寶浪蘇木分水樞紐閘門建設(shè)地質(zhì)分析

張曉龍

（頭屯河樓莊子水庫工程建設(shè)管理局，新疆 昌吉 831100）

1 概況

寶浪蘇木分水樞紐于1988年12月建成，屬Ⅱ等大（2）型工程，主要由東支閘、西支閘、翻身渠閘和東、西支交通橋組成。東、西支閘呈一字形布置，交角約為136.47°，攔河總寬度116.5 m。翻身閘閘口位于東、西支閘連接圓弧形岸墻正中。東支閘共7孔，西支閘共2孔，翻身渠閘共1孔，控制灌溉面積4473.36 hm2。受歷史條件和資金限制，寶浪蘇木分水樞紐設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，經(jīng)過30多年的運(yùn)行，閘門銹蝕老化嚴(yán)重，混凝土扶臂式擋土墻、閘室岸墻和左右兩岸護(hù)坡大面積塌落、凍脹、裂縫，急需進(jìn)行除險(xiǎn)加固，這就需對(duì)工程地質(zhì)情況進(jìn)行分析。

2 地形地貌

工程區(qū)位于開都河下游的沖積平原區(qū)與湖濱沼澤濕地區(qū)的過渡帶上，地勢(shì)總趨勢(shì)是北高南低，地形起伏不大，縱坡較小，海拔高程一般為1045～1060 m[1]。工程區(qū)主要地貌單元有沖積平原區(qū)和湖濱沼澤濕地區(qū)。沖積平原區(qū)位于開都河的下游，地勢(shì)平緩，土壤鹽漬化相對(duì)較重[2]。湖濱沼澤濕地區(qū)分布于博斯騰湖邊緣地帶，是博斯騰凹陷的低洼區(qū)，也是區(qū)域地表水與地下水的匯集區(qū)，地下水礦化度較高，土壤積鹽重，沼澤分布普遍。

3 閘址區(qū)工程地質(zhì)條件分析

本次勘察的寶浪蘇木分水樞紐由左向右依次為東支閘、翻身渠閘、西支閘。

3.1 地層巖性

通過區(qū)域地質(zhì)調(diào)查和工程地質(zhì)測(cè)繪發(fā)現(xiàn)，距離閘址區(qū)較近的斷層焉耆斷裂和博東斷裂均為隱伏斷裂，埋藏較深，對(duì)工程影響較小。據(jù)鉆孔揭露，在本次最大25 m勘探深度內(nèi)，揭露地層為第四系堆積物，按其成因可分為以下2種。

（1）全新統(tǒng)人工壓實(shí)填土（Q4r）。主要分布于閘址區(qū)兩岸護(hù)堤上，厚度一般為3.2～4.1 m，主要地層巖性為粉質(zhì)黏土與粉土。

（2）全新統(tǒng)沖積物（Q4al）。分布于開都河現(xiàn)代河床及河漫灘上，本次勘探深度未揭穿全新統(tǒng)沖積層。沖積物主要由粉質(zhì)黏土、粉砂及細(xì)砂組成，結(jié)構(gòu)松散～密實(shí)。

3.2 水文地質(zhì)特征

在勘探深度25 m內(nèi)，閘址區(qū)地下水類型主要為第四系孔隙潛水。閘址區(qū)第四系孔隙潛水埋深3.77～4.70 m，對(duì)應(yīng)的潛水水位高程為1052.72～1052.85 m。其含水層巖性多為含淤泥的粉砂層，局部為細(xì)砂層，含水層厚6.50～8.60 m。閘址區(qū)地下水埋深隨季節(jié)變化較大，對(duì)閘址區(qū)進(jìn)行地下水位測(cè)量時(shí)（日期：2021年10月26日），開都河水量較小，導(dǎo)致了地下水位的下降，在洪水期地下水位將抬升，水位變幅為0.5～1.0 m。工程區(qū)內(nèi)開都河河水及地下水特征主要表現(xiàn)，詳見表1。

