阿克肖水庫(kù)工程地質(zhì)勘察及處理

袁道隴

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

國(guó)內(nèi)外許多樞紐工程的河床分布有古河槽，比如烏魯瓦提水庫(kù)、斯木塔斯水電站、大石峽水利樞紐、吉林臺(tái)二級(jí)水電站、五一水庫(kù)、大石門水庫(kù)等工程均分布有古河槽，其中有些樞紐工程在勘察時(shí)未查明古河槽的分布及槽內(nèi)堆積物的物理力學(xué)性質(zhì)，未對(duì)古河槽進(jìn)行處理或處理不徹底，水庫(kù)蓄水后庫(kù)水沿古河槽滲漏，水庫(kù)不能蓄水，工程不能正常運(yùn)行。

本工程經(jīng)過精心設(shè)計(jì)勘察，使施工順利進(jìn)行，未進(jìn)行過補(bǔ)勘，施工時(shí)無重大設(shè)計(jì)變更，工程在經(jīng)過2年多點(diǎn)時(shí)間就基本建成。水庫(kù)蓄水后至今約3年，大壩和泄水洞等建筑物穩(wěn)定，壩后無滲漏現(xiàn)象。

1 概況

阿克肖水庫(kù)工程位于巍昆侖山南麓，新疆和田地區(qū)皮山縣阿克肖河下游山區(qū)河段上，是阿克肖河上唯一的控制性水庫(kù)，主要任務(wù)是承擔(dān)下游皮山縣的灌溉和防洪任務(wù)。阿克肖水庫(kù)總投資約7.2億元，水庫(kù)正常蓄水位2452.0m，相應(yīng)庫(kù)容3993.1萬m3，為Ⅲ等中型工程，由大壩、導(dǎo)流兼沖沙泄洪洞、溢洪道等建筑物組成，壩型為瀝青混凝土心墻壩，心墻最大壩高近60m，心墻底部采用放大基礎(chǔ)與混凝土基座相連，其中古河槽段為深87m的混凝土防滲墻。

該工程于2016年7月7日開工建設(shè)開始，2018年10月基本完成，施工時(shí)無重大設(shè)計(jì)變更，于2018年11月通過由新疆維吾爾自治區(qū)水利廳組織的下閘蓄水驗(yàn)收，2019年4月進(jìn)行下閘蓄水，阿克肖水庫(kù)經(jīng)過兩年多的蓄水，壩體無明顯沉降，壩后無明顯滲漏現(xiàn)象，工程運(yùn)行狀態(tài)良好。

本工程屬水利工程中典型的“三高一深”工程，烈度高、海拔高、邊坡高、覆蓋層深厚。壩址區(qū)50年超越概率10%地震動(dòng)峰值加速度為0.2g，基本烈度為Ⅷ度，壩線下游1.2km的河床上分布有早中更新世斷層，壩址區(qū)的區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較差，大壩處于高烈度區(qū)。大壩左右壩肩山頂海拔高程2660～3000m，大壩處于高海拔區(qū)。導(dǎo)流兼泄洪沖沙洞閘井永久邊坡高150m，存在超高邊坡。左岸古河槽覆蓋層最大厚度達(dá)105m，壩基下有深厚覆蓋層。

阿克肖水庫(kù)工程區(qū)地處高山區(qū)，多年平均氣溫在6.9℃，全年霜凍日期最長(zhǎng)204d，霜凍期長(zhǎng)，勘察及施工的氣候條件差。壩址區(qū)基巖為元古界綠泥石石英片巖，河谷各級(jí)階地面廣泛分布厚層風(fēng)積低液限粉土層，并分布寬深的大型古河槽，勘察難度大。但經(jīng)過精心研究和勘探，針對(duì)不同的勘探難點(diǎn)采用相應(yīng)不同的勘探方法，或幾種勘探方法進(jìn)行相互驗(yàn)證，查明了工程區(qū)的工程地質(zhì)條件。據(jù)施工揭露表明，工程地質(zhì)條件與勘察成果基本一致，使施工順利進(jìn)行。

2 工程勘測(cè)的主要難點(diǎn)

本工程的主要難點(diǎn)有壩址區(qū)分布大型的寬深古河槽、筑壩材料料場(chǎng)內(nèi)含有鈣質(zhì)弱膠結(jié)體、壩址區(qū)(特別是導(dǎo)流洞進(jìn)口)分布厚層風(fēng)積低液限粉土層、壩址現(xiàn)代河床狹窄且水流湍急等問題。

