定渗流计算参数如下：①坝壳料低液限黏土，渗透系数K1为4.4×10-6cm/s；②砂砾石坝基为强透水地基，K2取1.1×10-2cm/s；③强风化上层基岩为中等透水性，K3取1.0×10-3cm/s；④强风化下层基岩为中等透水性，K4取2.0×10-4cm/s；⑤弱风化上层基岩为微透水性，K5取5.0×10-5cm/s；⑥防渗帷幕（顺水流方向取1.5m 厚），K6取5.0×10-5cm/s。

大坝标准断面图见图1。

图1 大坝标准横断面图

图2 上游正常水位与下游最低水位坝体（基）准流网图

以“上游正常蓄水位与下游相应的最低水位”工况为典型，分析坝体坝基土渗透稳定情况：由图2可知，坝体下游三角利用料区为中硬岩，具排水棱体作用；均质坝上、下坝坡均满足渗透稳定要求，但防渗帷幕灌浆孔地表处渗透比降达3.5，截水槽两侧及轴线下游侧砂砾石坝基与坝体接触处渗透比降达0.25～0.89，均会发生渗透破坏，设计中在截水槽底部设宽4.0～9.0 m厚0.50 m的C20砼盖板，在截水槽两侧及坝体下游砂砾石坝基均铺设无纺布，做反滤料之用，使土体满足渗透稳定要求。

计算坝体、坝基渗漏量情况：该水库属年调节水库，高水位期较短，根据水库蓄水过程，分每年高水位期、正常水位期、死水位期等段估算渗漏量，最大断面高水位期单位长度大坝及坝基渗漏量约为2.43m3/d，合计计算得主坝段年总渗流量约为6.33万m3/a，占年调节库容158万 m3的4.2%，防渗效果较好。

坝体稳定分析：根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》，结合本水库的实际工作特点，稳定分析需计算两种工作状态：一是正常运用条件：稳定渗流期的下游坝坡；二是非常运用条件：施工期的上、下游坝坡；水库水位非常降落的上游坝坡。根据坝体隐患调查资料，计算断面选取在高坝段（0+120断面）进行稳定分析。坝坡稳定采用北京水利水电科学研究院出版的《土质边坡稳定分析程序》（STAB2009）进行计算，计算参数根据试验指标选取，计算采用简化毕肖普法，得出计算结论：稳定渗流期上游坝坡最小安全系数为1.33，下游坝坡为1.37，均大于规范允许值1.15；非常运行：施工期上下游坝坡最小稳定安全系数为1.5，上游水位骤降期上游坝坡最小安全系数为1.29，均大于规范允许值1.05；故大坝上、下游坝坡均是稳定的。

4 结语

该工程地处严重干旱区，水库的防渗效果对工程效益影响很大，如果坝基处理不善，可能会造成水库效益不能正常发挥或影响大坝安全；如果坝基处理部分投资太大，可能会导致工程不经济。依据《碾压式土石坝设计规范》要求：3级及其以下坝，灌后基岩的透水率宜为5～10 Lu。本工程为5级建筑物，帷幕灌浆伸入到10 Lu以下即可。但根据钻孔压水试验成果分析，本工程坝址区岩体的透水性主要受岩体风化程度和断层及节理的发育程度控制，随深度变化，岩体透水性变化规律不明显，其透水性多受贯通性结构面控制，个别试段由于断层及贯通性裂隙造成透水性较大。

依据地质编绘及参考相关经验，采用以下坝基防渗措施：

①阶段设计河床段防渗帷幕平均深度为15.0 m，两岸帷幕深度为15～12m。在坝基帷幕灌浆施工时根据施工地质工程师的判断，再对施工方案进行灵活调整。

②本工程合理利用坝址左岸天然垭口地形布置了开敞式溢洪道和防浪副坝，由于该段副坝高度较小，且坝体均在水库静水位以上，具有后期补充灌浆的施工条件；可暂不对副坝段坝基进行防渗帷幕等处理，待工程建成蓄水后，观察坝后渗漏情况，再确定是否需要补做防渗帷幕等措施。