宝浪苏木分水枢纽闸门建设地质分析

张晓龙

（头屯河楼庄子水库工程建设管理局，新疆 昌吉 831100）

1 概况

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。

2 地形地貌

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。

3 闸址区工程地质条件分析

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。

3.1 地层岩性

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。

3.2 水文地质特征

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

3.3 物理地质现象

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。

3.4 岩土的地质条件及物理力学性质指标

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。

4 主要工程地质问题分析

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。

4.1 地基土的渗透变形

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。

4.2 闸址区地基土的震动液化

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

4.3 闸址区地基土的边坡开挖

（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。

4.4 闸址区岩土的地质承载力

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。

5 闸址区环境水、土的腐蚀性问题

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。

5.1 环境水的腐蚀性问题

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。

5.2 闸址区环境土的腐蚀性问题

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。

5.3 闸址区岩土的冻胀性问题

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。

6 结语

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。