寶浪蘇木分水樞紐閘門建設地質分析

張曉龍

（頭屯河樓莊子水庫工程建設管理局，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計標準偏低，經過30多年的運行，閘門銹蝕老化嚴重，混凝土扶臂式擋土墻、閘室岸墻和左右兩岸護坡大面積塌落、凍脹、裂縫，急需進行除險加固，這就需對工程地質情況進行分析。

2 地形地貌

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

3 閘址區工程地質條件分析

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

通過區域地質調查和工程地質測繪發現，距離閘址區較近的斷層焉耆斷裂和博東斷裂均為隱伏斷裂，埋藏較深，對工程影響較小。據鉆孔揭露，在本次最大25 m勘探深度內，揭露地層為第四系堆積物，按其成因可分為以下2種。

（1）全新統人工壓實填土（Q4r）。主要分布于閘址區兩岸護堤上，厚度一般為3.2～4.1 m，主要地層巖性為粉質黏土與粉土。

（2）全新統沖積物（Q4al）。分布于開都河現代河床及河漫灘上，本次勘探深度未揭穿全新統沖積層。沖積物主要由粉質黏土、粉砂及細砂組成，結構松散～密實。

3.2 水文地質特征

在勘探深度25 m內，閘址區地下水類型主要為第四系孔隙潛水。閘址區第四系孔隙潛水埋深3.77～4.70 m，對應的潛水水位高程為1052.72～1052.85 m。其含水層巖性多為含淤泥的粉砂層，局部為細砂層，含水層厚6.50～8.60 m。閘址區地下水埋深隨季節變化較大，對閘址區進行地下水位測量時（日期：2021年10月26日），開都河水量較小，導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。工程區內開都河河水及地下水特征主要表現，詳見表1。

表1 工程區內環境水主要特征一覽

3.3 物理地質現象

由于工程區位于開都河下游，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 巖土的地質條件及物理力學性質指標

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

（1）第一層為人工填土，地層巖性以粉質黏土為主，局部夾粉土[3]。物理力學性質指標敘述如下：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Ip=12.1～14.0，建議值Ip=13.1；液性指數IL=0.21～0.43，建議值IL=0.30，屬可塑～硬塑狀態。天然狀態下的壓縮系數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。飽水狀態下的抗剪強度標準值：內摩擦角φ=21°～23°，建議值φ=22.0°；黏聚力C=15～21 kPa，建 議值C=18.3 kPa。野外進行標準貫入擊數試驗N=6～10擊/30 cm。滲透系數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，局部夾薄層細砂，夾多層淤泥。物理力學性質指標敘述如下：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Cu=5.10～26.9，曲率系數Cc=0.8～3.2，級配不良。根據顆分資料，粒徑小于0.075 mm的黏粉粒含量為26.00%～47.50%。野外進行標準貫入擊數試驗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k=2.87×10-4-4.52×10-4cm/s，屬中等透水性。

（3）第三層為粉質黏土，局部粉砂。物理力學性質指標敘述如下：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Ip=12.2～14.0，建議值Ip=12.9；液性指數IL=0.21～0.43，建議值IL=0.28，屬可塑～硬塑狀態。飽水狀態下的抗剪強度標準值：內摩擦角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。野外進行標準貫入擊數試驗N=14～21擊/30 cm。灌注樁樁周摩阻力建議值qs=30 kPa。滲透系數k=3.45×10-6-3.98×10-5cm/s，屬微～弱透水性。

4 主要工程地質問題分析

閘址區主要有地基土的滲透變形、震動液化、開挖邊坡、承載力、環境水、土的腐蝕性以及地基土的凍脹性等幾個主要工程地質問題，下面對這幾個主要工程地質問題分述如下。

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《水利水電工程地質勘察規范》（GB50487-2008），建議砂層的允許比降取0.25。

4.2 閘址區地基土的震動液化

閘址地基土勘探深度為25.00 m。依據《水利水電工程地質勘察規范》（GB50487-2008），對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，對粒徑小于5 mm顆粒含量質量百分率大于30%的土，其中粒徑小于0.005 mm的顆粒含量質量百分率相應于地震動峰值加速度0.15 g不小于17%時，可判為不液化。根據顆分資料，第一、三層粉質黏土，中粒徑小于0.005 mm的顆粒質量百分率在17.1%～38.1%，由于該層小于0.005 mm的顆粒含量質量百分率大于17%，據此判定第一、三層粉質黏土層不液化。根據顆分資料得出第二層砂層中粒徑小于0.005 mm的顆粒質量百分率在0.6%～9.6%，由于該層小于0.005 mm的顆粒含量質量百分率小于17%，據此判定第二層砂層均存在液化的可能性。

