新疆準東供水工程地質條件分析評價

(新疆水利水電勘測設計研究院 地質勘察研究所，新疆 烏魯木齊 830091)

1 工程概況

新疆準東供水工程是為解決準東煤電煤化工基地生產、生活用水的長距離輸水工程。工程分兩步建設，第一步供水1億m3，第二步增加供水1億m3。第一步工程已完成供水線路的施工，第二步工程現已進入可行性研究階段，預計2018年底開工建設。具體方案為以阜康境內某水庫為水源地，通過壓力管道輸送至吉木薩爾五彩灣和奇臺將軍廟一線的煤電化工工業園區。供水線路全長約218 km，工程規模為大(2)型Ⅱ等工程，沿線主要建筑物有：3級泵站、3座事故備用水池、壓力輸水管線及配套的防護設施等。其中，阜康段供水管線全長約61 km，本文主要對該段供水管線進行工程地質條件分析評價。

2 區域地質概況[1]

(1)工程區位于天山北坡沖洪積扇中下部，總地勢南高北低，地形較平坦開闊，高程495～508 m，寬淺沖溝較為發育，多為半荒漠區、農田耕植區，一般地段地下水位埋藏較淺，礦化度高。工程區以北為古爾班通古特風成沙漠區，海拔高程538～568 m，總地勢由北西向南東變低，地形起伏不平，由高低不等的網狀沙壟、梁窩狀沙壟和北西向沙壟及沙丘組成，一般高差5～15 m，個別達30 m，為固定、半固定狀態，僅在沙壟頂部存在一些寬度不大、厚度不等的流動沙層。

(3)工程區主要位于天山北緣推覆構造帶以北，發育的區域性斷裂主要為準噶爾南緣斷裂(見圖1)。準噶爾南緣斷裂呈近EW向延伸，屬壓扭性，在天山以北山前各沖溝、河流出山口附近通過，斷裂在地貌上為盆地與山區丘陵的分界線，構造上為推覆構造帶與擠壓坳陷區分界斷裂。它西起甘泉堡以西，東到吉木薩爾，全長約160 km，為逆沖式斷裂。據石油勘探資料，上部斷面傾角較陡約40°～50°，個別達60°～80°，下部變緩為20°～30°，向南傾斜。斷裂東段在甘河子～四工河一帶可見侏羅系地層壓在上更新統礫石層上，為區域性活動斷裂。根據GB18306-2015(1/400萬)《中國地震動參數區劃圖》(見圖2)劃分可知，該段供水管線所在區域地震動峰值加速度為0.10～0.15g，對應的地震基本烈度為Ⅶ度。

圖1 區域地質構造

圖2 地震動峰值加速度區劃

(4)工程區位于天山山前沖洪積扇上，其水文地質條件可分為3個部分：①沖洪積扇頂部，為單一大厚度的潛水含水層，透水性好，單位涌水量8～10 L/s·m，水位埋深大于30 m，水化學類型屬CL--HCO3--Ca2+-Na+型水，礦化度小于1 g/L。②沖洪積扇中部潛水溢出帶，潛水和承壓水具雙層結構，潛水水質差，埋深一般1.1～5.4 m。下部有1～2層承壓含水層，富水性好，承壓水頭埋深較淺，水質良好，已建許多水源地。③沖洪積扇下部至沙漠邊緣，含水層多且薄，但頂部為風積沙覆蓋，含水層顆粒較細，為潛水-承壓水含水層，埋深200 m內，可見2～5層承壓含水層，滲透系數k為6～8 m/d。據調查，該區潛水位埋深15～20 m，水為SO42--HCO3--Ca2+-Na+型水，礦化度1～2 g/L，下部承壓含水層，水量中等，水質良好。

3 工程基本地質條件[2]

