李新峰　陳厚軍

摘 要：石門水庫位于新疆塔里木盆地南緣昆侖山北麓中山區(qū)的莫勒切河中上游，壩址區(qū)河床覆蓋層為厚達120 m的冰水沉積物，巖性為結(jié)構(gòu)密實的砂卵礫石，局部呈弱泥質(zhì)膠結(jié)，偶含漂石，作為80 m高壩壩基，其物理力學(xué)參數(shù)指標的準確性對該工程的設(shè)計至關(guān)重要，而針對這種深厚層粗粒土地區(qū)的勘探、取樣和試驗等歷來是水利水電工程勘察的難點。通過多種技術(shù)創(chuàng)新手段，克服惡劣環(huán)境和諸多困難，采用SM植物膠鉆探工藝和金剛石鉆進工藝方法，得到較高質(zhì)量的旁壓試驗預(yù)鉆孔及完好的孔壁，保證了旁壓試驗工作的順利進行，同時利用完整的勘探巖芯，了解深厚覆蓋層的顆粒組成以及物理性質(zhì)指標，同時輔以多種原位測試和現(xiàn)場試驗進行對比驗證，獲得大壩設(shè)計所需的變形模量和承載力等主要參數(shù)，滿足大壩設(shè)計需要。據(jù)其所得變形模量和承載力等參數(shù)設(shè)計的壩基防滲處理措施，達到了預(yù)期效果，該水庫已完工蓄水，大壩滲流、變形等各項監(jiān)測指標正常，表明以旁壓試驗為主、其他原位測試和現(xiàn)場試驗為輔的方法確定的各指標參數(shù)是合理的。

關(guān)鍵詞：冰水沉積物;深厚覆蓋層;SM植物膠鉆探;旁壓試驗;原位測試;石門水庫

中圖分類號：P642;TV221?? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.03.016

Lateral Pressure Test of Key Parameters Deep Overburden Deposited by Ice Water in Shimen Reservoir

LI Xinfeng， CHEN Houjun

（ Xinjiang XPCC Surveying and Designing Institute（Group）Co.， Ltd.， Urumqi 830002， China ）

Abstract：Shimen Reservoir is located in the middle and upper reaches of the Moleche River in the middle mountain area at the northern foot of Kunlun Mountain on the southern edge of Tarim Basin in Xinjiang. The riverbed in the dam site area is covered by ice-water sediment with a thickness of 120 m. Its lithology is sand and gravel with dense structure， locally weak argillaceous cementation and occasional boulders. As the foundation of 80 m high dam， the accuracy of its physical and mechanical parameters is crucial to the design of the project. However， the exploration， sampling and testing of this thick layer of coarse-grained land areas have always been difficult points in the investigation of water conservancy and hydropower projects. Through the adoption of various technological innovations to overcome the harsh environment and many difficulties， SM plant glue drilling technology and diamond drilling technology were adopted to obtain high-quality pre-drilling for side pressure tests. The intact hole wall ensured the smooth progress of side pressure tests. At the same time， the complete exploration cores were used to understand the particle composition and physical property indexes of the deep overburden layer. Meanwhile， a variety of in-situ tests and field tests were used for comparative verification to obtain the main parameters such as deformation modulus and bearing capacity required by dam design， which meet the needs of dam design. The dam foundation seepage control measures were designed according to the obtained deformation modulus， bearing capacity and other parameters had achieved the expected effect. The reservoir had completed water storage and various monitoring indexes such as dam seepage and deformation were normal， which indicated that the parameters of the indexes determined by the methods of side pressure test， other in-situ test and field tests were reasonable.

