王澤龍

（新疆水利水電勘測設(shè)計院地質(zhì)所，烏魯木齊830000）

烏拉泊水庫位于烏魯木齊市南郊15km處的烏魯木齊河中游段。水庫正常蓄水位庫容5000萬 m3，非常保壩庫容 7000萬 m3，壩頂高程1088m，大壩全長1050m，最大壩高26m，壩頂寬6m，水庫由攔河壩、泄水涵洞、溢洪道等建筑物組成，屬中型水庫。

烏拉泊水庫運(yùn)行40余年，經(jīng)歷了數(shù)次險情。目前由于副壩0+806.8～1+050段未實施防滲墻處理，右壩肩及放水涵洞基礎(chǔ)仍然存在滲漏隱患（1989年右壩肩及泄洪閘 （0+028～0+024.2m） 進(jìn)行了單排帷幕灌漿處理，繞壩滲漏有所改善，但效果不理想），主副壩連接段下游壩坡抗震穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求，壩頂出現(xiàn)多條縱橫裂縫，針對以上情況需查明工程地質(zhì)問題為烏拉泊水庫的除險加固工程設(shè)計提供重要依據(jù)。

1 地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件

壩區(qū)主要分布有中上石炭系地層和第四系松散的上更新統(tǒng)沖洪積層、全新統(tǒng)沖積等地層，石炭系地層分布于右岸壩肩以上及壩基覆蓋層以下?；鶐r巖性為褐灰、褐黃色、灰黃色、灰綠色硅質(zhì)砂巖、泥質(zhì)砂巖、紫紅色泥質(zhì)粉細(xì)砂巖和青灰色砂礫巖等。褐灰、灰黃色、灰綠色硅質(zhì)砂巖，中細(xì)粒結(jié)構(gòu)，較堅硬，耐風(fēng)化。地表出露在右壩肩及壩后勞動紀(jì)念碑一帶。紫紅色泥質(zhì)粉細(xì)砂巖，細(xì)粒、粉細(xì)粒結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，較軟弱，抗風(fēng)化能力較差。該層巖石由砂質(zhì)到泥質(zhì)，微細(xì)粒到粉細(xì)粒呈漸變過程沒有明顯的層理，單層厚度在0.5～10m。在右壩肩及壩后勞動碑處，層位在褐灰灰黃色硅質(zhì)砂巖之間呈薄層狀。青灰、灰綠色砂礫巖，礫石粒徑為0.5～3cm，粗砂礫多，巖石較堅硬，耐風(fēng)化，其單層厚度0.6～3m，分布在壩后勞動碑及水泊亭一帶，副壩壩基砂巖內(nèi)局部成夾層狀。第四系松散地層，為沖洪積、淤積、沼澤、人工堆積物。上更新統(tǒng)沖洪積層，多分布在左岸副壩一帶，以砂礫卵石為主，次為含礫低液限粘土、粉砂土及中細(xì)砂類，其厚度鉆孔揭露副壩地段約28～50m，往西可達(dá)80～100m，其特征是地表以下至5m深度有不同程度的易溶鹽和石膏類，但不成層，呈透鏡體，聚團(tuán)狀，往下隨深度逐漸減少至消失，這與地表水的滲透溶濾有密切關(guān)系。其含礫低液限粘土、粉砂土和中細(xì)砂層呈薄層透鏡體狀，其厚度不大0.5～3m。全新統(tǒng)沖積層，分布在河床，以砂卵礫石層為主，厚度18～31m，地表至20m為卵礫石，粒徑2～5cm，大者10～15cm，結(jié)構(gòu)松散，細(xì)顆粒含量少，20m以下相應(yīng)顆粒變細(xì)。全新統(tǒng)沼澤淤泥，鉆探揭露主要在壩基樁號0+455至0+528m地段。人工堆積為人工填筑壩體，為壩后人工蓋重，由砂礫石、碎石組成。

