张晓龙
(头屯河楼庄子水库工程建设管理局,新疆 昌吉 831100)
宝浪苏木分水枢纽于1988年12月建成,属Ⅱ等大(2)型工程,主要由东支闸、西支闸、翻身渠闸和东、西支交通桥组成。东、西支闸呈一字形布置,交角约为136.47°,拦河总宽度116.5 m。翻身闸闸口位于东、西支闸连接圆弧形岸墙正中。东支闸共7孔,西支闸共2孔,翻身渠闸共1孔,控制灌溉面积4473.36 hm2。受历史条件和资金限制,宝浪苏木分水枢纽设计标准偏低,经过30多年的运行,闸门锈蚀老化严重,混凝土扶臂式挡土墙、闸室岸墙和左右两岸护坡大面积塌落、冻胀、裂缝,急需进行除险加固,这就需对工程地质情况进行分析。
工程区位于开都河下游的冲积平原区与湖滨沼泽湿地区的过渡带上,地势总趋势是北高南低,地形起伏不大,纵坡较小,海拔高程一般为1045~1060 m[1]。工程区主要地貌单元有冲积平原区和湖滨沼泽湿地区。冲积平原区位于开都河的下游,地势平缓,土壤盐渍化相对较重[2]。湖滨沼泽湿地区分布于博斯腾湖边缘地带,是博斯腾凹陷的低洼区,也是区域地表水与地下水的汇集区,地下水矿化度较高,土壤积盐重,沼泽分布普遍。
本次勘察的宝浪苏木分水枢纽由左向右依次为东支闸、翻身渠闸、西支闸。
通过区域地质调查和工程地质测绘发现,距离闸址区较近的断层焉耆断裂和博东断裂均为隐伏断裂,埋藏较深,对工程影响较小。据钻孔揭露,在本次最大25 m勘探深度内,揭露地层为第四系堆积物,按其成因可分为以下2种。
(1)全新统人工压实填土(Q4r)。主要分布于闸址区两岸护堤上,厚度一般为3.2~4.1 m,主要地层岩性为粉质黏土与粉土。
(2)全新统冲积物(Q4al)。分布于开都河现代河床及河漫滩上,本次勘探深度未揭穿全新统冲积层。冲积物主要由粉质黏土、粉砂及细砂组成,结构松散~密实。
在勘探深度25 m内,闸址区地下水类型主要为第四系孔隙潜水。闸址区第四系孔隙潜水埋深3.77~4.70 m,对应的潜水水位高程为1052.72~1052.85 m。其含水层岩性多为含淤泥的粉砂层,局部为细砂层,含水层厚6.50~8.60 m。闸址区地下水埋深随季节变化较大,对闸址区进行地下水位测量时(日期:2021年10月26日),开都河水量较小,导致了地下水位的下降,在洪水期地下水位将抬升,水位变幅为0.5~1.0 m。工程区内开都河河水及地下水特征主要表现,详见表1。
表1 工程区内环境水主要特征一览
由于工程区位于开都河下游,该处河道纵坡坡度较小,河水中挟带的泥沙沉积,造成河床不断抬高,河道存在淤积问题。
闸址在最大勘探深度25 m内,揭露地层岩性为第四系堆积物(Q4),根据建筑物的位置,从左往右依次为东支闸、翻身渠闸、西支闸。本次勘探深度内地基土从上到下分为3层,虽然埋深略有区别,但地层岩性、分层分布和物理力学指标基本相同。下面分别叙述闸址区岩土的物理力学性质指标。
(1)第一层为人工填土,地层岩性以粉质黏土为主,局部夹粉土[3]。物理力学性质指标叙述如下:天然密度ρ=1.75~1.79 g/cm3,建议值ρ=1.78 g/cm3;天然含水量ω=19.5%~21.5%,建议值ω=21.0%;干密度ρd=1.46~1.47 g/cm3,建议值ρd=1.47 g/cm3;比重Gs=2.71~2.72 g/cm3,建 议 值Gs=2.72 g/cm3;孔 隙 比e=0.83~0.857,建 议 值e=0.848;孔 隙 率n=45.6%~46.2%,建议值n=45.9%;液限ωL=29.0%~30.9%,建议值ωL=30.0%;塑限ωP=15.5%~18.8%,建议值ωP=17.0%;塑性指数Ip=12.1~14.0,建议值Ip=13.1;液性指数IL=0.21~0.43,建议值IL=0.30,属可塑~硬塑状态。