Key words： ice water deposition; deep overburden; SM plant glue drilling; side pressure test; in-situ test; Shimen Reservoir

1 工程概況與覆蓋層成因特點

石門水庫位于新疆塔里木盆地南緣昆侖山北麓的中山區(qū)，是莫勒切河中上游龍頭水利樞紐工程，攔河大壩為瀝青混凝土心墻壩，最大壩高80.0 m，壩頂高程2 396.8 m，壩頂長530.6 m，水庫正常蓄水位2 394.0 m，總庫容6 671萬m3。

庫區(qū)海拔2 312～3 500 m，河谷呈U形，兩岸沖溝較發(fā)育，河床寬150～280 m，不連續(xù)分布Ⅱ～Ⅴ級階地，其中Ⅳ級階地寬50～250 m、其他階地寬5～50 m。該區(qū)域早更新世地殼運動劇烈，在南北向擠壓應(yīng)力作用下，地殼整體抬升，河谷下切，在冰川刨蝕作用下形成深200 m左右的侵蝕溝谷;進入中更新世以來，阿爾金斷裂以南繼續(xù)隆起、以北上升趨緩，河谷在側(cè)蝕作用下被拓寬并堆積巨厚的中更新統(tǒng)卵礫石層冰水沉積物，其最大厚度達180 m。壩址區(qū)河床上覆全新統(tǒng)卵礫石層厚度為8～10 m，其余大部分為中更新統(tǒng)冰水沉積卵礫石層（廣泛分布在現(xiàn)代河床下部及右岸階地），地層結(jié)構(gòu)總體為較單一的砂卵礫石，現(xiàn)代河床以下揭露最大深度為120 m，地層巖性主要為礫石、卵石，偶含漂石，充填中、細砂，該層卵礫石呈青灰色，結(jié)構(gòu)密實，局部呈弱泥質(zhì)膠結(jié)。據(jù)顆分試驗，巨粒（>200 mm）含量為31.2%，粗粒組礫粒（2～60 mm）含量為50.7%、粗粒組砂粒（0.075～2 mm）含量為15.9%，細粒組粉、黏粒（<0.075 mm）含量為2.2%，不均勻系數(shù)為75.8，屬不均勻土，級配不良，實驗室定名卵石混合土。該層總體結(jié)構(gòu)密實，局部呈中密狀態(tài)。工程區(qū)基巖地震動峰值加速度為0.211g，覆蓋層地震動峰值加速度為0.249g，地震基本烈度為Ⅷ度，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較差。

對砂卵礫石類粗粒土散體結(jié)構(gòu)地層進行勘探、取樣和試驗歷來是水利水電工程勘察的難點，而在深厚粗粒土中取得較準確的物理力學(xué)性質(zhì)指標，其困難程度不言而喻。以冰水沉積深厚覆蓋層為基礎(chǔ)建設(shè)高達80.0 m的土石壩，必須為設(shè)計提供準確可靠的工程地質(zhì)參數(shù)。為此，采用多種新技術(shù)、新方法，克服惡劣環(huán)境和諸多困難，以旁壓試驗為主，輔以多種原位測試和現(xiàn)場試驗進行對比驗證，獲得昆侖山北麓深厚冰水沉積覆蓋層主要關(guān)鍵參數(shù)指標，為石門水庫大壩設(shè)計提供了科學(xué)合理的地質(zhì)參數(shù)。

2 旁壓試驗工藝簡介

旁壓試驗具有原位、準確、測試深度大等優(yōu)勢和特點，利用可膨脹的圓柱形旁壓器在預(yù)鉆孔內(nèi)對孔壁施加壓力，使孔壁產(chǎn)生變形，通過控制裝置測出壓力和相應(yīng)的變形，從而得到土體變形和壓力的關(guān)系曲線，即旁壓曲線，根據(jù)旁壓曲線計算各巖（土）層的旁壓模量及極限壓力[1]。相對于其他原位測試，旁壓試驗在河床深厚覆蓋層原位測試中有一定的優(yōu)勢，在深厚覆蓋層工程力學(xué)特性研究中得到了很好的應(yīng)用[2]。

