希尼尔水库坝基基岩渗透性分析

李战国，沈纪安,夏卫华，周海鹰,徐劲松

(1.新疆昌吉方汇水电设计有限公司，新疆 昌吉 831100；2.新疆塔里木河流域管理局，新疆 库尔勒 841000)

0 引 言

渗透系数对于水利工程勘察设计是一项重要的参数指标，特别对水库工程坝基防渗处理尤为重要，渗透系数大小直接影响工程设计方案、防渗深度、施工处理效果及工程投资等。

渗透系数指标与地层形成地质时代、成因、地层岩性、地质构造及岩土体节理、裂隙发育等因素均有直接关系，因此渗透系数取值应紧密结合场区工程地质条件，采用多种方法进行综合对比分析确定。文章以新疆塔里木河流域希尼尔水库除险加固工程坝基防渗为例，重点阐述水库坝基岩体渗透性问题。

1 工程概况

希尼尔水库位于新疆巴音郭楞蒙古自治州开孔河流域(开都河-孔雀河)孔雀河中部的库尔勒市境内，库区处于孔雀河中部洼地内，是为下游灌溉用水和向塔里木河下游供给生态水的注入式反调节平原水库。

水库工程由西副坝(桩号0+000-2+436)、主坝(桩号2+436-7+100)、东副坝(桩号7+100-7+650)、引水建筑物、放水建筑物及分水建筑物组成，坝线长7650m，坝顶高程916.5m，最大坝高20.0m，坝型为复合土工膜防渗砂砾石坝，设计总库容9800万m3。

希尼尔水库自2005年下闸蓄水，在蓄水运行中存在西副坝及主坝坝基渗漏等问题。其中以主坝桩号(3+900-7+000)坝段坝基渗漏量较大，下游坝脚排水沟内积水严重，正常蓄水位工况下坝后渗透压力大，下游坝坡逸出点高，下游坝坡及坝脚附近渗透稳定不满足规范要求。因此需对渗漏段坝基进行防渗处理。

2 水库工程地质条件简述

2.1 地质构造

工程场区在地质构造上处于塔里木地台北部塔北隆起东段的孔雀河斜坡部分，介于北部的库鲁克塔格隆起(库鲁克塔格断褶带)和南部的塔中凹陷之间。根据《中国地震动参数区划图》GB18306-2015确定：工程场区地震动峰值加速度为0.20g，对应地震基本烈度为Ⅷ度，区域构造稳定性较差。

2.2 库区地形地貌

库区在地貌上位于库鲁克塔格山前剥蚀平原地带的洼地内。洼地南北长6.5-8.0km，东西宽3.0-4.5km，地势北高南低，地面高程901.0-921.0m。库区东、西两岸为新近系地层组成的平台，地面高程906.0-921.0m，高出库盘5.0-8.0m，为东、西副坝段；库盘南侧主要处于洼地中，地形平坦，为主坝段。

图1 区域地质构造图

图2 区域地质构造纲要图

2.3 坝基地层岩性

水库坝基上部为第四系冲洪积砂土、粉土及砂砾石层，其下为新近系泥岩、砂岩互层局部夹砂砾岩。该套地层呈互层状分布，岩层呈水平状，强度低，属极软岩。

1) 西副坝：上部岩性为第四系冲洪积中粗砂，层厚1.0-4.0m，渗透系数为2.3-6.5×10-3cm/s，为中等透水层；下伏地层岩性以新近系砂岩为主夹泥岩(局部夹薄层砾岩透镜体)，强风化层厚5.0-8.0m，其中砂岩胶结与成岩差，易风化，遇水后结构疏松呈散体状。

图3 水库库区地形地貌

2)主坝：坝基上部为第四系冲洪积中粗砂夹砂砾石及局部低液限粉土，层厚在1.3m-4.2m之间，渗透系数2.5×10-3-3.3×10-4cm/s，具有中等透水性；下伏地层岩性为新近系砂岩、泥岩，多呈互层状。

3)东副坝：东副坝处于天然台地之上，表层为砂砾石层，层厚0.3-0.6m，渗透系数>1.0×10-2cm/s，具有强透水性，下伏地层岩性主要以泥岩为主夹砂岩、砾岩。

表1 坝基岩体物理力学参数表

3 坝基岩体渗透性分析

如前所述，水库坝基基岩岩性为新近系泥岩、砂岩及砾岩，其中西坝段坝基主要以砂岩为主，局部夹薄层泥岩、砾岩；主坝段以泥岩、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，层位不连续，层厚差异较大；东副坝基岩性以泥岩为主，局部夹薄层砂岩、砾岩层。为查明水库坝基基岩渗透性，勘察过程中采用3种方法对岩体进行渗透试验，①对各岩体进行野外注水试验；②对泥岩、砂岩采取原状样进行室内渗透试验；③钻孔压水试验；现分述如下：

3.1 野外注水试验：

结合水库坝址区地下水埋深(0.0-6.0m)及基岩出露条件，野外试验采用单环注水试验(试验深度1.0-5.0m)，共进行试验28组，其中泥岩10组，砂岩13组，砾岩5组，各岩体渗透系数统计见表2。

