阿克肖水库工程地质勘察及处理

袁道陇

(新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

国内外许多枢纽工程的河床分布有古河槽，比如乌鲁瓦提水库、斯木塔斯水电站、大石峡水利枢纽、吉林台二级水电站、五一水库、大石门水库等工程均分布有古河槽，其中有些枢纽工程在勘察时未查明古河槽的分布及槽内堆积物的物理力学性质，未对古河槽进行处理或处理不彻底，水库蓄水后库水沿古河槽渗漏，水库不能蓄水，工程不能正常运行。

本工程经过精心设计勘察，使施工顺利进行，未进行过补勘，施工时无重大设计变更，工程在经过2年多点时间就基本建成。水库蓄水后至今约3年，大坝和泄水洞等建筑物稳定，坝后无渗漏现象。

1 概况

阿克肖水库工程位于巍昆仑山南麓，新疆和田地区皮山县阿克肖河下游山区河段上，是阿克肖河上唯一的控制性水库，主要任务是承担下游皮山县的灌溉和防洪任务。阿克肖水库总投资约7.2亿元，水库正常蓄水位2452.0m，相应库容3993.1万m3，为Ⅲ等中型工程，由大坝、导流兼冲沙泄洪洞、溢洪道等建筑物组成，坝型为沥青混凝土心墙坝，心墙最大坝高近60m，心墙底部采用放大基础与混凝土基座相连，其中古河槽段为深87m的混凝土防渗墙。

该工程于2016年7月7日开工建设开始，2018年10月基本完成，施工时无重大设计变更，于2018年11月通过由新疆维吾尔自治区水利厅组织的下闸蓄水验收，2019年4月进行下闸蓄水，阿克肖水库经过两年多的蓄水，坝体无明显沉降，坝后无明显渗漏现象，工程运行状态良好。

本工程属水利工程中典型的“三高一深”工程，烈度高、海拔高、边坡高、覆盖层深厚。坝址区50年超越概率10%地震动峰值加速度为0.2g，基本烈度为Ⅷ度，坝线下游1.2km的河床上分布有早中更新世断层，坝址区的区域构造稳定性较差，大坝处于高烈度区。大坝左右坝肩山顶海拔高程2660～3000m，大坝处于高海拔区。导流兼泄洪冲沙洞闸井永久边坡高150m，存在超高边坡。左岸古河槽覆盖层最大厚度达105m，坝基下有深厚覆盖层。

阿克肖水库工程区地处高山区，多年平均气温在6.9℃，全年霜冻日期最长204d，霜冻期长，勘察及施工的气候条件差。坝址区基岩为元古界绿泥石石英片岩，河谷各级阶地面广泛分布厚层风积低液限粉土层，并分布宽深的大型古河槽，勘察难度大。但经过精心研究和勘探，针对不同的勘探难点采用相应不同的勘探方法，或几种勘探方法进行相互验证，查明了工程区的工程地质条件。据施工揭露表明，工程地质条件与勘察成果基本一致，使施工顺利进行。

2 工程勘测的主要难点

本工程的主要难点有坝址区分布大型的宽深古河槽、筑坝材料料场内含有钙质弱胶结体、坝址区(特别是导流洞进口)分布厚层风积低液限粉土层、坝址现代河床狭窄且水流湍急等问题。

2.1 坝址区分布大型宽深古河槽

坝址区河谷宽630～770m，主要分布Ⅲ、Ⅳ级阶地，阶地面地形较平坦开阔，均覆盖第四系风积低液限粉土，沿河坎边断续出露基岩，基岩呈顺河向的山梁状，山梁顺河长150～400m不等，垂直河宽5～30m，山梁顶部高出河床15～20m，山梁顺河间距50～180m，山梁之间为第四系砂卵砾石，初步判断坝址两岸分布有古河槽，可能有多条古河槽，也可能是一条大型的古河槽，其进出口呈树杈状，并且可能在两岸穿插。坝址发育有大型古河槽，查明古河槽条数、宽度、走向及断面形状等分布形态的难度大。

