头道白杨沟水库古河槽处理方案设计

2015-01-16朱新英

大坝与安全 2015年4期

朱新英

（新疆哈密地区水利水电勘测设计院，新疆哈密，839000）

1 工程概况

头道白杨沟水库位于哈密巴里坤县莫钦乌拉山北坡头道白杨沟流域，水库总库容421万m3。水库为Ⅳ等小（1）型工程，多年调节水库。水库枢纽主要由沥青混凝土心墙坝、右岸侧槽溢洪道、左岸导流、放水隧洞+涵洞、古河槽防渗段等组成。水库最大坝高79.8 m，属于典型的小库高坝。笔者主要就工程中古河槽的发现、勘察、处理方案设计进行介绍。

2 工程中古河槽的发现与勘察

2.1 古河槽成因

古河槽是由于构造运动，原河段地面抬升或降落，从而使河道发生了改变，原河道废弃形成了古河槽。古河槽河床往往伴生砂卵石沉积，垂直剖面为底部颗粒粗、上部颗粒细，纵剖面为上游颗粒粗、下游颗粒细。新疆古河槽主要为地面古河槽和埋藏古河槽，地面古河槽可从地貌上明显看出其形态和沉积物性状，埋藏古河槽一般位于阶地以下，不能明显地看出其形态和沉积物性状。古河槽对水利工程产生的主要影响是绕坝渗漏问题。

2.2 古河槽的发现与勘察

头道白杨沟水库坝址区域位于莫钦乌拉山北坡低中山地带，河谷类型为“U”型谷，由于地壳抬升，沿河发育2级河流阶地。现代河床为第四系冲、洪积物沉积。工程区地层主要由泥盆系地层、石炭系地层和第四系地层组成。工程区新构造运动表现形式近代以大面积的差异性升降运动为主，形成了本区一、二、三级阶地。

头道白杨沟水库坝址上游130 m左库岸段的古河槽，在本地区水库枢纽坝址中属首次发现。前期勘察中未发现，后随着工程勘察工作的深入，该古河槽逐渐被发现。通过现场勘查，发现在库区上游左岸Ⅲ级阶地堆积厚层洪积卵砾石，阶地与河床高差约50.0 m，左岸山坡底宽约70.0 m，上口宽约160.0 m，表层卵砾石堆积，勘察判定为古河槽。追踪调查发现古河槽于下游800.00 m处汇入主河道。

为了进一步探明古河槽形态特征、埋藏深度、物质组成等各项工程地质条件，笔者在古河槽段布置了一定量的勘探工作，主要为：

（1）钻孔：古河槽段共布置钻孔9眼，其中沿Ⅲ级阶地布置钻孔4个、在阶地面布置钻孔3个、古河槽下游布置钻孔2个。

（2）探坑：在古河槽进口Ⅲ级阶地阶面不同位置、高程处布置探坑8个，深3.0～5.0 m。

（3）探槽：在古河槽进口Ⅲ级阶地阶面，沿坡面布置纵、横探槽70 m，探槽深2.0～5.0 m。

（4）现场试验：在古河槽进口处不同位置，开展现场容重试验4组、注水试验4组、颗分4组。

2.3 古河槽堆积物特性及工程地质问题

本工程古河槽阶地堆积物表层为0.5～1.0 m厚土夹砾石，下部主要由卵砾石组成，杂色，密实，卵砾石磨圆度较差，多为次棱角状，地层年代为第四系中更新统（Q2PL），洪积为主，最大颗粒直径40 cm。古河槽下伏基岩主要为泥盆系下-中统莫钦乌拉群头道白杨组第一亚组(D1-2ta)黑绿色、深绿色凝灰岩、晶屑-岩屑凝灰岩。坝基岩体强风化带厚4.00～6.00 m，弱风化层埋深在基岩界面以下18.00～22.00 m，呈镶嵌状结构，岩体工程地质分类AIII2～AIII1类。以下为微风化带，岩体完整，呈次块状结构，岩体工程地质分类AIII1类。

古河槽组成物质均以第四系中更新统（Q2PL）卵、砾石土为主，该层渗透性好。根据现场容重、注水、颗分试验，阶地堆积卵砾石2.5 m埋深以下干容重 2.10～2.12 g/cm3，相对密度 0.72～0.75，密实度较好，不均匀系数为28.5～111.7，曲率系数为2.1～5.8，渗透系数为4.0×10-2cm，属强透水层。允许坡降J允=0.113，属管涌型渗透变形型式。根据钻孔资料，下伏基岩弱透水上带q＜10 Lu埋深在基岩界面4.00～12.00 m；弱透水中带q＜5 Lu埋深在基岩界面9.0～22.40 m以下。因此，古河槽主要工程地质问题就是渗漏及渗透稳定问题，应进行必要的防渗处理。