天然状态下的压缩系数α1-2=0.19~0.40 MPa-1,建议值α1-2=0.30 MPa-1;压缩模量Es=4.97~8.98 MPa,建议值Es=6.54 MPa,为中等压缩性土。饱水状态下的抗剪强度标准值:内摩擦角φ=21°~23°,建议值φ=22.0°;黏聚力C=15~21 kPa,建 议值C=18.3 kPa。野外进行标准贯入击数试验N=6~10击/30 cm。渗透系数k=5.12×10-6-2.82×10-5cm/s,属微~弱透水性。
(2)第二层为砂层,以粉砂为主,局部夹薄层细砂,夹多层淤泥。物理力学性质指标叙述如下:天然密度ρ=1.80~1.86 g/cm3,建议值ρ=1.83 g/cm3;天然含水量ω=17.50%~24.2%,建议值ω=19.8%;干密度ρd=1.49~1.57 g/cm3,建议值ρd=1.52 g/cm3;比重Gs=2.67~2.69 g/cm3,建 议 值Gs=2.68 g/cm3;孔 隙 比e=0.702~0.799,建 议 值e=0.755;孔 隙 率n=41.30%~44.4%,建议值n=43.0%,不均匀系数Cu=5.10~26.9,曲率系数Cc=0.8~3.2,级配不良。根据颗分资料,粒径小于0.075 mm的黏粉粒含量为26.00%~47.50%。野外进行标准贯入击数试验N=5~10击/30 cm。灌注桩桩周摩阻力建议值qs=10~25 kPa。渗透系数k=2.87×10-4-4.52×10-4cm/s,属中等透水性。
(3)第三层为粉质黏土,局部粉砂。物理力学性质指标叙述如下:天然密度ρ=1.73~1.78 g/cm3,建议值ρ=1.76 g/cm3;天然含水量ω=21.40%~23.50%,建议值ω=22.3%;干密度ρd=1.43~1.45 g/cm3,建议值ρd=1.44 g/cm3;比重Gs=2.71~2.72 g/cm,建议值Gs=2.72 g/cm;孔隙比e=0.878~0.909,建议值e=0.892;孔隙率n=46.8%~47.6%,建议值n=47.2%;液限ωL=29.3%~35.3%,建议值ωL=32.0%;塑限ωP=17.10%~21.30%,建议值ωP=19.1%;塑性指数Ip=12.2~14.0,建议值Ip=12.9;液性指数IL=0.21~0.43,建议值IL=0.28,属可塑~硬塑状态。饱水状态下的抗剪强度标准值:内摩擦角φ=20.1°~25.5°,建议值φ=22.6°;黏聚力C=17.0~20.0 kPa,建议值C=18.8 kPa。野外进行标准贯入击数试验N=14~21击/30 cm。灌注桩桩周摩阻力建议值qs=30 kPa。渗透系数k=3.45×10-6-3.98×10-5cm/s,属微~弱透水性。
闸址区主要有地基土的渗透变形、震动液化、开挖边坡、承载力、环境水、土的腐蚀性以及地基土的冻胀性等几个主要工程地质问题,下面对这几个主要工程地质问题分述如下。
闸址地基土以砂层为主,其粒径大小为0.037 mm,土的细粒含量为25%≤P<35%,砂层的临界允许水力为0.19,所以砂层的渗透破坏形式为过渡型。根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008),建议砂层的允许比降取0.25。