2.1 壩址區(qū)分布大型寬深古河槽

壩址區(qū)河谷寬630～770m，主要分布Ⅲ、Ⅳ級(jí)階地，階地面地形較平坦開闊，均覆蓋第四系風(fēng)積低液限粉土，沿河坎邊斷續(xù)出露基巖，基巖呈順河向的山梁狀，山梁順河長(zhǎng)150～400m不等，垂直河寬5～30m，山梁頂部高出河床15～20m，山梁順河間距50～180m，山梁之間為第四系砂卵礫石，初步判斷壩址兩岸分布有古河槽，可能有多條古河槽，也可能是一條大型的古河槽，其進(jìn)出口呈樹杈狀，并且可能在兩岸穿插。壩址發(fā)育有大型古河槽，查明古河槽條數(shù)、寬度、走向及斷面形狀等分布形態(tài)的難度大。

故須完全查明古河槽條數(shù)及其邊界條件等分布形態(tài)，查明古河槽內(nèi)堆積物的組成[1]，特別是有無軟弱夾層、有無架空層、砂層等不良地層，其堆積物能否作為壩基。查明壩基古河槽內(nèi)深厚堆積物的不均勻沉降變形、地震液化判定、滲透及滲透變形等問題的難度大。

2.2 筑壩材料料場(chǎng)內(nèi)分布有鈣質(zhì)弱膠結(jié)體

原筑壩材料的運(yùn)距較遠(yuǎn)，故考慮用壩后古河槽內(nèi)砂卵礫石作為筑壩料。但該地層主要為中更世地層，局部含鈣質(zhì)弱膠結(jié)層，可能會(huì)形成架空現(xiàn)象，其相對(duì)密度不滿足要求，會(huì)影響填筑質(zhì)量[2]。故須查明鈣質(zhì)弱膠結(jié)層透鏡體分布位置、形態(tài)、膠結(jié)程度、膠結(jié)層的含量比等，但查明的難度大。

2.3 壩址分布厚層風(fēng)積低液限粉土層

壩址區(qū)分布厚7～33m的風(fēng)積低液限粉土層，可能存在地震液化、濕陷、滲透變形、腐蝕性等問題。須查明厚層風(fēng)積低液限粉土層，能否作為壩基或作為筑壩材料；查明導(dǎo)流兼泄洪沖沙洞進(jìn)口的厚層風(fēng)積低液限粉土是否威脅放水及其處理意見。查明厚層低液限粉土的物理力學(xué)性質(zhì)難度較大。

2.4 壩址現(xiàn)代河床狹窄且河水湍急

壩址現(xiàn)代河床兩岸邊坡近直立，河床底寬約10m，并且常年流水，水深3～6m，河水湍急，水上鉆探困難；河床下切深25～30m，架吊橋鉆探也困難。查明現(xiàn)代河床覆蓋層厚度、基巖埋深及其透水性的難度大。

2.5 庫(kù)區(qū)及右壩肩分布傾倒體

庫(kù)區(qū)和右壩肩各分布1個(gè)傾倒體，估算方量分別約15萬、10萬m3，蓄水后傾倒體可能產(chǎn)生塌滑或蠕動(dòng)變形，產(chǎn)生涌浪，危脅大壩安全。須查明傾倒體的穩(wěn)定性，其對(duì)水庫(kù)和大壩的安全性影響。

2.6 庫(kù)岸分布大厚度低液限粉土

庫(kù)岸分布厚度5～35m的低液限粉土，存在庫(kù)岸滑坡及再造現(xiàn)象，威脅大壩安全。須查明庫(kù)岸低液限粉土的厚度及其對(duì)水庫(kù)的影響。

3 工程勘測(cè)的先進(jìn)性

3.1 查明大型寬深古河槽分布及其作為壩基的分析與評(píng)價(jià)的方法

新疆的許多水利樞紐工程中均分布有古河槽，古河槽的處理是新疆壩工建設(shè)近年來遇到的突出問題，也是壩基處理的關(guān)鍵部位[3]。筆者長(zhǎng)期從事新疆大型水利工程地質(zhì)勘察，通過查看多個(gè)工程中古河槽的分布情況及特征，分析整理出古河槽勘察的思路及方法。

