城鎮(zhèn)大型水利工程勘察中的工程地質問題分析及評價

隋玉明

(中山市水利水電勘測設計咨詢有限公司，廣東 中山 528400)

1 概述

水是生命之源，水資源的合理利用直接關系到經濟和社會的發(fā)展，水利工程的建設有利于合理調節(jié)水資源[1]，防止洪澇災害的發(fā)生，對于人民生活和生產具有重大的意義。中小城市的水利工程建設近年來慢慢受到了發(fā)展和重視，特別隨著時間的推移，許多城鎮(zhèn)水利工程也面臨著設備老舊，管理落后，功能下降，運行緩慢等問題。目前為止，水利相關的樞紐工程運行已經超過50年[2]，經過了長期的運營過程后，水利工程相關土建工程的滲透變形和沉降破壞已經不能滿足日后的正常運營。為了保證水利工程的運行安全，必須通過勘察對相關問題進行查明，并為解決問題提供可靠的地質依據(jù)。

本文以蕪湖保安站為例，深度查明蕪湖市鳩江區(qū)下九連圩保安站工程區(qū)范圍內的工程地質與水文地質條件，并結合目前蕪湖保安站現(xiàn)狀，對所面臨的主要工程地質問題進行分析和評價，為類似工程所容易面臨的地質工程問題提供參考和借鑒。

2 水利工程概況及勘察任務

2.1 樞紐現(xiàn)狀

蕪湖市鳩江區(qū)下九連圩保安站工程位于蕪湖市無為縣二壩鎮(zhèn)水樓村，上下九連圩屬于長江下游沿江低洼圩區(qū)，東、南部至長江無為大堤，北部至裕溪河，西部至西河，總集水面積499.71km2，其中鳩江區(qū)170.9km2、無為縣328.81km2。

現(xiàn)狀保安站泵房因地基不均勻沉降，南低北高，目前泵房已嚴重傾斜，嚴重影響水泵運行；洪水期間穿堤箱涵第1#、2#兩節(jié)之間伸縮縫出現(xiàn)滲漏，后更換了伸縮縫止水橡皮，進水控制閘、出水防洪閘閘體承重柱、梁均出現(xiàn)風化露筋現(xiàn)象，啟閉機絲桿銹蝕嚴重啟閉困難。臨近現(xiàn)狀水樓站為堤后式泵站，靠近無為大堤內堤腳較近，對無為大堤防洪安全構成不利影響。尤其是水樓站站址處無為大堤堤基存在強透水砂基，在汛期外河高水位情況下，泵站前池冒水、冒砂。保安站經安全類別綜合評價等級評定為四類，須拆除重建。

針對現(xiàn)有工程現(xiàn)有的安全問題，擬重建保安泵站、新建一座通江閘和加固疏浚通江河。

2.2 擬建工程概況

2.2.1重建保安泵站

本次重建保安泵站設計排澇流量為58m3/s，裝機容量7500kw，根據(jù)SL 252—2017《水利水電工程等級劃分及洪水標準》、GB 50265—2010《泵站設計規(guī)范》，確定保安站工程等別均為Ⅱ等，規(guī)模為大(2)型，主要建筑物級別為2級，次要建筑物級別為3級，臨時建筑物級別為4級。

2.2.2新建通江閘

擬建通江閘位于惠生聯(lián)圩，屬于惠生聯(lián)圩的穿堤建筑物，與惠生聯(lián)圩一起共同抵御長江洪水?；萆?lián)圩屬于長江外灘圩，惠生聯(lián)圩堤防等級為4級，惠生聯(lián)圩保護面積約為13.83km2。通江閘堤頂高程11.50～11.99m，灘地高程5.50～9.00m，河底最低高程為3.20m。

2.2.3加固疏浚通江河

通江河北接保安泵站，南連通江閘，全長1.424km。微地貌有堤防、河流、河灘地、河灣。部分段河道折彎，水流由南北轉向西北流動?，F(xiàn)狀堤身未發(fā)現(xiàn)管涌及流土險情點，堤身未見不均勻沉降，但堤身雜草茂盛，河堤低矮，迎水坡無砌護，不能達到抗洪的要求，本次擬治理內容包括兩方面：兩岸護坡整治和河道清淤疏浚。

