王泽龙

（新疆水利水电勘测设计院地质所，乌鲁木齐830000）

乌拉泊水库位于乌鲁木齐市南郊15km处的乌鲁木齐河中游段。水库正常蓄水位库容5000万 m3，非常保坝库容 7000万 m3，坝顶高程1088m，大坝全长1050m，最大坝高26m，坝顶宽6m，水库由拦河坝、泄水涵洞、溢洪道等建筑物组成，属中型水库。

乌拉泊水库运行40余年，经历了数次险情。目前由于副坝0+806.8～1+050段未实施防渗墙处理，右坝肩及放水涵洞基础仍然存在渗漏隐患（1989年右坝肩及泄洪闸 （0+028～0+024.2m） 进行了单排帷幕灌浆处理，绕坝渗漏有所改善，但效果不理想），主副坝连接段下游坝坡抗震稳定性不满足规范要求，坝顶出现多条纵横裂缝，针对以上情况需查明工程地质问题为乌拉泊水库的除险加固工程设计提供重要依据。

1 地质构造及水文地质条件

坝区主要分布有中上石炭系地层和第四系松散的上更新统冲洪积层、全新统冲积等地层，石炭系地层分布于右岸坝肩以上及坝基覆盖层以下。基岩岩性为褐灰、褐黄色、灰黄色、灰绿色硅质砂岩、泥质砂岩、紫红色泥质粉细砂岩和青灰色砂砾岩等。褐灰、灰黄色、灰绿色硅质砂岩，中细粒结构，较坚硬，耐风化。地表出露在右坝肩及坝后劳动纪念碑一带。紫红色泥质粉细砂岩，细粒、粉细粒结构，泥质胶结，较软弱，抗风化能力较差。该层岩石由砂质到泥质，微细粒到粉细粒呈渐变过程没有明显的层理，单层厚度在0.5～10m。在右坝肩及坝后劳动碑处，层位在褐灰灰黄色硅质砂岩之间呈薄层状。青灰、灰绿色砂砾岩，砾石粒径为0.5～3cm，粗砂砾多，岩石较坚硬，耐风化，其单层厚度0.6～3m，分布在坝后劳动碑及水泊亭一带，副坝坝基砂岩内局部成夹层状。第四系松散地层，为冲洪积、淤积、沼泽、人工堆积物。上更新统冲洪积层，多分布在左岸副坝一带，以砂砾卵石为主，次为含砾低液限粘土、粉砂土及中细砂类，其厚度钻孔揭露副坝地段约28～50m，往西可达80～100m，其特征是地表以下至5m深度有不同程度的易溶盐和石膏类，但不成层，呈透镜体，聚团状，往下随深度逐渐减少至消失，这与地表水的渗透溶滤有密切关系。其含砾低液限粘土、粉砂土和中细砂层呈薄层透镜体状，其厚度不大0.5～3m。全新统冲积层，分布在河床，以砂卵砾石层为主，厚度18～31m，地表至20m为卵砾石，粒径2～5cm，大者10～15cm，结构松散，细颗粒含量少，20m以下相应颗粒变细。全新统沼泽淤泥，钻探揭露主要在坝基桩号0+455至0+528m地段。人工堆积为人工填筑坝体，为坝后人工盖重，由砂砾石、碎石组成。

乌拉泊水库位于乌拉泊断裂南侧约4km处。该断裂东西向延伸，长约30km，晚更新世晚期至全新世活动不明显。坝区地质构造简单，岩层呈单斜构造， 岩层产状为 320°～340°SW∠38°～40°，其走向与大坝轴线交角为47°～90°。通过副坝防渗墙施工和钻探表明覆盖层底部基岩完整，未曾发现有断层通过的迹象。