古河槽勘察思路：在古河槽勘察時(shí)采用地質(zhì)測(cè)繪，初判古河槽進(jìn)出口；再采用不同電法、地震等多種物探方法初步查明古河槽分布形態(tài)；然后利用鉆探進(jìn)一步查明了壩址區(qū)古河槽的走向、縱橫斷面分布形態(tài)；部分鉆孔覆蓋層采用植物膠連續(xù)取芯，查明了古河槽內(nèi)堆積物巖性；部分鉆孔內(nèi)配合動(dòng)力觸探，結(jié)合物探鉆孔綜合測(cè)井，查明了古河槽內(nèi)大厚度砂卵礫石結(jié)構(gòu)密實(shí)程度，液化性，判斷能否作為壩基；在鉆孔不同深度和平硐內(nèi)進(jìn)行注水試驗(yàn)等方法，查明了古河槽內(nèi)滲透性，為選定科學(xué)合理防滲線提供有力的依據(jù)；防滲墻施工前采用打先導(dǎo)孔進(jìn)一步驗(yàn)證古河槽基巖面，采用準(zhǔn)確、快速、省錢的鉆進(jìn)工藝，判斷基巖面。

古河槽勘察方法：采用洞探、探坑、豎井、大口徑鉆孔，以及植物膠鉆進(jìn)連續(xù)取芯和物探綜合測(cè)井等手段查明砂卵礫石中的鈣質(zhì)膠結(jié)層透鏡體分布情況。

阿克肖水庫(kù)工程古河槽勘察過程：

(1)勘察時(shí)先進(jìn)行地質(zhì)測(cè)繪，根據(jù)巖采用不同電法、地震等多種物探方法初步查明古河槽分布形態(tài)，再利用鉆探進(jìn)一步查明了壩址區(qū)古河槽的走向、縱橫斷面分布形態(tài)。查明了左岸古河槽斷面呈寬“U”型，底寬120～150m，頂寬350～380m，最大深度105m，其槽底比現(xiàn)代河床基巖面還低45m。

(2)部分鉆孔覆蓋層采用植物膠連續(xù)取芯，查明了古河槽內(nèi)堆積物均為砂卵礫石。

部分鉆孔內(nèi)配合動(dòng)力觸探，結(jié)合物探鉆孔綜合測(cè)井，查明了古河槽內(nèi)大厚度砂卵礫石結(jié)構(gòu)密實(shí)，為不液化地層，可作為土石壩壩基。

(3)在鉆孔不同深度和平硐內(nèi)進(jìn)行注水試驗(yàn)等方法，查明了古河槽內(nèi)砂卵礫石屬中等-強(qiáng)透水層，局部屬極強(qiáng)透水層，滲透變形形式為管涌型。如不采取防滲處理，易發(fā)生滲透變形，須進(jìn)行全斷面防滲處理，為選定科學(xué)合理防滲線提供有力的依據(jù)。

(4)防滲墻施工前采用打先導(dǎo)孔進(jìn)一步驗(yàn)證古河槽基巖面，采用準(zhǔn)確、快速、省錢的鉆進(jìn)工藝。打先導(dǎo)孔時(shí)先采用潛孔鉆快速鉆進(jìn)，通過巖粉初判是否為基巖，再用回轉(zhuǎn)連續(xù)取芯，準(zhǔn)確判斷。為避免別的工程中將古河槽內(nèi)大漂石誤作為基巖的誤判，形成壩下滲漏通道，先導(dǎo)孔須進(jìn)入基巖10m，結(jié)合勘察時(shí)的經(jīng)驗(yàn)，查看這10m基巖的風(fēng)化情況，進(jìn)一步判斷是否進(jìn)入基巖。

3.2 查明厚層砂卵礫石中鈣質(zhì)膠結(jié)層分布的方法

壩后古河槽內(nèi)砂卵礫石儲(chǔ)量豐富，但含有鈣質(zhì)膠結(jié)層透鏡體，會(huì)影響壩體填筑質(zhì)量。勘察時(shí)采用洞探、探坑、豎井、大口徑鉆孔，以及植物膠鉆進(jìn)連續(xù)取芯和物探綜合測(cè)井等手段，查明了壩后古河槽砂卵礫石中鈣質(zhì)膠結(jié)層透鏡體分布情況，使開采時(shí)避開大面積的鈣質(zhì)膠結(jié)層，從而保證施工時(shí)的開挖料均滿足規(guī)范規(guī)程要求。

