阿尔塔什深厚覆盖层高面板堆石坝防渗体系布置及关键施工技术

张正勇 石永刚

(中国水利水电第五工程局有限公司，四川 成都 610000)

1 工程概况

阿尔塔什水利枢纽工程是南疆叶尔羌河干流山区下游河段的控制性水利枢纽工程，是叶尔羌河干流梯级规划中“两库十四级”的第十一个梯级，在保证向塔里木河生态供水3.3亿m3的前提下，工程承担防洪、灌溉、发电等综合利用任务。水库总库容22.49亿m3，最大坝高164.8m，电站装机容量755MW，为大(1)型Ⅰ等工程。枢纽挡水坝为混凝土面板砂砾石堆石坝，由于其具有高面板堆石坝、高陡边坡、高地震烈度和深厚覆盖层的“三高一深”的行业重难点，被誉为“新疆三峡”工程。

2 坝址区工程地质

坝址区位于中山峡谷区，河谷走向NWW，呈不对称“U”形，相对高差400～600m，现代河床宽260～450m，两岸基岩裸露，右岸边坡高陡，自然坡度55°～80°，局部近直立，最大坡高610m，左岸发育高17～20m、阶面宽约134m的Ⅱ级基座阶地，阶地以上自然坡度35°～40°，最大坡高426m。坝址区主要出露地层有石炭系及第四系，基岩岩性主要有页岩、灰岩、泥晶灰岩、白云岩、石英砂岩等。坝址右岸基岩裂隙水水位略高于河水位；左岸基岩裂隙水水位与河水位接近。据钻孔压水试验成果，坝址基岩透水率q≤10Lu的界线在两岸埋深为基岩面以下14～90m，在河床段一般为18～58m；透水率q≤5Lu的界线埋深在两岸为基岩面以下17～105m，局部达120.0m；在河床段埋深一般为基岩面以下7.0～70m；基岩透水率q≤3Lu的界线一般在基岩面以下40～120m；据ZK46钻孔压水试验，F9断层带透水率为10～20Lu。

坝址区物理地质现象较为发育，坝址出露基岩主要为灰岩、白云质灰岩、石英砂岩，抗压强度42～97MPa，属中硬—坚硬岩，局部夹软岩。主要有滑坡、不稳定岩体、卸荷、风化和微岩溶。坝址区各带风化深度见表1。

表1 坝址区岩体风化深度(下限值)

坝址区河床覆盖层最大厚度94m，总体划分为两大层。Ⅰ岩组：分布于现代河床覆盖层上部，组成物以漂石、卵砾石为主，局部夹砂层透镜体，天然干密度平均值为2.24g/cm3，相对密度平均值为0.85；Ⅱ岩组：分布于河床覆盖层下部，组成物以砂砾石为主，具弱—微胶结现象，夹多层缺细粒充填的卵砾石层，局部夹杂块石和孤石，厚度80～95m。河床砂卵砾石层中砂层厚度不大，一般0.3～0.5m，个别达2.0m，呈透镜体状(鸡窝状)分布，对坝基砂卵砾石的物理力学性质影响不大。坝址区河床覆盖层物理力学地质建议值见表2。

表2 河床覆盖层物理力学地质参数建议值

左岸趾板基础位于弱风化白云质灰岩与灰岩层内，岩体呈镶嵌碎裂结构，边坡整体稳定。河床趾板、连接板段地基为冲积砂卵砾石层，结构密实，无不良土层分布，覆盖层最大深度94m，向两侧覆盖层厚度逐渐减小，一般厚约20～76m，河床覆盖层下部为灰岩、白云质灰岩，微裂隙发育，透水率q≤5Lu界线埋深为基岩面以下10～60m。右岸趾板斜切高边坡中下部，自然坡度50°～70°，沿线基岩裸露，为巨厚层白云质灰岩，灰岩互层，岩体呈镶嵌碎裂结构。坝体范围内两岸边坡大部分基岩裸露，岩性以中厚层状白云质灰岩、灰岩为主，局部夹辉绿岩脉，承载力及变形指标可满足当地材料坝的基础要求。坝壳两岸基岩边坡无大的不利结构面组合，边坡稳定。

