阜康红星水库除险加固地质报告.docx

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阜康红星水库除险加固地质报告

1、前言

工程概况

红星水库位于阜康市东南约8km褚家湾村境内的三工河出山口河床左岸，库区地理坐标为：

东经88°03′00″，北纬44°06′48″。

吐乌大高速公路在水库北约穿过，而且东距天池路，与水库之间有简易公路连接，交通便利。

详见红星水库交通位置图（图1-1）。

交通位置图

红星水库为一座引水注入式平原调剂水库，年调剂库容达800万m3，要紧引蓄222团六级电站尾水和三工河洪水，水库坝体呈开口向南的簸箕形，均为人工堆筑均质土坝，坝长为888m，现状最大坝高，一样坝高6～7m，现状最大坝顶高程m（绝对高程，以下高程均为此高程系）；坝体分为主坝和副坝两部份，主坝坝前坡坡比1：

，长度为400m（桩号为0+075—0-325），副坝坝前坡坡比1：

3，其中东副坝为305m（桩号为0+075—0+388），西副坝为175m（桩号为0-325—0-500），坝前坡无任何护坡，主坝段局部形成陡坡，并顺前坡发育小细沟。

水库原设计库容为100万m3，目前水库库容为万m3，迴水面积为m2，而水库放水涵洞位于0+000处，涵洞过水流量较小，闸门启闭设备老化、变形，涵洞混凝土局部脱落，并产生裂痕，无溢洪道，严峻阻碍水库正常运行。

水库于70年代初期建成，库盘利用三工河左岸阶地与山前黄土丘陵所形成的天然洼地或冲沟，别离在东部和北部筑坝而成，设计坝顶高程m，设计正常蓄水位高程，现实际坝顶高程仅。

水库实际坝高和库容未达到设计要求；坝体直接座落在第四纪松散堆积的卵石层上，库盘和坝基渗漏严峻；加上水库上游发育两条冲沟，在暴雨形成间歇性洪水携带大量泥沙汇入水库，造成水库淤积严峻。

由诸多因素致使水库现今有效库容不足30万m3，关于水库下游灌区及工业区用水已不能充分发挥其应有作用。

另外水库距阜康市较近，又是天池旅行区必经之路，依托水库开发旅行业和养殖业前景广漠。

2006年2月，受新疆维吾尔自治区阜康市水电局委托，昌吉州方汇水利水电建筑勘探设计有限公司承担红星水库除险加固初步设计时期工程地质勘探工作。

勘探目的与任务

阜康市红星水库在这次勘探之前未进行过任何地质勘探工作，水库可利用的资料较少。

依照该水库这一实际情形，针对水库存在的坝基渗漏、库盘渗漏、坝体质量差、水库淤积等要紧问题，查明库坝区地层岩性、散布、厚度及渗透性，对库区、坝基渗漏进行分析评判，对库盘、坝基渗漏处置提出建议；查明坝体土、坝基土的渗透变形类型，为坝基、坝体稳固分析提供依据；查明坝体土物理力学性质参数，为坝体结构稳固分析提供依据；查明坝体填筑土料及砼骨料的储量，并进行质量评判。

勘探工作概况

依照《中小型水利水电工程地质勘探规范》（SL55-2002）、《水利水电工程地质勘探规范》（GB50287-99）、《水利水电工程天然建筑材料勘探规范》（SL251-2000）、《水利水电工程钻探规程》（DL5013-92）、《土工实验规程》（SL237-1999）等标准的有关要求，对红星水库除险加固工程地质勘探工作布置如下：

（1）地质调查

对库区、坝体及坝后必然范围进行地质调查，主若是了解测区地形地貌、地层岩性及散布；对水库坝体及坝后坡不良物理地质现象发育部位和范围，坝基渗透变形情形进行调查，以初步判定险情隐患可能发生的部位。

