阿克肖水庫工程地質勘察及處理

袁道隴

(新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

國內外許多樞紐工程的河床分布有古河槽，比如烏魯瓦提水庫、斯木塔斯水電站、大石峽水利樞紐、吉林臺二級水電站、五一水庫、大石門水庫等工程均分布有古河槽，其中有些樞紐工程在勘察時未查明古河槽的分布及槽內堆積物的物理力學性質，未對古河槽進行處理或處理不徹底，水庫蓄水后庫水沿古河槽滲漏，水庫不能蓄水，工程不能正常運行。

本工程經過精心設計勘察，使施工順利進行，未進行過補勘，施工時無重大設計變更，工程在經過2年多點時間就基本建成。水庫蓄水后至今約3年，大壩和泄水洞等建筑物穩定，壩后無滲漏現象。

1 概況

阿克肖水庫工程位于巍昆侖山南麓，新疆和田地區皮山縣阿克肖河下游山區河段上，是阿克肖河上唯一的控制性水庫，主要任務是承擔下游皮山縣的灌溉和防洪任務。阿克肖水庫總投資約7.2億元，水庫正常蓄水位2452.0m，相應庫容3993.1萬m3，為Ⅲ等中型工程，由大壩、導流兼沖沙泄洪洞、溢洪道等建筑物組成，壩型為瀝青混凝土心墻壩，心墻最大壩高近60m，心墻底部采用放大基礎與混凝土基座相連，其中古河槽段為深87m的混凝土防滲墻。

該工程于2016年7月7日開工建設開始，2018年10月基本完成，施工時無重大設計變更，于2018年11月通過由新疆維吾爾自治區水利廳組織的下閘蓄水驗收，2019年4月進行下閘蓄水，阿克肖水庫經過兩年多的蓄水，壩體無明顯沉降，壩后無明顯滲漏現象，工程運行狀態良好。

本工程屬水利工程中典型的“三高一深”工程，烈度高、海拔高、邊坡高、覆蓋層深厚。壩址區50年超越概率10%地震動峰值加速度為0.2g，基本烈度為Ⅷ度，壩線下游1.2km的河床上分布有早中更新世斷層，壩址區的區域構造穩定性較差，大壩處于高烈度區。大壩左右壩肩山頂海拔高程2660～3000m，大壩處于高海拔區。導流兼泄洪沖沙洞閘井永久邊坡高150m，存在超高邊坡。左岸古河槽覆蓋層最大厚度達105m，壩基下有深厚覆蓋層。

阿克肖水庫工程區地處高山區，多年平均氣溫在6.9℃，全年霜凍日期最長204d，霜凍期長，勘察及施工的氣候條件差。壩址區基巖為元古界綠泥石石英片巖，河谷各級階地面廣泛分布厚層風積低液限粉土層，并分布寬深的大型古河槽，勘察難度大。但經過精心研究和勘探，針對不同的勘探難點采用相應不同的勘探方法，或幾種勘探方法進行相互驗證，查明了工程區的工程地質條件。據施工揭露表明，工程地質條件與勘察成果基本一致，使施工順利進行。

2 工程勘測的主要難點

本工程的主要難點有壩址區分布大型的寬深古河槽、筑壩材料料場內含有鈣質弱膠結體、壩址區(特別是導流洞進口)分布厚層風積低液限粉土層、壩址現代河床狹窄且水流湍急等問題。

2.1 壩址區分布大型寬深古河槽

壩址區河谷寬630～770m，主要分布Ⅲ、Ⅳ級階地，階地面地形較平坦開闊，均覆蓋第四系風積低液限粉土，沿河坎邊斷續出露基巖，基巖呈順河向的山梁狀，山梁順河長150～400m不等，垂直河寬5～30m，山梁頂部高出河床15～20m，山梁順河間距50～180m，山梁之間為第四系砂卵礫石，初步判斷壩址兩岸分布有古河槽，可能有多條古河槽，也可能是一條大型的古河槽，其進出口呈樹杈狀，并且可能在兩岸穿插。壩址發育有大型古河槽，查明古河槽條數、寬度、走向及斷面形狀等分布形態的難度大。

