阿克肖水库工程坝基深厚层湿陷性粉土分析与处理措施

克里木，陈 园，吐尔洪·马合木提

(1.新疆水利水电规划设计管理局，新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000；3.新疆维吾尔自治区水利厅建设管理与质量安全中心，新疆 乌鲁木齐 830000)

阿克肖水库工程位于新疆维吾尔自治区和田地区皮山县境内，是具灌溉、防洪等综合利用效益的Ⅲ等中型工程，总库容4 395万m3，坝址位于昆仑山北麓的阿克肖河上，海拔2 400 m，由挡水坝、导流兼泄洪冲沙洞、溢洪道等组成。大坝为碾压式沥青混凝土心墙坝，最大坝高57.5 m，坝长687 m，坝址处河床左右岸阶地均覆盖第四系风积低液限粉土，是新疆南部地区代表性的河道地质特点。工程区50年超越概率10%地震动峰值加速度为0.20 g，对应地震基本烈度为Ⅷ度，坝址区区域构造稳定性较差。

1 坝址区工程地质条件分析

1.1 地形地貌

坝址区位于阿克肖河中下游河段，属中山区。正常蓄水位2 452.0 m时，河谷宽630 m。河谷两岸发育Ⅲ～Ⅵ级阶地，为基座阶地，表部均为大厚度风积低液限粉土覆盖。坝址原始地形地貌见图1。

现代河床位于谷底右侧，河谷呈窄“U”型河槽，顺河长约390 m，河谷顶宽12～17 m，底宽8～15 m，河拨高20～25 m，两岸自然坡度80°～90°。坝轴线上游220 m，下游约150 m处，现代河谷两岸逐渐开阔；其中上游河床宽130～150 m，下游河床宽30～100 m。

图1 坝址原始地形地貌图(镜向下游)

1.2 坝址工程基本地质特点

1)左岸阶地存在宽而深的古河槽。据地质钻孔及物探测试资料，河床左岸阶地下伏古河槽，古河槽底宽约120～150 m，顶宽约350～380 m，深50～103 m。古河槽最低点高程约2 321 m。古河槽顶部Ⅳ级阶地表面堆积(Q3-4eol)低液限粉土层，厚15～34 m；古河槽内为堆积冲积砂卵砾石层，上部为上更新统砂砾石层(Q3al)厚3～7 m，结构密实，渗透系数为2.35～1.41×10-3cm/s，属中等透水层。下部为中更新统砂砾石层(Q2al)，厚约37～70 m，结构密实，渗透系数为3.3×10-3～8.9×10-2cm/s，属中等透水层，局部为强透水层，允许渗透比降为0.12～0.15。古河槽下伏基岩为元古界绿泥石石英片岩，强风化层厚2 m，弱风化层厚6～7 m。

2)左右岸阶地及左坝肩分布有较厚的湿陷性粉土。左岸Ⅳ级阶地粉土厚约15～33 m，右岸Ⅳ级阶地粉土厚度约5～10 m，性质为第四系风积低液限粉土，结构松散，具有湿陷性，且存在液化问题。左坝肩及右岸Ⅳ级阶地粉土下伏为绿泥石石英片岩，左岸Ⅳ级阶地下为古河槽砂卵砾石层。

3)现代河床为陡槽。现代河床河谷狭窄，谷顶宽20～25 m，谷底宽9～12 m，高23～31 m。河床表层为(Q4al)砂卵砾石层，推测厚5～10 m，属强透水层。两岸基岩裸露，岸坡近直立，岩性为绿泥石石英片岩(Pta)。坝址纵剖面见图2。

1.3 坝基粉土层的工程特性分析

坝址区各级阶地面、阶地后缘广泛分布厚层风积低液限粉土层，能否直接利用、经处理后直接利用或粉土层全部挖除对本工程安全和投资影响很大，因此需要通过对土料工程特性的研究分析来确定。

1)土料物理力学性质。坝址区低液限粉土分布广泛，土质均一，结构中等密实，由试验成果可知：天然状态下含水率3.56%，干密度为1.28 g/cm3，粘聚力C=16.1 kPa，φ=25.5°，饱和状态下粘聚力C=10.0 kPa，φ=23°，饱和压缩模量为6.2 MPa，压缩系数为0.35 MPa-1，属中压缩性土，渗透系数为5.2×10-4cm/s，属中等透水层，湿陷性系数为0.016～0.041，具轻微或中等湿陷性。由上述可知，坝址低液限粉土具有低密度、中压缩性、中等湿陷性、强度低等力学特征。土料物理力学试验结果见表1。

表1 第四系风积低液限粉土物理性力学试验成果表

2)土的地震液化判别。初判：依据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)附录P，土的液化判别中P.0.3的规定：“对粒径小于5 mm颗粒含量质量百分率大于30%的土，其中粒径小于0.005 mm的颗粒含量质量百分率(ρc)相应于地震动峰值加速度为0.10g、0.15g……不小于(场地地震烈度Ⅷ度，地震动峰值加速度)不小于16%、17%……时，可判为不液化。”阿克肖水库坝基表部土体为风积低液限粉土(Q3-4eol)，粘粒含量(小于0.005 mm)为6.93%，初判为液化土。