烏拉泊水庫位于烏拉泊斷裂南側(cè)約4km處。該斷裂東西向延伸，長約30km，晚更新世晚期至全新世活動不明顯。壩區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡單，巖層呈單斜構(gòu)造， 巖層產(chǎn)狀為 320°～340°SW∠38°～40°，其走向與大壩軸線交角為47°～90°。通過副壩防滲墻施工和鉆探表明覆蓋層底部基巖完整，未曾發(fā)現(xiàn)有斷層通過的跡象。

烏拉泊水庫處于達(dá)坂城―柴窩堡洼地西部的山間洼地中， 在測區(qū)南面為常年積雪的天山中高山區(qū)，烏魯木齊河發(fā)源于天山中段的天格爾峰北側(cè)一號冰川處，河流出山口后進(jìn)入山前沖洪積扇及沖洪積傾斜平原一帶。每年天山山區(qū)降雨及融雪水流匯入大西溝，而后補(bǔ)給沖洪積傾斜平原下部的砂卵礫石層中，砂卵礫石層厚50～100m以上，該含水層水量豐富且以地下水徑流的方式由南西往北東方向源源不斷地補(bǔ)給庫區(qū)一帶。除此之外，每年洪水季節(jié)還有地表水流，外加大西溝北側(cè)的青年渠滲漏也是補(bǔ)給水庫壩后地下水的主要水源之一。

2 除險加固勘察要點(diǎn)

（1）副壩0+806.8～1+050段未實施防滲墻處理，需進(jìn)一步查明該段壩體的結(jié)構(gòu)類型，壩體填筑土及壩基卵礫石的基本物理力學(xué)性質(zhì)，壩基基巖的滲透性，為除險加固工程設(shè)計提供所需的基本地質(zhì)參數(shù)。

（2）右壩肩及放水涵洞基礎(chǔ)仍然存在滲漏隱患，需進(jìn)一步查明右壩肩及涵洞基礎(chǔ)巖體的滲透性，提出防滲處理建議及防滲處理深度。

（3）主副壩連接段下游壩坡抗震穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求，壩頂出現(xiàn)多條縱橫裂縫，需復(fù)核該段壩體填筑土體的物理力學(xué)性質(zhì)，調(diào)查裂縫在壩體上分布的樁號里程、規(guī)模及延伸連通的情況，分析判斷其對壩體的危害性。

（4）針對設(shè)計的專題試驗及模型試驗，需對壩體內(nèi)的飽和三角體、主副壩個別壩段內(nèi)的填筑土體進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)的復(fù)核，為試驗提供基礎(chǔ)地質(zhì)資料。

3 勘察結(jié)果及分析

3.1 壩體及壩基的勘察成果分析

本次勘察在副壩 （樁號0+636.06～1+050m）共布置豎井4個 （TK7、TK8、TK9和TK10）和1眼鉆孔 （ZK1）。豎井位置分別為TK7在樁號0+750m、TK8和TK9在樁號0+825m、TK10在樁號0+950m處；鉆孔ZK1布置在樁號0+980m處。

3.1.1 壩體結(jié)構(gòu)類型

據(jù)以往鉆孔和本次鉆孔、豎井揭露，樁號0+636.06～0+925m段壩高 3.0～17m，其中在 0+636.06～0+750m 段壩高可達(dá) 5～17m， 0+750～0+925m壩高逐漸變小，為3～5m；樁號0+925～0+1050m已是壩頭天然砂礫石。填筑壩體上游壩坡上部為1.5～2.5m厚的填筑砂礫石，以下為防滲斜墻土，厚0～3m （垂直壩坡方向），該防滲斜墻土在樁號0+845.2處終止，斜墻下部為填筑砂礫石，高4～9.5m，人工填筑礫石下部為天然砂礫石。從而可知該壩段在樁號0+636.06～0+845.2m為粘土斜墻壩，樁號0+845.2～0+925m為砂礫石壩，樁號0+925～1+050m為天然砂礫石壩。該壩段在 1989年砼防滲墻處理到樁號 0＋532.8m，1998年砼防滲墻又加長處理到樁號0＋806.8m。