開挖后形成的大坑又采用壩基清廢的低液限粉土等棄渣料回填。工程建設(shè)后無大坑，減少了水土流失，增大了綠化面積，使生態(tài)環(huán)境質(zhì)量趨好，實(shí)現(xiàn)了很好的社會(huì)效益。

3.3 查明厚層低液限粉土物理力學(xué)特性的方法

采用物探、鉆探、不同高程布置堅(jiān)井，查明了壩址區(qū)低液限粉土厚度為7～33m。據(jù)分層取樣的試驗(yàn)資料表明，該大厚度的低液限粉土具有密度低、中壓縮性、輕微或中等濕陷性、地震液化等不良工程特性。根據(jù)濕陷性黃土的增濕變形的基本特征[4]，將該粉土作為壩基時(shí)采用強(qiáng)力夯實(shí)、預(yù)先浸水、表層換填+強(qiáng)力夯實(shí)等方法[5]，用7000kN·m能消除表層6m以內(nèi)干燥粉土的濕陷性[6]，表時(shí)強(qiáng)夯的深度有限，其下部還有厚層的低液限粉土仍不能滿足大壩基礎(chǔ)要求，故該低液限粉土不能作為壩基，須進(jìn)行清除處理。

低液限粉土作為壩體防滲土料，黏粒含量低，塑性指數(shù)偏低，擊實(shí)(包括重型擊實(shí))后滲透系數(shù)偏大，天然含水率偏低；作為均質(zhì)壩土料，黏粒含量低，擊實(shí)后滲透系數(shù)偏大；均不能滿足規(guī)程技術(shù)質(zhì)量要求。故壩址區(qū)的低液限粉土不能作為壩體防滲土料及均質(zhì)壩土料，應(yīng)清除。

3.4 黏粒含量少的低液限粉土在動(dòng)水下的邊坡穩(wěn)定分析與利用

導(dǎo)流兼泄洪沖沙洞進(jìn)口引渠段長(zhǎng)330m，兩岸分布風(fēng)積低液限粉土，厚度5～33m，沖沙洞泄水后可能會(huì)淤積堵塞閘井。由于兩岸粉土延伸較遠(yuǎn)，全部清除粉土的困難大。并且臨近閘井的渠道右側(cè)發(fā)育有寬約200m沖溝，表層粉土厚度20～33m，垂直渠道方向的地面坡度越來越高，緩傾角削坡的難度也大。

在查明工程區(qū)低液限粉土的物理力學(xué)性質(zhì)后，表明粉土中黏粒含量極少，3%～9%，為黏粒含量低的低液限粉土。分析認(rèn)為該黏粒含量低的低液限粉土在動(dòng)水壓力[7](流動(dòng)水)作用下，會(huì)受到動(dòng)水壓力，沒有穩(wěn)定的邊坡，基本均會(huì)被水流帶走。統(tǒng)計(jì)庫(kù)區(qū)不同高程處岸坡坡度，結(jié)合試驗(yàn)資料以及經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為低液限粉土邊坡20°左右時(shí)，在動(dòng)水作用下基本不會(huì)有塌方。

為節(jié)省投資，未對(duì)導(dǎo)流兼泄洪沖沙洞進(jìn)口厚層的低液限粉土全部清除，施工時(shí)引水渠的低液限粉土開挖邊坡為1∶3，每10m一級(jí)馬道，從渠道起點(diǎn)至閘井處低液限粉土為1～3級(jí)馬道，其中臨近閘井段為5級(jí)馬道。通過水庫(kù)科學(xué)合理的蓄放水后，表明低液限粉土均是由下而上逐漸隨水流走，沒有發(fā)生過塌方現(xiàn)象，最終引水渠邊坡上的低液限粉土基本均被水流帶走了，保證了閘井前引水渠的低液限粉土不會(huì)產(chǎn)生淤積堵塞閘井。