自1957 年法國工程師梅納發(fā)明三腔式旁壓儀以來，旁壓試驗在巖土工程勘察中的應(yīng)用取得長足發(fā)展，尤其在法語國家中得到廣泛應(yīng)用，并積累了大量的經(jīng)驗[3]。旁壓試驗方法自20世紀70年代開始應(yīng)用于國內(nèi)巖土工程勘察，經(jīng)過幾十年的完善、發(fā)展、應(yīng)用、推廣，已成為地基勘察與基礎(chǔ)設(shè)計的實用、可靠方法，被廣泛應(yīng)用于地基地質(zhì)條件評價、土層劃分、狀態(tài)判別、應(yīng)力歷史推求、強度與變形指標計算、承載力確定等[4]。近年來，旁壓試驗技術(shù)已被列入國標及行業(yè)規(guī)范。

河床砂礫石覆蓋層一般具有弱膠結(jié)、粗細顆粒相互交替的特點，形成水平排列的透鏡體或不規(guī)則夾層，采用普通方法很難取得原狀樣品，且孔壁不規(guī)則，影響試驗精度，甚至發(fā)生損壞試驗設(shè)備的現(xiàn)象。因此，旁壓試驗在水利行業(yè)應(yīng)用還不多見，在砂卵石地層中應(yīng)用更少見[5]。究其原因，河床砂礫石層旁壓試驗具有以下技術(shù)難點：砂礫石鉆進過程中若無套管護壁，成孔困難;砂礫石層顆粒大小不均勻，分選性和磨圓度差，在旁壓試驗過程中膜套極易破損，導(dǎo)致試驗失敗;若河床砂礫石鉆孔護壁不當則極易塌孔，從而使初始膨脹變形過大，很難測得極限壓力。

針對河床深厚砂礫石覆蓋層的特點，對原位旁壓測試進行了以下改進：①考慮到河床砂礫石層的上述特性，采用預(yù)鉆式（即采用SM植物膠工藝技術(shù)人造金剛石回轉(zhuǎn)鉆具進行造孔[6]）旁壓試驗方法;②在旁壓試驗前預(yù)先置入Ф76 mm開縫鋼管，將Ф60 mm的旁壓探頭置于其中，由于開縫鋼管膨脹變形屬于彈性變形，在試驗前可以進行率定，同時開縫鋼管對旁壓探頭膜套起到了很好的保護作用，因此鉆進過程中可減小對地層的擾動;③根據(jù)工程經(jīng)驗，為了使旁壓探頭易放入鉆孔中試驗位置，同時與孔壁間隙不大，采用Ф77 mm非標金鋼石鉆頭及Ф73 mm國標巖芯管作為試驗段鉆進工具;④對于未測得極限壓力的部分試驗點，采用與標準旁壓曲線擬合的方法求取極限壓力。

石門水庫旁壓試驗采用法國梅納公司生產(chǎn)的GA型旁壓儀，探頭型號為BX型 （Ф60 mm），開縫保護鋼管直徑為76 mm，探頭初始體積為535 cm3。

3 壩基預(yù)鉆式旁壓試驗成果

為獲得中更新統(tǒng)冰水沉積卵礫石巨厚覆蓋層不同深度的變形特性，為大壩設(shè)計提供可靠的指標參數(shù)，選取壩址區(qū)河床4個鉆孔進行旁壓試驗，試驗段間距2 m，最大試驗深度82 m， 試驗嚴格按照相關(guān)規(guī)程進行，共得到91組試驗數(shù)據(jù)，剔除個別異常數(shù)據(jù)后的有效試驗數(shù)據(jù)共82組（其中全新統(tǒng)沖積層6組、中更新統(tǒng)冰水沉積層76組）。

