興電工程改擴(kuò)建工程地質(zhì)勘察問題研究

余侃柱

(甘肅省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

我國現(xiàn)有設(shè)計(jì)灌溉面積30萬畝及以上灌區(qū)456處，有效灌溉面積2.8億畝，是我國糧食安全的重要保障和農(nóng)業(yè)農(nóng)村農(nóng)民經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要支撐。經(jīng)過多年運(yùn)行，一些灌區(qū)設(shè)施老化，失修嚴(yán)重，且“帶病”運(yùn)行，為遏制灌溉效益衰減趨勢，提高灌溉水利用效率和農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力，國家發(fā)展改革委、水利部安排中央預(yù)算內(nèi)投資于1998年啟動(dòng)開展了大型灌區(qū)續(xù)建配套節(jié)水改造工作[1]。國家發(fā)展改革委、水利部2017年5月10日印發(fā)《全國大中型灌區(qū)續(xù)建配套節(jié)水改造實(shí)施方案(2016—2020年)》[2]。水利部辦公廳關(guān)于印發(fā)《2018年農(nóng)村水利工作要點(diǎn)》的通知[3]，要求確保完成新增2000萬畝高效節(jié)水灌溉面積建設(shè)任務(wù)。

大中型灌區(qū)多始建于二十世紀(jì)七八十年代，三邊工程(邊勘測、邊設(shè)計(jì)、邊施工)為普遍現(xiàn)象，投資以政府撥款為主，自籌資金為輔，以工代賑，以工代勞，群眾參與大會(huì)戰(zhàn)為主，指揮部、革委會(huì)管理模式為主，勘測、設(shè)計(jì)、施工技術(shù)水平和工藝不夠先進(jìn)，工程質(zhì)量與現(xiàn)行規(guī)范相比有較大缺陷和安全隱患，應(yīng)急搶險(xiǎn)、除險(xiǎn)加固僅針對險(xiǎn)情暴發(fā)影響通水局部段進(jìn)行，沒有整體除險(xiǎn)加固或改擴(kuò)建維修。

筆者以興仁堡電力提灌工程(簡稱興電工程)改擴(kuò)建為例，總結(jié)中國北方典型灌區(qū)勘察中采用的方法和手段，查明工程地質(zhì)條件和存在主要工程地質(zhì)問題，提出設(shè)計(jì)和施工中地基處理措施和方法，對類似改擴(kuò)建工程有借鑒和指導(dǎo)意義。

1 工程建設(shè)背景

興電工程位于甘肅省靖遠(yuǎn)縣、平川區(qū)與寧夏中寧縣、沙坡頭區(qū)接壤地帶，是甘肅省中部大型高揚(yáng)程提黃河灌區(qū)之一，1976年開工建設(shè)，1984年10月1日建成通水?？偢汕L29.82km，設(shè)八級泵站提水，總揚(yáng)程439.75m，凈揚(yáng)程407.29m，引水流量9.6m3/s，灌溉面積由最早設(shè)計(jì)15.6萬畝發(fā)展到現(xiàn)狀30.96萬畝，年提水量1.2億m3。建筑物有泵站、分水閘、隧洞、渡槽、座槽、倒虹吸、涵洞、明渠、暗渠，附屬退水閘、節(jié)制閘、退水渠、分水口、排洪渡槽、排洪涵洞、排洪涵管、公路橋等。建成平川區(qū)水泉鎮(zhèn)農(nóng)村飲水安全工程從總干渠下堡支干樁號(hào)6+690處取水，供水規(guī)模1500m3/d，調(diào)蓄池20萬m3，供水人口2.47萬人。靖遠(yuǎn)北部興堡子川農(nóng)村飲水安全工程從東干渠4#隧洞出口取水，供水規(guī)模5400m3/d，調(diào)蓄池54.61萬m3，供水人口10萬人。興電灌區(qū)現(xiàn)狀受益區(qū)包括靖遠(yuǎn)縣北部4個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))及平川區(qū)2個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))，共計(jì)農(nóng)村人口16.65萬人。工程規(guī)模等級為Ⅲ等中型。興電灌區(qū)周邊適宜發(fā)展農(nóng)業(yè)灌溉土地總面積約58萬畝，因水資源及工程設(shè)施有限暫不能開發(fā)利用，仍處于干旱狀態(tài)。通過改擴(kuò)建使興電灌區(qū)內(nèi)農(nóng)村飲水安全工程保證率達(dá)到95%，灌溉保證率達(dá)到75%，新發(fā)展灌溉面積10萬畝，緩解灌區(qū)用水緊張的局面，實(shí)現(xiàn)就地解決貧困人口2萬多人、易地搬遷貧困人口2萬人精準(zhǔn)扶貧任務(wù)，為該區(qū)域脫貧奔小康創(chuàng)造必要條件。

