阜康抽蓄电站下库深厚覆盖层工程性质特征分析

王 飞，曹宝宝，云海浪

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065)

0 引言

深厚覆盖层是指厚度超过30 m的第四纪松散堆积物[1]。深厚堆积物的厚度可以达到400多米[2]，这些堆积物多由卵砾石、粉细砂层组成，郑达[3]认为这些深厚覆盖层不仅仅是河流堆积物的产物，也是一种堆积物快速回填的结果，这样的覆盖层往往具有结构松散、岩层不连续、水平和垂直方向岩性分异等特点，发育在深厚覆盖层中的结构面、软弱夹层，往往呈现非连续性、不规则形态分布，致使肉眼很难分辨与相近岩土的差异[4]。正是由于成因条件复杂、物理力学性质差异很大，王正成等[5]对深厚覆盖层研究发现，弱透水层的埋深变化对整个覆盖层的渗流变化产生较大影响。其渗漏问题主要为管涌、流土。因此深厚土层存在着渗透变形、地基失稳等工程地质问题，为水库选址、大坝设计带来诸多不便。

本文通过研究深厚覆盖层的物理力学特征，判断深厚覆盖层的成因，以便为之后的大坝设计所可能遇见的问题提供一定的依据。研究对象是新疆阜康抽水蓄能电站的下水库，该工程位于新疆昌吉回族自治州阜康市境内，距阜康市区约70 km，距乌鲁木齐市约130 km，距离乌鲁木齐负荷中心较近，地理位置较优。阜康抽水蓄能电站的上水库挡水坝坝址位于西岔沟与西支沟交汇处，利用西岔沟与西支沟并挖除中间山梁作为上水库库盆，下水库坝址位于白杨河干流，在雨水沟与雪水沟间形成下水库库盆。挡水坝采用混凝土面板堆石坝，坝顶高程1 779.00 m，最大坝高69 m，坝顶长282.00 m，坝顶宽10 m，坝基采用混凝土防渗墙与帷幕灌浆相结合的方式防渗。输水道采用一洞二机布置型式，输水系统总长约1 894.5 m，输水系统水平距离约为1 815 m，距高比3.75。电站最大水头524 m，最小水头449 m，加权平均水头484.8 m，额定水头484 m，装机容量1 200 MW，初选装机4台300 MW混流可逆式水泵水轮机，为一等大(1)型工程。

1 坝区工程地质条件

阜康抽水蓄能电站工程区在大地构造部位上位于天山褶皱系乌鲁木齐山前拗陷东部，北与东准噶尔优地槽褶皱带为邻，南与北天山褶皱带相接。工程区新构造活动以强烈的差异升隆运动为主，断层主要活动期都在晚第三纪到早更新世期间。工程区位于天山地震区，跨越南天山地震带、北天山地震带和阿尔泰山地震带，场地位于北天山地震带内。

阜康抽水蓄能电站下库坝址区河宽谷深，呈基本对称的“V”型，宽度约120 m～200 m。平水期河面宽5 m～10 m，水深1 m～2 m。正常蓄水位时谷宽约260 m。库区两侧有宽度为60 m～80 m的一级阶地，拔河高度约10 m。左岸坡高140 m，坡度为40°～70°，右岸坡高约300 m，坡度为40°～70°。两岸坝肩受冲沟切割山体较单薄，左岸上游发育有草莓沟、右岸下游发育有雨水沟，二者切割深度都较大。下水库平面图见图1。

下库第四纪松散物主要由冲洪积漂卵砾石、砂卵砾石层、洪积块碎石土、崩坡积块碎石土等组成，据勘探成果可知，河床覆盖层厚度一般在30 m～65 m，两岸较大冲沟沟底和沟口一般5 m～15 m，左右岸坡坡脚处及小冲沟沟底一般5 m～10 m。

总体上从地形地质条件，两岸坝肩呈较单薄的山梁，河谷较宽，河床覆盖层较厚，适宜修建100 m左右高的当地材料坝。覆盖层下伏基岩为中厚层的青灰色～暗色砾岩，夹灰色～灰黑色粉砂岩、砂质灰岩、硅质岩，岩层陡倾，岩层走向NW 270°～290°，倾角70°～83°，岩体层面及断裂构造较发育，完整性较差。断层走向多顺河向或与岸坡小角度相交，多倾向左岸，倾角变化较大，主要对右岸边坡稳定有一定不利影响。

白杨河横河向基岩面起伏较大，反映出河道几个不同侵蚀切割周期(见图2,图3)。数据显示一期侵蚀深度20 m～25 m，二期侵蚀深度40 m～45 m，三期侵蚀深度55 m～60 m。一期主要分布于河床两侧(左岸宽约为20 m，右岸宽约35 m)；二期、三期分布于河中部位，随河流弯曲而变化。

