馮 偉，李保方，王俊杰，康家亮

(中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021)

在嫩江流域及其主要支流綽爾流域的工程中都遇到了冰水沉積層，如果對該層認識不當(dāng)，處理不夠，會對工程造成很大的影響，甚至決定工程的成?。蝗缒劢饔蚰釥柣畮靿沃吩诩际╇A段該層才考慮加防滲墻處理；綽爾河流域察爾森水庫也因本層處理不當(dāng)，如今正在進行除險加固。冰水沉積層是在特殊的水流環(huán)境下形成，有自身的工程特點，也就形成了自身特殊的工程特性。

1 工程概況

引綽濟遼工程項目位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部的興安盟與通遼市境內(nèi)。調(diào)水工程北起興安盟扎賚特旗文得根水利樞紐工程，供水至西遼河流域通遼市的莫力廟水庫，地理位置處于大興安嶺東南麓的中低山及丘陵區(qū)向松遼平原過渡區(qū)。

水源地為文得根水利樞紐工程，地處嫩江支流綽爾河流域中游。文得根水利樞紐工程壩址位于內(nèi)蒙古自治區(qū)興安盟扎賚特旗音德爾鎮(zhèn)上游90km處，距烏蘭浩特市約109km，是綽爾河流域的骨干性控制工程，是一座具有調(diào)水、灌溉、發(fā)電等多項功能的大I型工程，樞紐建筑物主要由黏土心墻砂礫石壩、引水發(fā)電系統(tǒng)、岸坡溢洪道、副壩及魚道等組成。主壩壩頂高程381.50m，最大壩高48.00m，壩頂長度1358m，水庫總庫容19.64億m3，電站裝機容量36MW。

2 既往工作

1936年日偽時期曾在文得根壩址進行過鉆探與測量工作。1958—1960年，哈爾濱水利設(shè)計院對上、中、下三個壩址作了選壩地質(zhì)勘探工作，并提出相應(yīng)的地質(zhì)圖件，選定了上壩址；1992年，東北勘測設(shè)計研究院受內(nèi)蒙古自治區(qū)興安盟行政公署委托，承擔(dān)了文得根水利樞紐工程可行性研究階段的勘察設(shè)計工作，同時開始收集前期資料，僅收集到部分成果圖件(基礎(chǔ)資料不全)，并對收集的資料做了系統(tǒng)分析、整理。1993年5—9月，在分析已有地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，做了必要的補充地質(zhì)勘探工作，并于1994年上半年提出勘察報告及成果圖件。2012年和2014年又進行了可研階段的補充勘察工作，工程更改為引綽濟遼工程，至2017年陸續(xù)進行外業(yè)勘察和設(shè)計工作，年底正式完成初步設(shè)計工作并通過水規(guī)總院審查。

3 問題的提出

在整理前期資料的過程中，尤其是對壩軸線剖面覆蓋層的分析時，我們發(fā)現(xiàn)1958—1960年哈爾濱水利設(shè)計院完成的鉆孔資料與1993年東勘院完成的補充鉆孔資料差別較大，補充完成的ZK02和ZK04號鉆孔，均揭露有礫質(zhì)壤土和碎石質(zhì)壤土，且厚度均較大(8～13m)，而1958—1960年哈爾濱水利設(shè)計院完成的4個鉆孔(CKB14、CKB13、CKB12、CKB4)除CKB13鉆孔揭露有3m厚的碎石質(zhì)壤土外，其余均未發(fā)現(xiàn)(詳見圖1)，且把這些層均歸為全新統(tǒng)坡殘積物[1]。分析可能是由于當(dāng)時鉆探技術(shù)水平比較落后，將此層丟失；鑒于這種想法，又進一步收集有關(guān)區(qū)域資料并進行了認真分析，結(jié)合同一流域當(dāng)時正在除險加固外業(yè)勘探的察爾森工程和本工程下游的綽勒水庫情況，初步推斷該層是存在且連續(xù)的，成因為冰水沉積，因此要求項目組在外業(yè)勘探過程中，一定要加強鉆探值班工作，對鉆探過程要嚴格控制，對前期的層位要特別注意。

圖1 前期壩軸線剖面圖示意圖

圖2 本期壩軸線剖面圖示意圖

4 現(xiàn)場控制與分析

項目組加強對鉆探工作的控制，要求地質(zhì)值班人員對壩址區(qū)所有覆蓋層的鉆進必須跟班作業(yè)，同時，為了更好地控制鉆探質(zhì)量，要求機組覆蓋層鉆進時僅白天作業(yè)，禁止夜晚進行覆蓋層鉆進，并加強了對鉆探方法(無泵鉆進)和進尺(小于50cm)的嚴格控制。由于上層為卵礫石層，必需進行跟管給水鉆進,此層在給水情況下很容易丟失，嚴控以下三點：一是嚴格控制進尺，不能超過50cm一起鉆；二是盯住抽筒返水顏色，水一變成混色，立該停止給水鉆進，進行無泵取芯；三是抽筒憋水，聲發(fā)悶，說明從下返水減少，下層透水性顯著變小，立刻停止給水鉆進變無泵取芯。