3 古河槽处理方案比选

针对水库上游左库岸古河槽存在的绕坝渗漏问题，初步选择了三种防渗处理方案进行比选。

方案一：槽孔混凝土防渗墙方案。在左库岸Ⅲ级阶地古河槽处设置槽孔混凝土防渗墙防渗,混凝土防渗墙长181.9 m，最大槽孔深度59.5 m。混凝土防渗墙厚1.0 m，底部嵌入古河槽基岩以下1 m，混凝土标号为C20W8。对混凝土防渗墙底部基岩进行单排帷幕灌浆，帷幕灌浆孔距1 m，灌浆深度深入基岩透水率为＜5 Lu区域。混凝土防渗墙与防渗帷幕组成连续的防渗体。混凝土防渗墙方案估算建筑投资为2 292.11万元。

方案二：钢筋混凝土防渗面板方案。在左库岸古河槽进口Ⅲ级阶面处采用钢筋混凝土面板防渗，防渗面板段长190.5 m，趾板长300 m，上游阶地面岸坡削至1∶1.6。坡面采用厚30 cm无砂混凝土垫层，垫层上采用40 cm厚整体式钢筋混凝土防渗面板，面板混凝土标号C30W10F300。将趾板基础置于弱风化岩基上，趾板采用平趾板，趾板宽度为6 m，厚度为0.6 m，趾板混凝土标号C30W10F300。对趾板基础弱风化基岩进行固结灌浆和帷幕灌浆，固结灌浆孔布置两排，孔距2 m、排距为3 m，固结灌浆深度为10 m。帷幕灌浆为2排，孔、排距均为2 m，帷幕灌浆深度伸入基岩透水率＜5 Lu区域。坡面钢筋混凝土面板与防渗帷幕组成连续的防渗体。钢筋混凝土面板防渗方案建筑工程投资为2 500.16万元。

方案三：复合土工膜斜墙防渗方案。在左库岸古河槽进口Ⅲ级阶面处采复合土工膜斜墙防渗，复合土工膜斜墙防渗段长218 m。上游阶地面岸坡削至1∶2.75，坡面铺设厚30 cm细砂砾料下垫层，垫层上铺设复合土工膜（300 g/m2、0.8 mm PE、300 g/m2），防渗膜上铺设厚5 cm水泥砂浆上垫层，上垫层上浇筑厚25 cm、3 m×3 m的C25W6F300混凝土防浪护坡。趾墩设置在面板与岸坡的弱风化基岩上，类似于趾板。土工膜底部与趾墩用螺栓锚接。趾墩上布置固结灌浆2排，排距3 m、孔距3 m，固结灌浆深10 m，帷幕灌浆2排，孔、排距均为2 m，帷幕灌浆深度伸入基岩透水率＜5 Lu区域。坡面土工膜与防渗帷幕组成连续的防渗体。古河槽段复合土工膜斜墙防渗方案建筑工程投资为2 761.43万元。

图1 头道白杨沟水库坝轴线地质剖面图Fig.1 Geological profile of dam axis of Toudao Baiyanggou reservoir

通过对古河槽三种处理方案从工程布置、施工条件、防渗性能、对当地气候适应能力、运行维护、工程投资等方面进行综合比较，方案一槽孔混凝土防渗墙方案，由于古河槽覆盖层最大埋深为59.5 m，防渗墙施工难度较大，且埋藏式古河槽底部可能会存在大的漂卵石，槽孔混凝土防渗墙的防渗效果不能保证，一旦出现渗漏，追查和检修困难。方案二混凝土面板防渗方案，采用钢筋混凝土面板防渗方案，施工速度快、技术简单，防渗体位于表面，表面裂缝易于直观发现，处理检修方便。方案三复合土工膜斜墙防渗方案，从近些年本地区施工的土工膜坝经验来说，第一，土工膜坝主要为中、低坝，本工程古河槽段最大坝高为68.6 m，接近于高坝，目前高坝采用复合土工膜坝斜墙防渗很少，安全性、可行性需要专门的论证；第二，施工过程中对于施工人员、机械、工具对土工膜的破坏难以控制，一旦出现渗漏后，发现和维修十分困难；第三，上游坡度较缓，工程开挖量较大，工程投资较大。通过综合考虑，在投资变化不大的情况下，选择施工质量有保证、后期检修方便的方案，因此本工程选择钢筋混凝土面板防渗方案为选定方案。

