阿克肖水庫工程壩基深厚層濕陷性粉土分析與處理措施

克里木，陳 園，吐爾洪·馬合木提

(1.新疆水利水電規劃設計管理局，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000；3.新疆維吾爾自治區水利廳建設管理與質量安全中心，新疆 烏魯木齊 830000)

阿克肖水庫工程位于新疆維吾爾自治區和田地區皮山縣境內，是具灌溉、防洪等綜合利用效益的Ⅲ等中型工程，總庫容4 395萬m3，壩址位于昆侖山北麓的阿克肖河上，海拔2 400 m，由擋水壩、導流兼泄洪沖沙洞、溢洪道等組成。大壩為碾壓式瀝青混凝土心墻壩，最大壩高57.5 m，壩長687 m，壩址處河床左右岸階地均覆蓋第四系風積低液限粉土，是新疆南部地區代表性的河道地質特點。工程區50年超越概率10%地震動峰值加速度為0.20 g，對應地震基本烈度為Ⅷ度，壩址區區域構造穩定性較差。

1 壩址區工程地質條件分析

1.1 地形地貌

壩址區位于阿克肖河中下游河段，屬中山區。正常蓄水位2 452.0 m時，河谷寬630 m。河谷兩岸發育Ⅲ～Ⅵ級階地，為基座階地，表部均為大厚度風積低液限粉土覆蓋。壩址原始地形地貌見圖1。

現代河床位于谷底右側，河谷呈窄“U”型河槽，順河長約390 m，河谷頂寬12～17 m，底寬8～15 m，河撥高20～25 m，兩岸自然坡度80°～90°。壩軸線上游220 m，下游約150 m處，現代河谷兩岸逐漸開闊；其中上游河床寬130～150 m，下游河床寬30～100 m。

圖1 壩址原始地形地貌圖(鏡向下游)

1.2 壩址工程基本地質特點

1)左岸階地存在寬而深的古河槽。據地質鉆孔及物探測試資料，河床左岸階地下伏古河槽，古河槽底寬約120～150 m，頂寬約350～380 m，深50～103 m。古河槽最低點高程約2 321 m。古河槽頂部Ⅳ級階地表面堆積(Q3-4eol)低液限粉土層，厚15～34 m；古河槽內為堆積沖積砂卵礫石層，上部為上更新統砂礫石層(Q3al)厚3～7 m，結構密實，滲透系數為2.35～1.41×10-3cm/s，屬中等透水層。下部為中更新統砂礫石層(Q2al)，厚約37～70 m，結構密實，滲透系數為3.3×10-3～8.9×10-2cm/s，屬中等透水層，局部為強透水層，允許滲透比降為0.12～0.15。古河槽下伏基巖為元古界綠泥石石英片巖，強風化層厚2 m，弱風化層厚6～7 m。

2)左右岸階地及左壩肩分布有較厚的濕陷性粉土。左岸Ⅳ級階地粉土厚約15～33 m，右岸Ⅳ級階地粉土厚度約5～10 m，性質為第四系風積低液限粉土，結構松散，具有濕陷性，且存在液化問題。左壩肩及右岸Ⅳ級階地粉土下伏為綠泥石石英片巖，左岸Ⅳ級階地下為古河槽砂卵礫石層。

3)現代河床為陡槽。現代河床河谷狹窄，谷頂寬20～25 m，谷底寬9～12 m，高23～31 m。河床表層為(Q4al)砂卵礫石層，推測厚5～10 m，屬強透水層。兩岸基巖裸露，岸坡近直立，巖性為綠泥石石英片巖(Pta)。壩址縱剖面見圖2。

1.3 壩基粉土層的工程特性分析

壩址區各級階地面、階地后緣廣泛分布厚層風積低液限粉土層，能否直接利用、經處理后直接利用或粉土層全部挖除對本工程安全和投資影響很大，因此需要通過對土料工程特性的研究分析來確定。

1)土料物理力學性質。壩址區低液限粉土分布廣泛，土質均一，結構中等密實，由試驗成果可知：天然狀態下含水率3.56%，干密度為1.28 g/cm3，粘聚力C=16.1 kPa，φ=25.5°，飽和狀態下粘聚力C=10.0 kPa，φ=23°，飽和壓縮模量為6.2 MPa，壓縮系數為0.35 MPa-1，屬中壓縮性土，滲透系數為5.2×10-4cm/s，屬中等透水層，濕陷性系數為0.016～0.041，具輕微或中等濕陷性。由上述可知，壩址低液限粉土具有低密度、中壓縮性、中等濕陷性、強度低等力學特征。土料物理力學試驗結果見表1。

表1 第四系風積低液限粉土物理性力學試驗成果表

2)土的地震液化判別。初判：依據《水利水電工程地質勘察規范》(GB50487-2008)附錄P，土的液化判別中P.0.3的規定：“對粒徑小于5 mm顆粒含量質量百分率大于30%的土，其中粒徑小于0.005 mm的顆粒含量質量百分率(ρc)相應于地震動峰值加速度為0.10g、0.15g……不小于(場地地震烈度Ⅷ度，地震動峰值加速度)不小于16%、17%……時，可判為不液化。”阿克肖水庫壩基表部土體為風積低液限粉土(Q3-4eol)，粘粒含量(小于0.005 mm)為6.93%，初判為液化土。