闸址地基土勘探深度为25.00 m。依据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008),对它们的地震液化判定如下。
4.2.1 地震液化的初判
(1)按地层颗粒组成判别,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相应于地震动峰值加速度0.15 g不小于17%时,可判为不液化。根据颗分资料,第一、三层粉质黏土,中粒径小于0.005 mm的颗粒质量百分率在17.1%~38.1%,由于该层小于0.005 mm的颗粒含量质量百分率大于17%,据此判定第一、三层粉质黏土层不液化。根据颗分资料得出第二层砂层中粒径小于0.005 mm的颗粒质量百分率在0.6%~9.6%,由于该层小于0.005 mm的颗粒含量质量百分率小于17%,据此判定第二层砂层均存在液化的可能性。
(2)根据地层年代和土的状态判别,第二层砂层为第四系全新统冲积物,工程运行时该层处于设计水位以下(饱和土),据此判断该层存在液化的可能性。
4.2.2 地震液化的复判
按标准贯入试验判别,对闸址区0~15 m内的土层进行地震液化复判。闸址区ZK01、ZK02、ZK03、ZK04及ZK05钻孔的标准贯入击数试验结果,详见表2。标准贯入试验判定的依据如下:当深度ds处的饱和砂土的标准贯入击数N值小于液化临界锤击数Ncr值时,可判为液化土,否则不液化。其计算公式如下:
式中:Ncr为液化临界锤击数;N0为液化判别标准贯入锤击数基准值,地震动峰值加速度0.15 g时取8;dw为工程正常运用时地下水位在当时地面以下的深度(m);ds为工程正常运用时标准贯入点在当时地面以下的深度(m),当标准贯入点在地面以下5 m以内的深度时应采用5 m计算;ρc为土的黏粒含量质量百分率,当ρc<3%时取3%,当ρc>3%时取实际值。
根据式(1)对闸址区饱和砂层的液化临界锤击数进行计算,由表2可以看出,闸址区第二层砂层全部液化。
表2 闸址区砂层标准贯入试验液化判别
(1)第一层分布于河床两岸表层,均位于地下水位以上,属可塑~硬塑状态。依据地基土的天然休止角结合《工程地质手册第四版》中边坡的经验值,人工填土层临时开挖边坡值建议取1∶1.0,永久开挖边坡值建议取1∶1.75。
(2)第二层分布于河床两岸及河床上,基本上位于地下水位以下,结构松散~稍密。依据地基土的天然休止角结合《工程地质手册第四版》中边坡的经验值,粉砂层的临时开挖边坡值建议取1∶2.0,永久开挖边坡值建议取1∶3.0。闸址区地基土开挖过程中,第二层砂层可能会出现流砂现象,为了使基坑开挖工作顺利进行,建议在施工过程中采取必要的排水和支护措施。
闸址区在最大勘探深度25.00 m内,揭露地层岩性为第四系堆积物,从上往下分别记述。
(1)第一层属可塑~硬塑状态,为中等压缩性土。野外进行标准贯入击数试验N=6~10击/30 cm(实测值),N=5.5~9.0击/30 cm(修正后)。建议人工填土层地质承载力特征值取fak=100 kPa。
(2)第二层结构松散~稍密。野外进行标准贯入击数试验N=5~10击/30 cm(实测值),N=4.1~8.1击/30 cm(修正后)。建议砂层地质承载力特征值取fak=80~100 kPa;淤泥层地质承载力特征值取fak=40~50 kPa。建议第二层灌注桩桩周摩阻力取qs=10~25 kPa。