表1 工程區(qū)內(nèi)環(huán)境水主要特征一覽

3.3 物理地質(zhì)現(xiàn)象

由于工程區(qū)位于開都河下游，該處河道縱坡坡度較小，河水中挾帶的泥沙沉積，造成河床不斷抬高，河道存在淤積問題。

3.4 巖土的地質(zhì)條件及物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

閘址在最大勘探深度25 m內(nèi)，揭露地層巖性為第四系堆積物（Q4），根據(jù)建筑物的位置，從左往右依次為東支閘、翻身渠閘、西支閘。本次勘探深度內(nèi)地基土從上到下分為3層，雖然埋深略有區(qū)別，但地層巖性、分層分布和物理力學(xué)指標(biāo)基本相同。下面分別敘述閘址區(qū)巖土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。

（1）第一層為人工填土，地層巖性以粉質(zhì)黏土為主，局部夾粉土[3]。物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)敘述如下：天然密度ρ=1.75～1.79 g/cm3，建議值ρ=1.78 g/cm3；天然含水量ω=19.5%～21.5%，建議值ω=21.0%；干密度ρd=1.46～1.47 g/cm3，建議值ρd=1.47 g/cm3；比重Gs=2.71～2.72 g/cm3，建 議 值Gs=2.72 g/cm3；孔 隙 比e=0.83～0.857，建 議 值e=0.848；孔 隙 率n=45.6%～46.2%，建議值n=45.9%；液限ωL=29.0%～30.9%，建議值ωL=30.0%；塑限ωP=15.5%～18.8%，建議值ωP=17.0%；塑性指數(shù)Ip=12.1～14.0，建議值Ip=13.1；液性指數(shù)IL=0.21～0.43，建議值IL=0.30，屬可塑～硬塑狀態(tài)。天然狀態(tài)下的壓縮系數(shù)α1-2=0.19～0.40 MPa-1，建議值α1-2=0.30 MPa-1；壓縮模量Es=4.97～8.98 MPa，建議值Es=6.54 MPa，為中等壓縮性土。飽水狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值：內(nèi)摩擦角φ=21°～23°，建議值φ=22.0°；黏聚力C=15～21 kPa，建 議值C=18.3 kPa。野外進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)試驗(yàn)N=6～10擊/30 cm。滲透系數(shù)k=5.12×10-6-2.82×10-5cm/s，屬微～弱透水性。

（2）第二層為砂層，以粉砂為主，局部夾薄層細(xì)砂，夾多層淤泥。物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)敘述如下：天然密度ρ=1.80～1.86 g/cm3，建議值ρ=1.83 g/cm3；天然含水量ω=17.50%～24.2%，建議值ω=19.8%；干密度ρd=1.49～1.57 g/cm3，建議值ρd=1.52 g/cm3；比重Gs=2.67～2.69 g/cm3，建 議 值Gs=2.68 g/cm3；孔 隙 比e=0.702～0.799，建 議 值e=0.755；孔 隙 率n=41.30%～44.4%，建議值n=43.0%，不均勻系數(shù)Cu=5.10～26.9，曲率系數(shù)Cc=0.8～3.2，級(jí)配不良。根據(jù)顆分資料，粒徑小于0.075 mm的黏粉粒含量為26.00%～47.50%。野外進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)試驗(yàn)N=5～10擊/30 cm。灌注樁樁周摩阻力建議值qs=10～25 kPa。滲透系數(shù)k=2.87×10-4-4.52×10-4cm/s，屬中等透水性。