图4 坝基典型地质剖面图

表2 野外单环注水试验成果统计表

由注水试验可知，强风化泥岩渗透系数在3.47×10-6-9.72×10-5cm/s(相应透水率在0.35-9.8Lu)，透水性弱；强风化砂岩及砾岩渗透系数多在10-2-10-3cm/s，具有中-强透水性。

3.2 室内渗透试验

对于泥岩、砂岩采用钻孔在不同深度范围采取岩芯，进行室内渗透试验，共进行室内渗透试验35组，其中泥岩试验20组、砂岩15组，岩体渗透系数统计见表3。

表3 室内渗透试验成果统计表

由室内试验结果可知，泥岩渗透系数在4.97×10-5-2.8×10-6cm/s，透水性弱，与野外单环注水试验结果基本相同；砂岩室内试验渗透系数在5.44×10-3-2.55×10-4cm/s，较野外单环注水试验结果略小，总体趋势表现为砂岩埋深越深其渗透系数变小。

3.3 综合岩体压水试验

压水试验自基岩出露高程开始至孔底(最大深度32.0m)，采用自上而下进行，每段试验长度为3-5m，相邻试验段相互衔接，试验开始前采用压水法进行洗孔，试验压力根据水库水头压力及坝基出露地层岩性确定，压力为0.3-0.5Mpa，止水栓塞长度不小于8倍钻孔直径，采用水压式栓塞。

图5 钻孔基岩岩芯

希尼尔水库布设勘探钻孔136眼，总进尺2926m，完成压水试验共计480段，依据压水试验结果，坝基岩体透水率情况分述如下。

1)西副坝(0+000-2+436)：自基岩面13.3-15.1m以上砂岩透水率一般大于5Lu，最大为27.8Lu，具有中等透水性，13.3-15.1m以下透水率均小于5Lu，透水性弱。

2)主坝段(2+436-7+100)：

①桩号(2+436-2+855)段基岩透水率变化较大，透水率总体趋势为12.0-18.0m以上基岩透水率较大，在10-67.7lu之间，具有中等透水性，12.0-18.0m在以下基岩透水率多小于5.0lu，透水率最小为0.05lu，具有微-弱透水性。

②桩号(2+855-3+900)段：10.0-13.0m以上基岩透水率在21.5-35lu之间，具有中透水性，以下基岩透水率0.15-3.5lu，具有微-弱透水性。

③桩号(3+900-4+200)段：10.0m以上基岩透水率在11-15.5lu之间，以下基岩透水率0.2-4.15lu，具有微-弱透水性。

④桩号(4+200-4+500)段：10.0-15.0m以上基岩透水率多在7.6-14.0lu之间，具有中等透水性，以下基岩透水率0.2-4.1lu，具有微-弱透水性。

⑤桩号(4+500-5+100)段：10.0-19.0m以上基岩透水率多在6.1-90.0lu之间，具有中等透水性，以下基岩透水率0.9-4.65lu，具有微-弱透水性。

⑥桩号(5+100-5+590)段：10.0-15.0m以上基岩透水率多在5.6-17.5lu之间，以下基岩透水率0.8-4.6lu，具有微-弱透水性。

⑦桩号(5+950-7+100)段：8.0-11.0m以上基岩透水率多大于5.0lu，具有中等透水性，以下基岩透水率0.1-4.5lu，具有微-弱透水性。

3)东副坝(7+100-7+650)：自基岩面4.5-5.0m以下透水率为 0.28-0.38Lu，透水性甚微。

图6 钻孔压水试验

上述3种试验方法确定坝基基岩渗透性技术成熟，均为常用的试验方法，具有一定的可行性及可信度，但也存在一定的局限性；其中单环注水试验为野外试验，能较真实的反映岩体边界条件，试验结果更接近实际情况，但试验深度具有一定的局限性，一般适用于浅层，地下水位以上地层，因此试验深度多处于风化基岩层中，渗透性只能反映试验深度内岩土体透水性大小；室内渗透试验，操作简便，不受外界环境影响，试验深度不受限制，但试验对象多为单一岩土体，不能全面反映实际地层透水性情况；钻孔压水试验能全面、真实反映坝基岩体综合透水性情况，与实际情况最为相符，多用于确定基岩透水率，对于较为破碎岩体封孔止水较为困难，试验所投入的设备及人员较多，成本较大。

根据不同试验方法，对希尼尔水库坝基基岩渗透性总体分析：对于泥岩层无论处于风化层内还是新鲜基岩层中，其渗透性均较小，一般在10-5-10-6cm/s之间；对于砂岩、砾岩表现为上部(中-强风化层)岩体透水率较大，但随深度的增大，岩体渗透性也相应较小。

4 结 语

希尼尔水库坝基基岩岩性为新近系泥岩、砂岩及砾岩，属极软岩，岩层分布不连续，无相对稳定的泥岩层(隔水层)，层厚变化大，且各岩体透水性差异较大，为查明岩体渗透性，勘察过程中采用单环注水试验、室内渗透试验及钻孔压水试验确定坝基岩体渗透性，各种试验方法技术均成熟可靠，均能判定岩体渗透性，试验过程对岩体透水性数据也可起到相互验证的作用。