故須完全查明古河槽條數及其邊界條件等分布形態，查明古河槽內堆積物的組成[1]，特別是有無軟弱夾層、有無架空層、砂層等不良地層，其堆積物能否作為壩基。查明壩基古河槽內深厚堆積物的不均勻沉降變形、地震液化判定、滲透及滲透變形等問題的難度大。

2.2 筑壩材料料場內分布有鈣質弱膠結體

原筑壩材料的運距較遠，故考慮用壩后古河槽內砂卵礫石作為筑壩料。但該地層主要為中更世地層，局部含鈣質弱膠結層，可能會形成架空現象，其相對密度不滿足要求，會影響填筑質量[2]。故須查明鈣質弱膠結層透鏡體分布位置、形態、膠結程度、膠結層的含量比等，但查明的難度大。

2.3 壩址分布厚層風積低液限粉土層

壩址區分布厚7～33m的風積低液限粉土層，可能存在地震液化、濕陷、滲透變形、腐蝕性等問題。須查明厚層風積低液限粉土層，能否作為壩基或作為筑壩材料；查明導流兼泄洪沖沙洞進口的厚層風積低液限粉土是否威脅放水及其處理意見。查明厚層低液限粉土的物理力學性質難度較大。

2.4 壩址現代河床狹窄且河水湍急

壩址現代河床兩岸邊坡近直立，河床底寬約10m，并且常年流水，水深3～6m，河水湍急，水上鉆探困難；河床下切深25～30m，架吊橋鉆探也困難。查明現代河床覆蓋層厚度、基巖埋深及其透水性的難度大。

2.5 庫區及右壩肩分布傾倒體

庫區和右壩肩各分布1個傾倒體，估算方量分別約15萬、10萬m3，蓄水后傾倒體可能產生塌滑或蠕動變形，產生涌浪，危脅大壩安全。須查明傾倒體的穩定性，其對水庫和大壩的安全性影響。

2.6 庫岸分布大厚度低液限粉土

庫岸分布厚度5～35m的低液限粉土，存在庫岸滑坡及再造現象，威脅大壩安全。須查明庫岸低液限粉土的厚度及其對水庫的影響。

3 工程勘測的先進性

3.1 查明大型寬深古河槽分布及其作為壩基的分析與評價的方法

新疆的許多水利樞紐工程中均分布有古河槽，古河槽的處理是新疆壩工建設近年來遇到的突出問題，也是壩基處理的關鍵部位[3]。筆者長期從事新疆大型水利工程地質勘察，通過查看多個工程中古河槽的分布情況及特征，分析整理出古河槽勘察的思路及方法。

古河槽勘察思路：在古河槽勘察時采用地質測繪，初判古河槽進出口；再采用不同電法、地震等多種物探方法初步查明古河槽分布形態；然后利用鉆探進一步查明了壩址區古河槽的走向、縱橫斷面分布形態；部分鉆孔覆蓋層采用植物膠連續取芯，查明了古河槽內堆積物巖性；部分鉆孔內配合動力觸探，結合物探鉆孔綜合測井，查明了古河槽內大厚度砂卵礫石結構密實程度，液化性，判斷能否作為壩基；在鉆孔不同深度和平硐內進行注水試驗等方法，查明了古河槽內滲透性，為選定科學合理防滲線提供有力的依據；防滲墻施工前采用打先導孔進一步驗證古河槽基巖面，采用準確、快速、省錢的鉆進工藝，判斷基巖面。

古河槽勘察方法：采用洞探、探坑、豎井、大口徑鉆孔，以及植物膠鉆進連續取芯和物探綜合測井等手段查明砂卵礫石中的鈣質膠結層透鏡體分布情況。

阿克肖水庫工程古河槽勘察過程：

(1)勘察時先進行地質測繪，根據巖采用不同電法、地震等多種物探方法初步查明古河槽分布形態，再利用鉆探進一步查明了壩址區古河槽的走向、縱橫斷面分布形態。查明了左岸古河槽斷面呈寬“U”型，底寬120～150m，頂寬350～380m，最大深度105m，其槽底比現代河床基巖面還低45m。