通過這一系列的控制措施，盡管鉆探機組的進度受到了一定程度的影響，但我們獲得了比較真實可靠的第一手資料，同時證明了我們出工前對此層可能是連續(xù)的推斷。

鉆孔覆蓋層揭露厚度和壩軸線剖面示意圖見表1和圖2。

表1 本期壩軸線鉆孔揭露覆蓋層的厚度 單位：m

5 冰水沉積物的形成

在雪線以上的常年積雪經(jīng)過一系列的“物理變質(zhì)”形成冰川冰，當(dāng)冰川冰積累到一定厚度，冰層表面具有一定坡度，冰川冰就要運動，我們把這種運動稱為冰川運動[2]。冰川冰運動的過程中由很大的挖掘和磨蝕能力，所以冰川中含有大量的碎屑物質(zhì)，當(dāng)冰雪融化過程中一般會形成冰水沉積物和冰磧沉積物。冰雪融化后形成的水流在冰川區(qū)內(nèi)流動成冰面河、冰下河、冰側(cè)溪流及冰下湖和冰面湖，大部分冰水都要經(jīng)過冰川前緣的冰下河和冰側(cè)溪溝流出去，形成冰前河或冰前湖泊，這種冰水所形成的堆積物，統(tǒng)稱為冰水沉積物。冰磧沉積物為由于冰川融化后堆積下來的冰川攜帶碎屑物。冰水流出冰川末端后，立即分散為沒有固定河床的細小股流，形成辮狀水系，冰水?dāng)y帶的碎屑物質(zhì)就在冰川前堆積起來形成平緩的扇狀地形，稱為冰水扇，一系列的冰水扇連接起來就構(gòu)成冰水沖積平原如圖3所示。

圖3 冰水沉積物形成示意圖

冰水扇的頂端直接遇冰磧物相接，呈明顯的相變關(guān)系,頂端粒徑較大，層理不清，礫石磨圓較差，往外粒徑變細，磨圓度增加，常有極不規(guī)則的層理出現(xiàn)，在冰水扇的最外緣主要沉積亞黏土——黏土類物質(zhì)，稱為冰水亞黏土，一般無層理，偶見砂的夾層及小礫石層，從結(jié)構(gòu)上看很像黃土，故又稱為黃土狀亞黏土。

6 文得根的冰水沉積物

6.1 冰水沉積物定名

現(xiàn)場描述：灰黃色，飽和，密實；礫石約占35%，粒徑一般在10～40mm，成分主要為砂巖和花崗巖等，多呈中等風(fēng)化狀態(tài)，有部分巖塊已風(fēng)化成泥狀，多呈蝕圓狀；砂約占35%，以中砂為主，其余為細粒土；粒徑分選性差，結(jié)構(gòu)變化較大，組成物及顆粒含量不均一。如圖4所示。

圖4 冰水沉積物現(xiàn)場取芯照片

顆分資料：卵石含量占2%，礫粒含量占36%，以中礫為主，砂含量占30%，以細砂為主，細粒含量占32%，以粉粒為主。詳見表2。根據(jù)顆分資料定名為粉土質(zhì)礫。

通過現(xiàn)場對該層的沉積特點的分析和室內(nèi)試驗，根據(jù)區(qū)域資料推斷文得根冰水沉積物為第四系上更新統(tǒng)諾敏河組冰水沉積層[2]，在洮兒河一帶統(tǒng)稱察爾森冰積層，在綽爾河流域均有分布，主要為淺黃色—黃綠色泥礫，特點為含有黃色及黃綠色紋泥。

6.2 冰水沉積物工程特性

6.2.1組成物和結(jié)構(gòu)

從現(xiàn)場鉆孔取芯(圖5)上看大部分呈柱狀，密實，少部份為松散狀，成份和結(jié)構(gòu)雜亂，規(guī)律性不強，不同部位成份及顆粒大小差別較大；從顆分試驗(表2)數(shù)據(jù)上看，雖細粒有一定規(guī)律但規(guī)律不強，其他粒組占比混亂，不均勻系數(shù)相差巨大；因而也導(dǎo)致了工程地質(zhì)性質(zhì)參差不齊。

圖5 冰水沉積物現(xiàn)場取芯照片

6.2.2物理力學(xué)性質(zhì)

