新疆塔城江格斯水库坝基处理方案比选

2021-04-16马万龙

陕西水利 2021年3期

关键词：风化层产状坝址

马万龙

（塔城地区水利水电勘察设计院，新疆塔城 834700）

0 工程概况

江格斯水库工程位于裕民县城西南方向的江格斯河上，行政隶属于裕民县江格斯乡。水库坝址位于出山口处，项目区距裕民县15 km，距江格斯乡直线距离9 km，距乌鲁木齐市618 km，317 省道从江格斯乡北侧通过，工程区交通较为便利。

江格斯水库枢纽工程由大坝、溢洪道、导流兼放水隧洞三部分组成。水库总库容270×104m3，为Ⅳ等小（1）型工程。JGS水库可控制下游灌溉面积1.02 万亩。工程任务以灌溉和农村供水为主，兼顾下游防洪。

水库坝址处为巴尔鲁克山中低山区，出露地层为上古界的泥盆系、石炭系，新生界第三系、第四系和少量的侵入岩。

1 上坝址区工程地质条件

1.1 上坝址区地质概况

上坝址两岸基岩裸露，河谷呈”U”型，谷底高程932.34 m～933.87 m，平均纵坡2.5%，谷底宽20 m～30 m，现代河床宽度5 m～8 m，河道曲折，左岸山体平均坡度29°，右岸山体坡度平均33°，左右两岸山体较为对称。坝前距坝轴线80 m 处有一近东西向的冲沟发育，该冲沟宽20 m～30 m，沟口处达50 m，冲沟底高程943 m～978 m，沿冲沟发育有f2 断裂。

坝址区地层在河床段上部为细砾层或粉质粘土层，下部为基岩；左右两岸基岩出露，地层结构单一，岩性为中石炭统黑山头组的褐色圆砾岩。

河床中砂砾石，第四系全新统冲积堆积成因，青灰色，厚度17.0 m，磨圆度一般，分选性较好，级配较差，中粗砂充填，无胶结性，具孔隙性；河道中的粉质粘土，第四系全新统冲积堆积成因，土黄色、灰黄色，干燥，坚硬，直立，可见水平层理，局部夹有少量的砾石，但分布范围不大，厚度变化较大，从坑探揭露和自然断面观察，厚度2.0 m。

坝址区出露基岩为中石炭统黑山头组（C2h）褐色圆砾岩，碎裂结构，岩层产状35°～41°NE∠30°～54°，岩体天然状态下的单轴抗压强度40.3 MPa～55.6 MPa，饱和抗压强度23.0 MPa～40.4 MPa，属中硬岩。

上坝址区处于塔城山间坳陷南部，构造活动相对较弱，无区域性活动断裂或与其相连的分支断裂通过。石炭纪地层呈北北东向倾斜的单斜构造，走向近东西，与区域构造方向一致。坝址区内主要构造形迹为低序次断层、裂隙和节理，走向以北西、近东西向为主。

f2 断裂：发育于坝前距坝轴线80 m 处近东西向的冲沟内，褐色圆砾岩中，与河流走向近于正交，产状295°NE∠40°～50°，与坝轴线夹角约27°，斜穿左右两岸。断层破碎带宽5m～6 m，带内以碎裂岩为主，部分断面夹灰黑色断层泥，含方解石晶体。该断层规模较大，延伸较长，近1 km，断面呈舒缓波状，倾角较陡。

f3 断裂：发育在右坝肩，两盘岩性为砾岩，断层走向与河流近平行，产状10°～25°SE∠50°～65°，断层破碎带宽0.3 m，带内以碎裂岩为主，部分断面夹灰白色断层泥，含方解石晶体。该断层规模较小，延伸170 余米，断面呈舒缓波状，倾角较陡。

上坝址区共发育4 组节理，以NNE 向最为发育，见图1。

图1 坝址区节理裂隙走向玫瑰花图

第一组为近西向裂隙，产状为285°～310°NE，SW∠50°～70°，节理面一般平直粗糙，微张或张开，有碎石充填，延伸长约1 m～2 m；第二组走向北西，产状320°～328°NE∠42°，节理面一般平直粗糙，微张或张开，有碎石充填，延伸长约1 m～2 m；第三组为北北东向裂隙，产状为7.5°～20°SE∠43°～65°，岩体多沿该组节理卸荷，走向与河流走向近于平行，延伸长约10 m～15 m，切割深5 m～10 m，顶部多张开5 cm～15 cm，有少量碎石土充填；该组裂隙对岩体边坡稳定以及岩体透水性影响较大；第四组为近东向裂隙，产状为85°NW∠35°～40°，为层面或近层面节理，节理面一般平直较粗糙，多数闭合，少量微张，无充填。

坝址区岩体风化层厚度受岩性、构造等因素影响，具有一定的规律，在断层、节理发育部位，风化深度稍大；岩体较完整部位，风化深度稍小。根据钻孔岩芯、压水试验和钻孔波速测试，确定上坝址强风化层厚度1 m～3 m，其下为弱风化层。

