1、1、前 言1.1 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 880300，北纬 440648。吐乌大高速公路在水库北约 3.5km 穿过，并且东距天池路 0.3km，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节水库，年调节库容达 800 万m3，主要引蓄 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 888 m，现状最大坝高10.5m，一般坝高 6 7 m，现状最大坝顶高程 687.5 m（绝对高程，以下高程
2、均为此高程系） ；坝体分为主坝和副坝两部分，主坝坝前坡坡比1：1.06 ，长度为 400m（桩号为 0+0750-325） ，副坝坝前坡坡比1：3 ，其中东副坝为 305m(桩号为 0+0750+388)，西副坝为 175m(桩2号为 0-3250-500)，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 36.5万 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，并产生裂缝，无溢洪道，严重影响水库正常运行。水库于 70 年代初期建成，库盘利用三工河左岸阶地与
3、山前黄土丘陵所形成的天然洼地或冲沟，分别在东部和北部筑坝而成，设计坝顶高程 690.0 m，设计正常蓄水位高程 688.26m，现实际坝顶高程仅687.5m。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，库盘和坝基渗漏严重；加之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，造成水库淤积严重。由诸多因素导致水库现今有效库容不足 30 万 m3，对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，又是天池旅游区必经之路，依托水库开发旅游业和养殖业前景广阔。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
4、电建筑勘察设计有限公司承担红星水库除险加固初步设计阶段工程地质勘察工作。1.2 勘察目的与任务阜康市红星水库在此次勘察之前未进行过任何地质勘察工作，水库可利用的资料较少。根据该水库这一实际情况，针对水库存在的坝基渗漏、库盘渗漏、坝体质量差、水库淤积等主要问题，查明库坝区地层岩性、分布、厚度及渗透性，对库区、坝基渗漏进行分析评价，对库盘、坝基渗漏处理提出建议；查明坝体土、坝基土的渗透变形类3型，为坝基、坝体稳定分析提供依据；查明坝体土物理力学性质参数，为坝体结构稳定分析提供依据；查明坝体填筑土料及砼骨料的储量，并进行质量评价。1.3 勘察工作概况根据中小型水利水电工程地质勘察规范 （SL55-2
5、002） 、 水利水电工程地质勘察规范 （GB50287-99） 、 水利水电工程天然建筑材料勘察规范 （SL251-2000） 、 水利水电工程钻探规程 （DL5013-92） 、土工试验规程 （SL237-1999）等标准的有关要求，对红星水库除险加固工程地质勘察工作布置如下：（1）地质调查对库区、坝体及坝后一定范围进行地质调查，主要是了解测区地形地貌、地层岩性及分布；对水库坝体及坝后坡不良物理地质现象发育部位和范围，坝基渗透变形情况进行调查，以初步判断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 59.8m。东
6、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 20.26m。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 30.2m。土料场布置探坑 13 个，总进尺 65m，主要查明水库加固用土料的分布、岩性组成、储量等（4）现场试验 标准贯入试验在坝体坝基细粒土中进行，试验间距 1.0m，共计 40 点次。4渗水试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。天然密度、含水量试验对坝体、坝基土及天然建筑材料均进行现场天然密度、含水量试验，其中坝体 10
7、 组，坝基 9 组，料场 15 组。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，进行室内试验，分析坝体、坝基土的物理性质。土料场取大袋扰动样 8 组，进行室内试验以评价筑坝土料的质量。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） ，以评价环境水对水工建筑物混凝土的腐蚀性。室内试验坝体、坝基原状样进行土粒比重、颗粒分析、液限、塑限、饱和快剪、压缩、渗透等试验；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、压缩、渗透、有机质含量、易溶盐含量、pH 值等试验，而坝基粗粒土进行颗粒分析，库盘扰动样进行颗粒分析
8、、液限、塑限、有机质含量、易溶盐含量等试验。水样进行 CO32-、HCO 3-、CL -、SO 42-、Ca 2+、Mg 2+、Na +K+、PH 值、总盐、侵蚀性 CO2 等试验。表 1.3-1 勘察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 3.0 水库回水线外侧5坝址区 m /个 128.7/19 主、副坝轴体及坝后延长坝址 m /个 27/3 坝基坑探料 场 m /个 60/12 土料场人工钻孔 m /个 112/44 库 区原 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