從物理力學(xué)性試驗(表3)上看，抗剪強度指標(biāo)相差較大，一半樣品無法進行原狀樣試驗，其余指標(biāo)相差不是很大，但所取樣品均為完整可取之樣，鉆孔取芯松散樣品未進行取樣，因此所取樣品已存在取好剔次情況，故所得試驗指標(biāo)應(yīng)為本冰水沉積層高值，提供設(shè)計應(yīng)用時應(yīng)予以說明。根據(jù)現(xiàn)場觀察和室內(nèi)試驗資料可以看出，冰水沉積層整體透水性較低，滲透系數(shù)一般1.05×10-6～6.45×10-4cm/s，一般屬于中等透水或者微透水；屬弱透水或者微透水層，但從巖芯及冰水沉積物自身的特點來看，該層很有可能會出現(xiàn)透鏡體形式的強滲透帶和滲透變形區(qū)，故建議壩基混凝土防滲墻深至基巖而不宜做到冰水沉積層上。

6.2.3滲透穩(wěn)定性分析

該層一般屬于中等透水或者微透水；天然成分和結(jié)構(gòu)混亂，顆粒分布無規(guī)律，不同部位成分差別較大，滲透性不均一；顆粒分布及細顆粒含量有一定差異，說明此層工程性質(zhì)參差不齊，不均一性較強。

表2 粉土質(zhì)礫顆粒分析成果統(tǒng)計[1]

表3 粉土質(zhì)礫物理力學(xué)性質(zhì)成果統(tǒng)計

通過顆粒級配曲線計算文得根的冰水層的土的破壞類型屬于流土型，GB 50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》附錄G.0.7推薦的流土型土臨界水力比降計算公式為[3]：

Jcr=(Gs-1)(1-n)

(1)

式中,Gs—土粒比重；n—土的孔隙率。

根據(jù)粉土質(zhì)礫顆分資料，粉土質(zhì)礫的臨界水力比降計算值的平均值為1.08；粉土質(zhì)礫取樣進行試驗室試驗，取得臨界水力比降平均值為3.58，大于計算值，詳見表4。

規(guī)范規(guī)定無黏性土的臨界水力比降為計算值除以1.5～2.0的安全系數(shù)，當(dāng)滲透穩(wěn)定對水工建筑物危害較大時，取2.0的安全系數(shù)，對于特別重要的工程也可以取2.5的安全系數(shù)。一般情況下允許比降采用實驗值的，應(yīng)除以3.0安全系數(shù)。規(guī)范也規(guī)定流土的臨界水力比降計算式對無黏性土比較適合，而對黏性土或泥化來層等不適用[3]。但無性性土的定義里指含少量黏粒的土，沒有量化，多數(shù)教課書中把C值大于0歸為黏性土；地震部門把黏粒含量大于3%歸為黏性土；《土的滲透穩(wěn)定與滲流控制》一書中把黏性土定義為塑限大于26%,液限指數(shù)大于4～7的中高液限的粉質(zhì)土和黏質(zhì)土，黏粒含量一般大于10%[4]。按前兩種說法該層土應(yīng)為黏性土，按后一種說法該層土為無黏性土。下面就兩種取值分別做對比，見表5。

表4 粉土質(zhì)礫臨界比降統(tǒng)計

從表5中可以看出來，兩種值的差別不大，該冰水沉積土層既不屬于無黏性土也不屬于純正的黏性土，試驗值是比較有說服力的，但考慮到所取樣品為完整可取之樣，松散不好樣品并未取得，故從工程安全角度上考慮取二者小值0.70作為本層允許比降取值。

7 結(jié)論與建議

通過嫩江流域的尼爾基水庫、察爾森水庫、綽勒水庫及本工程(引綽濟遼工程文得根壩址)勘察資料，這一帶都普遍存在這一冰水沉積層，天然成分和結(jié)構(gòu)混亂，顆粒分布無規(guī)律，不同部位成分差別較大，不均一性較強，工程性質(zhì)參差不齊，類似工程應(yīng)引起重視。

表5 粉土質(zhì)礫臨界比降統(tǒng)計

該冰水沉積層雖試驗指標(biāo)尚可，但所取樣品均為完整可取之樣，薄弱樣品并未取得，從巖芯及冰水沉積物自身的特點來看，該層很有可能會出現(xiàn)透鏡體形式的強滲透帶和滲透變形區(qū)，提供設(shè)計應(yīng)用時應(yīng)予以說明，壩基混凝土防滲墻宜深至基巖。建議類似工程多進行原位試驗工作。

筆者認為該冰水沉積土層既不屬于無黏性土也不屬于純正的黏性土，二者兼而有之；顆分為全孔取樣故試驗值較準(zhǔn)；物理力學(xué)性試驗樣品為取好剔次，試驗值應(yīng)為該層高值；各試驗指標(biāo)建議值應(yīng)慎之又慎，安全為主。