3 勘察評價目標

水利工程施工情況復雜，特別對于運營時間較久的水利工程來說，在重建和修復之前必須進行詳細的勘察，了解清楚主要的工程地質問題，從而降低工程安全隱患，保證工程質量。根據(jù)SL 258—2017《水庫大壩安全鑒定導則》和GB 50487—2008《水利水電工程地質勘察規(guī)范》，主要完成以下任務:①查明場址各建筑物地基地層巖性、物質組成、地質結構、性狀和物理力學性質，詳細評價主要存在的工程地質問題；②查明上下游引河(渠)巖土層的厚度、埋深、分布范圍、形狀和物理力學性質；③查明擬建工程區(qū)域不良地質現(xiàn)象；④查明擬建工程區(qū)域的巖體結構、巖體風化、卸荷分帶情況，重點是斷層、破碎帶、軟弱夾層、節(jié)理裂隙發(fā)育規(guī)律及其組合關系，評價巖體工程地質特性地基穩(wěn)定、防滲和邊坡穩(wěn)定的影響；⑤評價建筑物地基和邊坡穩(wěn)定性及滲透、滲透變形條件；⑥查明各建筑物基坑開挖影響范圍內的工程地質條件，對基坑底滲流穩(wěn)定性進行評價。

本次勘察工作采用了工程地質測繪、鉆探、現(xiàn)場原位測試與室內試驗相結合綜合勘察方法，并充分利用可研階段的勘察成果，組織了4臺XY-150型鉆機進行現(xiàn)場鉆探作業(yè)，并同時開展現(xiàn)場地質調繪工作。

4 主要工程地質問題及評價

4.1 保安泵站工程地質評價

4.1.1泵站冒水、冒沙

保安站在汛期外河高水位情況下，泵站前池冒水、冒砂。本次勘察特此布置了SZK9、SZK13、SZK14、BK18、BK19五個鉆孔，并進行了原位測試及鉆孔水位觀測，該地帶分布有一層砂卵(礫)石層，厚約0.9～1.5m，為強透水層，該層地下水與外河水力聯(lián)系較好，鉆孔鉆進過程中，出水量比其他鉆孔大。該地段上部粉細砂多為松散狀，為冒砂、冒水提供了便利條件。

經調查：1998年汛期前池冒沙堆積達數(shù)噸，無為縣水務局當年采取了灌漿、壓滲工程處理，但效果甚微。2012年汛后至2013年汛前，在前池周圍共實施了13口減壓井，其中4口出水量尚可，1口出水量較小，其余8口均為廢井，13口減壓井中有7口存在防洪安全隱患，危及無為大堤防洪安全?，F(xiàn)原有減壓井多個井孔已被泥沙封堵，僅有少數(shù)井孔見自由水面，且現(xiàn)有減壓井管理較差，異物容易進入井內。

針對保安站前池冒砂、冒水問題，建議采取降壓、減壓的措施，對現(xiàn)有減壓井進行疏通加固，并增加減壓井數(shù)量，選取合理有效的過濾方案，提高過濾效率[3]，定期清理井中泥沙，加強管理。

4.1.2地基沉降變形和破壞

根據(jù)鉆孔揭示和室內試驗，此次保安站工程建筑物的底板位均于淤泥質粉質粘土夾粉砂層，該層有機質含量較高，天然含水量高、孔隙比大、靈敏度高、壓縮性大、強度低、物理力學性質差、承載力低，易發(fā)生壓縮變形。建議采用復合地基，改善土層性質，降低地基沉降變形對建筑物的影響。

在保安站站址內，保安站基建面較深，部分建筑物基礎位于粉細砂層，相對隔水層厚度較薄，在承壓水頭較高時，可能會發(fā)生類似水樓站的地基滲透破壞現(xiàn)象，在設計時，對地基土層進行防滲處理，以前截、后壓及疏導相結合為處理原則，采用防滲墻進行防滲處理的同時，采用減壓井、減壓渠道或減壓塘進行降壓疏導。

4.1.3基坑降排水

保安站工程大部分建筑物建基面處微弱透水層厚度較薄或直接位于粉細砂層中，承壓水對基坑影響較大，容易造成坑底突涌、坑壁發(fā)生流土、管涌現(xiàn)象。需嚴格控制基坑降水的深度，避免人為引起坑內、坑外水頭差過大而，引起滲透變形。

將BK11鉆孔改造成抽水孔，進行單孔抽水試驗，測定保安泵站基坑開挖區(qū)域的水文地質參數(shù)。根據(jù)鉆探資料，BK11鉆孔含水層厚度41.8m。根據(jù)現(xiàn)場抽水試驗結果，確定了上部粉細砂含水層的綜合滲透系數(shù)為6.17×10-3cm/s，為中等透水層。抽水的影響半徑為213.5m。承壓水來水量較大，承壓水頭較高，基坑降水考慮以深井降水為主，嚴格控制單井抽水流量，以免流量過大造成粉細砂顆粒流失引起坑底、坑壁產生變形破壞，并根據(jù)現(xiàn)場情況可采取排水溝與之相結合布置形式，必要時，可在基坑周圍采取止水措施。粉細砂層較細，粉砂含量高，進行基坑降水時降水井應謹慎選擇過濾器類型，提升過濾效果，盡量避免粉細砂層涌入抽水井，造成堵塞。