2 工程地質(zhì)概況

總干渠一級泵站從黃河右岸取水，地貌類型有黃河右岸三級階地、山前洪積扇(群)及山前丘陵區(qū)、低中山基巖區(qū)、黃土梁峁，齊家大峴隧洞以后段為黃土梁峁及黃土川臺(tái)地。東干渠及北干渠從齊家大峴隧洞出口總分水閘始，地貌為黃土梁峁及黃土川臺(tái)地、興仁堡坳陷盆地。工程區(qū)出露地層有志留系(S)、二疊系(P)、三疊系(T)、侏羅系(J)、白堊系(K)、新近系(N)，第四系(Q)堆積物，以加里東運(yùn)動(dòng)最為強(qiáng)烈，表現(xiàn)為強(qiáng)烈沉降和局部隆升。北干渠、東干渠及其支渠為大面積第四紀(jì)黃土所覆蓋。據(jù)《甘肅省地震危險(xiǎn)區(qū)劃研究》[4]，工程區(qū)一級構(gòu)造單元為Ⅰ祁連山褶皺系，二級構(gòu)造單元為Ⅰ- 3祁連山中間隆起帶，青藏北部地震區(qū)(Ⅰ1)南北地震帶(Ⅱ3)景泰地震亞帶(Ⅲ4)，強(qiáng)震主要沿景泰及寧夏固原、海源一線分布，綜合預(yù)測結(jié)果，100年內(nèi)將發(fā)生1次6.2級地震，發(fā)震概率為87%?？偢伞|干、北干渠線路近場區(qū)無潛在震源區(qū)，主要受遠(yuǎn)場地震波及影響。據(jù)GB18306-2015《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，總干、東干、北干渠地震動(dòng)峰值加速度值均為0.30g，地震基本烈度為Ⅷ度，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期均為0.45s，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性為穩(wěn)定性較差。抗震設(shè)防烈度為8度。工程區(qū)主要不良物理地質(zhì)現(xiàn)象為山洪。

3 勘察依據(jù)規(guī)范及采用方法

改擴(kuò)建工程的勘察設(shè)計(jì)和施工，首先要保證灌區(qū)灌溉、社會(huì)經(jīng)濟(jì)各行業(yè)及農(nóng)村人飲生活供水，興電工程施工只能安排在非灌溉期當(dāng)年冬灌結(jié)束后，即12月至翌年春灌前的4月，其它時(shí)段必須保障正常通水。

勘察中主要執(zhí)行GB 50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[5]、SL 55—2005《中小型水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[6]、SL 629—2014《引調(diào)水線路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[7]、SL 251—2015《水利水電天然建筑材料勘察規(guī)程》[8]、SL 299—2004《水利水電工程地質(zhì)測繪規(guī)程》[9]、GB 50025—2004《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》[10]、SL 326—2005《水利水電工程物探規(guī)程》[11]。針對改擴(kuò)建工程的特點(diǎn)，依勘察經(jīng)驗(yàn)和既有手段方法來達(dá)到勘察委托要求。

