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新疆准东供水工程地质条件分析评价
2020-04-17 19:30
摘要:新疆准东供水工程属长距离输水工程,本水利工程论文以该工程阜康段的勘察成果为依据,对工程所属的区域地质概况进行评述,对工程基础地质条件(包括基本地质条件、岩土物理力学性质、地基土的地震液化、冻胀性、腐蚀性、基础承载力及开挖边坡建议值)进行评价,对不良地质条件提出处理建议,以期为阜康地区相关类似工程提供经验依据。
关键词:区域地质概况;工程地质条件;管线基础
Abstract: Zhundong water supply project in Xinjiang is a long-distance water supply project. Based on the investigation results of Fukang section of the project, this paper comments on the regional geological conditions of the project, including basic geological conditions, physical and mechanical properties of rock and soil, earthquake liquefaction, frost heaving, corrosiveness, foundation bearing capacity and recommended value of excavation slope In order to provide experience basis for similar projects in Fukang area, some suggestions are put forward.
Key words: regional geological overview; engineering geological conditions; pipeline foundation
1.工程概况
新疆准东供水工程是为解决准东煤电煤化工基地生产、生活用水的长距离输水工程。工程分两步建设,一步供水1亿m3,二步增加供水1亿m3,一步工程已完成供水线路的施工,二步工程现已进入可行性研究阶段,预计年底开工建设。具体方案为以阜康境内某水库为水源地,通过压力管道输送至吉木萨尔五彩湾和奇台将军庙一线的煤电化工工业园区,供水线路全长约218km,工程规模为大(2)型Ⅱ等工程,建筑物级别:输水管线、首级联合泵站、2级泵站、事故备用水池为2级建筑物,闸阀房等附属建筑物为3级建筑物,其他工程为4级建筑物。沿线主要建筑物有:3级泵站、3座事故备用水池、压力输水管线及配套的防护设施等。其中阜康段供水管线全长约61km,本文主要对该段供水管线进行工程地质条件分析评价。
2.区域地质概况[1]
(1)工程区位于天山北坡冲洪积扇中下部,总地势南高北低,地形较平坦开阔,高程495~508m,宽浅冲沟较为发育,多为半荒漠区、农田耕植区,一般地段地下水位埋藏较浅,矿化度高。工程区以北为古尔班通古特风成沙漠区,海拔高程538~568m,总地势由北西向南东变低,地形起伏不平,由高低不等的网状沙垄、梁窝状沙垄和北西向沙垄及沙丘组成,一般高差5~15m,个别达30m,为固定、半固定状态,仅在沙垄顶部存在一些宽度不大、厚度不等的流动沙层。
(2)沿线通过的地层主要为第四系地层,岩性一般为上更新统-全新统冲洪积(Q3-4alp)低液限粉土、低液限粘土、粉土质砂、含细粒土砂。
(3)工程区主要位于天山北缘推覆构造带以北,发育的区域性断裂主要为准噶尔南缘断裂。准噶尔南缘断裂呈近EW向延伸,属压扭性,在天山以北山前各冲沟、河流出山口附近通过,断裂在地貌上为盆地与山区丘陵的分界线,构造上为推覆构造带与挤压坳陷区分界断裂。它西起甘泉堡以西,东到吉木萨尔,全长约160km,为逆冲式断裂。据石油勘探资料,上部断面倾角较陡,约40°~50°,个别达60°~80°,下部变缓约20°~30°,向南倾斜。断裂东段在甘河子~四工河一带可见侏罗系地层压在上更新统砾石层上,为区域性活动断裂。根据GB18306-2015(1/400万)《中国地震动参数区划图》划分可知,该段供水管线所在区域地震动峰值加速度为0.10~0.15g,对应的地震基本烈度为Ⅶ度。