3.1.2 壩體填筑體的物理力學(xué)性質(zhì)

樁號0+636.06～0+845.2m為粘土斜墻壩，該段防滲斜墻土逐漸變薄，并且斜墻土含礫量較高，由試驗顆分結(jié)果可知：＜0.075mm的粉粘粒平均含量為6%，0.075～2mm砂的平均含量為63.5%，2～150mm卵礫石的平均含量為30.5%。防滲斜墻上部為2～4m厚的人工填筑的二期砂礫石，由顆分試驗可知：該砂礫料2～150mm卵礫石平均含量為79.6%，0.075～2mm砂平均含量為19.6%，＜0.075mm粉粘粒含量為0.8%，最大干密度為2.08g/cm3，最小為1.96g/cm3，平均為2.04g/cm3，相對密度最大為0.84，最小為0.55，平均為0.72，在填筑密度下的內(nèi)摩擦角為φ=37.9°。斜墻下部為填筑砂礫石，高度3.5～9.5m，由試驗可知，砂平均含量為22.75%，礫石的平均含量為77.25%，該層砂卵礫石干密度為2.10g/cm3，相對密度為0.87，內(nèi)摩擦角φ為=39°。

3.1.3 壩基砂礫石的物理力學(xué)性質(zhì)

壩基為沖積Q4al砂礫石層,局部為夾粉細(xì)砂和礫質(zhì)土透鏡體，厚度3～5m。由試驗可知，該砂礫石層砂含量為20.18%，礫石的平均含量79.82%；砂礫石的天然密度最大為2.20g/cm3，最小 2.16g/cm3，平均 2.185g/cm3，干密度最大2.15g/cm3， 最小 2.12g/cm3， 平均 2.133g/cm3， 比重為2.72。在豎井TK9中1.3m、3.7m和豎井TK10中1.7m、4.8m處進(jìn)行了鐵環(huán)注水試驗，試驗結(jié)果在 1.0×10-2cm/s～1.17×10-1cm/s之間， 平均值為4.12×10-2cm/s，說明該砂卵礫石為中等透水（見表1）。其中在豎井TK10中5.4m～8.3m為一砂層透鏡體，顆分結(jié)果，＜0.075mm的粉粘粒含量為.7%，0.075mm～2mm砂的平均含量為95.7%，2mm～60mm礫石的平均含量為2.6%，該層砂天然密度為1.61g/cm3，相對密度為0.37，滲透系數(shù)為1.01×10-3cm/s。壩基砂礫石以下為基巖，巖性為中上石炭系砂巖，局部夾砂礫巖，據(jù)以前鉆孔和本次鉆孔揭露強(qiáng)風(fēng)化基巖，風(fēng)化較破碎，厚度0.7～2.55m（壩線北東側(cè)薄，南西側(cè)厚）， 透水率為1.5～5.0Lu， 弱風(fēng)化層厚 1～3m，透水率為1.0～2.0Lu，以下為微風(fēng)化基巖，巖石較堅硬完整，裂隙不發(fā)育，據(jù)鉆孔壓水試驗，透水率較小，為0.5～2.1Lu，屬微透水或極微透水地層。