3 防渗体系布置

基于坝区地质情况，结合工程挡水指标，坝体防渗体系要能够满足变形和强度要求。阿尔塔什面板砂砾石堆石坝基础采用“嵌入式防渗墙+固结、帷幕灌浆”结构，坝体从上游向下游布置成“趾板、连接板+面板—垫层料区—过渡料区—砂砾石主堆石区—爆破料次堆石区”。基岩、基础防渗、嵌入式防渗墙、趾板、连接板、面板和表止水共同构成防渗体系的第一道完整挡水隔渗防线，而坝体作为主要挡水结构物，为了实现挡水和坝体内排水通畅的双重功能，在坝体结构设计上进行了合理分区布料，形成梯度渗透系统，以确保各层间不产生渗透破坏。坝料渗透系数从上游到下游为：垫层区(1×10-3～1×10-4cm/s)<过渡区(1×10-2～1×10-3cm/s)<砂砾石主堆石区(2.8×10-2～9.5×10-2cm/s)<爆破料次堆石区(1×10-0～1×10-1cm/s)。坝体防渗体系结构详见图1～图2。

图1 趾板基础处理纵剖面

图2 坝体典型剖面

4 防渗体系关键技术

4.1 坝基建基面处理

河床段为覆盖层地基，覆盖层结构总体上较均一，经设计验证其承载力可满足大坝要求。建基面只清除表层的松散覆盖层，清基深度为2m。坝体填筑前用重型振动碾碾压密实，要求表层1m深度内相对密度Dr≥0.9。

岸坡段为基岩地基，建基面只清除表层松散体；堆石体地基在趾板内坡至坝轴线范围内的岸坡开挖成不陡于1∶0.5的坡度，若陡于1∶0.5时，设置变模区，确保堆石与岸坡接触面变形均匀，变模区采用垫层料加少量水泥和水的碾压干贫混凝土回填体，强度等级达到C3～C7。

4.2 防渗墙

4.2.1 防渗墙布置

在河床深覆盖层段采用一道混凝土防渗墙防渗，防渗墙顶高程为1662.00m，主要截断河槽中的砂卵砾石的渗漏，墙底深入基岩内0.5m，最大墙深94m，墙体宽1.2m，槽段长7.2m。防渗墙采用C30混凝土，混凝土抗渗等级采用W12。混凝土防渗墙段墙下设1排帷幕灌浆，孔距2m，帷幕灌浆最大深度为墙下69m。由于上部变形较大，防渗墙上部10m采用钢筋混凝土防渗墙。防渗墙钢筋设置为双层单向钢筋，竖直方向的受力筋采用φ25，水平方向的分布筋采用φ16，间距为200mm。

4.2.2 防渗墙施工

针对砂卵砾石的地质情况，防渗墙孔施工工艺主要采取“钻劈法”，冲击钻机钻孔成槽，为了避免塌孔现象，采用正电胶复合泥浆进行泥浆固壁，具有携带岩屑率大、防露失效果明显的特点，固壁效果较好。墙体连接部位采用“接头管法”，能够保证施工进度，节约墙体材料，使接头部位具有较大的镶嵌强度，有利于墙体抗渗。墙体混凝土连续浇筑，槽孔内混凝土上升速度不得小于2m/h，并连续浇筑上升至墙顶高程不小于0.5m。

4.3 固结、帷幕灌浆

4.3.1 固结、帷幕灌浆布置

坝基固结灌浆包括左、右岸趾板基础固结灌浆和河床段趾板和连接板基础灌浆。左、右岸趾板为基岩灌浆，趾板设置固结灌浆孔，孔、排距为3m，灌浆深度为8m。河床段为砂砾石基础固结灌浆，在河床趾板下游20m及河床段趾板和连接板范围内进行固结灌浆加固处理，灌浆深度为10m，孔、排距3m，灌浆压力控制在0.1～0.2MPa，经灌浆后波速有明显的提高，基本消除了纵波波速2200m/s以下的低波速段。