（2）坑探

主坝坝体长275m，布置探坑8个，其中坝轴线布置4个，坝后坡角4个，总进尺。

东副坝坝体长425m，布置探坑7个，其中坝轴线布置4个，坝后坡角2个，总进尺。

西副坝坝体长325m，布置探坑5个，其中坝轴线布置4个，坝后坡角1个，总进尺。

土料场布置探坑13个，总进尺65m，要紧查明水库加固用土料的散布、岩性组成、储量等

（4）现场实验

①标准贯入实验

在坝体坝基细粒土中进行，实验间距，共计40点次。

②渗水实验

在坝体和库盘浅表地层进行：

坝体4组，坝基3组，库盘2组；用于了解坝体、坝基和库盘地层岩性的渗透性。

③天然密度、含水量实验

对坝体、坝基土及天然建筑材料均进行现场天然密度、含水量实验，其中坝体10组，坝基9组，料场15组。

④取样

坝体土取原状样31组，扰动样4组，坝基土取原状样3组，扰动样4组，进行室内实验，分析坝体、坝基土的物理性质。

土料场取大袋扰动样8组，进行室内实验以评判筑坝土料的质量。

采取库水水样1组，河水水样1组，进行水质简分析（含侵蚀性CO2），以评判环境水对水工建筑物混凝土的侵蚀性。

⑤室内实验

坝体、坝基原状样进行土粒比重、颗粒分析、液限、塑限、饱和快剪、紧缩、渗透等实验；

坝体土和土料扰动样进行重塑状态下颗粒分析、液限、塑限、击实、饱和快剪、紧缩、渗透、有机质含量、易溶盐含量、pH值等实验，而坝基粗粒土进行颗粒分析，库盘扰动样进行颗粒分析、液限、塑限、有机质含量、易溶盐含量等实验。

水样进行CO32-、HCO3-、CL-、SO42-、Ca2+、Mg2+、Na++K+、PH值、总盐、侵蚀性CO2等试验。

表勘探完成工作量统计表量

项目

单位

数量

备注

地质测绘（1/1千）

Km2

水库回水线外侧

坑探

坝址区

m/个

19

主、副坝轴体及坝后

延长坝址

m/个

27/3

坝基

料场

m/个

60/12

土料场

人工钻孔

m/个

112/44

库区

取样

原状样

组

51

坝体、坝基

扰动土样

组

33

土料场8组，坝体4组，库盘21组

扰动砂砾石样

组

4

坝后4组

易溶盐

组

30

坝体、土料场

水样

组

2

库水1组，坝后地下水1组

野外

试验

天然密度、含水量

组

34

料场、坝体、坝基

渗水试验

组

6

坝基、库盘

标准贯入试验

点次

40

坝体、坝基、库盘

室内

试验

原状样

组

51

天然密度、天然含水量、干密度、液缩限、剪切、压缩、渗透、颗分、湿陷

扰动土样（料场、坝体）

组

30

天然密度、天然含水量、液缩限、击实、剪切、压缩、渗透、有机质、颗分

扰动土样（库区）

液缩限、易溶盐、有机质、颗分

砂砾石样

组

4

颗粒分析

易溶盐

组

26

水样

组

2

简分析

通过上述工作大体查明水库区要紧工程地质问题，坝体填筑质及有关地质参数和天然建筑材料的散布、储量、质量，本次工作大体知足初设时期精度要求。

2、区域地质概况

地形地貌

工作区处于北天山北麓、准噶尔盆地南缘，地貌部位属山前倾斜黄土丘陵区和三工河洪积扇扇顶交汇处，海拔高程～，地形由南向北倾斜，坡降％～8％。

黄土丘陵要紧散布在水库西副坝及其上、下游和西部地域，呈近南北向垄状延伸，与三工河冲洪积扇呈坎状接触，高差约20m左右，冲沟发育。

而三工河冲洪积扇则呈北北西向带状延伸，向南微倾，并具典型冲洪积“二元”结构，现多为耕地和居民点，而水库南部为基岩组成的中低山区。

地层岩性

水库南部山区地层为侏罗系下统湖沼相的灰绿色砾岩，灰白色砂岩、泥岩、煤层组成的含煤建造，属于准噶尔盆地地层分区吉木萨尔地层小区（I36）。

而第四系上更新统－全新统（Q3－4）洪积、冲洪积和冲积形成的砾石层、砂层、粉土层及卵石层，要紧散布在三工河河床及两岸阶地；在水库西副坝向北第四系上更新统风积黄土层（Q3）呈陇状普遍散布，厚度大于20m。