乌拉泊水库处于达坂城―柴窝堡洼地西部的山间洼地中， 在测区南面为常年积雪的天山中高山区，乌鲁木齐河发源于天山中段的天格尔峰北侧一号冰川处，河流出山口后进入山前冲洪积扇及冲洪积倾斜平原一带。每年天山山区降雨及融雪水流汇入大西沟，而后补给冲洪积倾斜平原下部的砂卵砾石层中，砂卵砾石层厚50～100m以上，该含水层水量丰富且以地下水径流的方式由南西往北东方向源源不断地补给库区一带。除此之外，每年洪水季节还有地表水流，外加大西沟北侧的青年渠渗漏也是补给水库坝后地下水的主要水源之一。

2 除险加固勘察要点

（1）副坝0+806.8～1+050段未实施防渗墙处理，需进一步查明该段坝体的结构类型，坝体填筑土及坝基卵砾石的基本物理力学性质，坝基基岩的渗透性，为除险加固工程设计提供所需的基本地质参数。

（2）右坝肩及放水涵洞基础仍然存在渗漏隐患，需进一步查明右坝肩及涵洞基础岩体的渗透性，提出防渗处理建议及防渗处理深度。

（3）主副坝连接段下游坝坡抗震稳定性不满足规范要求，坝顶出现多条纵横裂缝，需复核该段坝体填筑土体的物理力学性质，调查裂缝在坝体上分布的桩号里程、规模及延伸连通的情况，分析判断其对坝体的危害性。

（4）针对设计的专题试验及模型试验，需对坝体内的饱和三角体、主副坝个别坝段内的填筑土体进行物理力学性质的复核，为试验提供基础地质资料。

3 勘察结果及分析

3.1 坝体及坝基的勘察成果分析

本次勘察在副坝 （桩号0+636.06～1+050m）共布置竖井4个 （TK7、TK8、TK9和TK10）和1眼钻孔 （ZK1）。竖井位置分别为TK7在桩号0+750m、TK8和TK9在桩号0+825m、TK10在桩号0+950m处；钻孔ZK1布置在桩号0+980m处。

3.1.1 坝体结构类型

据以往钻孔和本次钻孔、竖井揭露，桩号0+636.06～0+925m段坝高 3.0～17m，其中在 0+636.06～0+750m 段坝高可达 5～17m， 0+750～0+925m坝高逐渐变小，为3～5m；桩号0+925～0+1050m已是坝头天然砂砾石。填筑坝体上游坝坡上部为1.5～2.5m厚的填筑砂砾石，以下为防渗斜墙土，厚0～3m （垂直坝坡方向），该防渗斜墙土在桩号0+845.2处终止，斜墙下部为填筑砂砾石，高4～9.5m，人工填筑砾石下部为天然砂砾石。从而可知该坝段在桩号0+636.06～0+845.2m为粘土斜墙坝，桩号0+845.2～0+925m为砂砾石坝，桩号0+925～1+050m为天然砂砾石坝。该坝段在 1989年砼防渗墙处理到桩号 0＋532.8m，1998年砼防渗墙又加长处理到桩号0＋806.8m。

3.1.2 坝体填筑体的物理力学性质

桩号0+636.06～0+845.2m为粘土斜墙坝，该段防渗斜墙土逐渐变薄，并且斜墙土含砾量较高，由试验颗分结果可知：＜0.075mm的粉粘粒平均含量为6%，0.075～2mm砂的平均含量为63.5%，2～150mm卵砾石的平均含量为30.5%。防渗斜墙上部为2～4m厚的人工填筑的二期砂砾石，由颗分试验可知：该砂砾料2～150mm卵砾石平均含量为79.6%，0.075～2mm砂平均含量为19.6%，＜0.075mm粉粘粒含量为0.8%，最大干密度为2.08g/cm3，最小为1.96g/cm3，平均为2.04g/cm3，相对密度最大为0.84，最小为0.55，平均为0.72，在填筑密度下的内摩擦角为φ=37.9°。斜墙下部为填筑砂砾石，高度3.5～9.5m，由试验可知，砂平均含量为22.75%，砾石的平均含量为77.25%，该层砂卵砾石干密度为2.10g/cm3，相对密度为0.87，内摩擦角φ为=39°。