左、右岸坝基帷幕防渗深度按坝基透水率小于5Lu控制，左岸趾板下帷幕深度为52～85m，右岸趾板下帷幕深度为42～84m，双排，帷幕孔的孔、排距2m。两坝肩灌浆在坝顶高程处设置灌浆廊道，左坝肩廊道长15m，帷幕深度34～65m，右坝肩廊道长45m，帷幕深度30～43m，设置单排帷幕。

4.3.2 固结、帷幕灌浆施工

河床段砂砾石层固结灌浆孔采用XY-2地质回转钻机钻进，钻孔深12m，上面2.0m为盖重，固结灌浆采用孔口封闭、孔内循环灌浆，接触段段长为2.0m，其余段长为4.0m,配以灌浆自动记录仪进行。固结灌浆采用一泵灌注一孔，当相互串浆时，采用群孔并联灌注，但并联孔数不多于2个，并控制灌浆压力。

帷幕灌浆采用“孔口封闭”灌浆法，孔口管深入基岩2m。由两排孔组成的帷幕，先进行下游排孔的灌浆，然后进行上游排孔的灌浆；灌浆严格按分序加密的原则进行。每排按分序、分段施工。帷幕灌浆孔口段钻孔孔径为110mm，以下孔径为76mm；灌浆压力为0.3～0.5MPa，下部最大压力采用2～2.5MPa。

4.4 趾板、连接板

4.4.1 趾板、连接板布置

趾板、连接板作为一种承上启下的防渗结构，其作用是通过设有止水的周边缝将防渗墙与面板连为一体，形成坝基以上的防渗体，同时又与经过灌浆处理后的建基面连接，封闭地面以下的渗漏通道，从而使上、下防渗结构连为整体。除防渗作用外，还可作为基础灌浆的盖板和面板的基座。

大坝趾板设计总长度为1154.447m，其中422.433m为左岸边坡趾板(趾0+000.000～趾0+386.207)，297.006m为河床段边坡趾板(趾0+386.207～趾0+688.575)，435.118m为右岸边坡趾板(趾0+688.575～趾1+082.288)。两岸趾板宽度随高程增加，依次为宽6m厚0.6m、宽8m厚0.8m和宽10m厚1.0m变化，河床部位采用3m+3m+4m宽的连接板和趾板形式，厚度为1.0m，均采用双层双向钢筋，混凝土采用C30W12F300，遇趾板变厚度和过断层处，设结构缝。

4.4.2 趾板、连接板施工

趾板及连接板根据现场实际地形条件、施工道路情况等，选择混凝土入仓方式(反铲入仓、溜槽入仓、泵送入仓)，并结合结构设计进行分段浇筑施工，浇筑模板采用钢、木组合模板，止水及折角部位采用胶合板和木檩组合，岸坡趾板按照“先底部、后上部”的原则进行分层连续浇筑；浇筑前，在基岩面进行洒水湿润，湿润后立即浇筑。浇筑完毕后6～18h内开始洒水养护，采用洒水覆盖型养护，养护周期为浇筑后至大坝蓄水前。

4.5 混凝土面板

4.5.1 面板布置

混凝土面板位于大坝上游迎水面，顶部与坝顶防浪墙连接，混凝土面板顶高程为1821.8m，底部与趾板连接，底部最低高程为1662.4m；混凝土面板共78块，其中：河床部位受压区面板宽12m、共45块，岸坡部位受拉区面板宽6m、共27块，右岸端头面板宽12m、共6块；面板厚度按照T=0.4+0.0035H计算，混凝土采用C300F300W12混凝土，水泥采用普通硅酸盐水泥。面板钢筋布置采用双层双向钢筋，钢筋采用HRB400，钢筋的混凝土保护层厚度为100mm。