故须完全查明古河槽条数及其边界条件等分布形态，查明古河槽内堆积物的组成[1]，特别是有无软弱夹层、有无架空层、砂层等不良地层，其堆积物能否作为坝基。查明坝基古河槽内深厚堆积物的不均匀沉降变形、地震液化判定、渗透及渗透变形等问题的难度大。

2.2 筑坝材料料场内分布有钙质弱胶结体

原筑坝材料的运距较远，故考虑用坝后古河槽内砂卵砾石作为筑坝料。但该地层主要为中更世地层，局部含钙质弱胶结层，可能会形成架空现象，其相对密度不满足要求，会影响填筑质量[2]。故须查明钙质弱胶结层透镜体分布位置、形态、胶结程度、胶结层的含量比等，但查明的难度大。

2.3 坝址分布厚层风积低液限粉土层

坝址区分布厚7～33m的风积低液限粉土层，可能存在地震液化、湿陷、渗透变形、腐蚀性等问题。须查明厚层风积低液限粉土层，能否作为坝基或作为筑坝材料；查明导流兼泄洪冲沙洞进口的厚层风积低液限粉土是否威胁放水及其处理意见。查明厚层低液限粉土的物理力学性质难度较大。

2.4 坝址现代河床狭窄且河水湍急

坝址现代河床两岸边坡近直立，河床底宽约10m，并且常年流水，水深3～6m，河水湍急，水上钻探困难；河床下切深25～30m，架吊桥钻探也困难。查明现代河床覆盖层厚度、基岩埋深及其透水性的难度大。

2.5 库区及右坝肩分布倾倒体

库区和右坝肩各分布1个倾倒体，估算方量分别约15万、10万m3，蓄水后倾倒体可能产生塌滑或蠕动变形，产生涌浪，危胁大坝安全。须查明倾倒体的稳定性，其对水库和大坝的安全性影响。

2.6 库岸分布大厚度低液限粉土

库岸分布厚度5～35m的低液限粉土，存在库岸滑坡及再造现象，威胁大坝安全。须查明库岸低液限粉土的厚度及其对水库的影响。

3 工程勘测的先进性

3.1 查明大型宽深古河槽分布及其作为坝基的分析与评价的方法

新疆的许多水利枢纽工程中均分布有古河槽，古河槽的处理是新疆坝工建设近年来遇到的突出问题，也是坝基处理的关键部位[3]。笔者长期从事新疆大型水利工程地质勘察，通过查看多个工程中古河槽的分布情况及特征，分析整理出古河槽勘察的思路及方法。

古河槽勘察思路：在古河槽勘察时采用地质测绘，初判古河槽进出口；再采用不同电法、地震等多种物探方法初步查明古河槽分布形态；然后利用钻探进一步查明了坝址区古河槽的走向、纵横断面分布形态；部分钻孔覆盖层采用植物胶连续取芯，查明了古河槽内堆积物岩性；部分钻孔内配合动力触探，结合物探钻孔综合测井，查明了古河槽内大厚度砂卵砾石结构密实程度，液化性，判断能否作为坝基；在钻孔不同深度和平硐内进行注水试验等方法，查明了古河槽内渗透性，为选定科学合理防渗线提供有力的依据；防渗墙施工前采用打先导孔进一步验证古河槽基岩面，采用准确、快速、省钱的钻进工艺，判断基岩面。

古河槽勘察方法：采用洞探、探坑、竖井、大口径钻孔，以及植物胶钻进连续取芯和物探综合测井等手段查明砂卵砾石中的钙质胶结层透镜体分布情况。

阿克肖水库工程古河槽勘察过程：

(1)勘察时先进行地质测绘，根据岩采用不同电法、地震等多种物探方法初步查明古河槽分布形态，再利用钻探进一步查明了坝址区古河槽的走向、纵横断面分布形态。查明了左岸古河槽断面呈宽“U”型，底宽120～150m，顶宽350～380m，最大深度105m，其槽底比现代河床基岩面还低45m。

