新疆苏巴什水库坝基Q1砾岩溶隙的成因机理分析与处理

王 旭，李志军

(新疆水利水电规划设计管理局，乌鲁木齐 830000)

1 工程概况

苏巴什水库位于柯坪县西北约10 km的苏巴什河出山口，是苏巴什河上游的控制性工程。水库正常蓄水位1 315.00 m，相应库容1 470万m3，工程建筑物主要由左岸混凝土面板砂砾石坝，右岸重力式挡墙、泄洪、冲沙、引水闸和混凝土重力坝组成，最大坝高35.5 m，坝顶宽8 m。

工程坝址河床基岩主要由Q1砾岩构成，根据勘察和施工揭露坝基砾岩存在NEE向陡倾角溶隙，对建筑物稳定和坝基防渗影响较大，砾岩陡倾角溶隙的工程特性和处理是坝基的重要工程地质问题。

2 地质环境条件

场区处于柯坪推覆构造带 (亦称柯坪断块)东段，柯坪推覆构造带由多排近NEE向的逆冲断裂和薄皮式褶皱构造组成，逆冲席体指向南，朝着塔里木盆地方向。工程区所处的东段表现为3排逆断裂一褶皱带，总体地貌轮廓由3排单斜构造和2个狭长的山间盆地组成，工程区位于第二排依木干塔乌逆断裂―褶皱带南缘。

3 工程区岩溶的分布规律

岩溶现象在坝址区普遍发育，地表和地下均有不同程度的岩溶发育，但总体规模较小，形态各异，主要表现为溶洞、溶孔、溶隙等。

溶洞主要在两岸灰岩岸坡坡脚沿层间挤压带和构造破碎带发育，由河水淘蚀和溶蚀共同作用形成，洞径一般小于2.0 m，深度2～5 m，规模小，分布少，主要分布于坝址下游左岸坡脚，对工程影响不大。

溶孔在灰岩和砾岩中均有分布，溶孔孔径一般较小，微小溶孔呈针孔状，最大为2 cm。

灰岩中溶隙主要沿层面和层间挤压带发育，溶隙宽度0.1～0.5 cm，局部地段宽1～3 cm。河床坝基Q1砾岩中主要发育NNE向溶隙，与河流大角度相交，陡倾NW或SE，倾角80～90°，裂隙面起伏、粗糙，常见厚度0.2～0.5 cm的碳酸盐结晶体，见图2。该组溶隙主要在右岸重力挡墙段和趾板段发育，重力挡墙长55 m，共发育7条溶隙，间距4～15 m，张开宽度一般1～5 cm，局部宽度达到22 cm，如图3、4；左岸趾板段长371 m，共发育14条溶隙，规模较小，宽度一般小于1 cm。从坝基开挖情况来看，该组裂隙大部分东西向贯穿河床，走向基本与岩层走向平行，向上未穿透中更新统砾岩层，向下切穿Q1砾岩层。

4 坝基砾岩溶隙的成因机理

从坝基砾岩溶隙的分布特征与工程区的构造活动特征来看，砾岩溶隙的形成与新构造活动、岩石成分和地下水的运移规律有关。

中新世—早更新世印度板块与欧亚大陆板块全面碰撞，天山晚古生代褶皱和断裂构造重新复活隆起，并向南北两侧推挤，同时受帕米尔向北急剧挤压所形成的NNW向左行走滑断裂活动影响，在前陆盆地中形成现今由多排弧形褶皱-逆断裂带组成的柯坪推覆体。推覆体地壳结构特征是前陆盆地以下沿寒武系底界面存在低角度滑脱断裂，埋深5～10 km，南浅北深，总体北倾。晚第四系至今柯坪推覆体仍在活动变形，而变形在地表和近地表主要表现为褶皱山南的戈壁滩上发育一系列的新生小褶皱，且变形在空间上具有不均一性，表现为地壳总缩短量由西向东减小，新生代构造变形具有西强东弱、南强北弱的特点[1]。

工程区处于柯坪推覆构造带东段第二排依木干塔乌逆断裂―褶皱带南缘，如图5所示，褶皱较刚性的寒武纪灰岩已出露地表，褶皱山在地表为单斜构造。新近系末期推覆构造带形成后，第四系松散堆积物开始在盆地和侵蚀河谷搬运、沉积，根据前人对工程区冰水沉积砾岩研究认为，该层砾岩组形成于早更新世，主要分布于工程区上游山间盆地边缘和库坝区河谷内，盆地边缘厚度一般400～600 m，河谷厚度40～120 m，不整合覆盖于古生代地层之上，砾岩主要由灰岩、砂岩次圆状碎石、碎屑组成，磨圆度一般，分选性差，钙质胶结，胶结较好，饱和抗压强度一般30～40 MPa，岩质较坚硬，砾岩上部致密胶结，透水性差，下部颗粒级配较差，缺少细颗粒，透水性较强。

早更新世砾岩形成后，由于受到区域南北两侧构造推挤作用，依木干塔乌褶皱山体仍在隆起变形，在隆起变形的过程中单斜山体寒武系—奥陶系灰岩产生层间错动，形成顺层分布斜向上的剪切应力，剪切应力直接作用于坝址河谷水平覆盖地表的砾岩底部，使得砾岩被顶起，由于灰岩各层面间的应力差异使上覆砾岩被剪断，形成与灰岩走向近平行、间距不等的NNE向陡倾角张裂隙，而从裂隙的延伸情况来看，裂隙只延伸到砾岩顶面3 m以下(见图6)，未延伸至Q2砾岩顶面，且裂隙未充填第四系松散物，这说明裂缝形成后河谷继续接受沉积、成岩，随之层间错动停止，这与晚第四系以来柯坪推覆体活动变形主要表现在褶皱山南的新生小褶皱相对应[2]。

