一牧场沉沙池坝址区工程地质问题及处理对策

吴春辉

(新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

新疆兵团第十四师一牧场沉沙调节蓄水池是一座以保证灌溉用水要求的引水注入式水库，位于第十四师一牧场境内，已建容积120万m3沉沙调节蓄水池南池，为满足灌溉需求，需新建沉沙调节蓄水池北池，池容100万m3，建完后可使一牧场的总池容达到220万m3，保证1926.67 hm2灌溉面积充分灌溉。

1 工程地质条件

工程区位于于田凹陷(Ⅸ54-6)内，地震动峰值加速度为0.20 g，对应地震基本烈度为Ⅷ度，地震动反应谱特征周期0.45 s。工程区域稳定性较差，但库坝区内无区域性活动断裂通过，8 km范围内无历史中强震分布。工程区属建筑物抗震一般地段，具备建坝条件[1]。

1.1 库盘工程地质条件

北池坝址区地处低山丘陵区一南北走向的自然冲沟内，其平面形状如喇叭，立面形如“U”形。坝址区段冲沟南北长约0.843 km，地形较平坦开阔，总体地势南高北低，南侧有一自然台坎，高约9.0 m，与已建南池相距约36.0 m。冲沟东西宽约120～280 m，切割深度6～10 m，沟底高程2252～2277 m，坡度一般在2°～4°，地层主要为第四系松散堆积物[2-4]。

1.2 坝址区工程地质条件

出露岩性为第四系上更新统～全新统风积低液限粉土，坝轴线分4段。

Ⅰ段(k0+000～k0+361)岩性分3层：第①层为坡积低液限粉土(Q4dol)，厚0.5 m，稍湿，松散状，工程性质差，建议清除。第②层为风积低液限粉土(Q3-4eol)，该层厚13.15～17.70 m，浅表层(0.5 m深度内)富含植物根系和有机质，建议清除，下部稍湿，稍密状，建议承载力100 kPa。第③层为冲洪积卵石混合土(Q2apl)，具泥质微-弱胶结，中密-密实状，建议承载力350 kPa。

Ⅱ段(k0+361～k0+787.81)和Ⅲ段(k0+787.81～k0+945.5)岩性为风积低液限粉土(Q3-4eol)，浅表层富含沙枣根系，建议整体清除0.5 m，局部树根应挖除，下部稍湿，稍密状，建议承载力100 kPa。

Ⅳ段(k0+945.5～k1+750) 岩性分2层：第①层为冲积低液限粉土(Q4al)，厚0.4～1.5 m，稍湿，松散状，工程性质差，建议清除。第②层为风积低液限粉土(Q3-4eol)，浅表层(0.5 m深度内)富含植物根系和有机质，建议清除，下部稍湿，稍密状，建议承载力100 kPa[5]。

1.3 坝址区水文地质条件

库坝区地下水类型为第四系孔隙潜水，主要埋藏于第四系中更新统冲洪积卵石混合土中，地下水化学类型为CL·SO4-Na·Mg型，矿化度<1 g/l，水质好，勘察期间地下水位埋深>25 m，对本工程无影响。库区沿排污渠附近地基土为硫酸盐型弱盐渍土，对混凝土结构具中等腐蚀，对钢筋混凝土结构中的钢筋和钢结构具微腐蚀；坝址区地基土为非盐渍土，对混凝土结构、钢筋混凝土结构中的钢筋及钢结构具微腐蚀。库坝区地基土Na2SO4含量低，不具盐胀性。

1.4 其他附属建筑物工程地质条件

放水涵洞岩性分两层：第①层低液限粉土(Q3-4eol)，厚13.6 m，稍湿，稍密状，建议承载力100 kPa，建议临时开挖边坡1∶1.25～1∶1.50。第②层卵石混合土(Q2apl)，具泥质微-弱胶结，中密-密实状，建议承载力350 kPa，内摩擦角38°。

进水涵洞岩性为风积低液限粉土(Q3-4eol)，勘探深度内未揭穿，揭露最大厚度7.0 m；稍湿，稍密状，建议承载力100 kPa,建议临时开挖边坡1∶1.25～1∶1.50。

2 工程地质问题

2.1 湿陷性问题

坝址区Ⅰ段(k0+000～k0+361)低液限粉土在7.0 m深度范围内为非自重湿陷性土，其湿陷程度为轻微～强烈，地基土湿陷等级属Ⅰ(轻微)级，湿陷起始压力9 kPa；Ⅱ段(k0+361～k0+787.81)低液限粉土在11.0 m深度范围内为非自重型湿陷性土，其湿陷程度为轻微～中等，地基土湿陷等级属Ⅰ(轻微)级，湿陷起始压力23 kPa；Ⅲ段(k0+787.81～k0+945.5)低液限粉土在7.0 m 深度范围内为非自重型湿陷性土，其湿陷程度为轻微，地基土湿陷等级属Ⅰ级(轻微)，湿陷起始压力32 kPa；Ⅳ段(k0+945.5～k1+750)低液限粉土在9.0 m深度范围内为非自重型湿陷性土，其湿陷程度为轻微，地基土湿陷等级属Ⅰ级(轻微)，湿陷起始压力152 kPa。