9、溶 盐 组 30 坝体、土料场取样水 样 组 2 库水 1 组，坝后地下水 1 组天然密度、含水量 组 34 料场、坝体、坝基渗水试验 组 6 坝基、库盘野外试验标准贯入试验 点次 40 坝体、坝基、库盘原 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室内试验水 样 组 2 简分析通过上述工作基本查明水库区主要工程地质问题，坝体填筑质及有关地质参数和天然建筑材料的分
10、布、储量、质量，本次工作基本满足初设阶段精度要求。2、区域地质概况2.1 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 581.0589.0m，地势由南向北倾斜，坡降 6.58。黄土丘陵主要分布在水库西副坝6及其上、下游和西部地区，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。2.2 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
11、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，主要分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）呈陇状广泛分布，厚度大于 20m。2.3 地质构造 水库位于准噶尔坳陷（2）与北天山优地槽褶皱带博格达复背斜（32）过渡带的乌鲁木齐坳陷带（36）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
12、断裂（见下图） ，分述如下：北三台断裂：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，呈北西西向分布，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 966493 年，说明该断裂在全新世早期以后有过活动。阜康吉木萨尔：为准噶尔坳陷与博格达复背斜界限断裂，西7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 4050，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 14367365 年11108103
13、 年，为全新世活动断裂，南距水库约5km。博格达断裂：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，倾向 196，倾角为 55，并将晚更新世地层错断， 14C 地质年龄小于 30588553 年，为晚更新世活动断裂，南距水库约 15km。区 域 地 质 构 造 略 图2.4 地震与区域构造稳定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，因而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，并且均为晚更新世以来活动断裂，根据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
14、，震中距工程区 18km。据中国地震动峰值加速度区划图 （GB18306-2001 ） ，场8地地震基本烈度为度，设计基本地震动峰值加速度为 0.15g，区域构造稳定性较差（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、第四纪活断层特征、震中分布、地震基本烈度等条件，区域 30km 范围可能发生中强震，对水库安全有一定影响，属区域稳定性较差地区。3、水库区工程地质条件3.1 水库区工程地质条件3.1.1 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界处，总体地势由南向北倾斜，西部黄土丘陵区略倾向东，并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
15、20m，冲沟发育。另水库库盘较平坦，主要呈东西分布，库底高程为682.0.0m，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，9高出库水位约 2.03.0m，呈东西向分布，较平坦，现多为耕地和果园，分布高程为 687.0 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 1.8m，深度为 1.0m。另一条冲沟位于西副坝与黄土梁之间的凹地（宽约 30.0m） ，顺坝体后坝脚处由南向北延伸，为细沟。沟西侧凹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 6.0m，并有两间民房。3.1.2 地层库区地层由第四
16、纪冲积、冲洪积堆积物和新近沉积土组成，根据其颗粒组成和成因划分为、两区，现分述如下：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，主要分布在现库盘，根据麻花钻孔资料可知；淤泥质粉土最大厚度为 5.4m，分布在水库中部，并向周围逐渐变薄，优如锅底形向四周延伸，两副坝及进水口附近厚度小于 1.0m，沿主坝厚度2.03.0m，放水涵洞附近为 2.5m 左右并向库内逐渐加深，呈灰黑色，软塑流塑状，粘粒含量为 29.061.6，有机质含量为0.52.1，易溶盐含量为 0.080.27，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，主要沿坝体和水库南侧回水线附近
