大型電力提灌工程改擴建勘察地質問題研究

余侃柱

(甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000)

我國共有設計灌溉面積30萬畝及以上的灌區456處，有效灌溉面積2.8億畝，是我國糧食安全的重要保障和農業農村農民經濟社會發展的重要支撐。經過多年運行，一些灌區工程設施老化失修嚴重、“帶病”運行，為遏制灌溉效益衰減趨勢，提高灌溉水利用效率和農業綜合生產能力，國家發展改革委、水利部安排中央預算內投資于1998年啟動開展了大型灌區續建配套節水改造工作[1]。國家發展改革委、水利部2017年5月10日印發《全國大中型灌區續建配套節水改造實施方案(2016—2020年)》[2]。水利部辦公廳關于印發《2018年農村水利工作要點》的通知[3]，要求確保完成新增2000萬畝高效節水灌溉面積建設任務。

大中型灌區多始建于二十世紀七八十年代，邊勘測、邊設計、邊施工為工程普遍現象，投資以政府撥款為主，自籌資金，以工代賑，以工代勞，群眾參與大會戰為主，指揮部、革委會管理模式為主，勘測、設計、施工技術水平和工藝不夠先進，工程質量與現行規范規程相比較有較大缺陷和安全隱患，應急搶險、除險加固僅針對險情影響通水局部段進行，沒有整體除險加固或改擴建維修。

筆者以興仁堡電力提灌工程(簡稱興電工程)改擴建為例，總結了中國北方典型灌區勘察中采用的方法和手段，查明工程地質條件和存在主要工程地質問題，提出設計和施工中地基處理的措施和方法，對類似改擴建工程提供借鑒。

1 工程建設背景

興電工程位于甘肅省靖遠縣、平川區與寧夏中寧縣、沙坡頭區接壤地帶，是甘肅省中部大型高揚程提黃河灌區之一，始建于1976年，1984年10月1日，總干渠建成通水，全長29.82km，設八級泵站提水，總揚程439.75m，凈揚程407.29m，引水流量9.6m3/s，灌溉面積由最早設計15.6萬畝發展到現狀30.96萬畝，年提水量1.2億m3。1985年至1987年，北干、東干渠相繼建成通水，長度分別為20.51km和37.40km，均為自流灌溉，東干渠設計流量7.0m3/s，加大流量8.5m3/s；北干渠設計流量3.0m3/s，加大流量4.0m3/s。支干渠7條總長81.59km，支渠41條總長183.04km。支渠、支干渠設計流量0.08～1.5m3/s，加大流量1.0～2.0m3/s。建筑物有泵站、分水閘、隧洞、渡槽、座槽、倒虹吸、涵洞、明渠、暗渠，附屬退水閘、節制閘、退水渠、分水口、排洪渡槽、排洪涵洞、排洪涵管、公路橋等。建成平川區水泉鎮農村飲水安全工程從總干渠下堡支干樁號6+690處取水，供水規模1500m3/d，調蓄池20萬m3，供水人口2.47萬人。建成靖遠北部興堡子川農村飲水安全工程從東干渠4#隧洞出口取水，供水規模5400m3/d，調蓄池54.61萬m3，供水人口10萬人。興電灌區現狀受益區包括靖遠縣北部4個鄉(鎮)及平川區的2個鄉(鎮)共計農村人口16.65萬人。工程規模和等級為Ⅲ等中型。興電灌區周邊適宜發展農業灌溉土地總面積約58萬畝，因水資源及工程設施有限暫不能開發利用，仍處于干旱狀態。通過改擴建使興電灌區內農村飲水安全工程保證率達到95%，灌溉保證率達到75%，新發展灌溉面積10萬畝，緩解灌區用水緊張的局面，實現就地解決貧困人口2萬多人、易地搬遷貧困人口2萬人精準扶貧任務，為該區域脫貧奔小康創造必要條件。