1.2 上坝址区岩土工程特性

依据钻探资料，上坝址区河床段覆盖层厚度17.0 m，地下水位埋深0.9 m，岩性为细砾，坝址区松散覆盖层的物理力学参数见表1、图2。

表1 坝址河床覆盖层试验成果表

从表2 和图2 中可以看出，河床覆盖层砂砾石不均匀系数32.5～40.7，曲率系数0.8～2.2，为级配较好的砾石，砾石含量少，粒径较小。

图2 河床覆盖层砂砾石颗粒基数

坝址区的地层主要为中石炭统黑山头组（C2h）褐色圆砾岩，岩层产状146°NE∠58°～64°。

1.3 上坝址轴线工程地质条件

根据坝址地形地貌、地层岩性、地质构造等工程地质条件，将坝址轴线分为左坝肩、河床坝基、右坝肩三部分评价如下：

左坝肩（0+000 m～0+075 m）：左岸岸坡较平缓，平均坡度30°，基岩裸露，地层岩性主要为黑山头组（C2h）褐色圆砾岩，碎裂结构，岩层产状146°NE∠58°～64°，岩体属中硬岩，中厚层状，岩体完整性系数差，节理裂隙张开度0.5 mm～5.0 mm，裂隙微张，基岩强风化层厚3.0 m 左右，弱风化层厚5.0 m～8.0 m。类比右坝肩透水性小于5 Lu界线埋深16 m 以下，建议坝基防渗处理至基岩透水率小于5 Lu深度以下。

河床坝基（0+075～0+110）:河谷呈“U”型，谷床宽40 m，水面宽6 m，地层具二元结构，上部为卵石，依据钻探资料，河床覆盖层0～6.0 m 为卵石，青灰色，颗粒多呈次圆状，级配较好，中粗砂充填，无胶结性，具孔隙性，强透水性，地质建议值：天然密度2.03 g/cm3～2.15 g/cm3，干密度1.87 g/cm3～1.93 g/cm3，最小干密度1.74 g/cm3，相对密度0.64～0.67，中密状态，渗透系数5.2×10-2cm/s，强透水性，承载力250 kPa；6.0 m～7.4 m 为粉土，灰色，稍密至中密状，饱水，含少量砾石，具水平层理，透水性差，中等压缩性，建议清除；7.4 m～17.0 m 为卵石，中密状态，渗透系数5.2×10-2cm/s，强透水性，承载力300 kPa。17 m以下基岩为中石炭统黑山头坝组的砾岩，中厚层状，依据钻探资料岩芯采取率30%～50%，RQD 值＜10%，岩体完整性差，基岩强风化层厚2.5 m 左右，以下为弱风化层。基岩透水性小于5 Lu 界线埋深27 m，建议坝基防渗处理至基岩透水率小于5 Lu 深度以下。

右坝肩（0+110～0+205）：右岸岸坡较陡，平均坡度35°，基岩多裸露，地层岩性主要为中石炭统黑山头组（C2h）褐色圆砾岩为主，局部存在第四系坡积堆积的碎石土。砾岩，厚层结构，岩层产状96°～129°NE∠48°～68°，岩体较破碎，发育三条较大顺河向裂隙，依据右岸的钻探和物探资料，节理裂隙张开度0.5 mm～5 mm，裂隙微张，延展长度多为1 m～3 m，也可见3 m～10 m，但数量少，裂隙间距0.5 m～2 m，较发育，裂隙面平直粗糙。发育有断层f2，岩体的完整性系数小于50%，岩体质量不好。岩体透水率小于5 Lu 的界线埋深16 m，依据钻孔岩芯、压水试验、物探测试，综合确定岩体强风化层厚度3.0 m 左右，其下为弱风化层，弱风化层厚8 m～10 m。建议坝基防渗按小于5 Lu 基岩深度处理。

依据《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50487-2008）附录V 坝基岩体工程地质分类，坝基岩体属CⅣ，不宜作为高砼坝基础，可满足土石坝基础要求。建议清除河床中防渗墙部分的砂砾石层及部分基岩强风化层，对坝壳处的砂砾石重型振动碾压后可作为坝体的一部分，将防渗墙砼基座设置在弱风化岩体上，强风化基岩开挖边坡1∶0.30～1∶0.50、河床砂砾石层临时开挖边坡1∶1.0～1∶1.25。

2 河床段基础处理方案

本次基础处理方案在推荐坝址处即上坝址处。

2.1 基础处理方案选择原则

根据地形、地质、工程规模及施工条件，经过经济和技术的综合分析比较来选定。主要考虑有两点：基础处理方案技术成熟，工程量较小，与施工期导流的方式有无工序上的矛盾；基础处理方案投资小，施工难度小，施工质量容易控制。

2.2 基础处理方案

根据地形、地质、导流方式、围堰与坝体结合等因素选择了两个备选方案。

方案一：大开挖。此方案将河床内基岩线以上的覆盖层清除7 m，主要目的将坝基7 m 以下的粉土层挖除，然后开挖心墙基座。心墙基座坐落在弱风化层中，基座厚1.5 m，底宽4 m。基座以下采用固结灌浆，深度5 m，沿轴线布设两排，间距2 m。在两排固结灌浆中间布设一排帷幕灌浆，帷幕深度按岩石吸水率ω＜5 Lu 作为控制标准。

方案二：槽孔混凝土+振冲碎石桩。河床坝基（0+075～0+110）依据钻探资料，6.0 m～7.4 m 为粉土，灰色，稍密至中密状，饱水，含少量砾石，具水平层理，透水性差，中等压缩性。本次设计方案将河床段表层1 m 清除，在河道段整个坝基清基面上进行振冲碎石桩加固，设计造孔直径80 cm，深度6.5 m，填料采用20 mm～80 mm 的砂砾石，含泥量小于5%，采用30 kW型振冲器造孔，桩心距1.5 m，行距1.5 m，呈等边三角形排布。提高坝体整体承载力。

河床段首先表层清基1.0 m，沥青砼心墙底部高程932.10 m。沥青砼心墙下设1.5 m 厚的混凝土基座，混凝土基座与槽孔混凝土防渗墙连接，墙厚0.8 m，槽孔混凝土防渗墙最大深度17.2 m，防渗墙内埋设帷幕灌浆钢管，钢管规格为φ110，间距2 m。帷幕深度按岩石吸水率ω＜5 Lu 作为控制标准。