阜康抽蓄電站下庫深厚覆蓋層工程性質特征分析

王 飛，曹寶寶，云海浪

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

0 引言

深厚覆蓋層是指厚度超過30 m的第四紀松散堆積物[1]。深厚堆積物的厚度可以達到400多米[2]，這些堆積物多由卵礫石、粉細砂層組成，鄭達[3]認為這些深厚覆蓋層不僅僅是河流堆積物的產物，也是一種堆積物快速回填的結果，這樣的覆蓋層往往具有結構松散、巖層不連續、水平和垂直方向巖性分異等特點，發育在深厚覆蓋層中的結構面、軟弱夾層，往往呈現非連續性、不規則形態分布，致使肉眼很難分辨與相近巖土的差異[4]。正是由于成因條件復雜、物理力學性質差異很大，王正成等[5]對深厚覆蓋層研究發現，弱透水層的埋深變化對整個覆蓋層的滲流變化產生較大影響。其滲漏問題主要為管涌、流土。因此深厚土層存在著滲透變形、地基失穩等工程地質問題，為水庫選址、大壩設計帶來諸多不便。

本文通過研究深厚覆蓋層的物理力學特征，判斷深厚覆蓋層的成因，以便為之后的大壩設計所可能遇見的問題提供一定的依據。研究對象是新疆阜康抽水蓄能電站的下水庫，該工程位于新疆昌吉回族自治州阜康市境內，距阜康市區約70 km，距烏魯木齊市約130 km，距離烏魯木齊負荷中心較近，地理位置較優。阜康抽水蓄能電站的上水庫擋水壩壩址位于西岔溝與西支溝交匯處，利用西岔溝與西支溝并挖除中間山梁作為上水庫庫盆，下水庫壩址位于白楊河干流，在雨水溝與雪水溝間形成下水庫庫盆。擋水壩采用混凝土面板堆石壩，壩頂高程1 779.00 m，最大壩高69 m，壩頂長282.00 m，壩頂寬10 m，壩基采用混凝土防滲墻與帷幕灌漿相結合的方式防滲。輸水道采用一洞二機布置型式，輸水系統總長約1 894.5 m，輸水系統水平距離約為1 815 m，距高比3.75。電站最大水頭524 m，最小水頭449 m，加權平均水頭484.8 m，額定水頭484 m，裝機容量1 200 MW，初選裝機4臺300 MW混流可逆式水泵水輪機，為一等大(1)型工程。

1 壩區工程地質條件

阜康抽水蓄能電站工程區在大地構造部位上位于天山褶皺系烏魯木齊山前拗陷東部，北與東準噶爾優地槽褶皺帶為鄰，南與北天山褶皺帶相接。工程區新構造活動以強烈的差異升隆運動為主，斷層主要活動期都在晚第三紀到早更新世期間。工程區位于天山地震區，跨越南天山地震帶、北天山地震帶和阿爾泰山地震帶，場地位于北天山地震帶內。

阜康抽水蓄能電站下庫壩址區河寬谷深，呈基本對稱的“V”型，寬度約120 m～200 m。平水期河面寬5 m～10 m，水深1 m～2 m。正常蓄水位時谷寬約260 m。庫區兩側有寬度為60 m～80 m的一級階地，拔河高度約10 m。左岸坡高140 m，坡度為40°～70°，右岸坡高約300 m，坡度為40°～70°。兩岸壩肩受沖溝切割山體較單薄，左岸上游發育有草莓溝、右岸下游發育有雨水溝，二者切割深度都較大。下水庫平面圖見圖1。

下庫第四紀松散物主要由沖洪積漂卵礫石、砂卵礫石層、洪積塊碎石土、崩坡積塊碎石土等組成，據勘探成果可知，河床覆蓋層厚度一般在30 m～65 m，兩岸較大沖溝溝底和溝口一般5 m～15 m，左右岸坡坡腳處及小沖溝溝底一般5 m～10 m。

總體上從地形地質條件，兩岸壩肩呈較單薄的山梁，河谷較寬，河床覆蓋層較厚，適宜修建100 m左右高的當地材料壩。覆蓋層下伏基巖為中厚層的青灰色～暗色礫巖，夾灰色～灰黑色粉砂巖、砂質灰巖、硅質巖，巖層陡傾，巖層走向NW 270°～290°，傾角70°～83°，巖體層面及斷裂構造較發育，完整性較差。斷層走向多順河向或與岸坡小角度相交，多傾向左岸，傾角變化較大，主要對右岸邊坡穩定有一定不利影響。

白楊河橫河向基巖面起伏較大，反映出河道幾個不同侵蝕切割周期(見圖2,圖3)。數據顯示一期侵蝕深度20 m～25 m，二期侵蝕深度40 m～45 m，三期侵蝕深度55 m～60 m。一期主要分布于河床兩側(左岸寬約為20 m，右岸寬約35 m)；二期、三期分布于河中部位，隨河流彎曲而變化。