2 工程地質

總干渠一級泵站從黃河右岸邊取水，地貌類型有黃河右岸三級階地、山前洪積扇(群)及山前丘陵區、低中山基巖區、黃土梁峁，齊家大峴隧洞以后段為黃土梁峁及黃土川臺地。東干渠及北干渠從齊家大峴隧洞出口總分水閘始，地貌為黃土梁峁及黃土川臺地、興仁堡坳陷盆地。工程區出露地層有志留系(S)、二疊系(P)、三疊系(T)、侏羅系(J)、白堊系(K)、新近系(N)，第四系(Q)堆積物，以加里東運動最為強烈，表現為強烈沉降和局部隆升。北干渠、東干渠及其支渠為大面積第四紀黃土所覆蓋。據《甘肅省地震危險區劃研究》[4]，工程區一級構造單元為Ⅰ祁連山褶皺系，二級構造單元為Ⅰ-3祁連山中間隆起帶，青藏北部地震區(Ⅰ1)南北地震帶(Ⅱ3)景泰地震亞帶(Ⅲ4)，強震主要沿景泰及寧夏固原、海源一線分布，綜合預測結果，100年內將發生1次6級地震，發震概率為87%。總干、東干、北干渠線路近場區無潛在震源區，主要受遠場地震波及影響。據《中國地震動參數區劃圖》GB 18306—2015，總干、東干、北干渠地震動峰值加速度值均為0.30g，地震基本烈度為Ⅷ度，地震動反應譜特征周期均為0.45s，區域構造穩定性為穩定性較差。抗震設防烈度為8度。工程區主要不良物理地質現象為山洪。

工程區屬溫帶半干旱氣候，多年平均降水量200mm，年平均蒸發量2390mm，最高氣溫出現在7月，平均為21.3°C；最低氣溫出現在1月，平均為-8.6°C；極端最高氣溫達34.1°C，極端最低氣溫-23.2°C，平川最大凍土深度93cm，北灘、靖安最大凍土深度86～120cm。

3 勘察方法

改擴建工程的勘察設計和施工，首先要保證灌區灌溉、社會經濟各行業及農村人飲生活供水，興電工程施工只能安排在非灌溉期當年冬灌結束后即12月至翌年春灌前即4月，其它時段必須保障正常通水。

勘察中執行規范GB 50487—2008《水利水電工程地質勘察規范》[5]、SL 55—2005《中小型水利水電工程地質勘察規范》[6]、SL 629—2014《引調水線路工程地質勘察規范》[7]、SL 251—2015《水利水電天然建筑材料勘察規程》[8]、》SL 299—2004《水利水電工程地質測繪規程[9]、GB 50025—2004《濕陷性黃土地區建筑規范》[10]、SL 326—2005《水利水電工程物探規程》[11]等。上述規范規程都是適應新建水利水電工程地質勘察，對已經運行多年工程，勘察階段、任務和內容，勘察方法，勘察工作量布置和試驗檢測項目，沒有規范規程依據條(款)，參照上述主要規范規程進行。針對改擴建工程的特點，依勘察經驗和既有手段方法來達到勘察委托要求。筆者建議，在修訂勘察規范規程時增補改擴建方面勘察和設計條(款)，給業主、勘察、設計、管理層提供技術支撐依據。

興電工程勘察盡量利用灌溉停水期間進行，勘探點盡量布置在渠線周邊，少量勘探點布置在建筑物軸線，及時恢復到通水狀態。布置機械洛陽鏟、探坑、鉆孔、檢測點，無損傷檢測主要采用地質雷達、高密度電法、混凝土回彈儀、超聲波檢測儀，通過勘探取芯、取樣試驗、靜荷載試驗、檢測，結合平面、剖面工程地質測繪，并充分收集、分析、利用已有前期勘察、竣工資料，運行過程中觀測、檢測、除險加固資料，進行資料對比分析，建筑物地基30年來與原狀地基參數變化特征的對比，提出改擴建過程中應采取預防和防范措施。

4 工程地質問題及對策

4.1 邊坡穩定性

巖質邊坡：總干傍山明渠、暗渠、渡槽進出口、14座隧洞進出口，邊坡組成均為巖石，邊坡穩定，削坡比1∶0.3～1∶0.5，洞臉設置排水溝，裂隙發育帶，防止坍塌、墜石，采用錨噴或防護網。