（3）第三層為粉質(zhì)黏土，局部粉砂。物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)敘述如下：天然密度ρ=1.73～1.78 g/cm3，建議值ρ=1.76 g/cm3；天然含水量ω=21.40%～23.50%，建議值ω=22.3%；干密度ρd=1.43～1.45 g/cm3，建議值ρd=1.44 g/cm3；比重Gs=2.71～2.72 g/cm，建議值Gs=2.72 g/cm；孔隙比e=0.878～0.909，建議值e=0.892；孔隙率n=46.8%～47.6%，建議值n=47.2%；液限ωL=29.3%～35.3%，建議值ωL=32.0%；塑限ωP=17.10%～21.30%，建議值ωP=19.1%；塑性指數(shù)Ip=12.2～14.0，建議值Ip=12.9；液性指數(shù)IL=0.21～0.43，建議值IL=0.28，屬可塑～硬塑狀態(tài)。飽水狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值：內(nèi)摩擦角φ=20.1°～25.5°，建議值φ=22.6°；黏聚力C=17.0～20.0 kPa，建議值C=18.8 kPa。野外進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)試驗(yàn)N=14～21擊/30 cm。灌注樁樁周摩阻力建議值qs=30 kPa。滲透系數(shù)k=3.45×10-6-3.98×10-5cm/s，屬微～弱透水性。

4 主要工程地質(zhì)問題分析

閘址區(qū)主要有地基土的滲透變形、震動(dòng)液化、開挖邊坡、承載力、環(huán)境水、土的腐蝕性以及地基土的凍脹性等幾個(gè)主要工程地質(zhì)問題，下面對(duì)這幾個(gè)主要工程地質(zhì)問題分述如下。

4.1 地基土的滲透變形

閘址地基土以砂層為主，其粒徑大小為0.037 mm，土的細(xì)粒含量為25%≤P＜35%，砂層的臨界允許水力為0.19，所以砂層的滲透破壞形式為過渡型。根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487-2008），建議砂層的允許比降取0.25。

4.2 閘址區(qū)地基土的震動(dòng)液化

閘址地基土勘探深度為25.00 m。依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487-2008），對(duì)它們的地震液化判定如下。

4.2.1 地震液化的初判

（1）按地層顆粒組成判別，對(duì)粒徑小于5 mm顆粒含量質(zhì)量百分率大于30%的土，其中粒徑小于0.005 mm的顆粒含量質(zhì)量百分率相應(yīng)于地震動(dòng)峰值加速度0.15 g不小于17%時(shí)，可判為不液化。根據(jù)顆分資料，第一、三層粉質(zhì)黏土，中粒徑小于0.005 mm的顆粒質(zhì)量百分率在17.1%～38.1%，由于該層小于0.005 mm的顆粒含量質(zhì)量百分率大于17%，據(jù)此判定第一、三層粉質(zhì)黏土層不液化。根據(jù)顆分資料得出第二層砂層中粒徑小于0.005 mm的顆粒質(zhì)量百分率在0.6%～9.6%，由于該層小于0.005 mm的顆粒含量質(zhì)量百分率小于17%，據(jù)此判定第二層砂層均存在液化的可能性。

（2）根據(jù)地層年代和土的狀態(tài)判別，第二層砂層為第四系全新統(tǒng)沖積物，工程運(yùn)行時(shí)該層處于設(shè)計(jì)水位以下（飽和土），據(jù)此判斷該層存在液化的可能性。

4.2.2 地震液化的復(fù)判

按標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判別，對(duì)閘址區(qū)0～15 m內(nèi)的土層進(jìn)行地震液化復(fù)判。閘址區(qū)ZK01、ZK02、ZK03、ZK04及ZK05鉆孔的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)試驗(yàn)結(jié)果，詳見表2。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判定的依據(jù)如下：當(dāng)深度ds處的飽和砂土的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N值小于液化臨界錘擊數(shù)Ncr值時(shí)，可判為液化土，否則不液化。其計(jì)算公式如下：