17、分布，在垂直和水平方向分布不均，一般厚度为 2.2 m，仅局部厚度达 4.0 m 左右，呈条带状分布，但范围较小，并向库内厚度渐变为 0.2m，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，近主坝附近埋深大于 5.0m，并向南至迴水线附近埋深渐变为 2.0m 左右，进水口及西侧鱼池附近小于 1.0m，局部裸露地表，但范围较小。从等埋深线的分布可以看出，水库主坝由北向南下部粗颗粒地层犹如向北倾斜、且东10西两侧向南收敛的锲型体，锲型体中部向北埋深为 2.95.4m，两侧呈缓坡状向东、西渐变为 1.0m 或小于 1.0m，属中等透水层。区: 由第四系上更新统冲洪积粉土、砾石
18、和碎石土组成，构成水库南侧阶梯状地形，呈条带状东西向分布，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分布较均匀，一般厚度为 1.53.0m，仅中部厚度变化较大，局部可达 5.0m 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，一般埋深为 1.53.0m，仅中部局部埋深可达 5.0m 以上，东西向略有起伏，属中等透水层。3.1.3 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。3.1.4 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
19、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。垂向补给源主要是地表水和引水渠系；侧向补给主要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 0.3km 为三工河干流，在其北部下游约 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。113.1.5 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。3.2 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（Q 3
20、）卵石、粉土和全新世（Q 4）淤泥质粉土层组成，但粉土、淤泥质粉土层厚度较小，分布不均，平均渗透系数（）为1.610-5，属弱透水层。而下部有巨厚卵石和碎石土组成，分布较稳定，渗透系数（）为 3.810-3，属中等透水层，地下水埋深大于 30m，水库区渗漏主要是库盘的垂向渗漏，并具双层透水。由于水库缺乏多年运行资料，仅根据据水管站人员估算进出水量资料来估算库盘渗漏量（见表 3.2-1） ，即水库目前进出库水量之间差值，减去降水及蒸发影响。表 3.2-1 水库多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） 832.59 7
21、98.21 867.34 659.58 756.71 782.88出水量(m3) 563.1 602.5 657.9 486.7 612.2 584.48由上表可知，水库多年平均进出库水量差值约 198.4 万 m3，水库高水位和死水位时的平均水面面积为 15.0 万 m2，水库多年平均蒸发量为 2064.1mm，多年平均降水量 187.5mm，由此推算年渗漏量近 170.0万 m3，可见水库渗漏损失较大。另外水库库盘由淤泥、粉土、12卵石、砾石或碎石土组成，根据其颗粒组成和成因，划分为、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 3） 分区
22、 渗透系数（） 面积（ 2） 渗漏量（ 3） 渗漏量（ 3） 备注区 0.14 20736.0 .0为库容50 万 3）渗漏量100区 0.23 70000 16100 .0由上表可知：库容为 50 万 3 时，年渗漏量为 311.04 万 3，库容为 100 万 3 时，年渗漏量为 552.54 万 3，水库渗漏严重。但与历年水库运行统计资料相比较，有较大的差异性，其原因是根据用水量而蓄水，且多为空库运行，无死库容。（2）库岸稳定水库坝体为“U”型，且库区上游坡度为 34，属缓坡状;仅西副坝间歇性洪水对坝体产生冲刷作用，另外水库蓄水后风浪对主坝段产生冲刷掏蚀作用，对库岸稳定产生一定的影响。（
23、3）水库淤积水库主要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，根据水库淤积物分布范围和厚度估算淤积量约 12 万 m3，每年淤积量约 3400m3，约占现总库容的 40，主要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，虽然产生洪量有限，所携带的悬移质物质含量较高，经过多年运行已得到证实，因此水库淤积问题严重。（4）水库淹没、浸没13水库恢复到 100 万 m3 库容，即在设计正常蓄水位 786.14m 条件下，淹没水库南侧所有林带、果树及耕地，面积约 260 亩；另