2 河床覆盖层基本地质条件

2.1 深厚覆盖层特征与空间分布

据勘探资料，库坝区河床覆盖层组成主要为洪冲积成因的漂石砂卵砾石中间夹杂有不等厚度的砂层，距河源近、坡降大及径流小等因素决定了其粗颗粒占比大、磨圆度差等特征。漂石砂卵砾石层颗粒组成以中、粗粒为主，大于200 mm漂石平均28.36%，20 mm～200 mm卵石平均42.7%，2 mm～20 mm砾石平均15.9%，小于2 mm细粒平均13.04%。不均匀系数平均177.2，属不均匀性粗粒土，定名为混合卵石土(CbSI)，颗粒级配见图4。漂卵砾石磨圆较差，呈扁平、次圆状～次棱角状，分选差，漂卵砾石岩性主要为火山岩、凝灰岩、砂岩、砾岩，少量花岗岩。

覆盖层的砂层分布较少，未见成层连片砂层，分布呈透镜体状或窝状，厚度一般小于1 m，钻孔揭露砂层局部厚度达5 m～7 m。钻孔砂层特征见表1。

定义2.1 称伪BCI-代数X上的一个犹豫模糊集叫做X的一个犹豫模糊反群滤子，如果满足(HF1)，且对任意x,y,z ∈ X, 有

表1 钻孔集中砂层特征统计表

从表1中可以看出，砂层厚度不均，埋深多在13 m～40 m之间。砂层多为中、粗粒夹漂石、砾石，不纯净。覆盖层总体以粗颗粒为主，粒径大于5 mm含量(质量分数)高达82.33%，且层位埋深多大于18 m，最小也达12.9 m。故即便少量透镜状、窝状砂层液化，但上下层强透水，易于孔隙水压力消散，覆盖层总体不属于可液化层。

河床漂石砂卵砾石层总体平面和垂向上均无明显的分层特征，各粒径组的含量占比在不同部位、不同深度范围内变化均较大，大漂石及厚砂层透镜体分布无规律。从颗粒物质组成上，漂石砂卵砾石层也无分层行，总体上可按整个深厚覆盖层按同一土体进行评价。

下水库区漂石砂卵砾石层厚度30 m～65 m，坝轴线一带最深约40 m，趾板一线48 m～65 m。漂卵砾石磨圆较差，有架空现象，漂石含量(质量分数)约占30%，最大达5 m～6 m。并随机夹0.5 m～5 m厚的含砾砂层透镜体，局部砂层可达7 m。其厚度分布具一定规律，纵向上最大厚度变化不大；横河向变化较大，受侵蚀周期控制，表现出岸侧较薄，河中部深厚，可分三个级别，分别为20 m～25 m,40 m～45 m,55 m～60 m。

2.2 深厚覆盖层成因分析

阜康抽水蓄能电站工程区位于天山地震区的北天山地震带内，天山褶皱系乌鲁木齐山前拗陷东部，北与东准噶尔优地槽褶皱带为邻，南与北天山褶皱带相接，工程场地区域构造稳定性差。近场区主要构造线为近EW方向，与河道走向重合，并以高角度逆冲断层和不对称挤压褶皱为主，呈对冲式断层-褶皱组合形式。新构造活动以强烈的差异升隆运动为主，断层主要活动期都在晚第三纪到早更新世期间，构造断裂全新世早期以来平均垂直滑动速率为0.45 mm/a。受逆断层、褶皱活动的影响，工程区地壳存在南北向的缩短过程，并伴有东西向的走滑活动。新构造运动总体上属中等偏强活动水平。

白杨河发源于博格达峰冰川，强烈的构造运动引起岩体破碎分离山体，冰川对高原河谷的剧烈刨蚀作用，产生大量的碎屑物质，经流水搬运，在沟谷中沉积形成，透镜体的大量出现是季节性融水水量变化的表现，砂层的出现往往也是间水量减小的表现，冰川作用是工程区深厚覆盖层的主要物质来源。所以，研究区深厚覆盖层的形成是地壳差异性升隆运动和冰川运动共同作用的结果。

3 覆盖层工程地质特性

3.1 基本物理指标试验

通过对28组样品进行室内土工试验测得深厚覆盖层的基本物理指标参数并绘制成表2，漂石砂卵砾石层的天然密度为2.25 g/cm3，天然干密度为2.28 g/cm3，比重为2.82，天然孔隙比为0.29，平均粒径91.4 mm，不均匀系数平均为177.2。覆盖层基本物理参数指标如表2所示。

表2 覆盖层基本物理指标试验成果汇总表

3.2 力学指标试验

对28组样品进行室内抗剪试验和压缩试验，结果显示内摩擦角最大为41°01′，最小值为33°49′，平均37°29′，黏聚力为15 kPa～35 kPa，平均22 kPa。压缩系数av(0.1～0.2)为0.05 MPa-1～0.15 MPa-1，平均0.08 MPa-1，属低压缩性。压缩模量Es(0.1～0.2)为9.375 MPa～28.725 MPa，平均18.536 MPa。覆盖层基本力学指标参数见表3。

