一牧場沉沙池壩址區工程地質問題及處理對策

吳春輝

(新疆兵團勘測設計院(集團)有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

新疆兵團第十四師一牧場沉沙調節蓄水池是一座以保證灌溉用水要求的引水注入式水庫，位于第十四師一牧場境內，已建容積120萬m3沉沙調節蓄水池南池，為滿足灌溉需求，需新建沉沙調節蓄水池北池，池容100萬m3，建完后可使一牧場的總池容達到220萬m3，保證1926.67 hm2灌溉面積充分灌溉。

1 工程地質條件

工程區位于于田凹陷(Ⅸ54-6)內，地震動峰值加速度為0.20 g，對應地震基本烈度為Ⅷ度，地震動反應譜特征周期0.45 s。工程區域穩定性較差，但庫壩區內無區域性活動斷裂通過，8 km范圍內無歷史中強震分布。工程區屬建筑物抗震一般地段，具備建壩條件[1]。

1.1 庫盤工程地質條件

北池壩址區地處低山丘陵區一南北走向的自然沖溝內，其平面形狀如喇叭，立面形如“U”形。壩址區段沖溝南北長約0.843 km，地形較平坦開闊，總體地勢南高北低，南側有一自然臺坎，高約9.0 m，與已建南池相距約36.0 m。沖溝東西寬約120～280 m，切割深度6～10 m，溝底高程2252～2277 m，坡度一般在2°～4°，地層主要為第四系松散堆積物[2-4]。

1.2 壩址區工程地質條件

出露巖性為第四系上更新統～全新統風積低液限粉土，壩軸線分4段。

Ⅰ段(k0+000～k0+361)巖性分3層：第①層為坡積低液限粉土(Q4dol)，厚0.5 m，稍濕，松散狀，工程性質差，建議清除。第②層為風積低液限粉土(Q3-4eol)，該層厚13.15～17.70 m，淺表層(0.5 m深度內)富含植物根系和有機質，建議清除，下部稍濕，稍密狀，建議承載力100 kPa。第③層為沖洪積卵石混合土(Q2apl)，具泥質微-弱膠結，中密-密實狀，建議承載力350 kPa。

Ⅱ段(k0+361～k0+787.81)和Ⅲ段(k0+787.81～k0+945.5)巖性為風積低液限粉土(Q3-4eol)，淺表層富含沙棗根系，建議整體清除0.5 m，局部樹根應挖除，下部稍濕，稍密狀，建議承載力100 kPa。

Ⅳ段(k0+945.5～k1+750) 巖性分2層：第①層為沖積低液限粉土(Q4al)，厚0.4～1.5 m，稍濕，松散狀，工程性質差，建議清除。第②層為風積低液限粉土(Q3-4eol)，淺表層(0.5 m深度內)富含植物根系和有機質，建議清除，下部稍濕，稍密狀，建議承載力100 kPa[5]。

1.3 壩址區水文地質條件

庫壩區地下水類型為第四系孔隙潛水，主要埋藏于第四系中更新統沖洪積卵石混合土中，地下水化學類型為CL·SO4-Na·Mg型，礦化度<1 g/l，水質好，勘察期間地下水位埋深>25 m，對本工程無影響。庫區沿排污渠附近地基土為硫酸鹽型弱鹽漬土，對混凝土結構具中等腐蝕，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋和鋼結構具微腐蝕；壩址區地基土為非鹽漬土，對混凝土結構、鋼筋混凝土結構中的鋼筋及鋼結構具微腐蝕。庫壩區地基土Na2SO4含量低，不具鹽脹性。

1.4 其他附屬建筑物工程地質條件

放水涵洞巖性分兩層：第①層低液限粉土(Q3-4eol)，厚13.6 m，稍濕，稍密狀，建議承載力100 kPa，建議臨時開挖邊坡1∶1.25～1∶1.50。第②層卵石混合土(Q2apl)，具泥質微-弱膠結，中密-密實狀，建議承載力350 kPa，內摩擦角38°。

進水涵洞巖性為風積低液限粉土(Q3-4eol)，勘探深度內未揭穿，揭露最大厚度7.0 m；稍濕，稍密狀，建議承載力100 kPa,建議臨時開挖邊坡1∶1.25～1∶1.50。

2 工程地質問題

2.1 濕陷性問題

壩址區Ⅰ段(k0+000～k0+361)低液限粉土在7.0 m深度范圍內為非自重濕陷性土，其濕陷程度為輕微～強烈，地基土濕陷等級屬Ⅰ(輕微)級，濕陷起始壓力9 kPa；Ⅱ段(k0+361～k0+787.81)低液限粉土在11.0 m深度范圍內為非自重型濕陷性土，其濕陷程度為輕微～中等，地基土濕陷等級屬Ⅰ(輕微)級，濕陷起始壓力23 kPa；Ⅲ段(k0+787.81～k0+945.5)低液限粉土在7.0 m 深度范圍內為非自重型濕陷性土，其濕陷程度為輕微，地基土濕陷等級屬Ⅰ級(輕微)，濕陷起始壓力32 kPa；Ⅳ段(k0+945.5～k1+750)低液限粉土在9.0 m深度范圍內為非自重型濕陷性土，其濕陷程度為輕微，地基土濕陷等級屬Ⅰ級(輕微)，濕陷起始壓力152 kPa。