旁壓曲線是旁壓試驗的基本成果，反映旁壓器周圍土體的應(yīng)力、應(yīng)變變化全過程。根據(jù)開縫鋼管標定曲線，對試驗壓力P和體積V修正后，繪制的P—V曲線即旁壓曲線，典型鉆孔（CZK15鉆孔，深度為56.35 m）旁壓曲線見圖1。根據(jù)旁壓曲線可求得特征值旁壓模量Em、原位水平土壓力P0、臨塑壓力Pf、極限壓力PL，并推算變形模量E0、地基承載力特征值fak等指標。通過數(shù)據(jù)綜合分析，可得到圖2所示旁壓模量、變形模量隨深度的變化曲線。

試驗結(jié)果表明：①全新統(tǒng)沖洪積漂卵礫石層旁壓模量Em為7.9～26.3 MPa，平均值為18.3 MPa，推薦值為9.8 MPa;變形模量E0為15.5～123.2 MPa，平均值為94.04 MPa，推薦值為33.9 MPa。②中更新統(tǒng)冰水沉積卵礫石層旁壓模量Em為46.1～236.8 MPa，平均值為149.6 MPa，推薦值為135.4 MPa;變形模量E0為167.2～508.6 MPa，平均值為337.5 MPa，推薦值為312.1 MPa。

根據(jù)臨塑壓力Pf判斷地基承載力的方法，可得地基承載力特征值fak計算公式為

fak = Pf- P0

通過統(tǒng)計分析計算，得到中更新統(tǒng)冰水沉積卵礫石層承載力特征值fak為 1 760 kPa。

4 多種現(xiàn)場原位測試成果驗證分析

從不同角度對旁壓試驗所取得的成果進行綜合比較和驗證，使得旁壓試驗測試指標更接近客觀實際，為大壩設(shè)計提供科學(xué)合理的建議和處理措施。

4.1 原位載荷試驗與變形試驗

在壩址右岸冰水沉積卵礫石層勘探平洞SPD3-1、SPD3-2、SPD3-4內(nèi)進行了2組載荷試驗、6組變/彈模試驗，其試驗成果見表1、表2。根據(jù)建筑物荷載選擇試驗壓力為1.80 MPa的變形參數(shù)，則中更新統(tǒng)冰水沉積卵礫石層天然狀態(tài)下變形模量為373.2～470.0 MPa，彈性模量為581.3～852.5 MPa，承載力特征值fak為800 kPa。

4.2 天然密度和含水率試驗

通過對右岸平洞等部位進行的密度和含水率試驗成果進行分析，得出：中更新統(tǒng)冰水沉積卵礫石層在地下水位以上其天然密度為2.20～2.26 g/cm3，天然含水率為0.59%～1.20%，干密度為2.10～2.25 g/cm3。河床內(nèi)覆蓋層中更新統(tǒng)冰水沉積卵礫石天然密度和含水率現(xiàn)場試驗，主要通過鉆孔內(nèi)采取SM植物膠巖芯并進行測試。天然密度最大（漂卵石多時）可達2.57 g/cm3，最?。ㄈ鐜r芯主要由礫石和粗砂組成時）為1.98 g/cm3，剔除不具代表性試驗數(shù)據(jù)后，天然密度一般為2.25～2.33 g/cm3，干密度為2.16～2.20 g/cm3?？梢钥闯?，在勘探平洞采用灌水法取得的砂卵礫石天然密度指標，與利用SM植物膠鉆孔巖芯所獲得的天然密度指標接近。

天然含水率數(shù)值的準確性客觀影響因素主要為植物膠的黏附、黏結(jié)作用，主觀影響因素為部分巖芯稱重不及時造成水分流失，以及因試驗數(shù)據(jù)離散性較大而剔除異常數(shù)值。旁壓試驗鉆孔SM植物膠巖芯天然密度、含水率試驗成果統(tǒng)計見表3。

4.3 超重型動力觸探試驗

在壩址區(qū)進行超重型動力觸探試驗，試驗成果（見表4）表明：現(xiàn)代河床表層全新統(tǒng)沖積卵礫石層動探擊數(shù)為4～7擊，呈稍密-中密狀態(tài)，承載力特征值（fak）為850 kPa，變形模量為39 MPa;右岸階地及現(xiàn)代河床下部中更新統(tǒng)冰水沉積卵礫石層動探擊數(shù)為10～25擊，在試驗段深度內(nèi)整體結(jié)構(gòu)呈中密-密實狀態(tài)，承載力特征值（fak）為1 000 kPa，變形模量為62 MPa。