3.1.3 坝基砂砾石的物理力学性质

坝基为冲积Q4al砂砾石层,局部为夹粉细砂和砾质土透镜体，厚度3～5m。由试验可知，该砂砾石层砂含量为20.18%，砾石的平均含量79.82%；砂砾石的天然密度最大为2.20g/cm3，最小 2.16g/cm3，平均 2.185g/cm3，干密度最大2.15g/cm3， 最小 2.12g/cm3， 平均 2.133g/cm3， 比重为2.72。在竖井TK9中1.3m、3.7m和竖井TK10中1.7m、4.8m处进行了铁环注水试验，试验结果在 1.0×10-2cm/s～1.17×10-1cm/s之间， 平均值为4.12×10-2cm/s，说明该砂卵砾石为中等透水（见表1）。其中在竖井TK10中5.4m～8.3m为一砂层透镜体，颗分结果，＜0.075mm的粉粘粒含量为.7%，0.075mm～2mm砂的平均含量为95.7%，2mm～60mm砾石的平均含量为2.6%，该层砂天然密度为1.61g/cm3，相对密度为0.37，渗透系数为1.01×10-3cm/s。坝基砂砾石以下为基岩，岩性为中上石炭系砂岩，局部夹砂砾岩，据以前钻孔和本次钻孔揭露强风化基岩，风化较破碎，厚度0.7～2.55m（坝线北东侧薄，南西侧厚）， 透水率为1.5～5.0Lu， 弱风化层厚 1～3m，透水率为1.0～2.0Lu，以下为微风化基岩，岩石较坚硬完整，裂隙不发育，据钻孔压水试验，透水率较小，为0.5～2.1Lu，属微透水或极微透水地层。

表1 坝基砂砾料的试验成果汇总表

3.1.4 坝体及坝基的渗透稳定性

桩号0+806.8m以前已进行砼防渗墙处理，故本次勘察只对桩号0+806.8～0+1050m段的坝体及坝基的渗漏和渗透稳定性进行评价分析。本次勘察在桩号0+825m布置竖井2个、桩号0+950m布置竖井1个，桩号0+980m布置钻孔1眼。由本次勘察的竖井、钻孔及以前的钻孔可知，桩号0+806.8～0+845.2m为粘土斜墙坝，该段防渗斜墙土已经相对较薄，厚0～0.7m （垂直坝坡方向），并且斜墙土含砾量较高，斜墙土上部为厚2m左右的砂卵砾石填筑体，下部为厚2～3m的砂卵砾石填筑体；桩号0+845.2～0+925m为砂砾石坝，坝高逐渐变小为3～5m，填筑体以下为坝基冲积Q4al砂砾石层,渗透系数为4.12×10-2cm/s.桩号 0+925～1+050m为天然砂砾石。坝基砂砾石以下为基岩，透水率较小，为0.5～3Lu。

根据1999年4月20日统测水库 （1082.98m）和坝后地下水位所绘制的水文地质图（如图1）,可知桩号0+806.8m以西地下水等水位线相对稀一些。在2006年10月7日对库水位、竖井内水位和坝后观测管内的水位进行观测，坝前水位高程一般在1078.17～1078.38m，坝后观测管12-1b观测的水位为1076.746m，观测管12-2b观测的水位为1072.633m，根据等水位线图和本次对坝前后水文地质的调查，分别对坝前后水力比降进行计算，目前大坝的实际水力比降为0.02～0.05；根据大坝砂砾石颗粒级配计算出的水力比降为0.18。

另外在现场进行了原位比降试验，其结果最大渗透比降为0.314， 最小为0.048， 平均0.1428，采用2倍的安全系数，则最大为0.157，最小为0.024，平均 0.07，取小值平均为 0.07。根据水利水电工程地质堪察规范 （GB50287－99），砂砾石在颗粒级配不连续 （最不利的情况下）取0.1～0.2，从以上资料综合分析，目前大坝的实际水力比降为0.02～0.05，小于砂砾石的允许渗透比降0.08，故该段坝体及坝基的渗透是稳定的。