(2)部分钻孔覆盖层采用植物胶连续取芯，查明了古河槽内堆积物均为砂卵砾石。

部分钻孔内配合动力触探，结合物探钻孔综合测井，查明了古河槽内大厚度砂卵砾石结构密实，为不液化地层，可作为土石坝坝基。

(3)在钻孔不同深度和平硐内进行注水试验等方法，查明了古河槽内砂卵砾石属中等-强透水层，局部属极强透水层，渗透变形形式为管涌型。如不采取防渗处理，易发生渗透变形，须进行全断面防渗处理，为选定科学合理防渗线提供有力的依据。

(4)防渗墙施工前采用打先导孔进一步验证古河槽基岩面，采用准确、快速、省钱的钻进工艺。打先导孔时先采用潜孔钻快速钻进，通过岩粉初判是否为基岩，再用回转连续取芯，准确判断。为避免别的工程中将古河槽内大漂石误作为基岩的误判，形成坝下渗漏通道，先导孔须进入基岩10m，结合勘察时的经验，查看这10m基岩的风化情况，进一步判断是否进入基岩。

3.2 查明厚层砂卵砾石中钙质胶结层分布的方法

坝后古河槽内砂卵砾石储量丰富，但含有钙质胶结层透镜体，会影响坝体填筑质量。勘察时采用洞探、探坑、竖井、大口径钻孔，以及植物胶钻进连续取芯和物探综合测井等手段，查明了坝后古河槽砂卵砾石中钙质胶结层透镜体分布情况，使开采时避开大面积的钙质胶结层，从而保证施工时的开挖料均满足规范规程要求。

开挖后形成的大坑又采用坝基清废的低液限粉土等弃渣料回填。工程建设后无大坑，减少了水土流失，增大了绿化面积，使生态环境质量趋好，实现了很好的社会效益。

3.3 查明厚层低液限粉土物理力学特性的方法

采用物探、钻探、不同高程布置坚井，查明了坝址区低液限粉土厚度为7～33m。据分层取样的试验资料表明，该大厚度的低液限粉土具有密度低、中压缩性、轻微或中等湿陷性、地震液化等不良工程特性。根据湿陷性黄土的增湿变形的基本特征[4]，将该粉土作为坝基时采用强力夯实、预先浸水、表层换填+强力夯实等方法[5]，用7000kN·m能消除表层6m以内干燥粉土的湿陷性[6]，表时强夯的深度有限，其下部还有厚层的低液限粉土仍不能满足大坝基础要求，故该低液限粉土不能作为坝基，须进行清除处理。

低液限粉土作为坝体防渗土料，黏粒含量低，塑性指数偏低，击实(包括重型击实)后渗透系数偏大，天然含水率偏低；作为均质坝土料，黏粒含量低，击实后渗透系数偏大；均不能满足规程技术质量要求。故坝址区的低液限粉土不能作为坝体防渗土料及均质坝土料，应清除。

3.4 黏粒含量少的低液限粉土在动水下的边坡稳定分析与利用

导流兼泄洪冲沙洞进口引渠段长330m，两岸分布风积低液限粉土，厚度5～33m，冲沙洞泄水后可能会淤积堵塞闸井。由于两岸粉土延伸较远，全部清除粉土的困难大。并且临近闸井的渠道右侧发育有宽约200m冲沟，表层粉土厚度20～33m，垂直渠道方向的地面坡度越来越高，缓倾角削坡的难度也大。

在查明工程区低液限粉土的物理力学性质后，表明粉土中黏粒含量极少，3%～9%，为黏粒含量低的低液限粉土。分析认为该黏粒含量低的低液限粉土在动水压力[7](流动水)作用下，会受到动水压力，没有稳定的边坡，基本均会被水流带走。统计库区不同高程处岸坡坡度，结合试验资料以及经验，认为低液限粉土边坡20°左右时，在动水作用下基本不会有塌方。