表1 壩基砂礫料的試驗成果匯總表

3.1.4 壩體及壩基的滲透穩(wěn)定性

樁號0+806.8m以前已進(jìn)行砼防滲墻處理，故本次勘察只對樁號0+806.8～0+1050m段的壩體及壩基的滲漏和滲透穩(wěn)定性進(jìn)行評價分析。本次勘察在樁號0+825m布置豎井2個、樁號0+950m布置豎井1個，樁號0+980m布置鉆孔1眼。由本次勘察的豎井、鉆孔及以前的鉆孔可知，樁號0+806.8～0+845.2m為粘土斜墻壩，該段防滲斜墻土已經(jīng)相對較薄，厚0～0.7m （垂直壩坡方向），并且斜墻土含礫量較高，斜墻土上部為厚2m左右的砂卵礫石填筑體，下部為厚2～3m的砂卵礫石填筑體；樁號0+845.2～0+925m為砂礫石壩，壩高逐漸變小為3～5m，填筑體以下為壩基沖積Q4al砂礫石層,滲透系數(shù)為4.12×10-2cm/s.樁號 0+925～1+050m為天然砂礫石。壩基砂礫石以下為基巖，透水率較小，為0.5～3Lu。

根據(jù)1999年4月20日統(tǒng)測水庫 （1082.98m）和壩后地下水位所繪制的水文地質(zhì)圖（如圖1）,可知樁號0+806.8m以西地下水等水位線相對稀一些。在2006年10月7日對庫水位、豎井內(nèi)水位和壩后觀測管內(nèi)的水位進(jìn)行觀測，壩前水位高程一般在1078.17～1078.38m，壩后觀測管12-1b觀測的水位為1076.746m，觀測管12-2b觀測的水位為1072.633m，根據(jù)等水位線圖和本次對壩前后水文地質(zhì)的調(diào)查，分別對壩前后水力比降進(jìn)行計算，目前大壩的實際水力比降為0.02～0.05；根據(jù)大壩砂礫石顆粒級配計算出的水力比降為0.18。

另外在現(xiàn)場進(jìn)行了原位比降試驗，其結(jié)果最大滲透比降為0.314， 最小為0.048， 平均0.1428，采用2倍的安全系數(shù)，則最大為0.157，最小為0.024，平均 0.07，取小值平均為 0.07。根據(jù)水利水電工程地質(zhì)堪察規(guī)范 （GB50287－99），砂礫石在顆粒級配不連續(xù) （最不利的情況下）取0.1～0.2，從以上資料綜合分析，目前大壩的實際水力比降為0.02～0.05，小于砂礫石的允許滲透比降0.08，故該段壩體及壩基的滲透是穩(wěn)定的。

3.2 右壩肩巖體透水性評價

根據(jù)以往資料和本次勘探資料，右壩肩巖性主要為矽質(zhì)砂巖，夾泥質(zhì)粉細(xì)砂巖和泥質(zhì)頁巖，巖層產(chǎn)狀為 320°～340°SW∠35°～41°， 矽質(zhì)砂巖屬硬質(zhì)巖，堅硬，抗壓、抗剪強(qiáng)度較高，抗沖刷能力較強(qiáng)，泥質(zhì)粉砂巖和泥質(zhì)頁巖相對矽質(zhì)砂巖略低，為中硬巖。右壩肩無大的斷層通過，節(jié)理裂隙發(fā)育，間距一般為0.1～0.5m，面多平直光滑，以陡傾角面居多，面微張開，一般張開1～3mm，延伸長度一般為3～5m，最長可達(dá)10m，多為鈣質(zhì)充填，抗沖刷能力較強(qiáng)，少數(shù)裂隙內(nèi)充填泥質(zhì)及其它次生礦物，充填泥質(zhì)的結(jié)構(gòu)面多閉合，一般張開0.1～0.5mm，結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀為5°～25°SW∠60°～85°，與大壩軸線夾角為 21°～51°，根據(jù)類比資料，該泥質(zhì)結(jié)構(gòu)面的滲透允許比降為1.5，而根據(jù)庫水位 （1078.35m）、本次勘察鉆孔水位 (1060.45m)和等水位線圖可知沿溢洪道軸線基巖地下水位水力比降為0.11，遠(yuǎn)小于右壩肩基巖的允許水力比降1.5。根據(jù)估算右壩肩年滲漏量約為58萬方，占烏拉泊水庫正常蓄水位下庫容的1.5%左右。從而說明右壩肩不存在岸坡和滲透穩(wěn)定問題。