3.5 查明窄深且河水湍急河床覆蓋層厚度的方法

采用水上物探及水上架木籠鉆探，查明了壩址現(xiàn)代河床覆蓋層的厚度、基巖物理力學(xué)性質(zhì)。

壩址現(xiàn)代河床狹窄并且河水湍急，水流速度大于4m/s，水上鉆探困難[8]?？碧綍r(shí)利用冬季河水較淺，水流相對(duì)較慢，在河床邊架木籠打孔，查明該孔位覆蓋層的厚度。再采用水上懸吊物探探頭法進(jìn)行水上縱橫物探剖面，再結(jié)合鉆孔資料，查明整個(gè)河床覆蓋層的厚度。

3.6 傾倒體不同工況下穩(wěn)定分析的方法

根據(jù)邊坡具體工程地質(zhì)條件，計(jì)算在自重、地震、庫(kù)水的不同荷載組合，及持久和偶然不同狀況下，現(xiàn)狀(施工前)及運(yùn)行期的穩(wěn)定系數(shù)，進(jìn)行了剖析[9]。比較傾倒體在水庫(kù)蓄水前后的力學(xué)狀態(tài)[10]，查明了庫(kù)區(qū)傾倒體在蓄水后基本穩(wěn)定，對(duì)工程沒有影響，無需處理。但右壩肩的傾倒體卸荷裂隙發(fā)育，裂隙表部大部分已張開，巖體表層基本為塊碎狀，結(jié)構(gòu)較松弛，工程性狀較差，巖體穩(wěn)定性較差，不宜作為大壩、閘基等建筑物基礎(chǔ)，并且導(dǎo)流洞閘井開挖會(huì)斜切傾倒體下游坡腳，將使傾倒體失穩(wěn)產(chǎn)生塌滑，從而威脅施工人員、機(jī)械設(shè)備、大壩、導(dǎo)流兼沖沙泄洪洞閘井等安全，施工時(shí)采取了清除處理。

3.7 厚層低液限粉土的庫(kù)岸穩(wěn)定分析方法

采用物探及鉆探，查明了庫(kù)區(qū)低液限粉土厚度5～35m，預(yù)測(cè)受庫(kù)水浸濕而處于飽和狀態(tài)，其土層抗剪強(qiáng)度值降低很多，水庫(kù)庫(kù)水位周期性的抬升、下降和波浪掏蝕，岸坡被掏刷、磨蝕、搬運(yùn)而產(chǎn)生垮塌，產(chǎn)生坍岸。低液限粉土滑動(dòng)面為平面[11]，通過本工程區(qū)的庫(kù)岸測(cè)繪及相鄰工程的成果，確定低液限粉土的水下、水上穩(wěn)定坡角，預(yù)測(cè)庫(kù)岸再造主要有5段，坍岸寬度30～120m，坍岸總方量138萬m3。并運(yùn)用水科院經(jīng)驗(yàn)公式法、潘家錚編著的《建筑物的抗滑穩(wěn)定和滑坡分析》中的滑坡涌浪估算方法，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了坍岸在壩前產(chǎn)生最大涌浪高度均未超過大壩防浪墻頂高程。綜合分析坍岸對(duì)水庫(kù)影響較小，無需進(jìn)行特別處理，其中左壩肩坍岸緊臨大壩，查明了壩肩清廢會(huì)切腳開挖，影響其穩(wěn)定，施工時(shí)對(duì)該坍岸段采用棄渣壓腳等工程處理。

4 結(jié)語(yǔ)

水利工程的難點(diǎn)較多，勘探難度相對(duì)很大，勘探時(shí)要精心研究勘察方法，要組合利用地質(zhì)測(cè)繪、坑探、豎井、鉆探、洞探、物探、試驗(yàn)等勘探方法。本文中的查明大型寬深古河槽分布及其作為壩基的分析與評(píng)價(jià)、查明厚層砂卵礫石中鈣質(zhì)膠結(jié)層分布、查明厚層低液限粉土物理力學(xué)特性、查明窄深且河水湍急河床覆蓋層厚度、厚層低液限粉土的庫(kù)岸穩(wěn)定分析及在動(dòng)水下的邊坡穩(wěn)定分析與利用等方法，可為今后類似工程提供勘探經(jīng)驗(yàn)和借鑒作用。通過3年運(yùn)行來看，文中所提厚層低液限粉土的庫(kù)岸穩(wěn)定坡角，及在動(dòng)水下的邊坡穩(wěn)定坡角可以更陡一點(diǎn)，但需要進(jìn)一步試驗(yàn)，使工程處理措施更加經(jīng)濟(jì)合理。