興電工程勘察盡量利用灌溉停水期間進(jìn)行，勘探點(diǎn)盡量布置在渠線周邊，少量勘探點(diǎn)布置在建筑物軸線，及時(shí)恢復(fù)到通水狀態(tài)。布置機(jī)械洛陽鏟、探坑、鉆孔、檢測點(diǎn)，無損傷檢測主要采用地質(zhì)雷達(dá)、高密度電法、混凝土回彈儀、超聲波檢測儀，通過勘探取芯、取樣試驗(yàn)、靜荷載試驗(yàn)、檢測，結(jié)合平面、剖面工程地質(zhì)測繪，并充分收集、分析、利用已有前期勘察、竣工資料，運(yùn)行過程中觀測、檢測、除險(xiǎn)加固資料進(jìn)行資料對比分析，建筑物地基30年來與原狀地基參數(shù)變化特征的對比，提出改擴(kuò)建過程中應(yīng)采取預(yù)防和防范措施。

4 興電工程主要工程地質(zhì)問題及對策

4.1 邊坡穩(wěn)定性

巖質(zhì)邊坡：總干傍山明渠、暗渠、渡槽進(jìn)出口、14座隧洞進(jìn)出口，邊坡組成均為巖石，邊坡穩(wěn)定，削坡比1∶0.3～1∶0.5，洞臉設(shè)置排水溝，裂隙發(fā)育帶，防止坍塌、墜石，采用錨噴或防護(hù)網(wǎng)。

土質(zhì)邊坡：總干、東干、北干、分干渠、支渠，傍山明渠、暗渠、渡槽進(jìn)出口，東干、北干渠隧洞進(jìn)出口，邊坡組成為黃土類土，邊坡自上而下為馬蘭黃土、黃土狀土、老黃土，開挖削坡2～6級馬道，在洞口處設(shè)置混凝土預(yù)制塊或漿砌石防護(hù)，邊坡整體無防護(hù)，經(jīng)30多年雨水沖刷，風(fēng)化剝蝕，局部形成小沖溝和落水洞，邊坡穩(wěn)定存在安全隱患。開挖削坡比1∶0.5～1∶0.75，坡高每8m設(shè)置1.5～2.5m寬馬道，在坡頂及坡面設(shè)置縱橫向排水溝渠，對洞簾邊坡采用錨噴或漿砌石防護(hù)。

4.2 隧洞圍巖穩(wěn)定性

總干1#～3#隧洞圍巖為白堊系下統(tǒng)河口群(K1hk)砂巖、砂質(zhì)泥巖，5#～9#隧洞圍巖為新近系中統(tǒng)咸水河組(N1x)、上新統(tǒng)臨夏組(N2l)砂巖、含礫砂巖、礫巖、黏土巖，10#～13#隧洞圍巖為志留系馬營溝組(S1m)千枚巖、板巖夾變質(zhì)砂巖，14#隧洞(即齊家大峴隧洞)圍巖為三疊系上統(tǒng)延長群(T3yn)砂巖、黏土巖、礫巖，侏羅系中統(tǒng)紅溝組(J2h)礫巖、砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、煤層。圍巖全部屬軟質(zhì)巖，依據(jù)SL 55—2005劃分圍巖類別，洞身以不穩(wěn)定Ⅳ類圍巖為主，進(jìn)出口、斷層帶、裂隙密集帶、古河道為極不穩(wěn)定Ⅴ類。

東干及北干渠隧洞進(jìn)出口均為第四系上更新統(tǒng)(Q3)黃土狀土，洞身圍巖為第四系中更新統(tǒng)(Q2)老黃土、粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)砂壤土夾粉細(xì)砂薄層、透鏡體，依據(jù)SL 629—2014劃分圍巖類別，東干渠15座隧洞洞身圍巖類別為黃土隧洞Ⅳ2類，進(jìn)出口為黃土隧洞V1類，北干渠9座隧洞圍巖類別全為黃土隧洞Ⅳ2類。

通過鉆探巖芯探測隧洞圍巖的滲漏、坍塌、變形、地下水情況，地質(zhì)雷達(dá)沿隧洞拱頂縱軸線、起拱線與側(cè)墻交匯處縱向掃描探測，選取典型橫剖面橫向沿隧洞周邊掃描探測，分析解譯隧洞現(xiàn)狀襯砌體周邊空腔、不密實(shí)層、松動(dòng)圈、破碎帶、不密實(shí)段分布范圍及預(yù)測擴(kuò)洞開挖過程中可能出現(xiàn)坍塌、超欠挖段，更好為設(shè)計(jì)施工提供充分依據(jù)。