據阿克肖水庫壩基土體中鉆孔相對應的風積低液限粉土(Q3-4eol)的剪切波測試指標，考慮壩體(基)土體在自然狀態下的力學特性，深度折減后的上限剪切波值(Vst)進行判定：阿克肖水庫壩基土體中表部土體為風積低液限粉土(Q3-4eol)，初步判定為液化土。

復判：根據《水利水電工程地質勘察規范》(GB50487—2008)，依據深度ds(m)處的標準貫入擊數N63.5值和液化臨界錘擊數N，可以看出，左、右岸低液限粉土實際標貫擊數均小于臨界錘擊數，復判為液化土。

滲透變形判別：據《水利水電工程地質勘察規范》(GB50487-2008)附錄G規定，阿克肖水庫壩基土體中表部土體為風積低液限粉土(Q3-4eol)，根據多組顆分資料分析，粘粒含量6.93%，孔隙率n=48.3%，不均勻系數Cu=4.44(小于5)，顆分曲線無平緩段屬級配連續土，其滲透變形型式為流土。壓縮系數為0.35 MPa-1，屬中壓縮性土；擊實后滲透系數為5.2×10-4cm/s，屬中等透水層，濕陷性系數為0.041，具中等濕陷性[1-3]。

3)分析結論。綜上所述，壩址區低液限粉土綜合判定為飽合狀態下為可液化土，滲透破壞形式為流土。具有低密度、中壓縮性、中等濕陷性、強度低等力學特性。粉土液化主要是在靜力和動力作用下，尤其是在地震時強烈震動作用下，粉土中空隙水壓力繼續上升，此時土顆粒之間因摩擦產生的抗剪力降低至零，此時的土像液體一樣流動。對判別可能液化的土層，應挖除、換土。濕陷性是指粉土在自重或建筑物附加壓力作用下，受水浸濕后結構迅速破壞而發生顯著附加下沉的性質。顯著附加下沉，是指粉土在壓力和水的共同作用下發生的特殊濕陷變形，其變形遠大于正常的壓縮變形。大壩地基若為濕陷性粉土，在水庫蓄水后會因飽水而發生濕陷變形，加之大壩本身的荷載作用更加重粉土的濕陷程度，常表現為濕陷速度快和非均勻性，使大壩地基產生不均勻沉陷，如處理不當，將破壞大壩基礎的穩定性及上部結構的完整性，危害很大。濕陷性黃土可用于低壩壩基礎，但應論證其沉降、濕陷、溶濾對土石壩的危害，并做好處理工作。濕陷性黃土壩基宜采用挖除、翻壓、強夯等方法，消除其濕陷性，經過論證也可以采用預先浸水的方法處理[1-2]。

2 處理方案比選

針對本工程粉土分布及厚度，土的工程特性，可采取以下以幾個處理方案進行比選。

1)強力夯實方案。強力夯實法適用于厚度10～25 m的粉土，錘重15～30 t，落距20～40 m[3]。由于左右岸部分壩段粉土厚度超過30 m，甚至接近40 m，因此該方法對底部粉土的夯實作用有限。

2)預先浸水方案。適用于中強濕陷性而厚度又較大的黃土或低液限粉土層。在大壩填筑前對粉土掏槽，進行長時間浸水，以消除大部分濕陷[4]。此種方法對自重濕陷性黃土效果較好，對于浸水后僅在附加壓力下才發生濕陷的低液限粉土效果有限。依據試驗資料，本工程主要為濕陷性粉土，因此單一采用此方法效果也不理想。

3)表層換填+強力夯實方案。挖除表層的粉土，對下部粉土強夯后換填3～5 m厚碾壓密實的砂礫石料，壩基置于砂礫石料之上，利用底層較為密實的粉土和換填砂礫石層共同承擔上部壩體重量[5]。由于僅對表層3～5 m厚以下的粉土層進行了強夯，水庫蓄水后可能會因下部粉土產生濕陷而導致地基下沉，壩體變形或大壩滑坡。

4)全部挖除粉土方案。上述前3種處理方案均不能完全消除壩基土的濕陷性，仍存在安全隱患。如果在蓄水后發生二次濕陷，可能對壩體的安全造成威脅。且本工程最大壩高57.5 m，加之土料具有地震液化性和流土的特性，安全隱患不容忽視。從工程的安全出發，壩基直接坐于古河槽砂礫石基礎上或巖石基礎上，是最穩妥的處理方法，可根除前述濕陷帶來壩基穩定性問題[6]。雖然粉土開挖量大，代價高，權衡利弊后，決定采用壩基粉土全部挖除的方案(見圖3)。

圖3 壩基粉土層開挖清除及開挖后的左壩肩圖

3 結 語

阿克肖水庫工程于2016年7月開工，2017年3月完成壩基粉土開挖，同時開始基礎防滲墻施工和壩體填筑，2017年11月河道截流，開始大壩主體填筑，至2018年10月大壩填筑基本完成，11月20日通過了下閘蓄水階段驗收。目前水庫已蓄水運行，經施工期和運行期監測，壩體沉降值在常規允許范圍內，運行情況良好，本工程采取的粉土基礎處理措施可供類似工程作借鑒。