3.1 地形地貌

供水管線全長61.073 km(樁號0+000～61+073)，主要位于天山北緣沖洪積扇下部細土平原區，地勢由南東向北西傾斜，地形平坦開闊，地面高程497～513 m，管線總體走向近東西向，先后穿越水磨河沖洪積扇與甘河子河沖洪積扇中下部地帶。管線前段主要為農田區，后段主要為戈壁荒漠區。管道沿線主要發育大小沖溝約18條，溝底寬一般1.5～30 m，溝深 0.5～5 m。

3.2 地層巖性

3.3 地質構造

樁號0+000～24+956段位于天山北緣推覆構造帶北界(阜康斷裂)以北9 km或大于9 km，地震動峰值加速度為0.15g，地震烈度為Ⅶ度；樁號24+956～61+073段距離阜康斷裂較遠，地震動峰值加速度為0.10g，地震烈度為Ⅶ度。管線沿線未發現有區域性活動斷裂通過。

3.4 水文地質條件

工程區主要位于天山北緣沖洪積扇中下部細土平原區，地下水主要賦存于第四系沖洪積堆積物孔隙中，工程區內地下水補給在水平方向上，主要來自山前沖洪積扇中的第四系孔隙潛水，以潛流的形式進入工程，補給區內沖洪積層中的地下水；在垂直方向上，主要來自沿線各沖溝內地表水滲漏及農灌引水渠系水的滲漏和田間灌溉水的入滲補給。徑流方向由北向南，由高處向低處徑流。排泄方式主要以地下水蒸發，植被蒸騰及側向徑流流出排泄為主。從水質分析結果看：管道沿線地下水中HCO3-含量為 2.4～16.1 mmol/L，大于1.07 mmol/L，不存在溶出型HCO3-的腐蝕；pH值為 7.55～8.06，大于6.5，無一般酸性型腐蝕；CO2含量為零，無碳酸型腐蝕；Mg2+含量為90.4～301.3 mg/L，小于1 000 mg/L，不存在硫酸鎂型腐蝕；SO42-含量為1 218.0～2 267.0 mg/L，大于500 mg/L，對混凝土具有強腐蝕性；CL-含量為295.1～1 423.8 mg/L，大于500 mg/L，對混凝土中的鋼筋具有弱～中等腐蝕；pH值為7.55～8.06；Cl-+SO42-含量為1 513.1～3 599.6 mg/L，對鋼結構具有中等腐蝕。

4 工程地質主要特性及評價

4.1 巖土體物理力學性質

工程區內地層較單一，管基基礎土層巖性以低液限粉土為主，其次為低液限黏土。低液限粉土：埋深 0.5～6.1 m，未揭穿，土黃色，結構松散～中密。據顆分資料：粒徑大于 0.075 mm占5.88%，0.005～0.075 mm占78.6%，大于0.005 mm(黏粒)占15.6%，不均勻系數Cu為 23.7，曲率系數Cc為 3.8，比重 2.68，液限 25.3%，塑限 16.3%；據試驗資料：干密度ρd為1.42 g/cm3，天然含水率ω為10.0%，壓縮系數(飽和)a1-3為0.385 MPa-1，壓縮模量(飽和)Es為 6.22 MPa，為中等壓縮性土，滲透系數1.5×10-4cm/s，屬中等透水層。低液限黏土：埋深0.5～5.5 m，未揭穿，土黃色，結構松散～中密。據顆分資料：粒徑大于0.075 mm占3.7%，0.005～0.075 mm占60.8%，大于0.005 mm(黏粒)占35.5%，不均勻系數Cu為23.4，曲率系數Cc為 0.8，比重 2.68，液限 30.2%，塑限 16.6%；據試驗資料：干密度ρd為1.30 g/cm3，天然含水率ω為11.4%，壓縮系數(飽和)a1-3為0.636 MPa-1，壓縮模量(飽和)Es為 3.36 MPa，為高壓縮性土，滲透系數2.9×10-5cm/s , 屬弱透水層。

