城镇大型水利工程勘察中的工程地质问题分析及评价

隋玉明

(中山市水利水电勘测设计咨询有限公司，广东 中山 528400)

1 概述

水是生命之源，水资源的合理利用直接关系到经济和社会的发展，水利工程的建设有利于合理调节水资源[1]，防止洪涝灾害的发生，对于人民生活和生产具有重大的意义。中小城市的水利工程建设近年来慢慢受到了发展和重视，特别随着时间的推移，许多城镇水利工程也面临着设备老旧，管理落后，功能下降，运行缓慢等问题。目前为止，水利相关的枢纽工程运行已经超过50年[2]，经过了长期的运营过程后，水利工程相关土建工程的渗透变形和沉降破坏已经不能满足日后的正常运营。为了保证水利工程的运行安全，必须通过勘察对相关问题进行查明，并为解决问题提供可靠的地质依据。

本文以芜湖保安站为例，深度查明芜湖市鸠江区下九连圩保安站工程区范围内的工程地质与水文地质条件，并结合目前芜湖保安站现状，对所面临的主要工程地质问题进行分析和评价，为类似工程所容易面临的地质工程问题提供参考和借鉴。

2 水利工程概况及勘察任务

2.1 枢纽现状

芜湖市鸠江区下九连圩保安站工程位于芜湖市无为县二坝镇水楼村，上下九连圩属于长江下游沿江低洼圩区，东、南部至长江无为大堤，北部至裕溪河，西部至西河，总集水面积499.71km2，其中鸠江区170.9km2、无为县328.81km2。

现状保安站泵房因地基不均匀沉降，南低北高，目前泵房已严重倾斜，严重影响水泵运行；洪水期间穿堤箱涵第1#、2#两节之间伸缩缝出现渗漏，后更换了伸缩缝止水橡皮，进水控制闸、出水防洪闸闸体承重柱、梁均出现风化露筋现象，启闭机丝杆锈蚀严重启闭困难。临近现状水楼站为堤后式泵站，靠近无为大堤内堤脚较近，对无为大堤防洪安全构成不利影响。尤其是水楼站站址处无为大堤堤基存在强透水砂基，在汛期外河高水位情况下，泵站前池冒水、冒砂。保安站经安全类别综合评价等级评定为四类，须拆除重建。

针对现有工程现有的安全问题，拟重建保安泵站、新建一座通江闸和加固疏浚通江河。

2.2 拟建工程概况

2.2.1重建保安泵站

本次重建保安泵站设计排涝流量为58m3/s，装机容量7500kw，根据SL 252—2017《水利水电工程等级划分及洪水标准》、GB 50265—2010《泵站设计规范》，确定保安站工程等别均为Ⅱ等，规模为大(2)型，主要建筑物级别为2级，次要建筑物级别为3级，临时建筑物级别为4级。

2.2.2新建通江闸

拟建通江闸位于惠生联圩，属于惠生联圩的穿堤建筑物，与惠生联圩一起共同抵御长江洪水。惠生联圩属于长江外滩圩，惠生联圩堤防等级为4级，惠生联圩保护面积约为13.83km2。通江闸堤顶高程11.50～11.99m，滩地高程5.50～9.00m，河底最低高程为3.20m。

2.2.3加固疏浚通江河

通江河北接保安泵站，南连通江闸，全长1.424km。微地貌有堤防、河流、河滩地、河湾。部分段河道折弯，水流由南北转向西北流动。现状堤身未发现管涌及流土险情点，堤身未见不均匀沉降，但堤身杂草茂盛，河堤低矮，迎水坡无砌护，不能达到抗洪的要求，本次拟治理内容包括两方面：两岸护坡整治和河道清淤疏浚。

3 勘察评价目标

水利工程施工情况复杂，特别对于运营时间较久的水利工程来说，在重建和修复之前必须进行详细的勘察，了解清楚主要的工程地质问题，从而降低工程安全隐患，保证工程质量。根据SL 258—2017《水库大坝安全鉴定导则》和GB 50487—2008《水利水电工程地质勘察规范》，主要完成以下任务:①查明场址各建筑物地基地层岩性、物质组成、地质结构、性状和物理力学性质，详细评价主要存在的工程地质问题；②查明上下游引河(渠)岩土层的厚度、埋深、分布范围、形状和物理力学性质；③查明拟建工程区域不良地质现象；④查明拟建工程区域的岩体结构、岩体风化、卸荷分带情况，重点是断层、破碎带、软弱夹层、节理裂隙发育规律及其组合关系，评价岩体工程地质特性地基稳定、防渗和边坡稳定的影响；⑤评价建筑物地基和边坡稳定性及渗透、渗透变形条件；⑥查明各建筑物基坑开挖影响范围内的工程地质条件，对基坑底渗流稳定性进行评价。

