塔里木河干流中游輸水堤工程地質(zhì)分析

楊 銳

(塔里木河流域工程建設(shè)處，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

1 概 況

工程區(qū)位于塔里木盆地北部塔里木河干流中游英巴扎至阿其克區(qū)間河段，屬?gòu)澢秃拥?，該河段為自由河灣，流路彎曲，彎曲系?shù)在 1.6～2.0 之間，呈“Ω”型和“之”型等不規(guī)則河灣，年內(nèi)流量變化大，洪水期、枯水期水位變化也大[1]。凹岸坍塌、凸岸淤積，洪水季節(jié)頂沖劇烈，岸坡后退逼近輸水堤，影響輸水堤的安全。該段河床寬 50～500 m，高差1～3 m，河道平均比降為 1/7000，現(xiàn)有堤防距河面平均為 0.5～1.5 km。工程屬塔里木坂塊構(gòu)造單元，區(qū)內(nèi)構(gòu)造形跡基本上呈北西西向展布，以短軸褶皺及高角近東西向逆斷層為主[2]。地震動(dòng)峰值加速度為 0.05 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為 0.45 s，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅵ度。

2 工程地質(zhì)條件分析

2.1 堤防工程地質(zhì)條件

工程區(qū)的地形地貌、地層巖性及土的物理力學(xué)性質(zhì)分別描述如下：

(1)592+650～593+080 段、599+850～600+200 段右護(hù)岸。工程區(qū)為沖洪積平原，地形較為平坦。生長(zhǎng)植物有胡楊、紅柳等，地表鹽堿化。淺層地層巖性主要為第四系人工堆積物和第四系沖洪積粉砂、粉質(zhì)黏土、壤土及砂壤土，以粉砂為主[3]。粉細(xì)砂物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

(2)672+325～673+500 段右護(hù)岸。 此段防洪堤兩側(cè)為胡楊林、蘆葦、洼地、沼澤地及局部地段的農(nóng)田，為沖洪積平原區(qū)。地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)(Qa1+p1)粉土及粉細(xì)砂層為主。表層局部有 0.2～0.5 m 厚以粉土層為主的覆蓋層，土黃～灰色, 松散～稍密,搖震反應(yīng)迅速、干強(qiáng)度低，物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表2。其下以粉細(xì)砂層為主，青灰色,松散～稍密～中密,飽和、抗剪強(qiáng)度低，黏聚力較小，地下水位埋深 0.5～1.0 m。物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表3。

表1 粉細(xì)砂物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)情況

表2 粉土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)情況

表3 粉細(xì)砂層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)情況

(3)693+450 ～ 693+800 段、 712+800 ～ 713+200 段、 718+330 ～718+790 段、728+200～728+605 段左護(hù)岸。此段輸水堤兩側(cè)為胡楊林、蘆葦、洼地、沼澤地及局部地段的農(nóng)田，為沖洪積平原區(qū)。地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)(Q4a1+p1)粉土及粉細(xì)砂層為主。表層局部有以粉土層為主的厚度為 0.2～0.5 m 覆蓋層，物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)與表2相同。其下以粉細(xì)砂層為主，物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)與表3相同。

2.2 水文地質(zhì)條件

工程區(qū)位于塔里木河干流中游沖積平原上，地層巖性以粉土、粉砂和少量黏土夾層為主。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘探，工程區(qū)的地下水主要為孔隙潛水，地下水埋深一般 1.0～2.5 m，地下水位在不同的區(qū)段變化較大，且受河水位、季節(jié)的影響較大。因此，在施工時(shí)，應(yīng)注意了解當(dāng)時(shí)的地下水位，要考慮穩(wěn)定開挖邊坡及施工排水問題，以免影響工程的進(jìn)度。

3 工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

區(qū)內(nèi)存在的主要不良物理地質(zhì)現(xiàn)象是河岸坍塌、風(fēng)沙危害和土壤漬化。

3.1 堤基的抗沖穩(wěn)定性

根據(jù)試驗(yàn)資料，區(qū)內(nèi)沉積物的粒度大多在 0.075～0.005 mm 之間，其抗沖流速小于 1 m/s，在汛期堤防附近水流流速一般為 2～3 m/s。因此，堤基和堤身物質(zhì)極易被水沖走，給堤基和堤身的穩(wěn)定帶來(lái)不利影響。

3.2 堤基抗滑穩(wěn)定性

輸水堤的地基巖性主要為粉細(xì)砂和細(xì)砂層，細(xì)砂層邊坡基本穩(wěn)定。地基土位于粉細(xì)砂層，邊坡穩(wěn)定性較差，在水動(dòng)力作用下，會(huì)形成流砂，邊坡有變形破壞的可能。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)所得的成果，休止角為 22°～28°, 建議邊坡系數(shù)內(nèi)坡不應(yīng)陡于 1∶3.0，外坡不應(yīng)陡于 1∶2.0。

總體來(lái)看，堤基土的抗剪強(qiáng)度能夠滿足本區(qū)輸水堤防(低堤)的要求，但堤基表層易凍脹的鹽漬化土、腐殖土、植物根系發(fā)達(dá)的土層給堤身的穩(wěn)定性帶來(lái)了不利影響，應(yīng)予以清除。