砾岩NNE向陡倾角张裂隙形成后，地表水沿裂隙向下入渗，后沿下部透水较强的粗砾岩和岩性接触带向河道下游排泄。由于砾岩成分主要为灰岩，且为碳酸钙胶结，在水的作用下易产生溶蚀现象，经过长期的溶蚀和冲蚀作用，裂缝逐渐变宽，形成现今的陡倾角溶隙。另外，从勘探揭露来看，砾岩层地下水位埋深一般在15 m以下，坝线下游部分地段地下水位在100 m以下，砾岩中现今地下水径流较弱，其原因主要是工程区属干旱地区，地下水的补给主要来源于苏巴什河地表径流，河水径流不大，且砾岩裂隙未延伸至地表，顶部完整且一直延伸到上游盆地起到了一定的隔水作用，同时也说明裂隙的溶蚀、侵蚀可能主要发生在裂缝形成初期的早更新世。

5 坝基砾岩溶隙危害分析

苏巴什水库工程基础出现的裂隙属于岩溶现象，在Q1砾岩中出现溶隙在新疆尚属首次，为查明溶隙分布及特性，提出有针对性的处理意见，除进行了施工现场补充勘察工作外，还特别邀请了国内知名专家就基础溶隙的成因、危害及处理方案进行了咨询，结合现场补勘的成果和专家咨询意见，对坝基溶隙的危害性分析如下：

(1) 根据对砾岩溶隙的研究认为，溶隙形成于早更新世，现今活动不明显，今后发生再次活动的可能性不大，溶隙现今溶蚀微弱。

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(2) Q1砾岩岩层钙质胶结，且胶结程度较好，强度较高，属中硬岩，岩体完整性较好，而溶隙陡倾，且间距较大，作为重力式挡墙和泄水建筑物的基础，承载力能够满足设计要求。

(3) 由于溶隙延伸较长，切割较深，连通性较好，且部分穿过坝体及防渗帷幕，构成了坝基的渗漏通道，存在渗漏问题，需采取防渗措施。

6 坝基溶隙的处理措施及效果

6.1 处理措施

根据上述分析，右岸闸坝段基础岩体裂隙不存在抗断和渗透稳定问题，基岩承载力能够满足设计要求，但考虑到工程的安全可靠性，施工仍然对基础加强了加固处理。坝基基础和防渗处理措施如下：

溶隙混凝土塞：为便于溶隙的灌浆施工，沿基坑内裂隙发展方向进行混凝土塞的槽挖，刻槽深度0.5～2 m，混凝土塞内设置锚杆，长度4.5 m，深入岩石3.5 m，锚杆的间排距1.5 m，并在溶隙刻槽岩石表面设置并缝钢筋[3]。

溶隙端头围封：溶隙混凝土塞刻槽完成后，在每条溶隙两端各设置6个钻孔，进行端头灌浆封堵，钻孔呈伞形分布，见图7，孔径150 mm，钻孔间距30 cm，钻孔铅直，深度32 m，灌注C20细粒混凝土或M15砂浆。对于张开较大的溶隙将注浆管伸入溶隙，采用由下而上灌注砂浆。

溶隙骑缝灌浆：溶隙混凝土塞施工完成后，沿溶隙两侧进行骑缝灌浆，灌浆孔距2 m，交叉斜孔，施工时确保钻孔穿过裂隙。水平面夹角76～86°；灌浆材料为水泥浆和M25砂浆，灌注压力不小1 MPa，灌浆遵循先两头后中间的顺序[4]。

溶隙监测：在重力式挡墙基础主要裂隙中埋设18只渗压计，用以监测溶隙渗流；在趾重力式挡墙的墙踵和墙趾处分别埋设2只三点式岩石变位计，用以监测溶隙的变形。

6.2 溶隙处理效果

溶隙处理完成后，对溶隙封堵和帷幕灌浆采用钻孔进行取芯和压水实验进行检查，经检查溶隙封堵段充填密实，压水实验值均小于3 Lu，封堵和灌浆效果均达到了预期效果。工程于2017年建成运行，运行期渗压计和变位计监测均未发现异常，坝基和建筑物也未发现渗漏和变形。

7 结 论

(1) 裂隙形成于早更新世依木干塔乌褶皱山隆起时，灰岩产生层间错动，使上覆砾岩被剪断而形成张裂隙，后期在地下水的溶蚀和冲蚀作用下裂缝逐渐变宽，形成现今宽度较大陡倾角溶隙。

(2) 从溶隙的分布、地下水分布、自然气候和新构造活动特征分析，溶隙形成于早更新世，现今活动不明显，今后发生再次活动的可能性不大，溶隙现今溶蚀微弱。

(3) 砾岩强度较高，属中硬岩，岩体完整性较好，而溶隙陡倾，且间距较大，对建筑物基础影响不大，但存在渗漏问题，需加强防渗处理。

(4) 施工考虑到工程的安全可靠性，仍然对基础加强了加固处理，设置了相应的渗流和变形检测，并加强了溶隙发育段的帷幕灌浆。

工程于2017年建成运行，至今运行良好，坝基和建筑物未发现渗漏和变形问题，说明工程对裂隙的封堵和灌浆处理起到了良好的作用。