兴电工程改扩建工程地质勘察问题研究

余侃柱

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

我国现有设计灌溉面积30万亩及以上灌区456处，有效灌溉面积2.8亿亩，是我国粮食安全的重要保障和农业农村农民经济社会发展的重要支撑。经过多年运行，一些灌区设施老化，失修严重，且“带病”运行，为遏制灌溉效益衰减趋势，提高灌溉水利用效率和农业综合生产能力，国家发展改革委、水利部安排中央预算内投资于1998年启动开展了大型灌区续建配套节水改造工作[1]。国家发展改革委、水利部2017年5月10日印发《全国大中型灌区续建配套节水改造实施方案(2016—2020年)》[2]。水利部办公厅关于印发《2018年农村水利工作要点》的通知[3]，要求确保完成新增2000万亩高效节水灌溉面积建设任务。

大中型灌区多始建于二十世纪七八十年代，三边工程(边勘测、边设计、边施工)为普遍现象，投资以政府拨款为主，自筹资金为辅，以工代赈，以工代劳，群众参与大会战为主，指挥部、革委会管理模式为主，勘测、设计、施工技术水平和工艺不够先进，工程质量与现行规范相比有较大缺陷和安全隐患，应急抢险、除险加固仅针对险情暴发影响通水局部段进行，没有整体除险加固或改扩建维修。

笔者以兴仁堡电力提灌工程(简称兴电工程)改扩建为例，总结中国北方典型灌区勘察中采用的方法和手段，查明工程地质条件和存在主要工程地质问题，提出设计和施工中地基处理措施和方法，对类似改扩建工程有借鉴和指导意义。

1 工程建设背景

兴电工程位于甘肃省靖远县、平川区与宁夏中宁县、沙坡头区接壤地带，是甘肃省中部大型高扬程提黄河灌区之一，1976年开工建设，1984年10月1日建成通水。总干渠全长29.82km，设八级泵站提水，总扬程439.75m，净扬程407.29m，引水流量9.6m3/s，灌溉面积由最早设计15.6万亩发展到现状30.96万亩，年提水量1.2亿m3。建筑物有泵站、分水闸、隧洞、渡槽、座槽、倒虹吸、涵洞、明渠、暗渠，附属退水闸、节制闸、退水渠、分水口、排洪渡槽、排洪涵洞、排洪涵管、公路桥等。建成平川区水泉镇农村饮水安全工程从总干渠下堡支干桩号6+690处取水，供水规模1500m3/d，调蓄池20万m3，供水人口2.47万人。靖远北部兴堡子川农村饮水安全工程从东干渠4#隧洞出口取水，供水规模5400m3/d，调蓄池54.61万m3，供水人口10万人。兴电灌区现状受益区包括靖远县北部4个乡(镇)及平川区2个乡(镇)，共计农村人口16.65万人。工程规模等级为Ⅲ等中型。兴电灌区周边适宜发展农业灌溉土地总面积约58万亩，因水资源及工程设施有限暂不能开发利用，仍处于干旱状态。通过改扩建使兴电灌区内农村饮水安全工程保证率达到95%，灌溉保证率达到75%，新发展灌溉面积10万亩，缓解灌区用水紧张的局面，实现就地解决贫困人口2万多人、易地搬迁贫困人口2万人精准扶贫任务，为该区域脱贫奔小康创造必要条件。

2 工程地质概况

总干渠一级泵站从黄河右岸取水，地貌类型有黄河右岸三级阶地、山前洪积扇(群)及山前丘陵区、低中山基岩区、黄土梁峁，齐家大岘隧洞以后段为黄土梁峁及黄土川台地。东干渠及北干渠从齐家大岘隧洞出口总分水闸始，地貌为黄土梁峁及黄土川台地、兴仁堡坳陷盆地。工程区出露地层有志留系(S)、二叠系(P)、三叠系(T)、侏罗系(J)、白垩系(K)、新近系(N)，第四系(Q)堆积物，以加里东运动最为强烈，表现为强烈沉降和局部隆升。北干渠、东干渠及其支渠为大面积第四纪黄土所覆盖。据《甘肃省地震危险区划研究》[4]，工程区一级构造单元为Ⅰ祁连山褶皱系，二级构造单元为Ⅰ- 3祁连山中间隆起带，青藏北部地震区(Ⅰ1)南北地震带(Ⅱ3)景泰地震亚带(Ⅲ4)，强震主要沿景泰及宁夏固原、海源一线分布，综合预测结果，100年内将发生1次6.2级地震，发震概率为87%。总干、东干、北干渠线路近场区无潜在震源区，主要受远场地震波及影响。据GB18306-2015《中国地震动参数区划图》，总干、东干、北干渠地震动峰值加速度值均为0.30g，地震基本烈度为Ⅷ度，地震动反应谱特征周期均为0.45s，区域构造稳定性为稳定性较差。抗震设防烈度为8度。工程区主要不良物理地质现象为山洪。

3 勘察依据规范及采用方法

改扩建工程的勘察设计和施工，首先要保证灌区灌溉、社会经济各行业及农村人饮生活供水，兴电工程施工只能安排在非灌溉期当年冬灌结束后，即12月至翌年春灌前的4月，其它时段必须保障正常通水。

