浅谈引绰济辽工程文得根坝址之冰水沉积层

2019-10-22李保方王俊杰康家亮

水利规划与设计 2019年10期

冯伟，李保方，王俊杰，康家亮

(中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130021)

在嫩江流域及其主要支流绰尔流域的工程中都遇到了冰水沉积层，如果对该层认识不当，处理不够，会对工程造成很大的影响，甚至决定工程的成败；如嫩江流域尼尔基水库坝址在技施阶段该层才考虑加防渗墙处理；绰尔河流域察尔森水库也因本层处理不当，如今正在进行除险加固。冰水沉积层是在特殊的水流环境下形成，有自身的工程特点，也就形成了自身特殊的工程特性。

1 工程概况

引绰济辽工程项目位于内蒙古自治区东北部的兴安盟与通辽市境内。调水工程北起兴安盟扎赉特旗文得根水利枢纽工程，供水至西辽河流域通辽市的莫力庙水库，地理位置处于大兴安岭东南麓的中低山及丘陵区向松辽平原过渡区。

水源地为文得根水利枢纽工程，地处嫩江支流绰尔河流域中游。文得根水利枢纽工程坝址位于内蒙古自治区兴安盟扎赉特旗音德尔镇上游90km处，距乌兰浩特市约109km，是绰尔河流域的骨干性控制工程，是一座具有调水、灌溉、发电等多项功能的大I型工程，枢纽建筑物主要由黏土心墙砂砾石坝、引水发电系统、岸坡溢洪道、副坝及鱼道等组成。主坝坝顶高程381.50m，最大坝高48.00m，坝顶长度1358m，水库总库容19.64亿m3，电站装机容量36MW。

2 既往工作

1936年日伪时期曾在文得根坝址进行过钻探与测量工作。1958—1960年，哈尔滨水利设计院对上、中、下三个坝址作了选坝地质勘探工作，并提出相应的地质图件，选定了上坝址；1992年，东北勘测设计研究院受内蒙古自治区兴安盟行政公署委托，承担了文得根水利枢纽工程可行性研究阶段的勘察设计工作，同时开始收集前期资料，仅收集到部分成果图件(基础资料不全)，并对收集的资料做了系统分析、整理。1993年5—9月，在分析已有地质资料的基础上，做了必要的补充地质勘探工作，并于1994年上半年提出勘察报告及成果图件。2012年和2014年又进行了可研阶段的补充勘察工作，工程更改为引绰济辽工程，至2017年陆续进行外业勘察和设计工作，年底正式完成初步设计工作并通过水规总院审查。

3 问题的提出

在整理前期资料的过程中，尤其是对坝轴线剖面覆盖层的分析时，我们发现1958—1960年哈尔滨水利设计院完成的钻孔资料与1993年东勘院完成的补充钻孔资料差别较大，补充完成的ZK02和ZK04号钻孔，均揭露有砾质壤土和碎石质壤土，且厚度均较大(8～13m)，而1958—1960年哈尔滨水利设计院完成的4个钻孔(CKB14、CKB13、CKB12、CKB4)除CKB13钻孔揭露有3m厚的碎石质壤土外，其余均未发现(详见图1)，且把这些层均归为全新统坡残积物[1]。分析可能是由于当时钻探技术水平比较落后，将此层丢失；鉴于这种想法，又进一步收集有关区域资料并进行了认真分析，结合同一流域当时正在除险加固外业勘探的察尔森工程和本工程下游的绰勒水库情况，初步推断该层是存在且连续的，成因为冰水沉积，因此要求项目组在外业勘探过程中，一定要加强钻探值班工作，对钻探过程要严格控制，对前期的层位要特别注意。

图1 前期坝轴线剖面图示意图

图2 本期坝轴线剖面图示意图

4 现场控制与分析

项目组加强对钻探工作的控制，要求地质值班人员对坝址区所有覆盖层的钻进必须跟班作业，同时，为了更好地控制钻探质量，要求机组覆盖层钻进时仅白天作业，禁止夜晚进行覆盖层钻进，并加强了对钻探方法(无泵钻进)和进尺(小于50cm)的严格控制。由于上层为卵砾石层，必需进行跟管给水钻进,此层在给水情况下很容易丢失，严控以下三点：一是严格控制进尺，不能超过50cm一起钻；二是盯住抽筒返水颜色，水一变成混色，立该停止给水钻进，进行无泵取芯；三是抽筒憋水，声发闷，说明从下返水减少，下层透水性显著变小，立刻停止给水钻进变无泵取芯。

通过这一系列的控制措施，尽管钻探机组的进度受到了一定程度的影响，但我们获得了比较真实可靠的第一手资料，同时证明了我们出工前对此层可能是连续的推断。

钻孔覆盖层揭露厚度和坝轴线剖面示意图见表1和图2。

表1 本期坝轴线钻孔揭露覆盖层的厚度单位：m

5 冰水沉积物的形成

在雪线以上的常年积雪经过一系列的“物理变质”形成冰川冰，当冰川冰积累到一定厚度，冰层表面具有一定坡度，冰川冰就要运动，我们把这种运动称为冰川运动[2]。冰川冰运动的过程中由很大的挖掘和磨蚀能力，所以冰川中含有大量的碎屑物质，当冰雪融化过程中一般会形成冰水沉积物和冰碛沉积物。冰雪融化后形成的水流在冰川区内流动成冰面河、冰下河、冰侧溪流及冰下湖和冰面湖，大部分冰水都要经过冰川前缘的冰下河和冰侧溪沟流出去，形成冰前河或冰前湖泊，这种冰水所形成的堆积物，统称为冰水沉积物。冰碛沉积物为由于冰川融化后堆积下来的冰川携带碎屑物。冰水流出冰川末端后，立即分散为没有固定河床的细小股流，形成辫状水系，冰水携带的碎屑物质就在冰川前堆积起来形成平缓的扇状地形，称为冰水扇，一系列的冰水扇连接起来就构成冰水冲积平原如图3所示。