(4)工程区位于天山山前冲洪积扇上,其水文地质条件可分为三部分:①冲洪积扇顶部,为单一大厚度的潜水含水层,透水性好,单位涌水量8~10L/s·m,水位埋深>30m,水化学类型属CL-—HCO3-—Ca2+—Na+型水,矿化度<1g/L。②冲洪积扇中部潜水溢出带,潜水和承压水具双层结构,潜水水质差,埋深一般1.1~5.4m。下部有1~2层承压含水层,富水性好,承压水头埋深较浅,水质良好,已建许多水源地。③冲洪积扇下部至沙漠边缘,含水层多且薄,但顶部为风积沙覆盖,含水层颗粒较细,为潜水—承压水含水层,埋深200m深度内,可见2~5层承压含水层,渗透系数k=6~8m/d。据调查,该区潜水位埋深15~20m,水化学类型SO42-—HCO3-—Ca2+—Na+型水,矿化度1~2g/L,下部承压含水层,水量中等,水质良好。
3.工程基本地质条件[2]
(1)地形地貌
供水管线全长61.073km(桩号0+000~61+073),主要位于天山北缘冲洪积扇下部细土平原区,地势由南东向北西倾斜,地形平坦开阔,地面高程497~513m,管线总体走向近东西向,先后穿越水磨河冲洪积扇与甘河子河冲洪积扇中下部地带。管线前段主要为农田区,后段主要为戈壁荒漠区。管道沿线主要发育大小冲沟约18条,沟底宽一般1.5~30m,沟深0.5~5m。
(2)地层岩性
管线基础主要分布地层岩性为第四系上更新统-全新统冲洪积(Q3-4alp):低液限粉土、低液限粘土、粉土质砂,厚度大于60m。
(3)地质构造
该段桩号0+000~24+956段,位于天山北缘推覆构造带北界(阜康断裂)以北9km、或大于9km,地震动峰值加速度为0.15g,地震烈度为Ⅶ度;桩号24+956~61+073段距离阜康断裂较远,地震动峰值加速度为0.10g,地震烈度为Ⅶ度。管线沿线未发现有区域性活动断裂通过。
(4)水文地质条件
工程区主要位于天山北缘冲洪积扇中下部细土平原区,地下水主要赋存于第四系冲洪积堆积物孔隙中,工程区内地下水补给在水平方向上,主要来自山前冲洪积扇中的第四系孔隙潜水,以潜流的形式进入工程,补给区内冲洪积层中的地下水;在垂直方向上,主要来自沿线各冲沟内地表水渗漏及农灌引水渠系水的渗漏和田间灌溉水的入渗补给。径流方向由北向南,由高处向低处径流。排泄方式主要以地下水蒸发,植被蒸腾及侧向径流流出排泄为主。由水质分析成果看:管道沿线地下水中HCO3含量为2.4~16.1mmol/L,大于1.07mmol/L,不存在溶出型HCO3的腐蚀;pH值为7.55~8.06,大于6.5,无一般酸性型腐蚀;CO2含量0 mg/L,无碳酸型腐蚀;Mg2+含量为90.4~301.3mg/L,小于1000mg/L,不存在硫酸镁型腐蚀;SO42-含量为1218.0~2267.0mg/L,大于500mg/L,对混凝土具有强腐蚀性,CL含量为295.1~1423.8 mg/L,大于500mg/L,对混凝土中的钢筋具有弱~中等腐蚀,pH为7.55~8.06,Cl+SO42-含量为1513.1~3599.6mg/L,对钢结构具有中等腐蚀。
4.工程地质主要特性及评价
(1)岩土体物理力学性质
工程区内地层较单一,管基基础土层岩性以低液限粉土为主,其次为低液限粘土。低液限粉土:埋深0.5~6.1m,未揭穿,土黄色,结构松散~中密。据颗分资料:粒径>0.075mm占5.88%,0.005~0.075mm占78.6%,<0.005mm(粘粒)占15.6%,不均匀系数Cu=23.7,曲率系数Cc=3.8,比重2.68,液限25.3%,塑限16.3%;据试验资料:干密度ρd=1.42g/cm3,天然含水率ω=10.0%,压缩系数(饱和)a1-3=0.385MPa-1,压缩模量(饱和)Es=6.22MPa,为中等压缩性土,渗透系数1.5×10-4cm/s,属中等透水层。低液限粘土:埋深0.5~5.5m,未揭穿,土黄色,结构松散~中密。据颗分资料:粒径>0.075mm占3.7%,0.005~0.075mm占60.8%,<0.005mm(粘粒)占35.5%,不均匀系数Cu=23.4,曲率系数Cc=0.8,比重2.68,液限30.2%,塑限16.6%;据试验资料:干密度ρd=1.30g/cm3,天然含水率ω=11.4%,压缩系数(饱和)a1-3=0.636MPa-1,压缩模量(饱和)Es=3.36MPa,为高压缩性土,渗透系数2.9×10-5cm/s , 属弱透水层。
(2)地基土地震液化评价
管线基础地层岩性主要为低液限粉土、粘土,厚度较大,根据试验颗分资料可知低液限粉土粒径小于0.005mm的颗粒含量为4.5~22.8%,低液限粘土粒径小于0.005mm的颗粒含量为30.0~45.0%。该段在管线桩号0+000~0+996、4+576~4+775、7+777~8+830、21+749~22+561、27+435~28+519等段,长度4.144km,地下水位埋深较浅,一般为3.7~5.8m,设计挖深一般为4~6m,基础位于地下水位以下;桩号0+996~4+576、4+775~7+777、8+830~21+749、22+561~27+435、28+519~61+073等段,长度56.893km,地下水位埋深较深,一般大于6m,设计挖深4~6m,基础位于地下水位以上。