土質邊坡：總干、東干、北干、分干渠、支渠，傍山明渠、暗渠、渡槽進出口，東干、北干渠隧洞進出口，邊坡組成為黃土類土，邊坡自上而下為馬蘭黃土、黃土狀土、老黃土，開挖削坡2～6級馬道，在洞口處設置混凝土預制塊或漿砌石防護，邊坡整體無防護，經30多年雨水沖刷，風化剝蝕，局部形成小沖溝和落水洞，邊坡穩定存在安全隱患。開挖削坡比1∶0.5～1∶0.75，坡高每8m設置1.5～2.5m寬馬道，在坡頂及坡面設置縱橫向排水溝渠，對洞簾邊坡采用錨噴或漿砌石防護。

4.2 隧洞圍巖穩定性

總干1#～3#隧洞圍巖為白堊系下統河口群(K1hk)砂巖、砂質泥巖，5#～9#隧洞圍巖為新近系中統咸水河組(N1x)、上新統臨夏組(N2l)砂巖、含礫砂巖、礫巖、黏土巖，10#～13#隧洞圍巖為志留系馬營溝組(S1m)千枚巖、板巖夾變質砂巖，14#隧洞(即齊家大峴隧洞)圍巖為三疊系上統延長群(T3yn)砂巖、黏土巖、礫巖，侏羅系中統紅溝組(J2h)礫巖、砂巖、砂質泥巖、泥質粉砂巖、煤層。圍巖全部屬軟質巖，采用SL 55—2005劃分圍巖類別，洞身以不穩定Ⅳ類圍巖為主，進出口、斷層帶、裂隙密集帶、古河道為極不穩定Ⅴ類。

東干及北干渠隧洞進出口均為第四系上更新統(Q3)黃土狀土，洞身圍巖為第四系中更新統(Q2)老黃土、粉質黏土、粉質砂壤土夾粉細砂薄層、透鏡體，采用《引調水線路工程地質勘察規范》SL 629—2014劃分圍巖類別，東干渠15座隧洞洞身圍巖類別為黃土隧洞Ⅳ2類，進出口為黃土隧洞V1類，北干渠9座隧洞圍巖類別全為黃土隧洞Ⅳ2類。

通過鉆探巖芯探測隧洞圍巖的滲漏、坍塌、變形、地下水情況，地質雷達沿隧洞拱頂縱軸線、起拱線與側墻交匯處縱向掃描探測，選取典型橫剖面橫向沿隧洞周邊掃描探測，分析解譯隧洞現狀襯砌體周邊空腔、不密實層、松動圈、破碎帶、不密實段分布范圍及預測擴洞開挖過程中可能出現坍塌、超欠挖段，更好為設計施工提供充分依據。

4.3 黃土濕陷性

明渠基經過30多年通水運行，現狀襯砌凍脹破損嚴重，施工縫變形及止水帶破損段，渠水滲漏浸泡已基本消除表層自重濕陷量。改擴建時(Q2)老黃土、粉質黏土，砂礫石、砂碎石類渠基，平夯處理。(Q3)黃土狀土、(Q4)黃土狀土渠基原土翻夯1.0～1.5m或夯實處理。黃土類土渠基含水量大于25%時呈橡皮土，翻夯或夯實較困難，采用拋礫卵石擠淤加水泥土墊層，翻夯或夯實后壓實系數要求大于0.94。

4.4 渡槽、倒虹吸地基處理

總干渠渡槽進出口墩基嵌入砂質泥巖內3.0m，溝谷下部嵌入千枚巖、粉砂質泥巖內2.5m。

東干及北干渠渡槽、倒虹吸地基為(Q4)黃土狀土、(Q3)黃土狀土、(Q2)老黃土、粉質黏土，對黃土地基采用樁基，一般穿透自重濕陷性下限，或進入老黃土內3～5m，采用摩擦灌注樁，樁深度一般15～25m，樁徑0.5～0.8m。

4.5 渠道滲漏問題

基巖渠基斷面采用矩形，黃土類采用弧底梯型渠、平底梯型渠、矩型渠，以弧底梯型渠斷面為主。總干、東干、北干渠采用現澆c20～c25混凝土或厚度8～12cm六邊形c20混凝土預制塊襯砌邊坡，渠底為反拱預制板襯砌，支、斗渠預制U形槽襯砌，邊坡比1∶1.25～1∶1.5。從多年防滲和防凍脹的經驗，砼預制塊六邊形較矩形效果好，渠基防滲鋪設200g/m2/PE0.3mm/200g/m2，施工縫采用“652”橡膠止水帶，填縫材料背水面采用聚乙烯泡沫板，迎水面采用1∶1.4瀝青水泥砂漿。