(2)部分鉆孔覆蓋層采用植物膠連續取芯，查明了古河槽內堆積物均為砂卵礫石。

部分鉆孔內配合動力觸探，結合物探鉆孔綜合測井，查明了古河槽內大厚度砂卵礫石結構密實，為不液化地層，可作為土石壩壩基。

(3)在鉆孔不同深度和平硐內進行注水試驗等方法，查明了古河槽內砂卵礫石屬中等-強透水層，局部屬極強透水層，滲透變形形式為管涌型。如不采取防滲處理，易發生滲透變形，須進行全斷面防滲處理，為選定科學合理防滲線提供有力的依據。

(4)防滲墻施工前采用打先導孔進一步驗證古河槽基巖面，采用準確、快速、省錢的鉆進工藝。打先導孔時先采用潛孔鉆快速鉆進，通過巖粉初判是否為基巖，再用回轉連續取芯，準確判斷。為避免別的工程中將古河槽內大漂石誤作為基巖的誤判，形成壩下滲漏通道，先導孔須進入基巖10m，結合勘察時的經驗，查看這10m基巖的風化情況，進一步判斷是否進入基巖。

3.2 查明厚層砂卵礫石中鈣質膠結層分布的方法

壩后古河槽內砂卵礫石儲量豐富，但含有鈣質膠結層透鏡體，會影響壩體填筑質量。勘察時采用洞探、探坑、豎井、大口徑鉆孔，以及植物膠鉆進連續取芯和物探綜合測井等手段，查明了壩后古河槽砂卵礫石中鈣質膠結層透鏡體分布情況，使開采時避開大面積的鈣質膠結層，從而保證施工時的開挖料均滿足規范規程要求。

開挖后形成的大坑又采用壩基清廢的低液限粉土等棄渣料回填。工程建設后無大坑，減少了水土流失，增大了綠化面積，使生態環境質量趨好，實現了很好的社會效益。

3.3 查明厚層低液限粉土物理力學特性的方法

采用物探、鉆探、不同高程布置堅井，查明了壩址區低液限粉土厚度為7～33m。據分層取樣的試驗資料表明，該大厚度的低液限粉土具有密度低、中壓縮性、輕微或中等濕陷性、地震液化等不良工程特性。根據濕陷性黃土的增濕變形的基本特征[4]，將該粉土作為壩基時采用強力夯實、預先浸水、表層換填+強力夯實等方法[5]，用7000kN·m能消除表層6m以內干燥粉土的濕陷性[6]，表時強夯的深度有限，其下部還有厚層的低液限粉土仍不能滿足大壩基礎要求，故該低液限粉土不能作為壩基，須進行清除處理。

低液限粉土作為壩體防滲土料，黏粒含量低，塑性指數偏低，擊實(包括重型擊實)后滲透系數偏大，天然含水率偏低；作為均質壩土料，黏粒含量低，擊實后滲透系數偏大；均不能滿足規程技術質量要求。故壩址區的低液限粉土不能作為壩體防滲土料及均質壩土料，應清除。

3.4 黏粒含量少的低液限粉土在動水下的邊坡穩定分析與利用

導流兼泄洪沖沙洞進口引渠段長330m，兩岸分布風積低液限粉土，厚度5～33m，沖沙洞泄水后可能會淤積堵塞閘井。由于兩岸粉土延伸較遠，全部清除粉土的困難大。并且臨近閘井的渠道右側發育有寬約200m沖溝，表層粉土厚度20～33m，垂直渠道方向的地面坡度越來越高，緩傾角削坡的難度也大。

在查明工程區低液限粉土的物理力學性質后，表明粉土中黏粒含量極少，3%～9%，為黏粒含量低的低液限粉土。分析認為該黏粒含量低的低液限粉土在動水壓力[7](流動水)作用下，會受到動水壓力，沒有穩定的邊坡，基本均會被水流帶走。統計庫區不同高程處岸坡坡度，結合試驗資料以及經驗，認為低液限粉土邊坡20°左右時，在動水作用下基本不會有塌方。