3.3 堤基的滲透穩(wěn)定性

3.3.1 土體的滲透性

地層巖性以粉土和粉砂為主。粉土滲透系數(shù)為 3.45×10-5cm/s，粉砂滲透系數(shù)為6.68× 10-4cm/s。

3.3.2 滲透變形分析

勘察表明，0～12.0 m 深度范圍內(nèi)土的巖性為粉土和粉細(xì)砂為主，土的顆粒細(xì)而均一，除部分風(fēng)積沙丘區(qū)土為粗粒砂性土外，區(qū)內(nèi)大部分土為細(xì)粒土。根據(jù)土的顆分資料，粉細(xì)砂的不均勻系數(shù)Cu為 2.22，曲率系數(shù)Cc為1.34，屬連續(xù)級(jí)配均勻土， 輸水堤滲透變形破壞的類型為流土型。

3.3.3 臨界水力比降和允許水力比降的確定

流土型土臨界水力坡降可用公式(1)確定[4]：

Jc r=(Gs-1)(1-n)

(1)

式中：Jc r為臨界水力比降；Gs為土的比重，取2.67 g/cm3；n為土的孔隙率，取44.3%。

經(jīng)計(jì)算Jc r=0.93。 堤基允許水力比降可以公式(2)計(jì)算：

J允=Jc r/m

(2)

式中：J允為壩基允許水力比降；m為安全系數(shù)，取 2.0。 則J允=0.46。

經(jīng)計(jì)算允許水力比降是0.46，臨界水邊比降是0.93，實(shí)際水力比降選取0.56，在允許和臨界范圍內(nèi)，所以不會(huì)發(fā)生滲漏和變形。

3.4 堤基的沉陷

堤基土質(zhì)松散，且夾層多，土質(zhì)極不均勻，但因夾層呈透鏡狀分布，厚度較薄，地下水埋藏深，輸水堤防又低，因此，在堤身重力的作用下堤基產(chǎn)生的沉降不會(huì)太大。

3.5 砂土液化判別

項(xiàng)目區(qū)屬地震Ⅵ度區(qū)，地下水為地面以下 0.4～1.2 m。輸水堤地層巖性為粉土和粉砂，飽和、稍密～中密、顆粒細(xì)。項(xiàng)目區(qū)可不考慮液化問題。

3.6 水腐蝕性評(píng)價(jià)

水的腐蝕性包括地表水的腐蝕性和地下水的腐蝕性。根據(jù)化學(xué)分析結(jié)果， 判定英巴扎至阿其克河口段地表水(塔河水)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)有弱腐蝕；地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)有中等腐蝕、對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具有弱腐蝕。

3.7 土腐蝕性評(píng)價(jià)

3.8 土凍脹性評(píng)價(jià)

尉犁縣最大凍土深度0.80 m,為季節(jié)性凍土。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查和顆分試驗(yàn)可知：輸水堤土平均含水率> 19.5%，凍結(jié)期間地下水位低于凍深的最小距離一般<1.5 m；粉砂平均含水率>26.3%。<0.075 mm 土的含量均>10%，輸水堤土屬凍脹土；凍脹類別為強(qiáng)凍脹，需進(jìn)行抗凍處理。

3.9 風(fēng)蝕分析

干流區(qū)多風(fēng)沙、浮塵天氣。據(jù)統(tǒng)計(jì)，尉犁縣附近每年 8 級(jí)以上大風(fēng)(即>17.2 m/s)天氣達(dá) 16 d。堤身土黏粒含量較少，黏結(jié)力小，其粒徑適宜于風(fēng)力搬運(yùn)。大風(fēng)對(duì)輸水堤的破壞主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是將堤身土搬運(yùn)它處，使堤身斷面變小、變窄，堤身變低；二是將輸水堤附近砂土顆粒搬運(yùn)逼近堤身，掩埋輸水堤，從而影響輸水堤的正常運(yùn)用。

因此，建議對(duì)堤頂進(jìn)行砂礫石蓋頂壓砂處理；位于風(fēng)積沙丘區(qū)的堤段進(jìn)行防風(fēng)固沙處理。

4 結(jié) 論

(1)該工程區(qū)處于一級(jí)構(gòu)造單元塔里木地臺(tái)區(qū)，位于輪臺(tái)大斷裂的南側(cè)塔里木地臺(tái)隆起帶上。區(qū)內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)大斷裂通過(guò)，屬構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定地區(qū)。區(qū)內(nèi)地震動(dòng)峰值加速度為 0.05 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為 0.45 s，地震基本烈度為Ⅵ度。

(2)擬建的輸水堤附近地形基本平坦、開闊，地表植被為胡楊、紅柳、農(nóng)作物等。區(qū)內(nèi)地貌類型以沖洪積平原為主，局部堤段零星分布有風(fēng)積沙丘。

(3)擬建的輸水堤的地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)沖洪積粉土、粉砂及少量黏土夾層，全區(qū)分布廣泛；其次為第四系全新統(tǒng)風(fēng)積、殘積的粉細(xì)砂，分布于各種形態(tài)的沙丘附近。

(4)本次勘探工作所揭示出的地層均為第四系全新統(tǒng)(Q4)松散沖積物，自上而下依次為：第一層粉土層承載力100 kPa；第二層青灰色粉砂層承載力為 80 kPa。

(5)防洪工程一帶地下水埋深為 1.0～2.5 m，施工期需做好排水措施。取水樣分析結(jié)果，河水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)微腐蝕性；工程區(qū)地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)有弱腐蝕性。