表3 覆盖层基本力学指标试验成果汇总表

3.3 载荷试验

预可行性研究阶段完成3组载荷试验，可行性研究阶段完成5组载荷试验。试验在地下水位以上，采用方形刚性承压板法，尺寸为50 cm×50 cm，加压方式为逐级快速连续加压，每级持续时间为3 min～5 min。试验体破环前不卸载，破坏判断标准为径向裂缝增多、扩大或者压力不稳定等来确定。

8组试验成果(如表3所示)均较好的反映了坝址区浅表层漂石砂卵砾石层的承载及变形特征。表明漂石砂卵砾石层具有较高的承载力及抗压变形能力。极限承载力为1.232 MPa～1.907 MPa，平均为1.482 MPa；屈服承载力为0.973 MPa～1.589 MPa，平均为1.208 MPa；比例极限承载力为0.477 MPa～0.795 MPa，平均0.595 MPa；变形模量为80.0 MPa～126.0 MPa，平均为101.9 MPa，总体具有较高的承载力和抗变形能力。现场荷载试验成果见表4。

表4 现场荷载试验成果汇总表

3.4 波速试验

在坝址区布置了4条河床地表剖面进行剪切波测试，地表剪切波测试采用相遇观测系统，通过锤击进行激发；对6个钻孔进行单孔剪切波测试，试验采用扣板法，在孔口附近激发重锤，孔内接受。其物探剪切波速统计表见表5，由于钻孔均位于河床部位，而剖面上部存在碎石土，表层相对松散，因此钻孔中波速浅表部明显高于剖面波速。

表5 漂石、砂卵砾石物探剪切波速分层统计表

3.5 水工试验

室内对17组扰动样进行渗透试验，在坝址区的左岸做了5组注水试验，在钻孔ZK57内进行了上、下两段抽水试验，试验结果如表6所示。

表6 渗透指标表 cm/s

通过以上三种方法所获得的漂石砂卵砾石层渗透系数差异不大，根据岩土渗透性分级，属于强透水层。其中室内扰动样试验及现场渗透试验值偏小，由于室内试验及现场渗透试验均为表部，代表性较差，因此建议取抽水试验的最大值5.67×10-2cm/s作为漂石砂卵砾石的渗透系数。

4 主要工程地质问题

4.1 渗透变形

根据《水力发电工程地质勘察规范》[6]对渗透变形判别的规定：对于不均匀系数Cu>5的土，其破坏形式判定如表7所示。其中，Pc为土的细颗粒含量，以质量百分率计(%)。

表7 破坏形式表

漂石砂卵砾石不均匀系数平均为175.5，细粒含量(质量分数)Pc多小于或接近35%。因此，漂石砂卵砾石层可能的渗透变形破坏形式多为管涌型和过渡型。

规范中管涌或过渡型宜采用临界水力坡降计算公式：

Jcr=2.2(Gs-1)(1-n)2d5/d20。

其中，Gs为比重；n为孔隙率；d5,d20分别为占土中总重的5%和20%的土粒粒径,mm。计算出临界坡降为0.44～1.08，平均0.74。依据规范中给出的无黏性土允许比降的确定方法，以土的临界坡降除以安全系数1.5～2(取安全系数2)，则允许坡降平均为0.37。鉴于覆盖层颗粒粗大、实验成果较少，实际计算的最小临界坡降为0.44，则允许坡降为0.22，据工程类比，建议允许坡降为0.20。则漂石砂卵砾石层作为坝基持力层，存在着渗漏和渗透稳定问题，应采取坝基防渗措施，做好防渗处理。

4.2 坝基承载力问题

样品破坏形式见表8。

表8 样品破坏形式表

5 结论

1)阜康抽蓄电站下库覆盖层厚度超过65 m，是以中、粗粒为主的漂石砂卵砾石层，覆盖层的组分由构造活动产生，并由冰川融水冲洪积形成，在平面和垂向上均无明显的分层特征，并随机夹杂有厚度不等的砂层，总体上可按整个深厚覆盖层按同一土体进行评价。

2)漂石砂卵砾石层的平均极限承载力1.482 MPa，平均屈服承载力为1.208 MPa，平均比例极限承载力为0.595 MPa，平均变形模量101.9 MPa，总体具有较高的承载力和抗变形能力。平均内摩擦角为37°29′，平均黏聚力为22 kPa，平均压缩模量18.536 MPa，总体属低压缩性地层；深厚覆盖层的渗透系数为5.67×10-2cm/s。

3)波速试验表明，漂石砂卵砾石层的剪切波速自上而下逐渐递增规律明显。其中0 m～4 m较松散，波速440 m/s～520 m/s；4 m～12 m较密实，波速660 m/s～710 m/s；12 m～32 m密实，剪切波速810 m/s～1 110 m/s；32 m～48 m密实，波速1 130 m/s～1 290 m/s。

4)研究区的主要工程地质问题为渗透变形和承载力问题。渗透变形破坏形式流土、管涌和过渡型均可存在，承载力问题则主要表现为地基不均匀沉降。