3.2 右坝肩岩体透水性评价

根据以往资料和本次勘探资料，右坝肩岩性主要为矽质砂岩，夹泥质粉细砂岩和泥质页岩，岩层产状为 320°～340°SW∠35°～41°， 矽质砂岩属硬质岩，坚硬，抗压、抗剪强度较高，抗冲刷能力较强，泥质粉砂岩和泥质页岩相对矽质砂岩略低，为中硬岩。右坝肩无大的断层通过，节理裂隙发育，间距一般为0.1～0.5m，面多平直光滑，以陡倾角面居多，面微张开，一般张开1～3mm，延伸长度一般为3～5m，最长可达10m，多为钙质充填，抗冲刷能力较强，少数裂隙内充填泥质及其它次生矿物，充填泥质的结构面多闭合，一般张开0.1～0.5mm，结构面的产状为5°～25°SW∠60°～85°，与大坝轴线夹角为 21°～51°，根据类比资料，该泥质结构面的渗透允许比降为1.5，而根据库水位 （1078.35m）、本次勘察钻孔水位 (1060.45m)和等水位线图可知沿溢洪道轴线基岩地下水位水力比降为0.11，远小于右坝肩基岩的允许水力比降1.5。根据估算右坝肩年渗漏量约为58万方，占乌拉泊水库正常蓄水位下库容的1.5%左右。从而说明右坝肩不存在岸坡和渗透稳定问题。

右坝肩至溢洪道之间岩体的透水率在岩体埋深小于31m的岩体透水率较大，为26～133Lu，溢洪道底部根据本次勘察的ZK3号钻孔可知岩体自42.45～47.88cm段的透水率值突然变大，为35.9Lu，而其上部27.0～42.45m之间岩体的透水率较低，为3.8～8.4Lu，属于中～弱透水率。鉴于乌拉泊水库的重要性，右坝肩岩体防渗帷幕灌浆可采用双排孔，建议防渗处理深度为35m（从坝顶1088m算起），即1053m高程；溢洪道底部岩体防渗帷幕灌浆可采用双排孔，建议防渗处理深度为35m（从溢洪道底部1080m算起），即1045m高程，还可适当加深，以达到较好的防渗效果。

3.3 坝顶裂缝评价

根据各项资料显示裂缝不是由于坝坡稳定导致的拉裂缝，是由于坝体后期加高时填筑不均一，坝体表层填筑料局部沉降导致。从TK4和TK11的颗分试验可知：粉粘粒含量0.3%，砂的含量31%，卵砾的平均含量68.7%，干密度平均为2.125g/cm3。该段坝体填筑砂砾料在填筑密度下的抗剪强度值为φ=38.5°，坝的前坡在高程1086m 以上至坝顶的坡比为 1∶1.804 （29°）， 高程1086m 以下为 1∶4.49（13°）， 坝前坡综合坝坡比为1∶4.21 （13.2°），坝后综合坝坡比为1∶2.25（24°）。从以上可以看出砂砾石的饱和抗剪强度为38.5°，从而说明目前大坝处于稳定状态，裂缝并无向坝体内部延伸和贯通，对坝体无危害。

3.4 饱和三角体评价

饱和三角体主要分布在主坝和主副坝衔接段（桩号 0＋092～0＋636.06）， 该段坝前坡坡比为 1∶2（27°），库水位为1078.38m，为复核饱和三角体的填筑体的物理力学性质，布置竖井5个（TK1、 TK2、 TK3、 TK5、 TK6）， 根据竖井开挖可知，三角体由斜墙土体和填筑砂砾石组成，斜墙土体厚3.0～3.3m （垂直坝坡方向） （见图2），其斜墙土体底部高程和水位分别为：TK1：土体底部高程为1078.54m，水位1078.34m；TK2：土体底部高程为1078.01m，水位1078.36m；TK3：土体底部高程为1078.75m，水位1078.35m；TK5， 土体底部高程为1079.33m，水位1078.33m；TK6：土体底部高程为1076.46m，水位1077.56m。以下为填筑砂砾石料。