右壩肩至溢洪道之間巖體的透水率在巖體埋深小于31m的巖體透水率較大，為26～133Lu，溢洪道底部根據(jù)本次勘察的ZK3號鉆孔可知巖體自42.45～47.88cm段的透水率值突然變大，為35.9Lu，而其上部27.0～42.45m之間巖體的透水率較低，為3.8～8.4Lu，屬于中～弱透水率。鑒于烏拉泊水庫的重要性，右壩肩巖體防滲帷幕灌漿可采用雙排孔，建議防滲處理深度為35m（從壩頂1088m算起），即1053m高程；溢洪道底部巖體防滲帷幕灌漿可采用雙排孔，建議防滲處理深度為35m（從溢洪道底部1080m算起），即1045m高程，還可適當(dāng)加深，以達(dá)到較好的防滲效果。

3.3 壩頂裂縫評價

根據(jù)各項資料顯示裂縫不是由于壩坡穩(wěn)定導(dǎo)致的拉裂縫，是由于壩體后期加高時填筑不均一，壩體表層填筑料局部沉降導(dǎo)致。從TK4和TK11的顆分試驗可知：粉粘粒含量0.3%，砂的含量31%，卵礫的平均含量68.7%，干密度平均為2.125g/cm3。該段壩體填筑砂礫料在填筑密度下的抗剪強(qiáng)度值為φ=38.5°，壩的前坡在高程1086m 以上至壩頂?shù)钠卤葹?1∶1.804 （29°）， 高程1086m 以下為 1∶4.49（13°）， 壩前坡綜合壩坡比為1∶4.21 （13.2°），壩后綜合壩坡比為1∶2.25（24°）。從以上可以看出砂礫石的飽和抗剪強(qiáng)度為38.5°，從而說明目前大壩處于穩(wěn)定狀態(tài)，裂縫并無向壩體內(nèi)部延伸和貫通，對壩體無危害。

3.4 飽和三角體評價

飽和三角體主要分布在主壩和主副壩銜接段（樁號 0＋092～0＋636.06）， 該段壩前坡坡比為 1∶2（27°），庫水位為1078.38m，為復(fù)核飽和三角體的填筑體的物理力學(xué)性質(zhì)，布置豎井5個（TK1、 TK2、 TK3、 TK5、 TK6）， 根據(jù)豎井開挖可知，三角體由斜墻土體和填筑砂礫石組成，斜墻土體厚3.0～3.3m （垂直壩坡方向） （見圖2），其斜墻土體底部高程和水位分別為：TK1：土體底部高程為1078.54m，水位1078.34m；TK2：土體底部高程為1078.01m，水位1078.36m；TK3：土體底部高程為1078.75m，水位1078.35m；TK5， 土體底部高程為1079.33m，水位1078.33m；TK6：土體底部高程為1076.46m，水位1077.56m。以下為填筑砂礫石料。

根據(jù)試驗和壩體填筑料的物理力學(xué)性質(zhì)的分析可知，壩體填筑質(zhì)量有差異，局部填筑質(zhì)量較差，飽和三角體中的斜墻土體為中壓縮低液限粘土，土體在水上和水下基本處于接近飽和狀態(tài)，飽和度為79.14%～94.63%,平均為87.4%，飽和狀態(tài)下抗剪強(qiáng)度為C＝34kPa，φ＝22.2°，最大干密度為1.89g/cm3，最小干密度為1.67g/cm3，平均為1.83g/cm3，孔隙比 （e）為0.49，滲透系數(shù)平均為3.65×10-5cm/s。