4.3 黃土濕陷性

明渠基經(jīng)過30多年通水運(yùn)行，現(xiàn)狀襯砌凍脹破損嚴(yán)重，施工縫變形及止水帶破損段，渠水滲漏浸泡已基本消除表層自重濕陷量。改擴(kuò)建時(shí)(Q2)老黃土、粉質(zhì)黏土，砂礫石、砂碎石類渠基，平夯處理。(Q3)黃土狀土、(Q4)黃土狀土渠基原土翻夯1.0～1.5m或夯實(shí)處理。黃土類土渠基含水量大于25%時(shí)呈橡皮土，翻夯或夯實(shí)較困難，采用拋礫卵石擠淤加水泥土墊層，翻夯或夯實(shí)后壓實(shí)系數(shù)要求大于0.94。

4.4 渡槽、倒虹吸地基處理

總干渠渡槽進(jìn)出口墩基嵌入砂質(zhì)泥巖內(nèi)3.0m，溝谷下部嵌入千枚巖、粉砂質(zhì)泥巖內(nèi)2.5m。

東干及北干渠渡槽、倒虹吸地基為(Q4)黃土狀土、(Q3)黃土狀土、(Q2)老黃土、粉質(zhì)黏土，對黃土地基采用樁基，一般穿透自重濕陷性下限，或進(jìn)入老黃土內(nèi)3～5m，采用摩擦灌注樁，樁深度一般15～25m，樁徑0.5～0.8m。

4.5 渠道滲漏問題

基巖渠基斷面采用矩形，黃土類采用弧底梯型渠、平底梯型渠、矩型渠，以弧底梯型渠斷面為主?？偢?、東干、北干渠采用現(xiàn)澆c20～c25混凝土或厚度8～12cm六邊形c20混凝土預(yù)制塊襯砌邊坡，渠底為反拱預(yù)制板襯砌，支、斗渠預(yù)制U形槽襯砌，邊坡比1∶1.25～1∶1.5。從多年防滲和防凍脹的經(jīng)驗(yàn)，混凝土預(yù)制塊六邊形較矩形效果好，渠基防滲鋪設(shè)200g/m2/PE0.3mm/200g/m2，施工縫采用“652”橡膠止水帶，填縫材料背水面采用聚乙烯泡沫板，迎水面采用1∶1.4瀝青水泥砂漿。

4.6 凍脹問題

凍脹破壞屬季節(jié)性，凍結(jié)時(shí)間從冬灌結(jié)束后每年11月初—翌年3月底，最大凍土發(fā)生在12月—翌年1月，渠道陰坡較陽坡凍脹破壞嚴(yán)重，表現(xiàn)為襯砌預(yù)制板產(chǎn)生鼓脹、隆起、裂縫、變形移位、接縫錯(cuò)臺(tái)、脫落、坍塌，凍脹主要發(fā)生在明渠渠基為(Q4、Q3)黃土狀土渠基?；鶐r及(Q2)老黃土、粉質(zhì)黏土渠基一般不會(huì)發(fā)生凍脹破壞。

防凍脹采用渠道斷面結(jié)構(gòu)調(diào)整、換基、保溫措施。采取弧底梯型渠斷面，當(dāng)?shù)厣暗[石料源豐富，渠基為黃土狀土除采用消除濕陷性原土翻夯外，換填經(jīng)水沖洗后顆粒粒徑5～40mm級配，厚30～50cm砂礫石墊層，消除凍脹。渠基為砂礫石、砂碎石，采用原基平面夯實(shí)。缺乏砂礫石料源時(shí)采用6～10cm厚的聚苯乙烯保溫板防凍脹，不對渠基土進(jìn)行攏動(dòng)和換填。工程管理上采取冬灌結(jié)束后，立即排空渠道內(nèi)的積水，避免凍脹發(fā)生。

4.7 地震液化問題

工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度值為0.3g，地下水埋深處于基礎(chǔ)以下40～60m，對建筑物地基沒有影響，通過標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、相對密度等判定無地震液化問題。