2 河床覆蓋層基本地質條件

2.1 深厚覆蓋層特征與空間分布

據勘探資料，庫壩區河床覆蓋層組成主要為洪沖積成因的漂石砂卵礫石中間夾雜有不等厚度的砂層，距河源近、坡降大及徑流小等因素決定了其粗顆粒占比大、磨圓度差等特征。漂石砂卵礫石層顆粒組成以中、粗粒為主，大于200 mm漂石平均28.36%，20 mm～200 mm卵石平均42.7%，2 mm～20 mm礫石平均15.9%，小于2 mm細粒平均13.04%。不均勻系數平均177.2，屬不均勻性粗粒土，定名為混合卵石土(CbSI)，顆粒級配見圖4。漂卵礫石磨圓較差，呈扁平、次圓狀～次棱角狀，分選差，漂卵礫石巖性主要為火山巖、凝灰巖、砂巖、礫巖，少量花崗巖。

覆蓋層的砂層分布較少，未見成層連片砂層，分布呈透鏡體狀或窩狀，厚度一般小于1 m，鉆孔揭露砂層局部厚度達5 m～7 m。鉆孔砂層特征見表1。

定義2.1 稱偽BCI-代數X上的一個猶豫模糊集叫做X的一個猶豫模糊反群濾子，如果滿足(HF1)，且對任意x,y,z ∈ X, 有

表1 鉆孔集中砂層特征統計表

從表1中可以看出，砂層厚度不均，埋深多在13 m～40 m之間。砂層多為中、粗粒夾漂石、礫石，不純凈。覆蓋層總體以粗顆粒為主，粒徑大于5 mm含量(質量分數)高達82.33%，且層位埋深多大于18 m，最小也達12.9 m。故即便少量透鏡狀、窩狀砂層液化，但上下層強透水，易于孔隙水壓力消散，覆蓋層總體不屬于可液化層。

河床漂石砂卵礫石層總體平面和垂向上均無明顯的分層特征，各粒徑組的含量占比在不同部位、不同深度范圍內變化均較大，大漂石及厚砂層透鏡體分布無規律。從顆粒物質組成上，漂石砂卵礫石層也無分層行，總體上可按整個深厚覆蓋層按同一土體進行評價。

下水庫區漂石砂卵礫石層厚度30 m～65 m，壩軸線一帶最深約40 m，趾板一線48 m～65 m。漂卵礫石磨圓較差，有架空現象，漂石含量(質量分數)約占30%，最大達5 m～6 m。并隨機夾0.5 m～5 m厚的含礫砂層透鏡體，局部砂層可達7 m。其厚度分布具一定規律，縱向上最大厚度變化不大；橫河向變化較大，受侵蝕周期控制，表現出岸側較薄，河中部深厚，可分三個級別，分別為20 m～25 m,40 m～45 m,55 m～60 m。

2.2 深厚覆蓋層成因分析

阜康抽水蓄能電站工程區位于天山地震區的北天山地震帶內，天山褶皺系烏魯木齊山前拗陷東部，北與東準噶爾優地槽褶皺帶為鄰，南與北天山褶皺帶相接，工程場地區域構造穩定性差。近場區主要構造線為近EW方向，與河道走向重合，并以高角度逆沖斷層和不對稱擠壓褶皺為主，呈對沖式斷層-褶皺組合形式。新構造活動以強烈的差異升隆運動為主，斷層主要活動期都在晚第三紀到早更新世期間，構造斷裂全新世早期以來平均垂直滑動速率為0.45 mm/a。受逆斷層、褶皺活動的影響，工程區地殼存在南北向的縮短過程，并伴有東西向的走滑活動。新構造運動總體上屬中等偏強活動水平。

白楊河發源于博格達峰冰川，強烈的構造運動引起巖體破碎分離山體，冰川對高原河谷的劇烈刨蝕作用，產生大量的碎屑物質，經流水搬運，在溝谷中沉積形成，透鏡體的大量出現是季節性融水水量變化的表現，砂層的出現往往也是間水量減小的表現，冰川作用是工程區深厚覆蓋層的主要物質來源。所以，研究區深厚覆蓋層的形成是地殼差異性升隆運動和冰川運動共同作用的結果。

3 覆蓋層工程地質特性

3.1 基本物理指標試驗

通過對28組樣品進行室內土工試驗測得深厚覆蓋層的基本物理指標參數并繪制成表2，漂石砂卵礫石層的天然密度為2.25 g/cm3，天然干密度為2.28 g/cm3，比重為2.82，天然孔隙比為0.29，平均粒徑91.4 mm，不均勻系數平均為177.2。覆蓋層基本物理參數指標如表2所示。

表2 覆蓋層基本物理指標試驗成果匯總表

3.2 力學指標試驗

對28組樣品進行室內抗剪試驗和壓縮試驗，結果顯示內摩擦角最大為41°01′，最小值為33°49′，平均37°29′，黏聚力為15 kPa～35 kPa，平均22 kPa。壓縮系數av(0.1～0.2)為0.05 MPa-1～0.15 MPa-1，平均0.08 MPa-1，屬低壓縮性。壓縮模量Es(0.1～0.2)為9.375 MPa～28.725 MPa，平均18.536 MPa。覆蓋層基本力學指標參數見表3。