4.2 地基土地震液化評價

管線基礎地層巖性主要為低液限粉土、黏土，厚度較大，根據試驗顆分資料可知，低液限粉土粒徑小于0.005 mm的顆粒含量為4.5%～22.8%，低液限黏土粒徑小于 0.005 mm的顆粒含量為30.0%～45.0%。該段在管線樁號0+000～0+996、4+576～4+775、7+777～8+830、21+749～22+561、27+435～28+519等段，長4.144 km，地下水位埋深較淺，一般為3.7～5.8 m，設計挖深一般為4～6 m，基礎位于地下水位以下；樁號0+996～4+576、4+775～7+777、8+830～21+749、22+561～27+435、28+519～61+073等段，長56.893 km，地下水位埋深較深，一般大于6 m，設計挖深4～6 m，基礎位于地下水位以上。因此根據規范和勘察資料判定：樁號0+000～4+755段基礎地下水位埋深較淺，小于0.005 mm的黏粒含量偏低為13.7%～16%，由于該段地震動峰值加速度為0.15g，按規范要求小于 0.005 mm的顆粒含量不小于17%，因此不能滿足規范要求，所以初步判定該段可能發生地震液化，其余段管道基礎不會發生地震液化。建議對0+000～4+755段基礎換填砂礫石料，換填厚度1～2 m。

4.3 地基土凍脹性評價

管線基礎土層低液限粉土天然含水率 2.1%～18.9%，低液限黏土天然含水率4.5%～22.6%，地下水位埋深一般大于6 m，管線樁號0+000～0+996、4+576～4+775、7+777～8+830、21+749～22+561、27+435～28+519等段，地下水位埋深較淺，一般為 3.7～5.8 m，凍土層厚度約1.5～2.0 m，根據《凍土工程地質勘察規范》(GB50324-2014)中“表3.2.1季節凍土與季節融化層土的凍脹性分級”可知，凍脹等級為Ⅰ～Ⅱ級，凍脹類別為不凍脹～弱凍脹。

4.4 地基土腐蝕性評價

工程屬于溫帶大陸性氣候，為干旱和半干旱區域，綜合判定場地環境類別為Ⅱ類。管道樁號0+000～33+000段0～3 m范圍內的土層一般對混凝土具有中等～強腐蝕性，局部為弱腐蝕，對鋼筋混凝土中鋼筋具有中等腐蝕性，對鋼結構具有強腐蝕性，3 m以下的土層對混凝土具有微～弱腐蝕性，局部為中等～強腐蝕性；對鋼筋混凝土中鋼筋具有微～中等腐蝕性，對鋼結構具有微腐蝕性。樁號33+000～61+073段管線基礎土體對混凝土具有微～弱腐蝕性，局部為中等～強腐蝕性，對鋼筋混凝土中鋼筋具有微～中等腐蝕性，對鋼結構具有微腐蝕性。基礎土體的視電阻率為1.13～25.00 Ωm，氧化還原電位592.8～663.3 mV，對鋼結構具有中等～強腐蝕性。綜上所述，供水管線基礎土體對混凝土、混凝土中鋼筋及鋼結構均存在不同程度的腐蝕性，建議采取防腐措施。

4.5 管線基礎承載力及開挖邊坡建議值

管線基礎土體承載力建議值為100～160 kPa，局部欠固結段土層為46～50 kPa。管道開挖深度一般4～6 m，建議管溝臨時開挖邊坡1 ∶1.0～1 ∶1.5，挖、填方永久邊坡1 ∶1.5～1 ∶1.75，水下臨時開挖邊坡1 ∶2.0，欠固結土層段臨時開挖邊坡1 ∶2.5～1 ∶3.0。

5 結 論

關于阜康地區巖土腐蝕性、凍脹、高地下水、地基承載力及開挖邊坡建議值等不良地質問題在本工程周邊的水利工程中也普遍存在，余勇等[3]也進行了論述，并提出了相應的解決辦法。李紅燕等[4]對一般巖土基礎承載力，欠固結土基礎承載力及相應的開挖邊坡等都做了論述，和本文結論基本一致。