地质构造

水库位于准噶尔坳陷（Ⅱ2）与北天山优地槽褶皱带博格达复背斜（Ⅱ32）过渡带的乌鲁木齐坳陷带（Ⅱ36）的边缘，坳陷为一大型中－新生代坳陷，由中生代和新生代地层组成，形成以背斜为主的褶皱群（古牧地背斜、阜康背斜、阜康南背斜），并伴随一系列东西向压性断裂，由南向北呈叠瓦状逆冲，其中北三台断裂、阜康－吉木萨尔断裂和博格达断裂为第四系活动断裂（见下图），分述如下：

北三台断裂①：

位于阜康市东幸福路216国道西侧至吉木萨尔县三台镇以西，呈北西西向散布，长度约22km，距水库约8km，为一由南向北逆冲的铲形隐伏断裂，将第四系错动约百米，使中、上更新统砾石层向北倾斜，14C地质年龄为9664±93年，说明该断裂在全新世初期以后有度日动。

阜康－吉木萨尔②：

为准噶尔坳陷与博格达复背斜界限断裂，西起阜康市甘泉堡道班西，东至吉木萨尔县西南，长约114km，走向北西西－东西向，断层南倾，倾角为40°－50°，断层使中－新生界推覆第四系上更新统之上，第四系垂直断距达200m以上，14C地质年龄为14367±365年――11108±103年，为全新世活动断裂，南距水库约5km。

博格达断裂③：

为古生界与中生界断裂，在地貌上属中高山与低山丘陵的界限，长度约200km，呈向北凸起弧形延伸，走向北东－北西，偏向196°，倾角为55°，并将晚更新世地层错断，14C地质年龄小于30588±553年，为晚更新世活动断裂，南距水库约15km。

区域地质构造略图

地震与区域构造稳固性

水库处于准噶尔盆地南缘的乌鲁木齐坳陷与山区过渡地带，因此新构造运动表现较强烈。

所发育的三条区域性断裂距离水库小于15km，而且均为晚更新世以来活动断裂，依照新疆维吾尔自治区地震局资料，区域活断裂自1900年以来共发生6级地震2次，震中距工程区18km。

据《中国地震动峰值加速度区划图》（GB），场地地震大体烈度为Ⅶ度，设计大体地震动峰值加速度为，区域构造稳固性较差（见下图）。

区域地震动峰值加速度略图

综合区域地质构造背景、第四纪活断层特点、震中散布、地震大体烈度等条件，区域30km范围可能发生中强震，对水库安全有必然阻碍，属区域稳固性较差地域。

3、水库区工程地质条件

水库区工程地质条件

地形地貌

水库位于北天山山前三工河（出山口）洪积扇上部西侧与黄土丘陵区交壤处，整体地形由南向北倾斜，西部黄土丘陵区略偏向东，而且由南向北呈垄状延伸，与三工河洪积扇呈坎状接触，高差约20m，冲沟发育。

另水库库盘较平坦，要紧呈东西散布，库底高程为，表现为西高东低。

而库盘南现水库迴水位以上呈阶梯状地形，高出库水位约－，呈东西向散布，较平坦，现多为耕地和果园，散布高程为m。

另外西副坝近坝处发育两条小冲沟，其中一条冲沟位于西副坝肩处，近南北向发育通向库内，并与坝体呈10°交角，沟宽为，深度为。

另一条冲沟位于西副坝与黄土梁之间的洼地（宽约），顺坝体后坝脚处由南向北延伸，为细沟。

沟西侧洼地中有小面积的耕地和果园，黄土梁前缘由于人工挖掘而形成陡坎，高约，并有两间民房。

地层

库区地层由第四纪冲积、冲洪积堆积物和新近沉积土组成，依照其颗粒组成和成因划分为Ⅰ、Ⅱ两区，现分述如下：

Ⅰ区：

由新近沉积淤泥质粉土和第四系上更新统冲洪积粉土、卵石、砾石组成，要紧散布在现库盘，依照麻花钻孔资料可知；淤泥质粉土最大厚度为，散布在水库中部，并向周围慢慢变薄，优如锅底形向周围延伸，两副坝及进水口周围厚度小于，沿主坝厚度－，放水涵洞周围为左右并向库内慢慢加深，呈灰黑色，软塑－流塑状，粘粒含量为％－％，有机质含量为％－％，易溶盐含量为％－％，属弱透水层，可作为筑坝土料考虑，总量约10万m3。