4.8 填方渠基處理

施工時(shí)為人工夯填為主，經(jīng)檢測壓實(shí)系數(shù)沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求(λ≥0.94)，運(yùn)行過程中滲漏、沉降、裂縫、潰渠、決口和坍塌時(shí)有發(fā)生，搶險(xiǎn)加固采取培厚、堵滲，改造時(shí)分段檢測填筑土體含水率、密度，換算為壓實(shí)系數(shù)，不滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)按最優(yōu)含水率、最大干密度重新夯填，要求達(dá)到設(shè)計(jì)要求壓實(shí)系數(shù)或密實(shí)度。

4.9 改建中軟基處理

改建中若渠基及隧洞底地基被浸泡含水量達(dá)到25%以上，呈軟塑、流塑狀態(tài)，即橡皮土，清基較困難采取拋卵礫石擠淤夯實(shí)，回填墊層處理。

4.10 淤積問題

渠底淤積的淤泥質(zhì)土、泥沙，每年需進(jìn)行清理。改造時(shí)調(diào)整縱坡和流速，襯砌渠道，降低糙率，泵站前池沉淀減少水源泥沙含量，沿線設(shè)置排洪渡槽、排洪渠禁止山洪攜帶泥沙進(jìn)入渠內(nèi)。

4.11 地下水動(dòng)態(tài)預(yù)防

灌區(qū)已逐漸關(guān)閉開采地下水部分機(jī)井，設(shè)立監(jiān)測長觀井，定期觀測水位、水量、水質(zhì)、水溫的變化趨勢，通過科學(xué)合理灌溉制度保障灌區(qū)地下水動(dòng)態(tài)趨于平衡狀態(tài)，灌溉回歸水補(bǔ)充地下水，地下水位逐漸恢復(fù)抬升，灌區(qū)不會(huì)引起次生環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害。

4.12 次生鹽漬化預(yù)防

實(shí)施高效節(jié)水灌溉，改變粗放型大水漫灌，實(shí)施噴灌、微灌和管灌，“需水灌溉”“精準(zhǔn)用水”技術(shù)快速發(fā)展，壓縮高耗水作物比例，灌區(qū)糧、經(jīng)、林草種植結(jié)構(gòu)由現(xiàn)狀47∶34∶19調(diào)整為規(guī)劃水平年2020年的36∶24∶40，優(yōu)化綜合灌溉定額，控制地下水位的快速抬升，監(jiān)測灌區(qū)地下水動(dòng)態(tài)，抑制鹽漬化和浸沒的發(fā)生。

4.13 生態(tài)環(huán)境問題

灌區(qū)實(shí)施高效節(jié)水，糧、經(jīng)、林草種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整，阻止風(fēng)沙的侵蝕，合理開發(fā)利用未開墾土地，移民的遷入，精準(zhǔn)脫貧、鄉(xiāng)村振興、農(nóng)村農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的實(shí)施，鄉(xiāng)村山水林田路居住環(huán)境整體改善提升，灌區(qū)生態(tài)環(huán)境將發(fā)生較大的改變，實(shí)現(xiàn)青山綠水，秀美山川。

5 結(jié)語

通過對興電工程地質(zhì)勘察的總結(jié)，為類似工程改擴(kuò)建勘察及工程地質(zhì)問題處理提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)和方法。我國北方干旱氣候與南方濕潤氣候環(huán)境，地基特征差異大，需要改擴(kuò)建、除險(xiǎn)加固、原有建筑物的利用與新改造相結(jié)合，在勘察規(guī)范中沒有相應(yīng)技術(shù)要求，建議在修訂時(shí)增加灌區(qū)既有建筑物改擴(kuò)建、利用與改造相結(jié)合勘察規(guī)范技術(shù)要求，為業(yè)主提供勘察合同管理與投資控制依據(jù)及法規(guī)依據(jù)，為主管和審批機(jī)構(gòu)提供決策支撐依據(jù)，為灌區(qū)改擴(kuò)建實(shí)施提供技術(shù)保障。