塔里木河干流中游輸水堤工程地質分析

楊 銳

(塔里木河流域工程建設處，新疆 庫爾勒 841000)

1 概 況

工程區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間河段，屬彎曲型河道，該河段為自由河灣，流路彎曲，彎曲系數在 1.6～2.0 之間，呈“Ω”型和“之”型等不規則河灣，年內流量變化大，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，現有堤防距河面平均為 0.5～1.5 km。工程屬塔里木坂塊構造單元，區內構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]。地震動峰值加速度為 0.05 g，地震動反應譜特征周期為 0.45 s，相應地震基本烈度為Ⅵ度。

2 工程地質條件分析

2.1 堤防工程地質條件

工程區的地形地貌、地層巖性及土的物理力學性質分別描述如下：

(1)592+650～593+080 段、599+850～600+200 段右護岸。工程區為沖洪積平原，地形較為平坦。生長植物有胡楊、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、粉質黏土、壤土及砂壤土，以粉砂為主[3]。粉細砂物理力學性質指標見表1。

(2)672+325～673+500 段右護岸。 此段防洪堤兩側為胡楊林、蘆葦、洼地、沼澤地及局部地段的農田，為沖洪積平原區。地層巖性主要為第四系全新統(Qa1+p1)粉土及粉細砂層為主。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,搖震反應迅速、干強度低，物理力學性質指標見表2。其下以粉細砂層為主，青灰色,松散～稍密～中密,飽和、抗剪強度低，黏聚力較小，地下水位埋深 0.5～1.0 m。物理力學性質指標見表3。

表1 粉細砂物理力學性質指標統計情況

表2 粉土層物理力學性質指標統計情況

表3 粉細砂層物理力學性質指標統計情況

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

2.2 水文地質條件

工程區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。根據現場勘探，工程區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段變化較大，且受河水位、季節的影響較大。因此，在施工時，應注意了解當時的地下水位，要考慮穩定開挖邊坡及施工排水問題，以免影響工程的進度。

3 工程地質評價

區內存在的主要不良物理地質現象是河岸坍塌、風沙危害和土壤漬化。

3.1 堤基的抗沖穩定性

根據試驗資料，區內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，堤基和堤身物質極易被水沖走，給堤基和堤身的穩定帶來不利影響。

3.2 堤基抗滑穩定性

輸水堤的地基巖性主要為粉細砂和細砂層，細砂層邊坡基本穩定。地基土位于粉細砂層，邊坡穩定性較差，在水動力作用下，會形成流砂，邊坡有變形破壞的可能。

根據現場和室內試驗所得的成果，休止角為 22°～28°, 建議邊坡系數內坡不應陡于 1∶3.0，外坡不應陡于 1∶2.0。

總體來看，堤基土的抗剪強度能夠滿足本區輸水堤防(低堤)的要求，但堤基表層易凍脹的鹽漬化土、腐殖土、植物根系發達的土層給堤身的穩定性帶來了不利影響，應予以清除。

3.3 堤基的滲透穩定性

3.3.1 土體的滲透性

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

3.3.2 滲透變形分析

勘察表明，0～12.0 m 深度范圍內土的巖性為粉土和粉細砂為主，土的顆粒細而均一，除部分風積沙丘區土為粗粒砂性土外，區內大部分土為細粒土。根據土的顆分資料，粉細砂的不均勻系數Cu為 2.22，曲率系數Cc為1.34，屬連續級配均勻土， 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%。

經計算Jc r=0.93。 堤基允許水力比降可以公式(2)計算：

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，取 2.0。 則J允=0.46。

經計算允許水力比降是0.46，臨界水邊比降是0.93，實際水力比降選取0.56，在允許和臨界范圍內，所以不會發生滲漏和變形。

3.4 堤基的沉陷

堤基土質松散，且夾層多，土質極不均勻，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生的沉降不會太大。

3.5 砂土液化判別

項目區屬地震Ⅵ度區，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。項目區可不考慮液化問題。

3.6 水腐蝕性評價

水的腐蝕性包括地表水的腐蝕性和地下水的腐蝕性。根據化學分析結果， 判定英巴扎至阿其克河口段地表水(塔河水)對混凝土結構有弱腐蝕；地下水對混凝土結構有中等腐蝕、對鋼筋混凝土結構中鋼筋具有弱腐蝕。

3.7 土腐蝕性評價

3.8 土凍脹性評價

尉犁縣最大凍土深度0.80 m,為季節性凍土。經現場勘查和顆分試驗可知：輸水堤土平均含水率> 19.5%，凍結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；凍脹類別為強凍脹，需進行抗凍處理。

3.9 風蝕分析

干流區多風沙、浮塵天氣。據統計，尉犁縣附近每年 8 級以上大風(即>17.2 m/s)天氣達 16 d。堤身土黏粒含量較少，黏結力小，其粒徑適宜于風力搬運。大風對輸水堤的破壞主要表現在兩個方面：一是將堤身土搬運它處，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逼近堤身，掩埋輸水堤，從而影響輸水堤的正常運用。

因此，建議對堤頂進行砂礫石蓋頂壓砂處理；位于風積沙丘區的堤段進行防風固沙處理。

4 結 論

(1)該工程區處于一級構造單元塔里木地臺區，位于輪臺大斷裂的南側塔里木地臺隆起帶上。區內沒有發現大斷裂通過，屬構造相對穩定地區。區內地震動峰值加速度為 0.05 g，地震動反應譜特征周期為 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、農作物等。區內地貌類型以沖洪積平原為主，局部堤段零星分布有風積沙丘。

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

(4)本次勘探工作所揭示出的地層均為第四系全新統(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。取水樣分析結果，河水對混凝土結構微腐蝕性；工程區地下水對混凝土結構有弱腐蝕性。