下覆粉土层，要紧沿坝体和水库南侧回水线周围散布，在垂直和水平方向散布不均，一样厚度为m，仅局部厚度达m左右，呈条带状散布，但范围较小，并向库内厚度渐变为，局部尖灭，呈中密状，属弱透水层。

而下部卵石、砾石或碎石土层，为巨厚层，近主坝周围埋深大于，并向南至迴水线周围埋深渐变成左右，进水口及西侧鱼池周围小于，局部袒露地表，但范围较小。

从等埋深线的散布能够看出，水库主坝由北向南下部粗颗粒地层犹如向北倾斜、且东西双侧向南收敛的锲型体，锲型体中部向北埋深为－，双侧呈缓坡状向东、西渐变成或小于，属中等透水层。

Ⅱ区:

由第四系上更新统冲洪积粉土、砾石和碎石土组成，构成水库南侧阶梯状地形，呈条带状东西向散布，现为耕地和果园。

上部为粉土层，土黄色，稍密－中密状，并在垂直和水平方向散布较均匀，一样厚度为－，仅中部厚度转变较大，局部可达以上，属弱透水层。

下伏砾石或碎石土，巨厚层，中密状，颗粒较均匀，且多呈次棱角状，一样埋深为－，仅中部局部埋深可达以上，东西向略有起伏，属中等透水层。

地质构造

水库处于山前倾斜砾质平原区，为第四纪巨厚松散堆积物覆盖，无地质构造发育。

水文地质条件

水库区处于第四纪洪积砾质倾斜平原的顶部，沉积着巨厚的砾质松散堆积物，具有地下水运移、赋存的良好空间，流经砾质倾斜平原的地表径流迅速下渗，补给地下水，是地下水的径区，但地下水埋藏深度较大，地下水类型为第四纪孔隙潜水，其补给来源和补给方式分为垂向补给和侧向补给。

垂向补给源主若是地表水和引沟渠系；侧向补给要紧由天山山区基岩裂隙水直接渗入山前倾斜平原再向下游运移。

水库东侧为三工河干流，在其北手下游约1km处农用机井地下水位埋深约80m，潜水面水力梯度较大，水质较好。

3.1.5物理地质现象

水库为引水注入式，仅西副坝上游冲沟间歇性洪水产生水库淤积，无其它不良物理地质现象。

水库工程地质问题

（1）水库渗漏

水库区处于三工河山前冲洪积倾斜平原之上部，库区地层由第四纪上更新世（Q3）卵石、粉土和全新世（Q4）淤泥质粉土层组成，但粉土、淤泥质粉土层厚度较小，散布不均，平均渗透系数（ｋ）为×10-5ｃｍ／ｓ，属弱透水层。

而下部有巨厚卵石和碎石土组成，散布较稳固，渗透系数（ｋ）为×10-3ｃｍ／ｓ，属中等透水层，地下水埋深大于30m，水库区渗漏主若是库盘的垂向渗漏，并具双层透水。

由于水库缺乏连年运行资料，仅依照据水管站人员估算进出水量资料来估算库盘渗漏量（见表），即水库目前进出

库水量之间差值，减去降水及蒸发阻碍。

表水库连年进出库水量统计表

年份

项目

1996年

1997年

1998年

1999年

2000年

平均值

进水量

（m3）

出水量

（m3）

由上表可知，水库连年平均进出库水量差值约万m3，水库高水位和死水位时的平均水面面积为万m2，水库连年平均蒸发量为，连年平均降水量，由此推算年渗漏量近万m3，可见水库渗漏损失较大。