壩體填筑砂礫石料干密度最大2.10g/cm3，最小 1.08g/cm3，平均 2.09g/cm3。相對密度最大0.83g/cm3， 最小 0.71g/cm3， 平均 0.77g/cm3。 填筑密度下飽和抗剪強(qiáng)度值：最大φ=41°，最小φ=39°， 平均φ=40°。 滲透系數(shù)最大為 8.0×10-2cm/s，最小 1.6×10-2cm/s， 平均為 4.8×10-2cm/s。 通過以上分析可知飽和三角體整體是穩(wěn)定的，設(shè)計應(yīng)根據(jù)不同的工況來進(jìn)行穩(wěn)定計算。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)烏拉泊水庫地震安全性分析、大壩抗震復(fù)核報告和GB18306-2001中國地震動峰值加速度圖 （1/400萬）壩址基巖峰值加速度為0.2g，相應(yīng)的地震烈度為Ⅷ度。根據(jù)水庫區(qū)基本地質(zhì)條件綜合分析可以看出，烏拉泊水庫規(guī)模較小，組成庫盆的基底為松軟的第四系及以中硬巖為主的石炭系地層，庫區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡單，未發(fā)現(xiàn)規(guī)模較大的斷裂或活動斷層，南北兩側(cè)的區(qū)域性斷裂距水庫較遠(yuǎn)，且沒有與庫水產(chǎn)生直接或間接的水力聯(lián)系，因此，水庫發(fā)生誘發(fā)地震的可能性不大。

（2）烏拉泊水庫處于達(dá)坂城西部的山間洼地內(nèi)，野外地質(zhì)調(diào)查結(jié)果表明，在水庫周邊的沖溝內(nèi)均有高于水庫正常蓄水位高程的泉水出露，因此水庫不存在鄰谷滲漏問題。水庫滲漏主要是通過壩肩 （右壩肩）和左岸低壩產(chǎn)生的水庫滲漏。水庫左岸為山前傾斜平原及高階地地形，地勢平緩開闊，右岸地形坡度較緩，水庫岸坡穩(wěn)定。

（3）大壩樁號 0＋092～0＋806.8 經(jīng)槽孔砼防滲墻處理后，壩后地下水位明顯降低，大部分滲水點(diǎn)干枯，說明槽孔砼防滲墻防滲效果較好。大壩樁號0＋806.8～1＋050段未做槽孔砼防滲墻，根據(jù)1999年的地下水等水位線圖可知0＋806.8以西地下水等水位線相對較稀，本次根據(jù)庫水位和壩前、壩后觀測水位可知：水力坡降為0.04，小于砂礫石的允許滲透比降0.08，不存在滲透破壞問題。

（4）1989年右壩肩及泄洪閘 （0+028～0+024.2m）進(jìn)行了單排帷幕灌漿處理，繞壩滲漏有所改善，但效果不理想。根據(jù)鉆孔壓水試驗，局部巖體透水率相對較大，建議加強(qiáng)帷幕灌漿防滲處理，局部相應(yīng)加深。

（5）烏拉泊水庫大壩天然建筑材料有兩種，分別為心墻斜墻防滲土料及砂礫石填筑料。根據(jù)壩體檢測資料看，粘土斜墻和壩體填筑質(zhì)量存在不均勻性。從歷年試驗成果和本次試驗成果來看，壩體填筑砂礫石屬中密～密實狀態(tài)，其填筑質(zhì)量有差異，局部填筑質(zhì)量較差。壩體心墻及斜墻屬低液限粘土。心墻及斜墻土料均滿足防滲土料的技術(shù)質(zhì)量要求。砂礫石填筑料質(zhì)量基本滿足壩殼填筑料的技術(shù)要求。

副壩階地為天然砂礫石層，厚度大，顆粒級配連續(xù)，結(jié)構(gòu)較密實，作為壩殼可滿足設(shè)計要求；壩基基巖內(nèi)雖節(jié)理裂隙較發(fā)育，節(jié)理傾角均較陡，且組成壩基的巖體其飽和抗壓強(qiáng)度在50～70MPa，屬中－堅硬巖，抗沖蝕能力強(qiáng)，不存在滲透破壞和抗滑穩(wěn)定問題。

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