式中：Ncr為液化臨界錘擊數(shù)；N0為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值，地震動(dòng)峰值加速度0.15 g時(shí)取8；dw為工程正常運(yùn)用時(shí)地下水位在當(dāng)時(shí)地面以下的深度（m）；ds為工程正常運(yùn)用時(shí)標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)在當(dāng)時(shí)地面以下的深度（m），當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)在地面以下5 m以內(nèi)的深度時(shí)應(yīng)采用5 m計(jì)算；ρc為土的黏粒含量質(zhì)量百分率，當(dāng)ρc＜3%時(shí)取3%，當(dāng)ρc＞3%時(shí)取實(shí)際值。

根據(jù)式（1）對(duì)閘址區(qū)飽和砂層的液化臨界錘擊數(shù)進(jìn)行計(jì)算，由表2可以看出，閘址區(qū)第二層砂層全部液化。

表2 閘址區(qū)砂層標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)液化判別

4.3 閘址區(qū)地基土的邊坡開挖

（1）第一層分布于河床兩岸表層，均位于地下水位以上，屬可塑～硬塑狀態(tài)。依據(jù)地基土的天然休止角結(jié)合《工程地質(zhì)手冊(cè)第四版》中邊坡的經(jīng)驗(yàn)值，人工填土層臨時(shí)開挖邊坡值建議取1∶1.0，永久開挖邊坡值建議取1∶1.75。

（2）第二層分布于河床兩岸及河床上，基本上位于地下水位以下，結(jié)構(gòu)松散～稍密。依據(jù)地基土的天然休止角結(jié)合《工程地質(zhì)手冊(cè)第四版》中邊坡的經(jīng)驗(yàn)值，粉砂層的臨時(shí)開挖邊坡值建議取1∶2.0，永久開挖邊坡值建議取1∶3.0。閘址區(qū)地基土開挖過程中，第二層砂層可能會(huì)出現(xiàn)流砂現(xiàn)象，為了使基坑開挖工作順利進(jìn)行，建議在施工過程中采取必要的排水和支護(hù)措施。

4.4 閘址區(qū)巖土的地質(zhì)承載力

閘址區(qū)在最大勘探深度25.00 m內(nèi)，揭露地層巖性為第四系堆積物，從上往下分別記述。

（1）第一層屬可塑～硬塑狀態(tài)，為中等壓縮性土。野外進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)試驗(yàn)N＝6～10擊/30 cm（實(shí)測(cè)值），N＝5.5～9.0擊/30 cm（修正后）。建議人工填土層地質(zhì)承載力特征值取fak=100 kPa。

（2）第二層結(jié)構(gòu)松散～稍密。野外進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)試驗(yàn)N＝5～10擊/30 cm（實(shí)測(cè)值），N＝4.1～8.1擊/30 cm（修正后）。建議砂層地質(zhì)承載力特征值取fak=80～100 kPa；淤泥層地質(zhì)承載力特征值取fak=40～50 kPa。建議第二層灌注樁樁周摩阻力取qs=10～25 kPa。

（3）第三層成層穩(wěn)定，分布均勻，未揭穿，屬可塑～硬塑狀態(tài)。野外進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)試驗(yàn)N＝14～21擊/30 cm（實(shí)測(cè)值），N＝10.8～16.2擊/30cm（修正后）。建議第三層地質(zhì)承載力標(biāo)準(zhǔn)值取fak=150～180 kPa。建議第三層灌注樁樁周摩阻力取qs=30 kPa。

5 閘址區(qū)環(huán)境水、土的腐蝕性問題

閘址區(qū)地下水埋藏淺，工程地質(zhì)特性主要有：①地表局部存在白色鹽堿殼，土壤有鹽堿化現(xiàn)象；②該地區(qū)冬季寒冷，地下水埋深淺，部分地層屬于凍脹性土，存在凍脹問題。