24、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4.1 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，通过标准贯入试验及室内试验成果可知，坝体土击实后最大干密度为1.76 g/cm3，按 96压实度考虑，筑坝料控制干密度为 1.689 g/cm3，根据干密度深度变化图可知，34 组样品中仅组样品干密度为 1.681.79g/cm 3，其它样品干密度为 1.231.5g/cm 3，说明坝体压实质量较差。根据剖面图主坝段仅.0.0深度范围干密度为 1.691.70g/cm 3，其它均小于.55 g/cm3，而东、西两副坝 4.5m以上干
25、密度为 1.661.79g/cm 3，以下均小于 .60 g/cm3，坝体土物理力学统计参数见下表。剪 切含水量()天然密度( d)干密度( d)液限( L)塑限( p)塑性指数(Ip)渗透系数(k) C 取样位置指 标项 目 % g/cm3 g/cm3 % % cm/s kPa 度1.45687203.670891.(m)h dg/cm3标 准 干 密 度干 密 度 深 度 变 化 图14平均值 11.36 1.81 1.62 27.3 17.0 10.3 2.4E5 21 27.4小值平均 10.21 1.81 1.56 27.1 16.7 10.2 1.75E5 20.5 27.2TK2
26、大值均值 12.66 1.88 1.67 27.2 17.1 10.4 3.3E5 21.5 27.8平均值 17.38 1.76 1.49 29.7 17.9 11.8 4.35E5 19.75 26.98小值平均 15.03 1.66 1.43 28.3 17.2 11.1 2.98E5 15.956 25.49TK4大值均值 18.8 1.88 1.59 30.9 18.5 13.1 6.88E5 22.9 28.44平均值 17.49 1.79 1.53 31.4 17.9 13.5 4.2E5 15.40 24.87小值平均 15.3 1.61 1.38 28.7 16.9 12.5
27、 6.88E5 17.70 24.23TK6大值均值 19.85 1.89 1.54 33.7 18.9 14.8 6.88E5 13.70 27.14平均值 9.40 1.82 1.63 24.3 15.6 8.61 4.2E5 13.0 27.10小值平均 8.78 1.73 1.55 23.3 15.3 8.0 4.2E5 12.0 26.45TK8大值均值 13.0 1.93 1.68 25.7 16.6 9.06 4.2E5 14.0 28.104.2 坝体质量评价依据水利水电工程天然建筑材料勘察规程 （SL2512000）中表 A2.1 关于“土料质量指标”中“均质坝土料”要求对现
28、土坝填筑土料进行评价。主坝坝体土为低液限粘土，其质量评价结果见表 4.2-1。表 4.3-1 主坝均质土质量评价表项 目 标准 试验值 评价结果渗透系数 碾压后渗透系数小于 110-4cm/s 1.610-59.410 -5cm/s 合格塑性指数 在 717 之间 10.316.1 合格干密度 1.61g/cm3 为宜 1.231.70g/cm 3 不合格粘粒含量 10%30% 为宜 23.051.1% 基本合格天然含水量 接近 op=13.2%,Wp=19.5 为优 12.68%22.2% 基本合格PH 值 7 9.9 合格水溶盐含量 1.61g/cm3 为宜 1.481.79g/cm 3
29、不合格粘粒含量 10%30%为宜 21%31.7% 合格天然含水量 接近 op=13.2%,Wp=19.5 为优 7.98%16.60% 不合格水溶盐含量 7 9.8 合格由上表可知各指标均满足均质土坝质量要求，储量满足需要量。另外库盘淤积物为低液限粘土，其储量近 10 万 m3,粘粒含量为 42.57，有机质含量为 1.58，易溶盐含量为 0.13，满足均质土坝质量要求,可作为筑坝材料。混凝土用粗细骨料及防冻垫层料可购买商品料，距离水库约 3km。而浆砌石料分布在三工河河床内，采用人工拾检，其储量和质量均满足要求。10、结论与建议10.1 结论1） 水库处于准噶尔盆地南缘30的乌鲁木齐坳陷与
30、山区过渡地带，新构造运动表现较强烈，发育三条区域性活动断裂距离水库小于 15km，并发生两次中强地震，据中国地震动峰值加速度区划图 （GB18306-2001） ，场地地震基本烈度为度，设计基本地震动峰值加速度为 0.15g，区域构造稳定性较差。 2） 水库位于北天山北麓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 675.0683.0m，地势由南向北倾斜，坡降6.58。分布巨厚级配不良砾，具中等透水性，库盘垂向渗漏严重，估算其渗漏量为 552.5 万 m3/a。同时水库建成后至今淤积约 15 万 m3，加固后淹没约 60 亩林带或耕地。3） 水库坝由均质低液限粘土、低液限粉土坝组成，
31、坝体土现状干密度多为 1.221.55g/cm 3，仅局部为 1.66 1.79 g/cm3，属高压缩性土，碾压质量较差，但其它指标均满足规范要求，需进行工程处理。4） 工程区处于地震动峰值加速度 0.15g 区，地震基本烈度度区，坝体、坝基为不液化土。5） 坝体低液限粘土和低液限粉土渗透稳定，而坝基可能产生流土、管涌破坏现象和接触冲刷破坏。6） 水库坝基由卵石和低液限粘土组成，但低液限粘土厚度仅为1.93.5m，下伏巨厚卵石层，在现状条件下，年渗漏量为 63.5 万 m3。而在设计正常蓄水位 688.38m 条件下，年渗漏量 194.75 万 m3，坝基渗漏严重。7） 涵洞所处低液限粘土为硬塑坚硬状 ，高压缩性土，承载力特征值为 150kPa，压缩模量为 3.7MPa，性质较差。而下伏卵石属巨厚层，中密状，承载力特征值为 300kPa，压缩模量为 28MPa，性质较好。8） 环境水对混凝土结构具中等腐蚀性。