（2）根據地層年代和土的狀態判別，第二層砂層為第四系全新統沖積物，工程運行時該層處于設計水位以下（飽和土），據此判斷該層存在液化的可能性。

4.2.2 地震液化的復判

按標準貫入試驗判別，對閘址區0～15 m內的土層進行地震液化復判。閘址區ZK01、ZK02、ZK03、ZK04及ZK05鉆孔的標準貫入擊數試驗結果，詳見表2。標準貫入試驗判定的依據如下：當深度ds處的飽和砂土的標準貫入擊數N值小于液化臨界錘擊數Ncr值時，可判為液化土，否則不液化。其計算公式如下：

式中：Ncr為液化臨界錘擊數；N0為液化判別標準貫入錘擊數基準值，地震動峰值加速度0.15 g時取8；dw為工程正常運用時地下水位在當時地面以下的深度（m）；ds為工程正常運用時標準貫入點在當時地面以下的深度（m），當標準貫入點在地面以下5 m以內的深度時應采用5 m計算；ρc為土的黏粒含量質量百分率，當ρc＜3%時取3%，當ρc＞3%時取實際值。

根據式（1）對閘址區飽和砂層的液化臨界錘擊數進行計算，由表2可以看出，閘址區第二層砂層全部液化。

表2 閘址區砂層標準貫入試驗液化判別

4.3 閘址區地基土的邊坡開挖

（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。依據地基土的天然休止角結合《工程地質手冊第四版》中邊坡的經驗值，人工填土層臨時開挖邊坡值建議取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，結構松散～稍密。依據地基土的天然休止角結合《工程地質手冊第四版》中邊坡的經驗值，粉砂層的臨時開挖邊坡值建議取1∶2.0，永久開挖邊坡值建議取1∶3.0。閘址區地基土開挖過程中，第二層砂層可能會出現流砂現象，為了使基坑開挖工作順利進行，建議在施工過程中采取必要的排水和支護措施。

4.4 閘址區巖土的地質承載力

閘址區在最大勘探深度25.00 m內，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，為中等壓縮性土。野外進行標準貫入擊數試驗N＝6～10擊/30 cm（實測值），N＝5.5～9.0擊/30 cm（修正后）。建議人工填土層地質承載力特征值取fak=100 kPa。

（2）第二層結構松散～稍密。野外進行標準貫入擊數試驗N＝5～10擊/30 cm（實測值），N＝4.1～8.1擊/30 cm（修正后）。建議砂層地質承載力特征值取fak=80～100 kPa；淤泥層地質承載力特征值取fak=40～50 kPa。建議第二層灌注樁樁周摩阻力取qs=10～25 kPa。

（3）第三層成層穩定，分布均勻，未揭穿，屬可塑～硬塑狀態。野外進行標準貫入擊數試驗N＝14～21擊/30 cm（實測值），N＝10.8～16.2擊/30cm（修正后）。建議第三層地質承載力標準值取fak=150～180 kPa。建議第三層灌注樁樁周摩阻力取qs=30 kPa。

5 閘址區環境水、土的腐蝕性問題

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

5.1 環境水的腐蝕性問題

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

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

由于閘址區地下水中Cl-對鋼筋混凝土中的鋼筋具有弱腐蝕性，建議使用鋼筋混凝土時采取相應防腐蝕措施。

5.2 閘址區環境土的腐蝕性問題

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

經過試驗，閘址區0～1.0 m深度內環境土中，SO42-含量565～2748 mg/kg對混凝土結構具有弱～強腐蝕性，Cl-含量356～1401 mg/kg對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具有弱～中等腐蝕性；綜合判定閘址區0～1.0 m深度內環境土中，SO42-對混凝土結構具有強腐蝕性，Cl-對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具有中等腐蝕性。閘址區1.0～1.5 m深度內環境土中，SO42-含量226～253 mg/kg對混凝土結構具有微腐蝕性，Cl-含量21～79 mg/kg對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具有微腐蝕性。建議閘址區0～1.0 m深度內的環境土采取相應防腐蝕措施。

5.3 閘址區巖土的凍脹性問題

依據《水工建筑物抗冰凍設計規范》（SL211—2006），土中粒徑小于0.075 mm土粒質量大于總質量10%的土為“凍脹性土”[4]。第一層為人工填土（以粉質黏土為主，局部夾粉土）：由顆粒分析試驗可知，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，局部夾薄層細砂，夾多層淤泥：由顆粒分析試驗可知，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，閘址區第一、二層具有凍脹性，建議采取相應抗凍脹措施。

6 結語

通過勘察試驗和分析探討可知，閘址區地貌單元、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措施，使用鋼筋混凝土時采取相應防腐蝕措施，閘址區及護坡工程沿線0～1.0 m深度內的環境土要采取相應防腐蝕和抗凍脹措施，為工程建設提供了科學依據。