勘察中主要执行GB 50487—2008《水利水电工程地质勘察规范》[5]、SL 55—2005《中小型水利水电工程地质勘察规范》[6]、SL 629—2014《引调水线路工程地质勘察规范》[7]、SL 251—2015《水利水电天然建筑材料勘察规程》[8]、SL 299—2004《水利水电工程地质测绘规程》[9]、GB 50025—2004《湿陷性黄土地区建筑规范》[10]、SL 326—2005《水利水电工程物探规程》[11]。针对改扩建工程的特点，依勘察经验和既有手段方法来达到勘察委托要求。

兴电工程勘察尽量利用灌溉停水期间进行，勘探点尽量布置在渠线周边，少量勘探点布置在建筑物轴线，及时恢复到通水状态。布置机械洛阳铲、探坑、钻孔、检测点，无损伤检测主要采用地质雷达、高密度电法、混凝土回弹仪、超声波检测仪，通过勘探取芯、取样试验、静荷载试验、检测，结合平面、剖面工程地质测绘，并充分收集、分析、利用已有前期勘察、竣工资料，运行过程中观测、检测、除险加固资料进行资料对比分析，建筑物地基30年来与原状地基参数变化特征的对比，提出改扩建过程中应采取预防和防范措施。

4 兴电工程主要工程地质问题及对策

4.1 边坡稳定性

岩质边坡：总干傍山明渠、暗渠、渡槽进出口、14座隧洞进出口，边坡组成均为岩石，边坡稳定，削坡比1∶0.3～1∶0.5，洞脸设置排水沟，裂隙发育带，防止坍塌、坠石，采用锚喷或防护网。

土质边坡：总干、东干、北干、分干渠、支渠，傍山明渠、暗渠、渡槽进出口，东干、北干渠隧洞进出口，边坡组成为黄土类土，边坡自上而下为马兰黄土、黄土状土、老黄土，开挖削坡2～6级马道，在洞口处设置混凝土预制块或浆砌石防护，边坡整体无防护，经30多年雨水冲刷，风化剥蚀，局部形成小冲沟和落水洞，边坡稳定存在安全隐患。开挖削坡比1∶0.5～1∶0.75，坡高每8m设置1.5～2.5m宽马道，在坡顶及坡面设置纵横向排水沟渠，对洞帘边坡采用锚喷或浆砌石防护。

4.2 隧洞围岩稳定性

总干1#～3#隧洞围岩为白垩系下统河口群(K1hk)砂岩、砂质泥岩，5#～9#隧洞围岩为新近系中统咸水河组(N1x)、上新统临夏组(N2l)砂岩、含砾砂岩、砾岩、黏土岩，10#～13#隧洞围岩为志留系马营沟组(S1m)千枚岩、板岩夹变质砂岩，14#隧洞(即齐家大岘隧洞)围岩为三叠系上统延长群(T3yn)砂岩、黏土岩、砾岩，侏罗系中统红沟组(J2h)砾岩、砂岩、砂质泥岩、泥质粉砂岩、煤层。围岩全部属软质岩，依据SL 55—2005划分围岩类别，洞身以不稳定Ⅳ类围岩为主，进出口、断层带、裂隙密集带、古河道为极不稳定Ⅴ类。

东干及北干渠隧洞进出口均为第四系上更新统(Q3)黄土状土，洞身围岩为第四系中更新统(Q2)老黄土、粉质黏土、粉质砂壤土夹粉细砂薄层、透镜体，依据SL 629—2014划分围岩类别，东干渠15座隧洞洞身围岩类别为黄土隧洞Ⅳ2类，进出口为黄土隧洞V1类，北干渠9座隧洞围岩类别全为黄土隧洞Ⅳ2类。

通过钻探岩芯探测隧洞围岩的渗漏、坍塌、变形、地下水情况，地质雷达沿隧洞拱顶纵轴线、起拱线与侧墙交汇处纵向扫描探测，选取典型横剖面横向沿隧洞周边扫描探测，分析解译隧洞现状衬砌体周边空腔、不密实层、松动圈、破碎带、不密实段分布范围及预测扩洞开挖过程中可能出现坍塌、超欠挖段，更好为设计施工提供充分依据。

4.3 黄土湿陷性

明渠基经过30多年通水运行，现状衬砌冻胀破损严重，施工缝变形及止水带破损段，渠水渗漏浸泡已基本消除表层自重湿陷量。改扩建时(Q2)老黄土、粉质黏土，砂砾石、砂碎石类渠基，平夯处理。(Q3)黄土状土、(Q4)黄土状土渠基原土翻夯1.0～1.5m或夯实处理。黄土类土渠基含水量大于25%时呈橡皮土，翻夯或夯实较困难，采用抛砾卵石挤淤加水泥土垫层，翻夯或夯实后压实系数要求大于0.94。