5.1 環(huán)境水的腐蝕性問題

對(duì)閘址區(qū)的地下水和附近的河水取樣進(jìn)行水質(zhì)簡(jiǎn)分析，河水中Mg2+含量為11～20 mg/L，對(duì)混凝土無鎂化性腐蝕；HCO3-含量為2.51～2.69 mmol/L，對(duì)混凝土無溶出性腐蝕；pH值為7.4～7.6，對(duì)混凝土無一般酸性腐蝕；SO42-含量為26.0～40.3 mg/L，對(duì)混凝土無腐蝕性；Cl-含量（硫酸鹽折算后）為15.5～21.5 mg/L，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋無腐蝕性。

工程區(qū)地下水中Mg2+含量為41～49 mg/L，對(duì)混凝土無鎂化性腐蝕；HCO3-含量為7.56～8.09 mmol/L，對(duì)混凝土無溶出性腐蝕；pH值為7.9～8.0，對(duì)混凝土無一般酸性腐蝕；SO42-含量為213～233 mg/L，對(duì)混凝土無腐蝕性；Cl-含量（硫酸鹽折算后）為124.3～166.3 mg/L，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有弱腐蝕性。

由于閘址區(qū)地下水中Cl-對(duì)鋼筋混凝土中的鋼筋具有弱腐蝕性，建議使用鋼筋混凝土?xí)r采取相應(yīng)防腐蝕措施。

5.2 閘址區(qū)環(huán)境土的腐蝕性問題

閘址區(qū)環(huán)境土在0～0.5、0.5～1.0及1.0～1.5 m深度內(nèi)取樣，共取易溶鹽6組，閘址軸線表層0～0.5 m深度內(nèi)環(huán)境土總鹽含量在0.60%～0.74%，大于0.3%，為鹽漬土；閘址軸線0.5～1.5 m深度內(nèi)環(huán)境土總鹽含量在0.09%～0.22%，小于0.3%，為非鹽漬土。

經(jīng)過試驗(yàn)，閘址區(qū)0～1.0 m深度內(nèi)環(huán)境土中，SO42-含量565～2748 mg/kg對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具有弱～強(qiáng)腐蝕性，Cl-含量356～1401 mg/kg對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有弱～中等腐蝕性；綜合判定閘址區(qū)0～1.0 m深度內(nèi)環(huán)境土中，SO42-對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)腐蝕性，Cl-對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有中等腐蝕性。閘址區(qū)1.0～1.5 m深度內(nèi)環(huán)境土中，SO42-含量226～253 mg/kg對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具有微腐蝕性，Cl-含量21～79 mg/kg對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有微腐蝕性。建議閘址區(qū)0～1.0 m深度內(nèi)的環(huán)境土采取相應(yīng)防腐蝕措施。

5.3 閘址區(qū)巖土的凍脹性問題

依據(jù)《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL211—2006），土中粒徑小于0.075 mm土粒質(zhì)量大于總質(zhì)量10%的土為“凍脹性土”[4]。第一層為人工填土（以粉質(zhì)黏土為主，局部夾粉土）：由顆粒分析試驗(yàn)可知，該層土中粒徑小于0.075 mm土粒含量30.3%～97.7%，屬于凍脹性土。第二層砂層以粉砂為主，局部夾薄層細(xì)砂，夾多層淤泥：由顆粒分析試驗(yàn)可知，該層土中粒徑小于0.075 mm土粒含量26.0%～47.5%，屬于凍脹性土。

因此判定，閘址區(qū)第一、二層具有凍脹性，建議采取相應(yīng)抗凍脹措施。

6 結(jié)語

通過勘察試驗(yàn)和分析探討可知，閘址區(qū)地貌單元、巖性比較單一，屬透水層，地基土砂層滲透破壞形式為過渡型，允許比降取0.25。第二層砂層全部液化，施工中需采取必要的排水和支護(hù)措施，使用鋼筋混凝土?xí)r采取相應(yīng)防腐蝕措施，閘址區(qū)及護(hù)坡工程沿線0～1.0 m深度內(nèi)的環(huán)境土要采取相應(yīng)防腐蝕和抗凍脹措施，為工程建設(shè)提供了科學(xué)依據(jù)。