新疆蘇巴什水庫壩基Q1礫巖溶隙的成因機理分析與處理

王 旭，李志軍

(新疆水利水電規劃設計管理局，烏魯木齊 830000)

1 工程概況

蘇巴什水庫位于柯坪縣西北約10 km的蘇巴什河出山口，是蘇巴什河上游的控制性工程。水庫正常蓄水位1 315.00 m，相應庫容1 470萬m3，工程建筑物主要由左岸混凝土面板砂礫石壩，右岸重力式擋墻、泄洪、沖沙、引水閘和混凝土重力壩組成，最大壩高35.5 m，壩頂寬8 m。

工程壩址河床基巖主要由Q1礫巖構成，根據勘察和施工揭露壩基礫巖存在NEE向陡傾角溶隙，對建筑物穩定和壩基防滲影響較大，礫巖陡傾角溶隙的工程特性和處理是壩基的重要工程地質問題。

2 地質環境條件

場區處于柯坪推覆構造帶 (亦稱柯坪斷塊)東段，柯坪推覆構造帶由多排近NEE向的逆沖斷裂和薄皮式褶皺構造組成，逆沖席體指向南，朝著塔里木盆地方向。工程區所處的東段表現為3排逆斷裂一褶皺帶，總體地貌輪廓由3排單斜構造和2個狹長的山間盆地組成，工程區位于第二排依木干塔烏逆斷裂―褶皺帶南緣。

3 工程區巖溶的分布規律

巖溶現象在壩址區普遍發育，地表和地下均有不同程度的巖溶發育，但總體規模較小，形態各異，主要表現為溶洞、溶孔、溶隙等。

溶洞主要在兩岸灰巖岸坡坡腳沿層間擠壓帶和構造破碎帶發育，由河水淘蝕和溶蝕共同作用形成，洞徑一般小于2.0 m，深度2～5 m，規模小，分布少，主要分布于壩址下游左岸坡腳，對工程影響不大。

溶孔在灰巖和礫巖中均有分布，溶孔孔徑一般較小，微小溶孔呈針孔狀，最大為2 cm。

灰巖中溶隙主要沿層面和層間擠壓帶發育，溶隙寬度0.1～0.5 cm，局部地段寬1～3 cm。河床壩基Q1礫巖中主要發育NNE向溶隙，與河流大角度相交，陡傾NW或SE，傾角80～90°，裂隙面起伏、粗糙，常見厚度0.2～0.5 cm的碳酸鹽結晶體，見圖2。該組溶隙主要在右岸重力擋墻段和趾板段發育，重力擋墻長55 m，共發育7條溶隙，間距4～15 m，張開寬度一般1～5 cm，局部寬度達到22 cm，如圖3、4；左岸趾板段長371 m，共發育14條溶隙，規模較小，寬度一般小于1 cm。從壩基開挖情況來看，該組裂隙大部分東西向貫穿河床，走向基本與巖層走向平行，向上未穿透中更新統礫巖層，向下切穿Q1礫巖層。

4 壩基礫巖溶隙的成因機理

從壩基礫巖溶隙的分布特征與工程區的構造活動特征來看，礫巖溶隙的形成與新構造活動、巖石成分和地下水的運移規律有關。

中新世—早更新世印度板塊與歐亞大陸板塊全面碰撞，天山晚古生代褶皺和斷裂構造重新復活隆起，并向南北兩側推擠，同時受帕米爾向北急劇擠壓所形成的NNW向左行走滑斷裂活動影響，在前陸盆地中形成現今由多排弧形褶皺-逆斷裂帶組成的柯坪推覆體。推覆體地殼結構特征是前陸盆地以下沿寒武系底界面存在低角度滑脫斷裂，埋深5～10 km，南淺北深，總體北傾。晚第四系至今柯坪推覆體仍在活動變形，而變形在地表和近地表主要表現為褶皺山南的戈壁灘上發育一系列的新生小褶皺，且變形在空間上具有不均一性，表現為地殼總縮短量由西向東減小，新生代構造變形具有西強東弱、南強北弱的特點[1]。

工程區處于柯坪推覆構造帶東段第二排依木干塔烏逆斷裂―褶皺帶南緣，如圖5所示，褶皺較剛性的寒武紀灰巖已出露地表，褶皺山在地表為單斜構造。新近系末期推覆構造帶形成后，第四系松散堆積物開始在盆地和侵蝕河谷搬運、沉積，根據前人對工程區冰水沉積礫巖研究認為，該層礫巖組形成于早更新世，主要分布于工程區上游山間盆地邊緣和庫壩區河谷內，盆地邊緣厚度一般400～600 m，河谷厚度40～120 m，不整合覆蓋于古生代地層之上，礫巖主要由灰巖、砂巖次圓狀碎石、碎屑組成，磨圓度一般，分選性差，鈣質膠結，膠結較好，飽和抗壓強度一般30～40 MPa，巖質較堅硬，礫巖上部致密膠結，透水性差，下部顆粒級配較差，缺少細顆粒，透水性較強。

早更新世礫巖形成后，由于受到區域南北兩側構造推擠作用，依木干塔烏褶皺山體仍在隆起變形，在隆起變形的過程中單斜山體寒武系—奧陶系灰巖產生層間錯動，形成順層分布斜向上的剪切應力，剪切應力直接作用于壩址河谷水平覆蓋地表的礫巖底部，使得礫巖被頂起，由于灰巖各層面間的應力差異使上覆礫巖被剪斷，形成與灰巖走向近平行、間距不等的NNE向陡傾角張裂隙，而從裂隙的延伸情況來看，裂隙只延伸到礫巖頂面3 m以下(見圖6)，未延伸至Q2礫巖頂面，且裂隙未充填第四系松散物，這說明裂縫形成后河谷繼續接受沉積、成巖，隨之層間錯動停止，這與晚第四系以來柯坪推覆體活動變形主要表現在褶皺山南的新生小褶皺相對應[2]。