由于壩址區(qū)覆蓋層巖性為含漂石的卵礫石地層，采用超重型動力觸探試驗時，動力觸探擊數(shù)除受地層密實程度的影響外，粒徑大小也有較大影響，當探頭遇到較大漂石時，觸探擊數(shù)與細顆粒相比會有較大的偏差，因此用動探擊數(shù)來判斷地層的密實程度及力學(xué)參數(shù)時應(yīng)剔除此類離散性較大的數(shù)據(jù)。

4.4 波速測試試驗

在壩址區(qū)對覆蓋層鉆孔及平洞內(nèi)進行波速測試，測試成果（見表5）表明：現(xiàn)代河床覆蓋層上部第四系全新統(tǒng)沖積卵礫石層（8 m以上）縱波波速（Vp）為385～744 m/s，橫波波速（Vs）為157～409 m/s，呈松散或稍密-中密狀態(tài)，土的類型為中軟-中硬土，承載力特征值（fak）為300～400 kPa;下部第四系中更新統(tǒng)冰水沉積卵礫石層（8 m以下）縱波波速（Vp）為929～2 383 m/s，橫波波速（Vs）為409～1 231 m/s，結(jié)構(gòu)多呈中密-密實狀態(tài)，土的類型整體屬堅硬土，承載力特征值（fak）為500～600 kPa。

右岸階地覆蓋層巖性以第四系中更新統(tǒng)冰水沉積卵礫石為主，本次波速測試在平洞內(nèi)進行，縱波波速（Vp）為1 107～2 383 m/s，橫波波速（Vs）為503～1 231 m/s，土的類型為堅硬土，為密實狀態(tài)，承載力特征值（fak）為600 kPa。

通過對覆蓋層鉆孔波速測試及平洞內(nèi)波速測試成果進行分析，認為鉆孔中波速測試過程和條件不易滿足，且測試成果與常規(guī)經(jīng)驗值偏離，建議采用平洞內(nèi)波速測試成果。

4.5 相對密度試驗

在壩址區(qū)中更新統(tǒng)冰水沉積卵礫石層平洞內(nèi)取具代表性樣品進行相對密度試驗，依據(jù)試驗成果，結(jié)合取樣層位天然密度計算天然狀態(tài)下的相對密度（Sr）平均值為0.77。據(jù)此判斷，中更新統(tǒng)冰水沉積卵礫石層試驗層位為密實狀態(tài)（判斷標準：Sr < 0.33，松散;0.33< Sr <0.67，中密;Sr >0.67，密實）。

4.6 抽水試驗

在旁壓試驗壩址區(qū)布置大口徑水文地質(zhì)鉆孔2眼，孔深分別為62.0、92.0 m，采用分段止水在不同深度進行多個落程單井抽水試驗，水文井孔徑600～650 mm，抽水管管徑325 mm，過濾器半徑163 mm。通過水文地質(zhì)計算得到：孔深0～30 m的滲透系數(shù)為9.37×10-2 cm/s，孔深30～60 m的滲透系數(shù)為7.59×10-2 cm/s，孔深60～90 m的滲透系數(shù)為3.82×10-2 cm/s。滲透系數(shù)計算結(jié)果表明，覆蓋層具強透水性，滲透系數(shù)呈自上而下逐漸變小的規(guī)律，滲透指標與冰水沉積物密實度正相關(guān)。

4.7 不同試驗成果對比分析

通過對載荷試驗（變形試驗）、波速測試、超重型動力觸探等多種試驗方法取得的變形模量和承載力等主要巖土參數(shù)指標與旁壓試驗相互驗證，可以避免單一試驗成果的片面性，獲得更為客觀的河床覆蓋層基本物理力學(xué)特性指標，驗證旁壓試驗成果的準確性。