另外水库库盘由淤泥、粉土、卵石、砾石或碎石土组成，依照其颗粒组成和成因，划分为Ⅰ、Ⅱ两区计算渗漏量，按双层透水层考虑（全年按150天计算），见下表：

水库渗漏量计算表

库容（万ｍ3）

分区

渗透系数

（ｍ／ｄ）

面积

（ｍ2）

渗漏量

（ｍ3／ｄ）

渗漏量

（ｍ3／ａ）

备注

100

Ⅰ区

.0

为库容50万ｍ3）渗漏量

Ⅱ区

70000

16100

.0

由上表可知：

库容为50万ｍ3时，年渗漏量为万ｍ3，库容为100万ｍ3时，年渗漏量为万ｍ3，水库渗漏严峻。

但与历年水库运行统计资料相较较，有较大的不同性，其缘故是依照用水量而蓄水，且多为空库运行，无死库容。

（2）库岸稳固

水库坝体为“U”型，且库区上游坡度为3°～4°，属缓坡状;仅西副坝间歇性洪水对坝体产生冲洗作用，另外水库蓄水后风浪对主坝段产生冲洗掏蚀作用，对库岸稳固产生必然的阻碍。

（3）水库淤积

水库要紧引蓄电站尾水和三工河丰水期河水，所产生淤积问题较弱。

而水库建成运行至今35年，依照水库淤积物散布范围和厚度估算淤积量约12万m3，每一年淤积量约3400m3，约占现总库容的40％，要紧由于上游两条冲沟所产生的间歇性洪水汇入水库，而携带的悬移质物质沉淀所至。

据调查上游汇水面积较小，且多属暴雨洪流型，但松散物质含量较高，尽管产生洪量有限，所携带的悬移质物质含量较高，通过量年运行已取得证明，因此水库淤积问题严峻。

（4）水库淹没、浸没

水库恢复到100万m3库容，即在设计正常蓄水位条件下，淹没水库南侧所有林带、果树及耕地，面积约260亩；另水库区地下水位埋深大，库区由中等透水级配不良的卵石或砾石层组成，不存在浸没问题。

4、坝体工程地质条件

坝体土物理力学性质

水库坝体由低液限粘土和低液限粉土组成，通过标准贯入实验及室内实验功效可知，坝体土击实后最大干密度为g/cm3，按96％压实度考虑，筑坝料操纵干密度为g/cm3，依照干密度－深度转变图可知，34组样品中仅８组样品干密度为－cm3，其它样品干密度为－cm3，说明坝体压实质量较差。

依照剖面图主坝段仅８.0ｍ－９.0ｍ深度范围干密度为－cm3，其它均小于１.55g/cm3，而东、西两副坝以上干密度为－cm3，以下均小于１.60g/cm3，坝体土物理力学统计参数见下表。