礫巖NNE向陡傾角張裂隙形成后，地表水沿裂隙向下入滲，后沿下部透水較強的粗礫巖和巖性接觸帶向河道下游排泄。由于礫巖成分主要為灰巖，且為碳酸鈣膠結，在水的作用下易產生溶蝕現象，經過長期的溶蝕和沖蝕作用，裂縫逐漸變寬，形成現今的陡傾角溶隙。另外，從勘探揭露來看，礫巖層地下水位埋深一般在15 m以下，壩線下游部分地段地下水位在100 m以下，礫巖中現今地下水徑流較弱，其原因主要是工程區屬干旱地區，地下水的補給主要來源于蘇巴什河地表徑流，河水徑流不大，且礫巖裂隙未延伸至地表，頂部完整且一直延伸到上游盆地起到了一定的隔水作用，同時也說明裂隙的溶蝕、侵蝕可能主要發生在裂縫形成初期的早更新世。

5 壩基礫巖溶隙危害分析

蘇巴什水庫工程基礎出現的裂隙屬于巖溶現象，在Q1礫巖中出現溶隙在新疆尚屬首次，為查明溶隙分布及特性，提出有針對性的處理意見，除進行了施工現場補充勘察工作外，還特別邀請了國內知名專家就基礎溶隙的成因、危害及處理方案進行了咨詢，結合現場補勘的成果和專家咨詢意見，對壩基溶隙的危害性分析如下：

(1) 根據對礫巖溶隙的研究認為，溶隙形成于早更新世，現今活動不明顯，今后發生再次活動的可能性不大，溶隙現今溶蝕微弱。

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(2) Q1礫巖巖層鈣質膠結，且膠結程度較好，強度較高，屬中硬巖，巖體完整性較好，而溶隙陡傾，且間距較大，作為重力式擋墻和泄水建筑物的基礎，承載力能夠滿足設計要求。

(3) 由于溶隙延伸較長，切割較深，連通性較好，且部分穿過壩體及防滲帷幕，構成了壩基的滲漏通道，存在滲漏問題，需采取防滲措施。

6 壩基溶隙的處理措施及效果

6.1 處理措施

根據上述分析，右岸閘壩段基礎巖體裂隙不存在抗斷和滲透穩定問題，基巖承載力能夠滿足設計要求，但考慮到工程的安全可靠性，施工仍然對基礎加強了加固處理。壩基基礎和防滲處理措施如下：

溶隙混凝土塞：為便于溶隙的灌漿施工，沿基坑內裂隙發展方向進行混凝土塞的槽挖，刻槽深度0.5～2 m，混凝土塞內設置錨桿，長度4.5 m，深入巖石3.5 m，錨桿的間排距1.5 m，并在溶隙刻槽巖石表面設置并縫鋼筋[3]。

溶隙端頭圍封：溶隙混凝土塞刻槽完成后，在每條溶隙兩端各設置6個鉆孔，進行端頭灌漿封堵，鉆孔呈傘形分布，見圖7，孔徑150 mm，鉆孔間距30 cm，鉆孔鉛直，深度32 m，灌注C20細粒混凝土或M15砂漿。對于張開較大的溶隙將注漿管伸入溶隙，采用由下而上灌注砂漿。

溶隙騎縫灌漿：溶隙混凝土塞施工完成后，沿溶隙兩側進行騎縫灌漿，灌漿孔距2 m，交叉斜孔，施工時確保鉆孔穿過裂隙。水平面夾角76～86°；灌漿材料為水泥漿和M25砂漿，灌注壓力不小1 MPa，灌漿遵循先兩頭后中間的順序[4]。

溶隙監測：在重力式擋墻基礎主要裂隙中埋設18只滲壓計，用以監測溶隙滲流；在趾重力式擋墻的墻踵和墻趾處分別埋設2只三點式巖石變位計，用以監測溶隙的變形。

6.2 溶隙處理效果

溶隙處理完成后，對溶隙封堵和帷幕灌漿采用鉆孔進行取芯和壓水實驗進行檢查，經檢查溶隙封堵段充填密實，壓水實驗值均小于3 Lu，封堵和灌漿效果均達到了預期效果。工程于2017年建成運行，運行期滲壓計和變位計監測均未發現異常，壩基和建筑物也未發現滲漏和變形。

7 結 論

(1) 裂隙形成于早更新世依木干塔烏褶皺山隆起時，灰巖產生層間錯動，使上覆礫巖被剪斷而形成張裂隙，后期在地下水的溶蝕和沖蝕作用下裂縫逐漸變寬，形成現今寬度較大陡傾角溶隙。

(2) 從溶隙的分布、地下水分布、自然氣候和新構造活動特征分析，溶隙形成于早更新世，現今活動不明顯，今后發生再次活動的可能性不大，溶隙現今溶蝕微弱。

(3) 礫巖強度較高，屬中硬巖，巖體完整性較好，而溶隙陡傾，且間距較大，對建筑物基礎影響不大，但存在滲漏問題，需加強防滲處理。

(4) 施工考慮到工程的安全可靠性，仍然對基礎加強了加固處理，設置了相應的滲流和變形檢測，并加強了溶隙發育段的帷幕灌漿。

工程于2017年建成運行，至今運行良好，壩基和建筑物未發現滲漏和變形問題，說明工程對裂隙的封堵和灌漿處理起到了良好的作用。