4 处理方案设计

选定的钢筋混凝土面板防渗方案，将古河槽沉积物看作坝体，按面板坝设计理念进行防渗处理。

4.1 剖面设计

古河槽段坝顶宽度10 m，坝顶上游设2.4 m高的C25F300W8钢筋混凝土防浪墙。参照SL 228-98《混凝土面板堆石坝设计规范》的规定及古河槽的地质情况，将上游坝按1∶1.6削坡至趾板高程。在坡面上铺设30 cm厚无砂混凝土排水垫层，排水垫层上浇筑40 cm厚C30F300W10整体式钢筋混凝土防渗面板。为了防止死水位以下趾板周边缝张开、面板裂缝，在死水位以下趾板及面板上铺设铺盖防渗补强区，采用粉土、粉细砂填筑，起到淤堵裂缝、实现自愈的作用。铺盖上设置盖重区，上部水平宽度3 m，坡度1∶2.5，料源为爆破石渣料。详见图2。

4.2 防渗面板设计

防渗面板厚度根据计算结果，结合本地区已建面板坝工程经验，且考虑施工方便等原因，确定防渗面板为40 cm等厚、12 m宽的C30F300W10钢筋混凝土整体式面板。面板配筋采用单层双向配筋，配筋率各向均为0.5%，在周边缝和垂直缝（压性缝）侧面设置挤压钢筋。

图2 头道白杨沟水库古河槽处理典型剖面图Fig.2 Treatment profile of buried channel at Toudao Baiyanggou reservoir

4.3 趾板设计

趾板基础坐落在古河槽下伏基岩弱风化层上，趾板线长300 m，趾板采用平趾板。趾板宽度按允许水力梯度确定，且满足灌浆孔布置的要求。确定趾板宽度为6 m，厚度为0.6 m，趾板混凝土标号C25F300W8。趾板钢筋布置在顶层，单层双向配筋，各向配筋率0.4%，在周边缝侧的趾板混凝土中设抗挤压钢筋。趾板用锚杆锚固在基岩上，锚杆直径ϕ25 mm，深入基岩锚固深度4 m，孔、排距均为1.5 m，呈梅花形布置。

4.4 接缝与止水设计

4.4.1 周边缝

面板和趾板之间的周边缝设置顶、底两道止水，缝宽20 mm，缝内采用L-1600型高压闭孔板作为填缝材料。顶部柔性填缝止水预留梯形断面凹槽，上口宽80 mm，下口宽60 mm，深80 mm，采用弹性聚氨酯填塞。底部止水采用F形紫铜片止水，铜止水底部设置宽60 cm（300 g/m2）无纺布。

4.4.2 面板间垂直缝

整体式钢筋混凝土面板板间垂直缝采用硬缝结构，缝间采用2 mm沥青油毡隔缝。设置顶、底两道止水，顶部柔性填缝止水预留梯形断面凹槽，上口宽80 mm，下口宽60 mm，深80 mm，采用弹性聚氨酯填塞。底部止水采用W形紫铜片止水，铜止水底部设置宽60 cm（300 g/m2）无纺布。

4.4.3 面板与防浪墙间水平缝

缝宽20 mm，缝内采用L-1600型高压闭孔板作为填缝材料。设置顶、底两道止水，类型同面板间垂直缝。

4.4.4 趾板伸缩缝

采用硬缝结构，缝间采用2 mm沥青油毡隔缝。设置顶、中两道止水，顶部柔性填缝止水同面板间垂直缝，中部止水采用W形紫铜片止水。

4.5 其他细部设计

4.5.1 排水设计

考虑古河槽纵向基岩埋深不能确定，面板和板缝渗漏水可能会存积在古河槽内无法排出。水位变动时，古河槽内的水会对面板产生反向水压力。因此在死水位高程处坡面无砂混凝土下设置DN200镀锌排水钢管，排水管通过导流隧洞边壁通往下游坝后。

4.5.2 主坝与古河槽段防渗体连接设计

古河槽段趾板与主坝连接处山体较单薄，为了使趾板与主坝沥青混凝土心墙防渗体形成完整的封闭体，清除山体强风化基岩后浇筑C25F300W8混凝土连接体。连接体最大高度8.2 m，沥青混凝土心墙接触面坡度为1∶0.36，下部与沥青心墙灌浆盖板连接，古河槽段与趾板相连。连接体同趾板、灌浆盖板伸缩缝设置紫铜片止水。

4.6 基础处理

古河槽趾板防渗帷幕、坡面防渗面板、主坝沥青混凝土心墙及底部防渗帷幕共同形成一道完整的防渗体。趾板线选择在古河槽开口处，根据地质钻孔初步确定趾板基础的位置，施工中根据古河槽削坡开挖情况，二次定线确定趾板基础的位置。趾板基础坐落在古河槽下伏基岩弱风化层上。为了提高趾板基础岩石的完整性及趾板与基岩接触面的抗渗能力，对趾板进行固结灌浆处理。固结灌浆孔布置2排，孔距2 m、排距3 m，固结灌浆深度为10 m。帷幕灌浆设置2排，孔、排距均为2 m，帷幕灌浆深度伸入基岩透水率＜5 Lu区域。