据阿克肖水库坝基土体中钻孔相对应的风积低液限粉土(Q3-4eol)的剪切波测试指标，考虑坝体(基)土体在自然状态下的力学特性，深度折减后的上限剪切波值(Vst)进行判定：阿克肖水库坝基土体中表部土体为风积低液限粉土(Q3-4eol)，初步判定为液化土。

复判：根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487—2008)，依据深度ds(m)处的标准贯入击数N63.5值和液化临界锤击数N，可以看出，左、右岸低液限粉土实际标贯击数均小于临界锤击数，复判为液化土。

渗透变形判别：据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)附录G规定，阿克肖水库坝基土体中表部土体为风积低液限粉土(Q3-4eol)，根据多组颗分资料分析，粘粒含量6.93%，孔隙率n=48.3%，不均匀系数Cu=4.44(小于5)，颗分曲线无平缓段属级配连续土，其渗透变形型式为流土。压缩系数为0.35 MPa-1，属中压缩性土；击实后渗透系数为5.2×10-4cm/s，属中等透水层，湿陷性系数为0.041，具中等湿陷性[1-3]。

3)分析结论。综上所述，坝址区低液限粉土综合判定为饱合状态下为可液化土，渗透破坏形式为流土。具有低密度、中压缩性、中等湿陷性、强度低等力学特性。粉土液化主要是在静力和动力作用下，尤其是在地震时强烈震动作用下，粉土中空隙水压力继续上升，此时土颗粒之间因摩擦产生的抗剪力降低至零，此时的土像液体一样流动。对判别可能液化的土层，应挖除、换土。湿陷性是指粉土在自重或建筑物附加压力作用下，受水浸湿后结构迅速破坏而发生显著附加下沉的性质。显著附加下沉，是指粉土在压力和水的共同作用下发生的特殊湿陷变形，其变形远大于正常的压缩变形。大坝地基若为湿陷性粉土，在水库蓄水后会因饱水而发生湿陷变形，加之大坝本身的荷载作用更加重粉土的湿陷程度，常表现为湿陷速度快和非均匀性，使大坝地基产生不均匀沉陷，如处理不当，将破坏大坝基础的稳定性及上部结构的完整性，危害很大。湿陷性黄土可用于低坝坝基础，但应论证其沉降、湿陷、溶滤对土石坝的危害，并做好处理工作。湿陷性黄土坝基宜采用挖除、翻压、强夯等方法，消除其湿陷性，经过论证也可以采用预先浸水的方法处理[1-2]。

2 处理方案比选

针对本工程粉土分布及厚度，土的工程特性，可采取以下以几个处理方案进行比选。

1)强力夯实方案。强力夯实法适用于厚度10～25 m的粉土，锤重15～30 t，落距20～40 m[3]。由于左右岸部分坝段粉土厚度超过30 m，甚至接近40 m，因此该方法对底部粉土的夯实作用有限。

2)预先浸水方案。适用于中强湿陷性而厚度又较大的黄土或低液限粉土层。在大坝填筑前对粉土掏槽，进行长时间浸水，以消除大部分湿陷[4]。此种方法对自重湿陷性黄土效果较好，对于浸水后仅在附加压力下才发生湿陷的低液限粉土效果有限。依据试验资料，本工程主要为湿陷性粉土，因此单一采用此方法效果也不理想。

3)表层换填+强力夯实方案。挖除表层的粉土，对下部粉土强夯后换填3～5 m厚碾压密实的砂砾石料，坝基置于砂砾石料之上，利用底层较为密实的粉土和换填砂砾石层共同承担上部坝体重量[5]。由于仅对表层3～5 m厚以下的粉土层进行了强夯，水库蓄水后可能会因下部粉土产生湿陷而导致地基下沉，坝体变形或大坝滑坡。

4)全部挖除粉土方案。上述前3种处理方案均不能完全消除坝基土的湿陷性，仍存在安全隐患。如果在蓄水后发生二次湿陷，可能对坝体的安全造成威胁。且本工程最大坝高57.5 m，加之土料具有地震液化性和流土的特性，安全隐患不容忽视。从工程的安全出发，坝基直接坐于古河槽砂砾石基础上或岩石基础上，是最稳妥的处理方法，可根除前述湿陷带来坝基稳定性问题[6]。虽然粉土开挖量大，代价高，权衡利弊后，决定采用坝基粉土全部挖除的方案(见图3)。

图3 坝基粉土层开挖清除及开挖后的左坝肩图

3 结 语

阿克肖水库工程于2016年7月开工，2017年3月完成坝基粉土开挖，同时开始基础防渗墙施工和坝体填筑，2017年11月河道截流，开始大坝主体填筑，至2018年10月大坝填筑基本完成，11月20日通过了下闸蓄水阶段验收。目前水库已蓄水运行，经施工期和运行期监测，坝体沉降值在常规允许范围内，运行情况良好，本工程采取的粉土基础处理措施可供类似工程作借鉴。