不同測試方法所得主要巖土參數(shù)對比見表6，可以看出，旁壓試驗獲得的冰水沉積物承載力和變形模量指標，較載荷試驗（變形試驗）、超重型動力觸探和波速試驗所獲得的指標偏大，其中承載力指標比其他原位測試結(jié)果偏高1～3倍，與國內(nèi)部分工程旁壓試驗所得承載力比其他原位測試結(jié)果偏高2.7～4.0倍[7]的情況基本一致，可見石門水庫旁壓試驗成果屬于較合理范圍，最終承載力特征值fak建議取800 kPa，變形模量E0建議取312.1 MPa。

對砂礫石深厚覆蓋層，設(shè)計人員十分關(guān)心覆蓋層地層結(jié)構(gòu)、顆粒級配、密度、物理力學(xué)特性及滲透特性[8]。天然密度試驗是獲得相對密度的關(guān)鍵，根據(jù)SM植物膠鉆孔巖芯（多呈柱狀，充填好，無架空）判斷砂礫石深厚覆蓋層呈密實狀態(tài)，所得冰水沉積物天然密度指標與勘探平洞所得成果接近;勘探平洞得到的相對密度Sr為0.71～0.83，表明冰水沉積物呈密實狀態(tài);超重型動力觸探擊數(shù)為10～25擊，表明冰水沉積物總體結(jié)構(gòu)密實;剪切波速Vs為505～779 m/s，可判斷冰水沉積物為密實狀碎石土;冰水沉積物抽水試驗表明其具強透水性，滲透系數(shù)自上而下逐漸變小。

此外，勘探試驗鉆孔過程孔壁完整、少有塌孔掉塊等現(xiàn)象，勘探平洞內(nèi)洞壁洞頂可長時間保持穩(wěn)定狀態(tài)、無垮塌現(xiàn)象、少有掉塊，也說明河床冰水沉積物總體結(jié)構(gòu)密實、無軟弱夾層或不良透鏡體，可以滿足土石壩建設(shè)的要求。

5 結(jié) 語

通過以旁壓試驗為主、其他原位測試和現(xiàn)場試驗為輔的對比驗證，較準確查明石門水庫壩址區(qū)河床深厚冰水沉積覆蓋層的承載力、變形特性及物理力學(xué)指標、滲透性指標。對旁壓試驗、載荷試驗、變形試驗、動力觸探試驗、波速試驗及鉆孔抽水試驗等成果進行綜合分析表明，在一倍壩高（80 m）范圍內(nèi)，變形和承載力指標總體上與冰水沉積物密實度呈正相關(guān)關(guān)系，旁壓模量總體上隨深度增加而增大，覆蓋層隨深度的增加而漸趨密實。

深厚覆蓋層中進行預(yù)鉆式旁壓試驗，成孔質(zhì)量對旁壓試驗成果的準確性有較大的影響。本試驗鉆孔采用SM植物膠工藝，試驗成孔質(zhì)量好，試驗數(shù)據(jù)離散性小，據(jù)其所得變形模量和承載力等參數(shù)設(shè)計的壩基防滲處理措施達到預(yù)期效果，石門水庫大壩填筑已于2017年完成封頂并開始蓄水，目前大壩滲流、變形等各項監(jiān)測指標正常，表明以旁壓試驗為主、其他原位測試和現(xiàn)場試驗為輔的方法確定的各指標參數(shù)是合理的。

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【責(zé)任編輯 張智民】

收稿日期：2019-07-03

基金項目：新疆兵團勘測設(shè)計院（集團）有限責(zé)任公司科研課題（XM20160085）

作者簡介：李新峰（1966—），男，河南魯山人，高級工程師，主要從事水利水電工程勘察與施工地質(zhì)工作

E-mail：415211049@qq.com