為節省投資，未對導流兼泄洪沖沙洞進口厚層的低液限粉土全部清除，施工時引水渠的低液限粉土開挖邊坡為1∶3，每10m一級馬道，從渠道起點至閘井處低液限粉土為1～3級馬道，其中臨近閘井段為5級馬道。通過水庫科學合理的蓄放水后，表明低液限粉土均是由下而上逐漸隨水流走，沒有發生過塌方現象，最終引水渠邊坡上的低液限粉土基本均被水流帶走了，保證了閘井前引水渠的低液限粉土不會產生淤積堵塞閘井。

3.5 查明窄深且河水湍急河床覆蓋層厚度的方法

采用水上物探及水上架木籠鉆探，查明了壩址現代河床覆蓋層的厚度、基巖物理力學性質。

壩址現代河床狹窄并且河水湍急，水流速度大于4m/s，水上鉆探困難[8]。勘探時利用冬季河水較淺，水流相對較慢，在河床邊架木籠打孔，查明該孔位覆蓋層的厚度。再采用水上懸吊物探探頭法進行水上縱橫物探剖面，再結合鉆孔資料，查明整個河床覆蓋層的厚度。

3.6 傾倒體不同工況下穩定分析的方法

根據邊坡具體工程地質條件，計算在自重、地震、庫水的不同荷載組合，及持久和偶然不同狀況下，現狀(施工前)及運行期的穩定系數，進行了剖析[9]。比較傾倒體在水庫蓄水前后的力學狀態[10]，查明了庫區傾倒體在蓄水后基本穩定，對工程沒有影響，無需處理。但右壩肩的傾倒體卸荷裂隙發育，裂隙表部大部分已張開，巖體表層基本為塊碎狀，結構較松弛，工程性狀較差，巖體穩定性較差，不宜作為大壩、閘基等建筑物基礎，并且導流洞閘井開挖會斜切傾倒體下游坡腳，將使傾倒體失穩產生塌滑，從而威脅施工人員、機械設備、大壩、導流兼沖沙泄洪洞閘井等安全，施工時采取了清除處理。

3.7 厚層低液限粉土的庫岸穩定分析方法

采用物探及鉆探，查明了庫區低液限粉土厚度5～35m，預測受庫水浸濕而處于飽和狀態，其土層抗剪強度值降低很多，水庫庫水位周期性的抬升、下降和波浪掏蝕，岸坡被掏刷、磨蝕、搬運而產生垮塌，產生坍岸。低液限粉土滑動面為平面[11]，通過本工程區的庫岸測繪及相鄰工程的成果，確定低液限粉土的水下、水上穩定坡角，預測庫岸再造主要有5段，坍岸寬度30～120m，坍岸總方量138萬m3。并運用水科院經驗公式法、潘家錚編著的《建筑物的抗滑穩定和滑坡分析》中的滑坡涌浪估算方法，準確預測了坍岸在壩前產生最大涌浪高度均未超過大壩防浪墻頂高程。綜合分析坍岸對水庫影響較小，無需進行特別處理，其中左壩肩坍岸緊臨大壩，查明了壩肩清廢會切腳開挖，影響其穩定，施工時對該坍岸段采用棄渣壓腳等工程處理。

4 結語

水利工程的難點較多，勘探難度相對很大，勘探時要精心研究勘察方法，要組合利用地質測繪、坑探、豎井、鉆探、洞探、物探、試驗等勘探方法。本文中的查明大型寬深古河槽分布及其作為壩基的分析與評價、查明厚層砂卵礫石中鈣質膠結層分布、查明厚層低液限粉土物理力學特性、查明窄深且河水湍急河床覆蓋層厚度、厚層低液限粉土的庫岸穩定分析及在動水下的邊坡穩定分析與利用等方法，可為今后類似工程提供勘探經驗和借鑒作用。通過3年運行來看，文中所提厚層低液限粉土的庫岸穩定坡角，及在動水下的邊坡穩定坡角可以更陡一點，但需要進一步試驗，使工程處理措施更加經濟合理。