表3 覆蓋層基本力學指標試驗成果匯總表

3.3 載荷試驗

預可行性研究階段完成3組載荷試驗，可行性研究階段完成5組載荷試驗。試驗在地下水位以上，采用方形剛性承壓板法，尺寸為50 cm×50 cm，加壓方式為逐級快速連續加壓，每級持續時間為3 min～5 min。試驗體破環前不卸載，破壞判斷標準為徑向裂縫增多、擴大或者壓力不穩定等來確定。

8組試驗成果(如表3所示)均較好的反映了壩址區淺表層漂石砂卵礫石層的承載及變形特征。表明漂石砂卵礫石層具有較高的承載力及抗壓變形能力。極限承載力為1.232 MPa～1.907 MPa，平均為1.482 MPa；屈服承載力為0.973 MPa～1.589 MPa，平均為1.208 MPa；比例極限承載力為0.477 MPa～0.795 MPa，平均0.595 MPa；變形模量為80.0 MPa～126.0 MPa，平均為101.9 MPa，總體具有較高的承載力和抗變形能力。現場荷載試驗成果見表4。

表4 現場荷載試驗成果匯總表

3.4 波速試驗

在壩址區布置了4條河床地表剖面進行剪切波測試，地表剪切波測試采用相遇觀測系統，通過錘擊進行激發；對6個鉆孔進行單孔剪切波測試，試驗采用扣板法，在孔口附近激發重錘，孔內接受。其物探剪切波速統計表見表5，由于鉆孔均位于河床部位，而剖面上部存在碎石土，表層相對松散，因此鉆孔中波速淺表部明顯高于剖面波速。

表5 漂石、砂卵礫石物探剪切波速分層統計表

3.5 水工試驗

室內對17組擾動樣進行滲透試驗，在壩址區的左岸做了5組注水試驗，在鉆孔ZK57內進行了上、下兩段抽水試驗，試驗結果如表6所示。

表6 滲透指標表 cm/s

通過以上三種方法所獲得的漂石砂卵礫石層滲透系數差異不大，根據巖土滲透性分級，屬于強透水層。其中室內擾動樣試驗及現場滲透試驗值偏小，由于室內試驗及現場滲透試驗均為表部，代表性較差，因此建議取抽水試驗的最大值5.67×10-2cm/s作為漂石砂卵礫石的滲透系數。

4 主要工程地質問題

4.1 滲透變形

根據《水力發電工程地質勘察規范》[6]對滲透變形判別的規定：對于不均勻系數Cu>5的土，其破壞形式判定如表7所示。其中，Pc為土的細顆粒含量，以質量百分率計(%)。

表7 破壞形式表

漂石砂卵礫石不均勻系數平均為175.5，細粒含量(質量分數)Pc多小于或接近35%。因此，漂石砂卵礫石層可能的滲透變形破壞形式多為管涌型和過渡型。

規范中管涌或過渡型宜采用臨界水力坡降計算公式：

Jcr=2.2(Gs-1)(1-n)2d5/d20。

其中，Gs為比重；n為孔隙率；d5,d20分別為占土中總重的5%和20%的土粒粒徑,mm。計算出臨界坡降為0.44～1.08，平均0.74。依據規范中給出的無黏性土允許比降的確定方法，以土的臨界坡降除以安全系數1.5～2(取安全系數2)，則允許坡降平均為0.37。鑒于覆蓋層顆粒粗大、實驗成果較少，實際計算的最小臨界坡降為0.44，則允許坡降為0.22，據工程類比，建議允許坡降為0.20。則漂石砂卵礫石層作為壩基持力層，存在著滲漏和滲透穩定問題，應采取壩基防滲措施，做好防滲處理。

4.2 壩基承載力問題

樣品破壞形式見表8。

表8 樣品破壞形式表

5 結論

1)阜康抽蓄電站下庫覆蓋層厚度超過65 m，是以中、粗粒為主的漂石砂卵礫石層，覆蓋層的組分由構造活動產生，并由冰川融水沖洪積形成，在平面和垂向上均無明顯的分層特征，并隨機夾雜有厚度不等的砂層，總體上可按整個深厚覆蓋層按同一土體進行評價。

2)漂石砂卵礫石層的平均極限承載力1.482 MPa，平均屈服承載力為1.208 MPa，平均比例極限承載力為0.595 MPa，平均變形模量101.9 MPa，總體具有較高的承載力和抗變形能力。平均內摩擦角為37°29′，平均黏聚力為22 kPa，平均壓縮模量18.536 MPa，總體屬低壓縮性地層；深厚覆蓋層的滲透系數為5.67×10-2cm/s。

3)波速試驗表明，漂石砂卵礫石層的剪切波速自上而下逐漸遞增規律明顯。其中0 m～4 m較松散，波速440 m/s～520 m/s；4 m～12 m較密實，波速660 m/s～710 m/s；12 m～32 m密實，剪切波速810 m/s～1 110 m/s；32 m～48 m密實，波速1 130 m/s～1 290 m/s。

4)研究區的主要工程地質問題為滲透變形和承載力問題。滲透變形破壞形式流土、管涌和過渡型均可存在，承載力問題則主要表現為地基不均勻沉降。