(3)第三层成层稳定,分布均匀,未揭穿,属可塑~硬塑状态。野外进行标准贯入击数试验N=14~21击/30 cm(实测值),N=10.8~16.2击/30cm(修正后)。建议第三层地质承载力标准值取fak=150~180 kPa。建议第三层灌注桩桩周摩阻力取qs=30 kPa。
闸址区地下水埋藏浅,工程地质特性主要有:①地表局部存在白色盐碱壳,土壤有盐碱化现象;②该地区冬季寒冷,地下水埋深浅,部分地层属于冻胀性土,存在冻胀问题。
对闸址区的地下水和附近的河水取样进行水质简分析,河水中Mg2+含量为11~20 mg/L,对混凝土无镁化性腐蚀;HCO3-含量为2.51~2.69 mmol/L,对混凝土无溶出性腐蚀;pH值为7.4~7.6,对混凝土无一般酸性腐蚀;SO42-含量为26.0~40.3 mg/L,对混凝土无腐蚀性;Cl-含量(硫酸盐折算后)为15.5~21.5 mg/L,对钢筋混凝土结构中的钢筋无腐蚀性。
工程区地下水中Mg2+含量为41~49 mg/L,对混凝土无镁化性腐蚀;HCO3-含量为7.56~8.09 mmol/L,对混凝土无溶出性腐蚀;pH值为7.9~8.0,对混凝土无一般酸性腐蚀;SO42-含量为213~233 mg/L,对混凝土无腐蚀性;Cl-含量(硫酸盐折算后)为124.3~166.3 mg/L,对钢筋混凝土结构中的钢筋具有弱腐蚀性。
由于闸址区地下水中Cl-对钢筋混凝土中的钢筋具有弱腐蚀性,建议使用钢筋混凝土时采取相应防腐蚀措施。
闸址区环境土在0~0.5、0.5~1.0及1.0~1.5 m深度内取样,共取易溶盐6组,闸址轴线表层0~0.5 m深度内环境土总盐含量在0.60%~0.74%,大于0.3%,为盐渍土;闸址轴线0.5~1.5 m深度内环境土总盐含量在0.09%~0.22%,小于0.3%,为非盐渍土。
经过试验,闸址区0~1.0 m深度内环境土中,SO42-含量565~2748 mg/kg对混凝土结构具有弱~强腐蚀性,Cl-含量356~1401 mg/kg对钢筋混凝土结构中的钢筋具有弱~中等腐蚀性;综合判定闸址区0~1.0 m深度内环境土中,SO42-对混凝土结构具有强腐蚀性,Cl-对钢筋混凝土结构中的钢筋具有中等腐蚀性。闸址区1.0~1.5 m深度内环境土中,SO42-含量226~253 mg/kg对混凝土结构具有微腐蚀性,Cl-含量21~79 mg/kg对钢筋混凝土结构中的钢筋具有微腐蚀性。建议闸址区0~1.0 m深度内的环境土采取相应防腐蚀措施。
依据《水工建筑物抗冰冻设计规范》(SL211—2006),土中粒径小于0.075 mm土粒质量大于总质量10%的土为“冻胀性土”[4]。第一层为人工填土(以粉质黏土为主,局部夹粉土):由颗粒分析试验可知,该层土中粒径小于0.075 mm土粒含量30.3%~97.7%,属于冻胀性土。第二层砂层以粉砂为主,局部夹薄层细砂,夹多层淤泥:由颗粒分析试验可知,该层土中粒径小于0.075 mm土粒含量26.0%~47.5%,属于冻胀性土。
因此判定,闸址区第一、二层具有冻胀性,建议采取相应抗冻胀措施。
通过勘察试验和分析探讨可知,闸址区地貌单元、岩性比较单一,属透水层,地基土砂层渗透破坏形式为过渡型,允许比降取0.25。第二层砂层全部液化,施工中需采取必要的排水和支护措施,使用钢筋混凝土时采取相应防腐蚀措施,闸址区及护坡工程沿线0~1.0 m深度内的环境土要采取相应防腐蚀和抗冻胀措施,为工程建设提供了科学依据。