摘要从地形地貌、水库渗漏、库岸稳定、地层岩性、湿陷性等方面概述了玛纳斯县旱卡子滩水库大坝的工作地质情况,对大坝稳定性等情况进行了综合分析,为消除水库现存病险情,恢复、提高水库调蓄能力,确保水库正常运行和下游灌溉提供参考。
关键词旱卡子滩水库大坝;工程地质;稳定性分析;建议;新疆玛纳斯
玛纳斯县旱卡子滩水库于1995年开工建设,1997年8月工程建成,水库原设计总库容108万m3,设计控制灌溉面积1 333.33hm2,是一座以灌溉为主的注入式小(1)型山区水库。水库枢纽由大坝和放水涵洞组成。坝体为均质土坝,坝高18m,坝长267.7m,顶宽5m。放水涵洞断面型式为城门洞形,涵洞全长100m。由于大坝填筑质量差,多年来一直未运行。近年通过大坝安全鉴定,确定旱卡子滩水库属三类病险库,2010年将完成除险加固工程任务。
1工程地质概况
1.1地形地貌
玛纳斯县旱卡子滩水库位于准噶尔盆地南缘凹陷区的前山丘陵地带,库区处于丘陵地区2条较大沟谷洼地交汇处,2条沟在水库库盘一带交汇。坝址处在2条沟谷交汇处地形相对狭窄的沟谷段,谷底宽仅60m,上宽170m,两岸山坡相对高程1 362m,形成一个平面上呈簸箕状的水库地形。库区范围地质构造简单,主要是由第三系泥岩、砂岩组成的单斜构造,岩体节理、裂隙不发育,未发现有断裂构造及新构造活动的形迹。库区物理地质现象不明显,调查没有发现滑坡、崩塌和泥石流的形迹,地表有较厚牧草植被,侵蚀切割较弱。另库盘内有小冲沟发育,一般宽1.5~2.0m,深1.1~1.2m,两侧淤积物层理明显可见,杂色,表面形成龟裂。水库区水文地质条件简单,库区未发现泉水出露,沟谷均为干谷,仅在雨季时有地表径流,库区地下水资源较贫乏。该区地震动峰值加速度为0.20g,地震基本烈度为ⅷ度,区域构造稳定性较差。
1.2水库渗漏
水库左岸存在1条近南北走向的洼地,左岸基岩出露高程自左坝肩向上游库岸缓慢抬升,一般为1 340~1 356m,低于水库设计正常蓄水位高程。基岩上部大多被黄土所覆盖,黄土厚度一般为6～15m,黄土层属于中-高压缩、强湿陷性土,遇水浸泡后将可能产生绕坝渗漏以致于溃坝的危险,尤其是自左坝肩起,沿岸坡向上游,在泥岩和黄土层之间存在碎石土层,层厚0.6～4.5m,属中-强透水,水库运行将可能发生邻谷渗漏问题。由于库底岩性均为第三系泥岩或砂岩,属于弱透水层,水库通过库底的渗漏量较小,可不考虑库底的渗漏。
1.3库岸稳定
右库岸基岩出露高程大于水库正常蓄水位,基岩以第三系泥岩砂岩为主,裂隙不发育,地表均为草皮覆盖,调查未发现有坍塌或滑坡现象,库岸较稳定;调查发现左岸基岩出露高程一般小于水库正常蓄水位,左库岸有坍塌现象,特别是坝肩一带,表层黄土厚度为7~17m,左坝肩和左库岸均由黄土构成,黄土层属于中-高压缩、中-强湿陷性土,具有垂直节理发育,遇水浸泡后将产生库岸坍塌、绕坝渗漏以致于溃坝的危险,因此水库蓄水后左坝肩和左库岸有库岸坍塌的可能。
1.4地层岩性
一是左坝肩段。黄土层厚7~17m,位于第三系泥岩之上,属低液限粉土,土黄色,干燥,稍密状,干密度为1.27~1.64 g/cm3,孔隙比为0.65~1.13,属高压缩性土、强湿陷性土、弱透水层,含水量较低,上部干燥坚硬,1.5m以下稍湿。在水库蓄水后,由于黄土层的强湿陷性,导致前坝坡变形下沉,防浪墙产生不均匀沉降。泥岩(n2):埋置于黄土层之下,草绿色,薄层状,有时夹有薄层泥质砂岩,强风化层厚度1.0~1.5m,上部5.0m透水率为0.66~2.04lu,属微弱透水层。二是主坝段(桩号0+100-0-025)。坝体填筑土:褐红色,为强风化泥岩土填筑形成,根据勘探和试验等工作查明坝体填筑质量较差,且坝体填筑时清基不彻底,为水库大坝正常运行埋下安全隐患。低液限粉土:层厚1.0～3.0m,局部包含少量砾石,浅红褐色,硬塑状,干密度为1.69g/cm3,孔隙比为0.59,属弱-微透水,具孔隙性、虫孔和植物根孔。卵石混合土层主要出露在主坝段坝基,位于低液限粉土之下、第三系泥岩之上,该层卵石土厚度约为7m,卵石层呈土黄色,中密状,一般粒径为3～5cm,渗透系数为0.003 5cm/s,属中等透水,需进行防渗加固处理。