放水涵洞、进水涵洞低液限粉土渗透变形为过渡型，其临界水力比降0.432，允许水力比降0.210。低液限粉土在7.0 m深度范围内为非自重型湿陷性土，其湿陷程度为轻微～强烈，地基土湿陷等级属Ⅰ(轻微)级，湿陷起始压力32 kPa。

2.2 地震液化及冻胀问题

库坝区季节性冻土标准冻深1.10 m，土属冻胀性土。库坝区低液限粉土为液化土，液化指数在30.61～48.86之间，其液化等级为严重液化。放水涵洞、进水涵洞低液限粉土属冻胀性土，同时为地震液化土，其液化等级为严重液化。

3 处理对策

大坝坝基和放水涵洞基础采用强夯的处理措施，池盘采用碾压处理方式，放水涵洞基础采用换填水泥土的处理措施，放水涵洞竖井及阀门井部位基础设置振冲碎石桩，进水涵管进口阀门井基础设置振冲碎石桩，大坝下游坝坡设置盖重区。

3.1 强夯

根据地质报告，坝址区低液限粉土在7～11 m深度范围内为非自重湿陷性土，其湿陷程度为轻微～强烈，地基土湿陷等级属Ⅰ(轻微)级，建议对坝区基地基土采取工程措施，采取强夯或换填处理，以消除土体湿陷性对水库建筑物的影响。

坝基加固采用强夯法，原理是用很重的锤，从高处自由落下，给地基以冲击和振动，使地基加密。根据规范并结合本工程实际情况，强夯前应先在场地内选择有代表性的地段进行试夯，以确定具体落锤高度、夯锤重、夯击点位置、夯击点间距等参数。本工程强夯的单击夯击能(即夯锤重X落距)最大取3000 kN·m，夯锤底面宜为圆形，若落距取为10.0 m,则锤重为300 kN。初拟夯点间距为4.5 m，共夯4遍，其中点夯2遍，满夯2遍，二者交替进行，强夯范围为坝体基础轮廓线以外5.0 m，夯实厚度8.0 m。要求强夯施工后的坝基技术指标为：坝基土的干密度>1.53 g/cm3，渗透系数<1×10-5cm/s，湿陷性系数<0.015。强夯施工过程中或施工结束后，应对强夯处理地基的质量进行检测，使基础达到消除湿陷性的目的。

3.2 池盘碾压

池盘内土料开挖时，池底先预留50 cm厚土料暂不开挖，该层作为膜上覆土的备用料。铺膜前将预留的膜上50 cm覆土揭开，对基础面进行洒水碾压，可采用18～20 t振动碾，碾压6遍，1.0 m 深度内压实度≥0.98。

3.3 换填水泥土

放水涵洞地基土低液限粉土在7.0 m深度范围内为非自重型湿陷性土，其湿陷程度为轻微～强烈，地基土湿陷等级属Ⅰ(轻微)级，湿陷起始压力9 kPa，如防渗效果不佳时，低液限粉土将为地震液化土，其液化等级为严重液化。为消除湿陷性，坝基采用强夯处理后，方可进行建筑物施工。为增加基础承载力，竖井底板基础设置1.5 m厚水泥土，涵身段水泥土厚度0.9 m，进口段底板水泥土厚度1.0 m厚。水泥土选用天然砂砾石掺入水泥，水泥掺入量(质量比)20%，采用42.5普通硅酸盐水泥，天然砂砾石中最大粒径≤6 cm，<0.075 mm粒径含量<10%。含水率控制在8%～12%，采用搅拌机搅拌，12 t以上振动碾碾压，每层土的碾压厚度≤20 cm，碾压遍数不低于6遍，压实度≥0.98。水泥土28 d的抗压强度>2.54 MPa，干密度>1.9 g/cm3，渗透系数<1.0×10-4。水泥土宜先干拌再湿拌均匀，水泥土拌料铺筑时间≤60 min。

3.4 振冲碎石桩

为消除地震液化的影响，竖井及阀门井部位基础设置振冲碎石桩。竖井基础桩径1.0 m，间距2.0 m，正三角形布置，桩深12.0 m。阀门井基础上部荷载较小，桩径1.0 m，间距2.5 m，正三角形布置。

3.5 下游盖重

为有效地减小地基土的湿陷性和消除地震液化的影响，在大坝桩号0+000～0+300段设置坝后盖重，采用弃渣回填的方式，堆放宽8.0 m，高程2260.0 m，平均堆高4.7 m，堆料坡比1∶2，压实度≥0.98。

4 结 论

(1)不同段坝轴线低液限粉土在7～11 m深度范围内为非自重湿陷性土，湿陷程度为轻微～强烈，地基土湿陷等级属Ⅰ(轻微)级，采取强夯及池盘碾压处理消除土体湿陷性对水库建筑物的影响。

(2)放水涵洞、进水涵洞低液限粉土渗透变形为过渡型，对进水涵洞基地基土采取工程措施换填水泥土以消除土体湿陷性对放水涵洞的影响。

(3)库坝区、放水涵洞、进水涵洞低液限粉土均属冻胀性土，液化等级为严重液化，同时为地震液化土，采取振冲碎石桩及下游盖重措施减小地基土的湿陷性和消除地震液化的影响。