图3 冰水沉积物形成示意图

冰水扇的顶端直接遇冰碛物相接，呈明显的相变关系,顶端粒径较大，层理不清，砾石磨圆较差，往外粒径变细，磨圆度增加，常有极不规则的层理出现，在冰水扇的最外缘主要沉积亚黏土——黏土类物质，称为冰水亚黏土，一般无层理，偶见砂的夹层及小砾石层，从结构上看很像黄土，故又称为黄土状亚黏土。

6 文得根的冰水沉积物

6.1 冰水沉积物定名

现场描述：灰黄色，饱和，密实；砾石约占35%，粒径一般在10～40mm，成分主要为砂岩和花岗岩等，多呈中等风化状态，有部分岩块已风化成泥状，多呈蚀圆状；砂约占35%，以中砂为主，其余为细粒土；粒径分选性差，结构变化较大，组成物及颗粒含量不均一。如图4所示。

图4 冰水沉积物现场取芯照片

颗分资料：卵石含量占2%，砾粒含量占36%，以中砾为主，砂含量占30%，以细砂为主，细粒含量占32%，以粉粒为主。详见表2。根据颗分资料定名为粉土质砾。

通过现场对该层的沉积特点的分析和室内试验，根据区域资料推断文得根冰水沉积物为第四系上更新统诺敏河组冰水沉积层[2]，在洮儿河一带统称察尔森冰积层，在绰尔河流域均有分布，主要为浅黄色—黄绿色泥砾，特点为含有黄色及黄绿色纹泥。

6.2 冰水沉积物工程特性

6.2.1组成物和结构

从现场钻孔取芯(图5)上看大部分呈柱状，密实，少部份为松散状，成份和结构杂乱，规律性不强，不同部位成份及颗粒大小差别较大；从颗分试验(表2)数据上看，虽细粒有一定规律但规律不强，其他粒组占比混乱，不均匀系数相差巨大；因而也导致了工程地质性质参差不齐。

图5 冰水沉积物现场取芯照片

6.2.2物理力学性质

从物理力学性试验(表3)上看，抗剪强度指标相差较大，一半样品无法进行原状样试验，其余指标相差不是很大，但所取样品均为完整可取之样，钻孔取芯松散样品未进行取样，因此所取样品已存在取好剔次情况，故所得试验指标应为本冰水沉积层高值，提供设计应用时应予以说明。根据现场观察和室内试验资料可以看出，冰水沉积层整体透水性较低，渗透系数一般1.05×10-6～6.45×10-4cm/s，一般属于中等透水或者微透水；属弱透水或者微透水层，但从岩芯及冰水沉积物自身的特点来看，该层很有可能会出现透镜体形式的强渗透带和渗透变形区，故建议坝基混凝土防渗墙深至基岩而不宜做到冰水沉积层上。

6.2.3渗透稳定性分析

该层一般属于中等透水或者微透水；天然成分和结构混乱，颗粒分布无规律，不同部位成分差别较大，渗透性不均一；颗粒分布及细颗粒含量有一定差异，说明此层工程性质参差不齐，不均一性较强。

表2 粉土质砾颗粒分析成果统计[1]

表3 粉土质砾物理力学性质成果统计

通过颗粒级配曲线计算文得根的冰水层的土的破坏类型属于流土型，GB 50487—2008《水利水电工程地质勘察规范》附录G.0.7推荐的流土型土临界水力比降计算公式为[3]：

Jcr=(Gs-1)(1-n)

(1)

式中,Gs—土粒比重；n—土的孔隙率。

根据粉土质砾颗分资料，粉土质砾的临界水力比降计算值的平均值为1.08；粉土质砾取样进行试验室试验，取得临界水力比降平均值为3.58，大于计算值，详见表4。

规范规定无黏性土的临界水力比降为计算值除以1.5～2.0的安全系数，当渗透稳定对水工建筑物危害较大时，取2.0的安全系数，对于特别重要的工程也可以取2.5的安全系数。一般情况下允许比降采用实验值的，应除以3.0安全系数。规范也规定流土的临界水力比降计算式对无黏性土比较适合，而对黏性土或泥化来层等不适用[3]。但无性性土的定义里指含少量黏粒的土，没有量化，多数教课书中把C值大于0归为黏性土；地震部门把黏粒含量大于3%归为黏性土；《土的渗透稳定与渗流控制》一书中把黏性土定义为塑限大于26%,液限指数大于4～7的中高液限的粉质土和黏质土，黏粒含量一般大于10%[4]。按前两种说法该层土应为黏性土，按后一种说法该层土为无黏性土。下面就两种取值分别做对比，见表5。