4.5.2 面板施工

面板混凝土采用无轨滑模跳仓连续浇筑施工。滑模宽度为1.5m，滑模长度分为14m、7m+7m组合、7m+3m组合三种形式，由滑模面板、操作平台、抹面平台、遮阳棚四部分结构组成，最大重量为7.182t。滑膜由卷扬机提升，提升速度约为1.5m/h，以延长仓内升温时间，提高低温时段混凝土浇筑质量。经过面板混凝土配合比试验，得出面板混凝土配合比情况(见表3)。

表3 面板混凝土配合比 单位：kg/m3

4.6 周边缝及表止水

4.6.1 周边缝及表止水布置

由于连接板受坝体、面板挤压，其变形程度相对较大，特在河床连接板上布置了防渗补强土工膜。复合土工膜采用两布一膜(400g/1mm/400g)，标称断裂强度20kN/m，纵向断裂强度大于20kN/m，耐静水压力1.8MPa。复合土工膜铺设范围为：左岸超出连接板1m，右岸超出连接板4.32m，设计铺设长度303.58m。

周边缝及垂直缝均采用底部设置铜止水(“W”“F”型铜止水)、表层设置表面止水的处理措施。铜止水采用T2M型，铜带材的抗拉强度应不小于205MPa，延伸率大于30%，其化学成分和物理力学性能满足GB/T 2059—2008的规定，焊接应用黄铜焊条气焊，铜止水异型接头由厂家冲压成型。面板垂直缝表面止水Ⅴ形槽深6cm，顶宽10cm，槽底放置PVC棒，Ⅴ形槽内部及外侧设置鼓包形状GB柔性嵌缝材料，外包8mmGB复合三元乙丙盖板。GB复合三元乙丙采用镀锌膨胀螺栓和不锈钢扁钢压条固定。防渗体、连接板、趾板、面板接缝部位的防水结构如图3所示。

图3 防渗墙、连接板、趾板、面板接缝

4.6.2 周边缝及表止水施工

铜止水作为混凝土浇筑预埋件，在现场加工成型，并按要求铺设。表止水按照“从下至上”的施工原则进行，周边缝缝面止水施工工序为：基础面处理→铺设胶棒→涂刷SK底胶→刮涂GB找平密封胶→铺装波形橡胶止水带→安装扁钢和螺栓→除尘→嵌填GB填料→铺设GB盖板→刮涂GB找平密封胶→安装扁钢和螺栓。其塑性填材以机械施工为主，由GB填料挤出机进行成型挤压，波纹橡胶止水带异型接头采用厂家一次硫化成型，现场连接时采用热硫化焊接工艺进行连接。

4.7 坝体填筑

大坝坝体由多种材料组成，由于各种坝料的性质不同、使用设备差异造成坝料不等厚填筑。坝面平起施工是规定坝料施工工序的衔接，是从关键施工部位保证工序施工质量的技术要求。垫层料、过渡料填筑卸料采用后退法，铺料厚度40cm，液压反铲平料、SD32推土机平料，振动碾进退错距碾压，振动碾行走速度不大于2.0km/h，与坝轴线平行碾压；砂砾料、堆石料填筑卸料以进占法为主，局部采用后退法，铺料厚度80cm，SD32推土机平料，32t振动碾进退错距碾压，各区料应平齐上升。根据连续施工要求填筑临时断面，随着填筑层的上升，形成台阶状，平均坡不陡于1∶3。各料分区部位和同料接缝部位采用振动碾骑缝碾压，以保证交接面的碾压质量。

5 结 语

根据深厚覆盖层、“U”形河床基岩、镶嵌碎裂结构岩体等坝区内地形地质情况，采用固结、帷幕灌浆进行基础处理，布置嵌入式防渗墙封闭坝基挡水，河床部位设计连接、趾板形式，能够适应较大的位移变形，接缝处底部设置铜止水，表层设置表面止水，形成软连接封闭系统，以实现在深厚覆盖层和高坝的复杂变形情况下防渗体系的有效性。经过蓄水至1721m高程稳定后，坝基、连接板、面板等监测断面，渗透压力基本呈稳定状态，整体防渗可靠。