取样

位置

指标

项目

含水量（ω）

天然密度（ρd）

干密度

（ρd）

液限（ωL）

塑限

（ωp）

塑性指数（Ip）

渗透系数（k）

剪切

C

φ

%

g/cm3

g/cm3

%

%

cm/s

kPa

度

TK2

平均值

×E－5

21

小值平均

×E－5

大值均值

×E－5

TK4

平均值

×E－5

小值平均

×E－5

大值均值

×E－5

TK6

平均值

×E－5

小值平均

×E－5

大值均值

×E－5

TK8

平均值

×E－5

小值平均

×E－5

大值均值

×E－5

坝体质量评判

依据《水利水电工程天然建筑材料勘探规程》（SL251～2000）中表关于“土料质量指标”中“均质坝土料”要求对现土坝填筑土料进行评判。

主坝坝体土为低液限粘土，其质量评判结果见表。

表主坝均质土质量评判表

项目

标准

试验值

评价

结果

渗透系数

碾压后渗透系数小于1×10-4cm/s

×10-5－×10-5cm/s

合格

塑性指数

在7～17之间

～

合格

干密度

>cm3为宜

～cm3

不合格

粘粒含量

10%～30%为宜

％～%

基本合格

天然含水量

接近ωop=%,Wp=为优

%～%

基本合格

PH值

>7

合格

水溶盐含量

<3%

％－％

合格

有机质

<5%

％－％

合格

由表可知，主坝坝体土各项质量指标中除干密度不合额外其它均知足要求，坝体质量稍差。

表副坝均质土坝质量评判表

项目

标准

试验值

评价结果

渗透系数

碾压后渗透系数小于1×10-4cm/s

×10-5～×10-5cm/s

合格

塑性指数

在7～17之间

～

合格

干密度

>cm3为宜

～cm3

不合格

粘粒含量

10%～30%为宜

21%～%

合格

天然含水量

接近ωop=%,Wp=为优

%～%

不合格

水溶盐含量

<3%

％－％

合格

有机质

<5%

％－％

合格

副坝坝体土为低液限粘土和低液限粉土，其质量评判结果见表。

从表可知，副坝坝体土各项质量指标除干密度、天然含水量不合额外其它均知足要求，坝体质量稍差。

坝体土地震液化

依照《中小型水利水电工程地质勘探规范》（SL55—2005）中“对地震动峰值加速度在及以上地域的饱和无粘性土、少粘性土，应进行砂土振动液化问题评判”，而水库处于地震大体烈度Ⅶ度区内，地震动峰值加速度为，因此对坝体土进行地震液化评判。

依照《水利水电工程地质勘探规范》（GB50287—99）附录N，土的液化判别中对粒径小于5mm颗粒含量质量百分率大于30%的土，其中粒径小于的颗粒ρc含量质量百分率相应于地震设防烈度Ⅶ度时不小于16%，可判为不液化。

坝体土的地震液化初判结果见表。

坝体土均为非饱和状态，因此不具有复判条件。

表坝体饱和粉土液化初判结果表

探坑编号

取样深度

岩性

粘粒含量（<粒径的百分含量）

试验值

液化判定值

判定结果

TK2

－

低液限粘土

16

不液化

TK4

－

低液限粘土

16

不液化

TK6

－

低液限粘土

16

不液化

TK8

－

低液限粉土

16

不液化

冻胀性评判

由《建筑地基基础设计规范》（GB-2002）可知：

水库所处最大冻土深度为，而坝体为均质土坝,由低液限粘土和低液限粉土组成,属季节性冻土，因此依照《水工建筑物抗冻设计规范》（SL211-98），对土的冻胀类别进行评判。

由24组颗粒分析实验资料可知：

坝体土粒径小于颗粒含量大于%，依据《水工建筑物抗冻设计规范》（SL211-98）第条第2款“在季节冻融层内，土中粒径小于的土粒含量按重量比大于总土重6%的为冻胀性土”，因此坝体土为冻胀性土，建议采取相应防冻胀方法。

5、坝基工程地质条件

坝基土层及物理力学性质

水库坝体座落于三工河左岸洪积阶地之上,主要由第四纪洪积、冲洪积及冲积卵石混合土和低液限粘土组成。

上部低液限粘土沿坝线散布较均匀，要紧散布在主坝段和东副坝，并由东向西慢慢增厚，一样厚度为－，仅局部厚度达（ZK7-1），土黄色，可塑－硬塑状，属高紧缩性土，渗透系数（k）为×10-5－×10-4cm/s，属弱透水层。

而下覆卵石层（或碎石土）散布较稳固，巨厚层，土黄色，中密状，颗粒多呈亚圆状，不均匀系数（Cu）为，最大粒径（φmax）为300mm，依照室内颗粒分析资料可知：

卵石占%，砾石占%，砂占%，粉粒占%，渗透系数（k）为3.1×10-3－×10-3cm/s，坝基土物理力学性质见表。

坝基土物理力学性质一览表

探

坑

编

号

岩

性

地

质

成

因

天然

密度（g/cm3）

含

水

量

（%）

土

粒

比

重

孔隙比

液性指数

塑性指数

渗

透

系

数（m/d）

不均匀系数

曲率系数

重型动力触探

（击）

承载力（kPa）

变形模量（MPa）

凝

聚

力

（kPa）

内

摩擦

角（度）

颗粒分析

d5

（mm）

d10

（mm）

d15

（mm）

d20

（mm）

d70

（mm）

d85

（mm）

TK6-1

低

液

限

粘

土

Q3al+pl

＜0

155

TK7-1

低

液

限

粘

土

Q3al+pl

150

TK2-1

卵

石

Q3al+pl

13

450

TK4-1

卵

石

Q3al+pl

11

440

28

81

97

TK6-1

卵

石

Q3al+pl

480

30

72

110

TK8-1

卵

石

Q3al+pl

12

480

30

77

91