4.4 渡槽、倒虹吸地基处理

总干渠渡槽进出口墩基嵌入砂质泥岩内3.0m，沟谷下部嵌入千枚岩、粉砂质泥岩内2.5m。

东干及北干渠渡槽、倒虹吸地基为(Q4)黄土状土、(Q3)黄土状土、(Q2)老黄土、粉质黏土，对黄土地基采用桩基，一般穿透自重湿陷性下限，或进入老黄土内3～5m，采用摩擦灌注桩，桩深度一般15～25m，桩径0.5～0.8m。

4.5 渠道渗漏问题

基岩渠基断面采用矩形，黄土类采用弧底梯型渠、平底梯型渠、矩型渠，以弧底梯型渠断面为主。总干、东干、北干渠采用现浇c20～c25混凝土或厚度8～12cm六边形c20混凝土预制块衬砌边坡，渠底为反拱预制板衬砌，支、斗渠预制U形槽衬砌，边坡比1∶1.25～1∶1.5。从多年防渗和防冻胀的经验，混凝土预制块六边形较矩形效果好，渠基防渗铺设200g/m2/PE0.3mm/200g/m2，施工缝采用“652”橡胶止水带，填缝材料背水面采用聚乙烯泡沫板，迎水面采用1∶1.4沥青水泥砂浆。

4.6 冻胀问题

冻胀破坏属季节性，冻结时间从冬灌结束后每年11月初—翌年3月底，最大冻土发生在12月—翌年1月，渠道阴坡较阳坡冻胀破坏严重，表现为衬砌预制板产生鼓胀、隆起、裂缝、变形移位、接缝错台、脱落、坍塌，冻胀主要发生在明渠渠基为(Q4、Q3)黄土状土渠基。基岩及(Q2)老黄土、粉质黏土渠基一般不会发生冻胀破坏。

防冻胀采用渠道断面结构调整、换基、保温措施。采取弧底梯型渠断面，当地砂砾石料源丰富，渠基为黄土状土除采用消除湿陷性原土翻夯外，换填经水冲洗后颗粒粒径5～40mm级配，厚30～50cm砂砾石垫层，消除冻胀。渠基为砂砾石、砂碎石，采用原基平面夯实。缺乏砂砾石料源时采用6～10cm厚的聚苯乙烯保温板防冻胀，不对渠基土进行拢动和换填。工程管理上采取冬灌结束后，立即排空渠道内的积水，避免冻胀发生。

4.7 地震液化问题

工程区地震动峰值加速度值为0.3g，地下水埋深处于基础以下40～60m，对建筑物地基没有影响，通过标准贯入试验、相对密度等判定无地震液化问题。

4.8 填方渠基处理

施工时为人工夯填为主，经检测压实系数没有达到设计要求(λ≥0.94)，运行过程中渗漏、沉降、裂缝、溃渠、决口和坍塌时有发生，抢险加固采取培厚、堵渗，改造时分段检测填筑土体含水率、密度，换算为压实系数，不满足设计要求时按最优含水率、最大干密度重新夯填，要求达到设计要求压实系数或密实度。

4.9 改建中软基处理

改建中若渠基及隧洞底地基被浸泡含水量达到25%以上，呈软塑、流塑状态，即橡皮土，清基较困难采取抛卵砾石挤淤夯实，回填垫层处理。

4.10 淤积问题

渠底淤积的淤泥质土、泥沙，每年需进行清理。改造时调整纵坡和流速，衬砌渠道，降低糙率，泵站前池沉淀减少水源泥沙含量，沿线设置排洪渡槽、排洪渠禁止山洪携带泥沙进入渠内。

4.11 地下水动态预防

灌区已逐渐关闭开采地下水部分机井，设立监测长观井，定期观测水位、水量、水质、水温的变化趋势，通过科学合理灌溉制度保障灌区地下水动态趋于平衡状态，灌溉回归水补充地下水，地下水位逐渐恢复抬升，灌区不会引起次生环境地质灾害。

4.12 次生盐渍化预防

实施高效节水灌溉，改变粗放型大水漫灌，实施喷灌、微灌和管灌，“需水灌溉”“精准用水”技术快速发展，压缩高耗水作物比例，灌区粮、经、林草种植结构由现状47∶34∶19调整为规划水平年2020年的36∶24∶40，优化综合灌溉定额，控制地下水位的快速抬升，监测灌区地下水动态，抑制盐渍化和浸没的发生。

4.13 生态环境问题

灌区实施高效节水，粮、经、林草种植结构的调整，阻止风沙的侵蚀，合理开发利用未开垦土地，移民的迁入，精准脱贫、乡村振兴、农村农业现代化的实施，乡村山水林田路居住环境整体改善提升，灌区生态环境将发生较大的改变，实现青山绿水，秀美山川。

5 结语

通过对兴电工程地质勘察的总结，为类似工程改扩建勘察及工程地质问题处理提供了借鉴经验和方法。我国北方干旱气候与南方湿润气候环境，地基特征差异大，需要改扩建、除险加固、原有建筑物的利用与新改造相结合，在勘察规范中没有相应技术要求，建议在修订时增加灌区既有建筑物改扩建、利用与改造相结合勘察规范技术要求，为业主提供勘察合同管理与投资控制依据及法规依据，为主管和审批机构提供决策支撑依据，为灌区改扩建实施提供技术保障。