4.2 通江閘工程地質評價

4.2.1地基沉降變形

通江閘的河海漫、消力池和涵閘建基面均位淤泥質粉質粘土層，該層有機質含量較高，天然含水量高、孔隙比大、靈敏度高、壓縮性大、強度低、物理力學性質差、承載力低，易發(fā)生壓縮變形。容易引起沉降變形及滑移穩(wěn)定問題，可能會引起消力池、箱涵變形破壞，必須引起重視。

4.2.2滲透問題

通過對通江閘現(xiàn)場勘探和工程現(xiàn)場粉細砂層顆分試驗成果，粉細砂層滲透破壞類型為管涌，人工填土、淤泥質粉質粘土、淤泥質粉質粘土夾粉砂及粉質粘土滲透破壞的形式為流土[4]。因此重建通江閘工程主要面臨軟土層發(fā)生滲流破壞的危險，需要采用防滲墻以及在通江閘下游設置鋪蓋進行防滲處理。由于工程區(qū)臨江近，通江閘基坑開挖以后，兩側江河水位較高，會導致基坑內外水頭差加大，容易引起坑壁發(fā)生滲透破壞，同時需做好降排水措施，以免河水沖刷、浸泡坑壁造成坑壁失穩(wěn)。

4.3 通江河工程地質評價

4.3.1變形問題

通江河工程區(qū)堤基在上部荷載作用下，河岸邊坡易產生鼓脹或滑塌。針對該問題，可在堤外留蓄平臺，對河岸坡采用水泥攪拌樁進行處理。在堤防加高培厚過程中速率不宜過快，使淤泥質土慢壓排水固結。依據(jù)河流水勢條件，工程區(qū)擋墻等建筑物基礎應深入最大沖刷深度以下一定深度，避免在遭受河流、洪水推力及沖刷、淘蝕作用和地震作用時而發(fā)生土體流失導致滑移變形等不良工程問題。

受通江閘及泵站影響，通江河水位常年高于兩側河塘水位，水頭差在1～2m之間，受水頭差影響，堤基面臨發(fā)生流土破壞的問題，需進行防滲處理，避免堤基發(fā)生變形破壞，從而影響工程質量要求。

4.3.2岸坡安全

堤岸岸坡的穩(wěn)定性是地質勘察的重點研究項目之一[5]，岸坡穩(wěn)定性對防洪功能有重要的影響。

根據(jù)野外地質調查，堤岸內、外坡均為土質邊坡，植被覆蓋?，F(xiàn)狀堤防坐落于長江沖積平原一級階地上，地形開闊平坦，地層巖性均一，地層厚度穩(wěn)定，為基本穩(wěn)定岸坡?，F(xiàn)狀河堤低矮，迎水坡無砌護，不能達到抗洪的要求，需采取護岸措施。堤防兩岸工程地質縱剖面顯示堤基土主要由淤泥質粉質粘土組成，為軟弱土層，其厚度大，地層結構層面起伏平緩，堤身抗滑穩(wěn)定性一般。堤身直接置于軟弱下臥層之上，若堤頂荷載過大，易引起一系列沉降變形問題。應根據(jù)現(xiàn)場鉆探和室內土工試驗成果，結合該地區(qū)同類工程經驗綜合確定本工程河道堤岸土層的允許坡率指標地質建議值。

4.3.3河道淤積

河道淤積是導致水體發(fā)黑發(fā)臭的主要原因[6]，淤泥堆積影響水利工程的功能的正常發(fā)揮，導致河道水質惡化。經過勘察發(fā)現(xiàn)通江河堤內岸坡長期受到河水及雨水沖刷，導致堤身填土存在一定的水土流失，造成河道淤積。地基土層中淤泥質粉質粘土夾粉砂層抗滑移及抗沖刷能力均較弱，在遭受河流、洪水推力及沖刷、淘蝕作用和地震作用時易發(fā)生土體流失，從而導致河道淤泥。

根據(jù)野外地質調查，通江河底淤積層厚度為0.5～1.0m，需進行清淤疏浚，改善通江河景觀。

5 結語

水利工程在經過長時間的運營之后所產生的滲透、變形等問題，大多由于不良地質現(xiàn)象導致，同時由于設備老化，監(jiān)管不力等因素，這些問題容易被忽視。通過對蕪湖保安站水利樞紐的詳細勘察，總結了水利工程中主要面臨的工程地質問題，并對其進行描述和評價，給出了可靠的處理建議。

結果表明工程地質勘察能夠查明水利工程中的安全隱患，對提前采取相應措施去預防不良地質現(xiàn)象的發(fā)生具有重要意義。隨著時代和科技的快速發(fā)展，結合三維模擬技術去輔助勘察是一個重要的發(fā)展方向[7]，本文在這方面研究較少，未來對待水利工程中復雜困難的的工程難題，結合高科技手段能夠得到更合理可靠的評價。