泥岩(n2):草绿、褐红色,基岩埋深7~27m,坝体中部埋深最大,两侧基岩面向上起伏,呈凹槽状,属弱透水。三是右坝肩段(桩号0-025-0-095)。黄土层:层厚3.0~9.0m,属低液限粉土,干密度为1.14~1.60g/cm3,孔隙比为0.659~1.400,属强湿陷性土、中-弱透水层,蓄水将产生湿陷和渗透破坏,导至前坝坡下陷。含细粒土砾层位于黄土层之下,厚度为4.5~10.0m,呈灰色、黄色,稍密-中密状,含泥量达13.5%左右,最大粒径约150mm,渗透系数为0.054cm/s,属强透水层。泥岩(n2):褐红色,呈块状,基岩面埋深7.5~14.5m,基岩透水率约1.16lu,属弱透水性。
2湿陷性评价、渗透稳定分析及冲刷破坏分析
2.1湿陷性评价
根据《湿陷性黄土地区建筑规范》,湿陷性黄土地基受水浸湿饱和,经计算:左坝肩黄土属自重湿陷性场地、湿陷等级为ⅳ(很严重)级。右坝肩黄土属自重湿陷性场地、湿陷等级为ⅲ(严重)级。
2.2渗透稳定分析
根据卵石混合土颗分试验资料和《水利水电工程地质勘察规范》卵石混合土允许水力比降经验值为0.12;坝体低液限黏土和左坝肩低液限粉土将产生管涌型破坏;右坝肩原始黄土和含细粒土砾土都将可能产生管涌型渗透破坏。
2.3坝体、坝基接触冲刷破坏分析
水库坝体低液限黏土与坝基级配不良砾为双层结构,由于坝基级配不良卵石不均匀系数均大于10,当水库正常运行时,其接触面间可能产生渗透变形。右坝肩由黄土和含细粒土砾层组成,为双层结构,由于级配不良含细粒土砾不均匀系数大于10,黄土的不均匀系数为9.0~18.0,可以判定右坝肩、坝体和坝基土层间均存在接触冲刷破坏,当水库运行时,其接触面间可能产生渗透变形。
3稳定性综合分析
一是库、坝区地质构造简单,仅见有第三系泥岩整体隆起,呈单斜构造,未发现有断裂构造及新构造运动迹象,地震基本烈度为ⅷ度,区域构造稳定性较差。二是水库左岸洼地底部高程低于左岸基岩出露高程和设计正常蓄水位高程且左岸基岩上覆1层碎石土,将可能产生邻谷渗漏和绕坝渗漏问题;库盘渗漏量较小,无永久渗漏问题;左岸岸坡较陡,且坡向和岩层倾向一致,调查发现有库岸崩塌现象。水库淹没及淤积较少,不存在淹没问题。三是水库坝体由低液限黏土组成,属中-高等压缩性土,9.0m以上坝体土干密度为1.41～1.57g/cm3,碾压质量较差,并具中-强湿陷性,易溶盐含量大于0.3%,坝体质量较差。四是左坝肩由低液限粉土(黄土)组成,厚度为7.0～16.8m,属自重湿陷性场地、湿陷等级为ⅳ(很严重)级,工程地质性质差。左坝肩黄土和左岸坝体下覆7.0m厚的卵石层,属中等透水,水库蓄水将产生管涌和接触冲刷破坏现象。五是右坝肩由低液限粉土(黄土)组成,厚度为3.0～9.0m,属自重湿陷性场地、湿陷等级为ⅲ(严重)级,工程地质性质差。下伏5.0～7.0m厚的含细粒土砾层,属中-强等透水,水库蓄水将产生管涌和接触冲刷破坏现象。六是土料场距水库最近距离约100m,勘察储量20万m3,除天然含水量偏低及有机质含量偏高外,其他各项指标均满足均质土坝土料质量指标要求。而勘察天然混凝土用粗细骨料含泥量偏高,需进行水洗处理后方可使用。
4建议
建议左、右坝肩黄土采用预浸水或强夯处理,消除其湿陷性,增加土体干密度,以达到设计要求,左岸坡黄土在蓄水后可能产生塌岸现象,需要进行削坡处理。主坝段坝基卵石混合土和右坝肩含细粒土砾透水层建议采用高压旋喷灌浆方法进行防渗处理,彻底截断渗漏通道。坝体重新填筑,坝体采用强夯法加固处理,坝体加高和培厚部分可采用勘察土料场土料,最大干密度平均值为1.78cm3,按96%压实度考虑,则坝体填筑土碾压控制干密度值不应小于1.71g/cm3。坝前坡角防渗处理深度建议做到新鲜泥岩面上(强风化层厚度1.0~1.5m),彻底截断渗漏通道。左岸自左坝肩向上游碎石土层,属中-强透水层,为避免产生库岸渗漏应进行防渗处理;泥岩、砂岩出露,高程较低建议进行培厚处理[3,4]。对左坝肩和左库岸黄土进行削坡处理,处理后的黄土岸坡坡度应小于22°,综合开挖边坡1.00∶(1.00~1.25),泥岩为1.00∶(0.50~0.75)。
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