4.6 凍脹問題

凍脹破壞屬季節性，凍結時間從冬灌結束后每年11月初—翌年3月底，最大凍土發生在12月—翌年1月，渠道陰坡較陽坡凍脹破壞嚴重，表現為襯砌預制板產生鼓脹、隆起、裂縫、變形移位、接縫錯臺、脫落、坍塌，凍脹主要發生在明渠渠基為(Q4、Q3)黃土狀土渠基。基巖及(Q2)老黃土、粉質黏土渠基一般不會發生凍脹破壞。

防凍脹采用渠道斷面結構調整、換基、保溫措施。采取弧底梯型渠斷面，當地砂礫石料源豐富，渠基為黃土狀土，除采用消除濕陷性原土翻夯外，換填經水沖洗后，顆粒粒徑為5～40mm級配，厚30～50cm砂礫石墊層，消除凍脹。渠基為砂礫石、砂碎石，采用原基平面夯實。缺乏砂礫石料源時采用6～10cm厚的聚苯乙烯保溫板防凍脹，不對渠基土進行攏動和換填。工程管理上采取冬灌結束后，立即排空渠道內的積水，避免凍脹發生。

4.7 地震液化問題

工程區地震動峰值加速度值為0.3g，地下水埋深處于基礎以下40～60m，對建筑物地基沒有影響，通過標準貫入試驗、相對密度等判定無地震液化問題。

4.8 填方渠基處理

當時施工為人工夯填為主，經檢測壓實系數達不到設計要求(λ≥0.94)，在運行過程中滲漏、沉降、裂縫、潰渠、決口和坍塌時有發生，搶險加固采取培厚、堵滲，改造時分段檢測填筑土體含水率、密度，換算為壓實系數，不滿足設計要求時按最優含水率、最大干密度重新夯填，必須達到設計要求壓實系數或密實度。

4.9 軟基處理

改建中若渠基及隧洞底地基被浸泡含水量達到25%以上，呈軟塑、流塑狀態，即橡皮土，清基較困難采取拋卵礫石擠淤夯實，回填墊層處理。

4.10 淤積問題

渠底淤積的淤泥質土、泥沙，每年需進行清理。改造時調整縱坡和流速，襯砌渠道，降低糙率，泵站前池沉淀減少水源泥沙含量，沿線設置排洪渡槽、排洪渠禁止山洪攜帶泥沙進入渠內。

4.11 地下水動態預防

灌區已逐漸關閉開采地下水部分機井，設立監測長觀井，定期觀測水位、水量、水質、水溫的變化趨勢，通過科學合理灌溉制度保障灌區地下水動態趨于平衡狀態，灌溉回歸水補充地下水，地下水位逐漸恢復抬升，灌區不會引起次生環境地質災害。

4.12 次生鹽漬化預防

實施高效節水灌溉，改變粗放型大水漫灌，實施噴灌、微灌和管灌，“需水灌溉”“精準用水”技術快速發展，壓縮高耗水作物比例，灌區糧、經、林草種植結構由現狀47∶34∶19調整為規劃水平年2020年的36∶24∶40，優化綜合灌溉定額，控制地下水位的快速抬升，監測灌區地下水動態，抑制鹽漬化和浸沒的發生。

4.13 生態環境問題

灌區實施高效節水，糧、經、林草種植結構的調整，阻止風沙的侵蝕，合理開發利用未開墾土地，移民的遷入，精準脫貧、鄉村振興、農村農業現代化的實施，鄉村山水林田路居住環境整體改善提升，灌區生態環境將發生較大的改變，實現青山綠水，秀美山川。

5 結語

通過對興電工程地質勘察的總結，為類似工程改擴建勘察及工程地質問題處理提供了借鑒經驗和方法。我國北方干旱氣候與南方濕潤氣候環境，地基特征差異，需要改擴建、除險加固、原有建筑物的利用與新改造相結合，在勘察規范規程里沒有條(款)，建議在修訂時增加灌區既有建筑物改擴建、利用與改造相結合勘察規范規程條(款)，為業主提供勘察合同管理與投資控制依據，為勘察提供法規依據，為主管和審批機構提供決策支撐依據，為灌區改擴建實施提供技術保障。