根据试验和坝体填筑料的物理力学性质的分析可知，坝体填筑质量有差异，局部填筑质量较差，饱和三角体中的斜墙土体为中压缩低液限粘土，土体在水上和水下基本处于接近饱和状态，饱和度为79.14%～94.63%,平均为87.4%，饱和状态下抗剪强度为C＝34kPa，φ＝22.2°，最大干密度为1.89g/cm3，最小干密度为1.67g/cm3，平均为1.83g/cm3，孔隙比 （e）为0.49，渗透系数平均为3.65×10-5cm/s。

坝体填筑砂砾石料干密度最大2.10g/cm3，最小 1.08g/cm3，平均 2.09g/cm3。相对密度最大0.83g/cm3， 最小 0.71g/cm3， 平均 0.77g/cm3。 填筑密度下饱和抗剪强度值：最大φ=41°，最小φ=39°， 平均φ=40°。 渗透系数最大为 8.0×10-2cm/s，最小 1.6×10-2cm/s， 平均为 4.8×10-2cm/s。 通过以上分析可知饱和三角体整体是稳定的，设计应根据不同的工况来进行稳定计算。

4 结论

（1）根据乌拉泊水库地震安全性分析、大坝抗震复核报告和GB18306-2001中国地震动峰值加速度图 （1/400万）坝址基岩峰值加速度为0.2g，相应的地震烈度为Ⅷ度。根据水库区基本地质条件综合分析可以看出，乌拉泊水库规模较小，组成库盆的基底为松软的第四系及以中硬岩为主的石炭系地层，库区地质构造简单，未发现规模较大的断裂或活动断层，南北两侧的区域性断裂距水库较远，且没有与库水产生直接或间接的水力联系，因此，水库发生诱发地震的可能性不大。

（2）乌拉泊水库处于达坂城西部的山间洼地内，野外地质调查结果表明，在水库周边的冲沟内均有高于水库正常蓄水位高程的泉水出露，因此水库不存在邻谷渗漏问题。水库渗漏主要是通过坝肩 （右坝肩）和左岸低坝产生的水库渗漏。水库左岸为山前倾斜平原及高阶地地形，地势平缓开阔，右岸地形坡度较缓，水库岸坡稳定。

（3）大坝桩号 0＋092～0＋806.8 经槽孔砼防渗墙处理后，坝后地下水位明显降低，大部分渗水点干枯，说明槽孔砼防渗墙防渗效果较好。大坝桩号0＋806.8～1＋050段未做槽孔砼防渗墙，根据1999年的地下水等水位线图可知0＋806.8以西地下水等水位线相对较稀，本次根据库水位和坝前、坝后观测水位可知：水力坡降为0.04，小于砂砾石的允许渗透比降0.08，不存在渗透破坏问题。

（4）1989年右坝肩及泄洪闸 （0+028～0+024.2m）进行了单排帷幕灌浆处理，绕坝渗漏有所改善，但效果不理想。根据钻孔压水试验，局部岩体透水率相对较大，建议加强帷幕灌浆防渗处理，局部相应加深。

（5）乌拉泊水库大坝天然建筑材料有两种，分别为心墙斜墙防渗土料及砂砾石填筑料。根据坝体检测资料看，粘土斜墙和坝体填筑质量存在不均匀性。从历年试验成果和本次试验成果来看，坝体填筑砂砾石属中密～密实状态，其填筑质量有差异，局部填筑质量较差。坝体心墙及斜墙属低液限粘土。心墙及斜墙土料均满足防渗土料的技术质量要求。砂砾石填筑料质量基本满足坝壳填筑料的技术要求。

副坝阶地为天然砂砾石层，厚度大，颗粒级配连续，结构较密实，作为坝壳可满足设计要求；坝基基岩内虽节理裂隙较发育，节理倾角均较陡，且组成坝基的岩体其饱和抗压强度在50～70MPa，属中－坚硬岩，抗冲蚀能力强，不存在渗透破坏和抗滑稳定问题。

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