本次勘察工作采用了工程地质测绘、钻探、现场原位测试与室内试验相结合综合勘察方法，并充分利用可研阶段的勘察成果，组织了4台XY-150型钻机进行现场钻探作业，并同时开展现场地质调绘工作。

4 主要工程地质问题及评价

4.1 保安泵站工程地质评价

4.1.1泵站冒水、冒沙

保安站在汛期外河高水位情况下，泵站前池冒水、冒砂。本次勘察特此布置了SZK9、SZK13、SZK14、BK18、BK19五个钻孔，并进行了原位测试及钻孔水位观测，该地带分布有一层砂卵(砾)石层，厚约0.9～1.5m，为强透水层，该层地下水与外河水力联系较好，钻孔钻进过程中，出水量比其他钻孔大。该地段上部粉细砂多为松散状，为冒砂、冒水提供了便利条件。

经调查：1998年汛期前池冒沙堆积达数吨，无为县水务局当年采取了灌浆、压渗工程处理，但效果甚微。2012年汛后至2013年汛前，在前池周围共实施了13口减压井，其中4口出水量尚可，1口出水量较小，其余8口均为废井，13口减压井中有7口存在防洪安全隐患，危及无为大堤防洪安全。现原有减压井多个井孔已被泥沙封堵，仅有少数井孔见自由水面，且现有减压井管理较差，异物容易进入井内。

针对保安站前池冒砂、冒水问题，建议采取降压、减压的措施，对现有减压井进行疏通加固，并增加减压井数量，选取合理有效的过滤方案，提高过滤效率[3]，定期清理井中泥沙，加强管理。

4.1.2地基沉降变形和破坏

根据钻孔揭示和室内试验，此次保安站工程建筑物的底板位均于淤泥质粉质粘土夹粉砂层，该层有机质含量较高，天然含水量高、孔隙比大、灵敏度高、压缩性大、强度低、物理力学性质差、承载力低，易发生压缩变形。建议采用复合地基，改善土层性质，降低地基沉降变形对建筑物的影响。

在保安站站址内，保安站基建面较深，部分建筑物基础位于粉细砂层，相对隔水层厚度较薄，在承压水头较高时，可能会发生类似水楼站的地基渗透破坏现象，在设计时，对地基土层进行防渗处理，以前截、后压及疏导相结合为处理原则，采用防渗墙进行防渗处理的同时，采用减压井、减压渠道或减压塘进行降压疏导。

4.1.3基坑降排水

保安站工程大部分建筑物建基面处微弱透水层厚度较薄或直接位于粉细砂层中，承压水对基坑影响较大，容易造成坑底突涌、坑壁发生流土、管涌现象。需严格控制基坑降水的深度，避免人为引起坑内、坑外水头差过大而，引起渗透变形。

将BK11钻孔改造成抽水孔，进行单孔抽水试验，测定保安泵站基坑开挖区域的水文地质参数。根据钻探资料，BK11钻孔含水层厚度41.8m。根据现场抽水试验结果，确定了上部粉细砂含水层的综合渗透系数为6.17×10-3cm/s，为中等透水层。抽水的影响半径为213.5m。承压水来水量较大，承压水头较高，基坑降水考虑以深井降水为主，严格控制单井抽水流量，以免流量过大造成粉细砂颗粒流失引起坑底、坑壁产生变形破坏，并根据现场情况可采取排水沟与之相结合布置形式，必要时，可在基坑周围采取止水措施。粉细砂层较细，粉砂含量高，进行基坑降水时降水井应谨慎选择过滤器类型，提升过滤效果，尽量避免粉细砂层涌入抽水井，造成堵塞。