因此根据规范和勘察资料判定:桩号0+000~4+755段基础地下水位埋深较浅,小于0.005mm的粘粒含量偏低为13.7~16%,由于该段地震动峰值加速度为0.15g,按规范要求小于0.005mm的颗粒含量不小于17%,因此不能满足规范要求,所以初步判定该段可能发生地震液化,其余段管道基础不会发生地震液化。建议对0+000~4+755段基础换填砂砾石料,换填厚度1~2m。
(3)地基土冻胀性评价
管线基础土层低液限粉土天然含水率2.1~18.9%,低液限粘土天然含水率4.5~22.6%,地下水位埋深一般大于6m,管线桩号0+000~0+996、4+576~4+775、7+777~8+830、21+749~22+561、27+435~28+519等段,地下水位埋深较浅,一般为3.7~5.8m,冻土层厚度约1.5~2.0m,根据《冻土工程地质勘察规范》GB50324-2014中表3.2.1季节冻土与季节融化层土的冻胀性分级可知,冻胀等级为Ⅰ~Ⅱ级,冻胀类别为不冻胀~弱冻胀。
(4)地基土腐蚀性评价
工程属于温带大陆性气候,为干旱和半干旱区域,综合判定场地环境类别为Ⅱ类。管道桩号0+000~33+000段0~3m范围内的土层一般对混凝土具有中等~强腐蚀性,局部为弱腐蚀,对钢筋混凝土中钢筋具有中等腐蚀性,对钢结构具有强腐蚀性,3m以下的土层对混凝土具有微~弱腐蚀性,局部为中等~强腐蚀性;对钢筋混凝土中钢筋具有微~中等腐蚀性,对钢结构具有微腐蚀性。桩号33+000~61+073段管线基础土体对混凝土具有微~弱腐蚀性,局部为中等~强腐蚀性,对钢筋混凝土中钢筋具有微~中等腐蚀性,对钢结构具有微腐蚀性。基础土体的视电阻率为1.13~25.00Ωm,氧化还原电位592.8~663.3mV,对钢结构具有中等~强腐蚀性。综上所述,供水管线基础土体对混凝土、混凝土中钢筋及钢结构均存在不同程度的腐蚀性,建议采取防腐措施。
(5)管线基础承载力及开挖边坡建议值
管线基础土体承载力建议值为100~160kPa,局部欠固结段土层为46~50kPa。管道开挖深度一般4~6m,建议管沟临时开挖边坡1∶1.0~1∶1.5,挖、填方永久边坡1∶1.5~1∶1.75,水下临时开挖边坡1∶2.0,欠固结土层段临时开挖边坡1∶2.5~1∶3.0。
5.结论
新疆准东供水工程阜康段供水管线主要位于天山北缘冲洪积扇下部细土平原区,沿线基础地层岩性为第四系上更新统-全新统冲洪积(Q3-4alp)低液限粉土、低液限粘土、粉土质砂、含细粒土砂。该段地下水位埋深一般大于5m,局部地下水位埋藏较浅在3.7~4.2m,地下水和基础土体对混凝土、混凝土中钢筋及钢结构均存在不同程度的腐蚀性,需采取防腐措施。管线基础土层冻胀等级为Ⅰ~Ⅱ级,冻胀类别为不冻胀~弱冻胀,初步判定管线桩号0+000~4+755段基础土体可能发生地震液化,其余段管道基础不会发生地震液化,建议对0+000~4+755段基础进行换填砂砾石处理,换填厚度1~2m。基础土体承载力建议值为100~160kPa,局部欠固结段土层为46~50kPa。建议管沟临时开挖边坡1∶1.0~1∶1.5,挖、填方永久边坡1∶1.5~1∶1.75,水下临时开挖边坡1∶2.0,欠固结土层段临时开挖边坡1∶2.5~1∶3.0。关于阜康地区岩土腐蚀性、冻胀、高地下水、地基承载力及开挖边坡建议值等不良地质问题在本工程周边的水利工程中也普遍存在,如余勇[3]等在《平原明渠盐胀、冻胀及高地下水位侵蚀问题的研究及解决办法》中也进行了论述,并提出了相应的解决办法。李红燕[4]等在《平原明渠渠基高含水欠固结土层处理》中对一般岩土基础承载力,欠固结土基础承载力及相应的开挖边坡等都做了论述,和本文结论基本一致,为本文提供了坚实的技术支持。
参考文献:
[1] 周玉兰. 南据马河渠道倒虹吸工程地质勘察及地质条件评价[J]. 河北水利水电技术,2000(3):55-56.
[2] GB50487-2008 水利水电工程质勘察规范[S]
[3] 余勇 李红娜 范晏刚. 平原明渠盐胀、冻胀及高地下水位侵蚀问题的研究及解决办法[J].水利建设与管理,2007(11):79-82+60.
[4] 李红燕 聂晓东. 平原明渠渠基高含水欠固结土层处理[J].水利建设与管理,2006(6):38-40.