放水涵洞、進水涵洞低液限粉土滲透變形為過渡型，其臨界水力比降0.432，允許水力比降0.210。低液限粉土在7.0 m深度范圍內為非自重型濕陷性土，其濕陷程度為輕微～強烈，地基土濕陷等級屬Ⅰ(輕微)級，濕陷起始壓力32 kPa。

2.2 地震液化及凍脹問題

庫壩區季節性凍土標準凍深1.10 m，土屬凍脹性土。庫壩區低液限粉土為液化土，液化指數在30.61～48.86之間，其液化等級為嚴重液化。放水涵洞、進水涵洞低液限粉土屬凍脹性土，同時為地震液化土，其液化等級為嚴重液化。

3 處理對策

大壩壩基和放水涵洞基礎采用強夯的處理措施，池盤采用碾壓處理方式，放水涵洞基礎采用換填水泥土的處理措施，放水涵洞豎井及閥門井部位基礎設置振沖碎石樁，進水涵管進口閥門井基礎設置振沖碎石樁，大壩下游壩坡設置蓋重區。

3.1 強夯

根據地質報告，壩址區低液限粉土在7～11 m深度范圍內為非自重濕陷性土，其濕陷程度為輕微～強烈，地基土濕陷等級屬Ⅰ(輕微)級，建議對壩區基地基土采取工程措施，采取強夯或換填處理，以消除土體濕陷性對水庫建筑物的影響。

壩基加固采用強夯法，原理是用很重的錘，從高處自由落下，給地基以沖擊和振動，使地基加密。根據規范并結合本工程實際情況，強夯前應先在場地內選擇有代表性的地段進行試夯，以確定具體落錘高度、夯錘重、夯擊點位置、夯擊點間距等參數。本工程強夯的單擊夯擊能(即夯錘重X落距)最大取3000 kN·m，夯錘底面宜為圓形，若落距取為10.0 m,則錘重為300 kN。初擬夯點間距為4.5 m，共夯4遍，其中點夯2遍，滿夯2遍，二者交替進行，強夯范圍為壩體基礎輪廓線以外5.0 m，夯實厚度8.0 m。要求強夯施工后的壩基技術指標為：壩基土的干密度>1.53 g/cm3，滲透系數<1×10-5cm/s，濕陷性系數<0.015。強夯施工過程中或施工結束后，應對強夯處理地基的質量進行檢測，使基礎達到消除濕陷性的目的。

3.2 池盤碾壓

池盤內土料開挖時，池底先預留50 cm厚土料暫不開挖，該層作為膜上覆土的備用料。鋪膜前將預留的膜上50 cm覆土揭開，對基礎面進行灑水碾壓，可采用18～20 t振動碾，碾壓6遍，1.0 m 深度內壓實度≥0.98。

3.3 換填水泥土

放水涵洞地基土低液限粉土在7.0 m深度范圍內為非自重型濕陷性土，其濕陷程度為輕微～強烈，地基土濕陷等級屬Ⅰ(輕微)級，濕陷起始壓力9 kPa，如防滲效果不佳時，低液限粉土將為地震液化土，其液化等級為嚴重液化。為消除濕陷性，壩基采用強夯處理后，方可進行建筑物施工。為增加基礎承載力，豎井底板基礎設置1.5 m厚水泥土，涵身段水泥土厚度0.9 m，進口段底板水泥土厚度1.0 m厚。水泥土選用天然砂礫石摻入水泥，水泥摻入量(質量比)20%，采用42.5普通硅酸鹽水泥，天然砂礫石中最大粒徑≤6 cm，<0.075 mm粒徑含量<10%。含水率控制在8%～12%，采用攪拌機攪拌，12 t以上振動碾碾壓，每層土的碾壓厚度≤20 cm，碾壓遍數不低于6遍，壓實度≥0.98。水泥土28 d的抗壓強度>2.54 MPa，干密度>1.9 g/cm3，滲透系數<1.0×10-4。水泥土宜先干拌再濕拌均勻，水泥土拌料鋪筑時間≤60 min。

3.4 振沖碎石樁

為消除地震液化的影響，豎井及閥門井部位基礎設置振沖碎石樁。豎井基礎樁徑1.0 m，間距2.0 m，正三角形布置，樁深12.0 m。閥門井基礎上部荷載較小，樁徑1.0 m，間距2.5 m，正三角形布置。

3.5 下游蓋重

為有效地減小地基土的濕陷性和消除地震液化的影響，在大壩樁號0+000～0+300段設置壩后蓋重，采用棄渣回填的方式，堆放寬8.0 m，高程2260.0 m，平均堆高4.7 m，堆料坡比1∶2，壓實度≥0.98。

4 結 論

(1)不同段壩軸線低液限粉土在7～11 m深度范圍內為非自重濕陷性土，濕陷程度為輕微～強烈，地基土濕陷等級屬Ⅰ(輕微)級，采取強夯及池盤碾壓處理消除土體濕陷性對水庫建筑物的影響。

(2)放水涵洞、進水涵洞低液限粉土滲透變形為過渡型，對進水涵洞基地基土采取工程措施換填水泥土以消除土體濕陷性對放水涵洞的影響。

(3)庫壩區、放水涵洞、進水涵洞低液限粉土均屬凍脹性土，液化等級為嚴重液化，同時為地震液化土，采取振沖碎石樁及下游蓋重措施減小地基土的濕陷性和消除地震液化的影響。