4.2 通江闸工程地质评价

4.2.1地基沉降变形

通江闸的河海漫、消力池和涵闸建基面均位淤泥质粉质粘土层，该层有机质含量较高，天然含水量高、孔隙比大、灵敏度高、压缩性大、强度低、物理力学性质差、承载力低，易发生压缩变形。容易引起沉降变形及滑移稳定问题，可能会引起消力池、箱涵变形破坏，必须引起重视。

4.2.2渗透问题

通过对通江闸现场勘探和工程现场粉细砂层颗分试验成果，粉细砂层渗透破坏类型为管涌，人工填土、淤泥质粉质粘土、淤泥质粉质粘土夹粉砂及粉质粘土渗透破坏的形式为流土[4]。因此重建通江闸工程主要面临软土层发生渗流破坏的危险，需要采用防渗墙以及在通江闸下游设置铺盖进行防渗处理。由于工程区临江近，通江闸基坑开挖以后，两侧江河水位较高，会导致基坑内外水头差加大，容易引起坑壁发生渗透破坏，同时需做好降排水措施，以免河水冲刷、浸泡坑壁造成坑壁失稳。

4.3 通江河工程地质评价

4.3.1变形问题

通江河工程区堤基在上部荷载作用下，河岸边坡易产生鼓胀或滑塌。针对该问题，可在堤外留蓄平台，对河岸坡采用水泥搅拌桩进行处理。在堤防加高培厚过程中速率不宜过快，使淤泥质土慢压排水固结。依据河流水势条件，工程区挡墙等建筑物基础应深入最大冲刷深度以下一定深度，避免在遭受河流、洪水推力及冲刷、淘蚀作用和地震作用时而发生土体流失导致滑移变形等不良工程问题。

受通江闸及泵站影响，通江河水位常年高于两侧河塘水位，水头差在1～2m之间，受水头差影响，堤基面临发生流土破坏的问题，需进行防渗处理，避免堤基发生变形破坏，从而影响工程质量要求。

4.3.2岸坡安全

堤岸岸坡的稳定性是地质勘察的重点研究项目之一[5]，岸坡稳定性对防洪功能有重要的影响。

根据野外地质调查，堤岸内、外坡均为土质边坡，植被覆盖。现状堤防坐落于长江冲积平原一级阶地上，地形开阔平坦，地层岩性均一，地层厚度稳定，为基本稳定岸坡。现状河堤低矮，迎水坡无砌护，不能达到抗洪的要求，需采取护岸措施。堤防两岸工程地质纵剖面显示堤基土主要由淤泥质粉质粘土组成，为软弱土层，其厚度大，地层结构层面起伏平缓，堤身抗滑稳定性一般。堤身直接置于软弱下卧层之上，若堤顶荷载过大，易引起一系列沉降变形问题。应根据现场钻探和室内土工试验成果，结合该地区同类工程经验综合确定本工程河道堤岸土层的允许坡率指标地质建议值。

4.3.3河道淤积

河道淤积是导致水体发黑发臭的主要原因[6]，淤泥堆积影响水利工程的功能的正常发挥，导致河道水质恶化。经过勘察发现通江河堤内岸坡长期受到河水及雨水冲刷，导致堤身填土存在一定的水土流失，造成河道淤积。地基土层中淤泥质粉质粘土夹粉砂层抗滑移及抗冲刷能力均较弱，在遭受河流、洪水推力及冲刷、淘蚀作用和地震作用时易发生土体流失，从而导致河道淤泥。

根据野外地质调查，通江河底淤积层厚度为0.5～1.0m，需进行清淤疏浚，改善通江河景观。

5 结语

水利工程在经过长时间的运营之后所产生的渗透、变形等问题，大多由于不良地质现象导致，同时由于设备老化，监管不力等因素，这些问题容易被忽视。通过对芜湖保安站水利枢纽的详细勘察，总结了水利工程中主要面临的工程地质问题，并对其进行描述和评价，给出了可靠的处理建议。

结果表明工程地质勘察能够查明水利工程中的安全隐患，对提前采取相应措施去预防不良地质现象的发生具有重要意义。随着时代和科技的快速发展，结合三维模拟技术去辅助勘察是一个重要的发展方向[7]，本文在这方面研究较少，未来对待水利工程中复杂困难的的工程难题，结合高科技手段能够得到更合理可靠的评价。