为节省投资，未对导流兼泄洪冲沙洞进口厚层的低液限粉土全部清除，施工时引水渠的低液限粉土开挖边坡为1∶3，每10m一级马道，从渠道起点至闸井处低液限粉土为1～3级马道，其中临近闸井段为5级马道。通过水库科学合理的蓄放水后，表明低液限粉土均是由下而上逐渐随水流走，没有发生过塌方现象，最终引水渠边坡上的低液限粉土基本均被水流带走了，保证了闸井前引水渠的低液限粉土不会产生淤积堵塞闸井。

3.5 查明窄深且河水湍急河床覆盖层厚度的方法

采用水上物探及水上架木笼钻探，查明了坝址现代河床覆盖层的厚度、基岩物理力学性质。

坝址现代河床狭窄并且河水湍急，水流速度大于4m/s，水上钻探困难[8]。勘探时利用冬季河水较浅，水流相对较慢，在河床边架木笼打孔，查明该孔位覆盖层的厚度。再采用水上悬吊物探探头法进行水上纵横物探剖面，再结合钻孔资料，查明整个河床覆盖层的厚度。

3.6 倾倒体不同工况下稳定分析的方法

根据边坡具体工程地质条件，计算在自重、地震、库水的不同荷载组合，及持久和偶然不同状况下，现状(施工前)及运行期的稳定系数，进行了剖析[9]。比较倾倒体在水库蓄水前后的力学状态[10]，查明了库区倾倒体在蓄水后基本稳定，对工程没有影响，无需处理。但右坝肩的倾倒体卸荷裂隙发育，裂隙表部大部分已张开，岩体表层基本为块碎状，结构较松弛，工程性状较差，岩体稳定性较差，不宜作为大坝、闸基等建筑物基础，并且导流洞闸井开挖会斜切倾倒体下游坡脚，将使倾倒体失稳产生塌滑，从而威胁施工人员、机械设备、大坝、导流兼冲沙泄洪洞闸井等安全，施工时采取了清除处理。

3.7 厚层低液限粉土的库岸稳定分析方法

采用物探及钻探，查明了库区低液限粉土厚度5～35m，预测受库水浸湿而处于饱和状态，其土层抗剪强度值降低很多，水库库水位周期性的抬升、下降和波浪掏蚀，岸坡被掏刷、磨蚀、搬运而产生垮塌，产生坍岸。低液限粉土滑动面为平面[11]，通过本工程区的库岸测绘及相邻工程的成果，确定低液限粉土的水下、水上稳定坡角，预测库岸再造主要有5段，坍岸宽度30～120m，坍岸总方量138万m3。并运用水科院经验公式法、潘家铮编著的《建筑物的抗滑稳定和滑坡分析》中的滑坡涌浪估算方法，准确预测了坍岸在坝前产生最大涌浪高度均未超过大坝防浪墙顶高程。综合分析坍岸对水库影响较小，无需进行特别处理，其中左坝肩坍岸紧临大坝，查明了坝肩清废会切脚开挖，影响其稳定，施工时对该坍岸段采用弃渣压脚等工程处理。

4 结语

水利工程的难点较多，勘探难度相对很大，勘探时要精心研究勘察方法，要组合利用地质测绘、坑探、竖井、钻探、洞探、物探、试验等勘探方法。本文中的查明大型宽深古河槽分布及其作为坝基的分析与评价、查明厚层砂卵砾石中钙质胶结层分布、查明厚层低液限粉土物理力学特性、查明窄深且河水湍急河床覆盖层厚度、厚层低液限粉土的库岸稳定分析及在动水下的边坡稳定分析与利用等方法，可为今后类似工程提供勘探经验和借鉴作用。通过3年运行来看，文中所提厚层低液限粉土的库岸稳定坡角，及在动水下的边坡稳定坡角可以更陡一点，但需要进一步试验，使工程处理措施更加经济合理。