锡伯提水库：壮美风景之一

6.2.3.1 水库区地质概况

1.地形地貌

区域内两大地貌单元为古生代褶皱断块和新生代山间断陷盘地。根据地形形态结合形成的主要因素,区域内地貌类型划分为：褶皱断块山、黄土剥蚀丘陵、冰渍、冰水地貌、山前洪积倾斜平原、冲积平原。

锡伯提水库处在塔城盘地北部,山间断陷盘地,山前洪积倾斜平原上,标高500.00～1000.00m。整体地势北高南低,由北向南逐渐向盘地中央过渡,地形起伏变化明显。塔尔巴哈台山前的强倾斜平原,分布标高600.00～1000.00m,斯别特河出山口后有较明显下切,下切深达30m,两侧发育有两级阶地。

库区在地貌单元位于山前洪积倾斜平原上。水库区地面标高为960.00～1005.00m,地形大致北高南低。左右岸均为黄土岗地,右岸岸坡较陡,地面坡降5%～15%。左岸坡度较小,地面坡降3%～6%。库区地形平坦,河谷呈“U”形,沟谷深5～10m,宽15～25m。为黄土梁在后期冲沟切割作用下形成的小型簸箕状凹地,地面起伏,在973.00m高程处冲沟向上又分成2支。

库区分布大面积黄土,在大气降水作用下,植被稀少,地形坡度大,很容易产生面状坡流地质作用；区域性的上升作用,冲沟切割进一步加强,在库盘内的冲沟中又有新的冲沟形成,深切1m左右。

2.地质构造及地层岩性

(1)地质构造。库区地处塔城盘地北侧,塔尔巴哈台复背斜和扎依尔复向斜之间的塔城—额敏山间断陷上。塔城—额敏山间断陷是华力西硬性的地槽褶皱基底于第三纪晚期呈断块下陷为山间凹地,上第三系棕红色地层广泛不整合于古生界之上。凹陷内新构造断裂发育,这些断裂控制着盘地基底和地表地形以及第四系厚度。

区域性新构造运动主要表现为普遍性的断裂活动和垂直升降运动。北部山区为强烈上升的褶皱断块山,古老的深大断裂把褶皱岩系断割成若干条形断块。新构造运动则继承了这些老断裂,发生大幅度差异性断块错动,形成了层状的断块山地。与此伴生的侵蚀切割作用使出山口处形成基座阶地。斯别特河出山口处右岸的基座阶地高出河床70～80m。下降为主的山间断陷盘地晚第三纪以来基底断裂进一步发生错动,盘地进一步下陷,使古老基底接受了自晚第三纪以来的沉积物。盘地中心地面标高与山麓地带标高相差600m以上,显示出盘地下降幅度。由于盘地内各断块之间下陷幅度的差异,而导致盘地内第四系厚度的明显变化。受此控制影响区内发育的区域性断裂主要如下。

1)塔克台断裂。位于塔尔巴哈台山前,呈舒缓波状展布,大部分为与第四系的分界,长50km左右。从地形地貌上看,它是北部中低山区与南部低山丘陵至平原的自然界线,十分醒目,地形突变,可见到断层陡崖以及挤压破碎带,破碎带宽30～70m,破碎带内常有不规则石英脉充填,见有断层角砾岩和断层泥。绿泥石化,绢云母化,退色化均较发育,断层两侧地层产状相反,北侧地层产状为70°∠65°,而南侧地层产状为320°～350°∠65°～70°,断层倾向总体向北,其力学性质属压性结构面。断层两侧地层中小褶皱特别发育,地层产状很乱,断层附近岩石多已挤压破碎,沿断层线多为负地形,西部南高北低,东部北高南低,不同地貌单元以此为界。该断裂距水库约15km。该断裂在盘地区域内未发生过地震,因此该断裂对库坝区安全性影响较小。

2)巴尔鲁克断裂。位于巴尔鲁克山南侧,呈北东—南西向延伸,长约100km,属于压扭性岩石圈断裂,形成于华力西期,多次复活。其切割了中、上泥盘统及中石炭统,地貌上形成了明显的构造阶梯,1941年4月5日在裕民县断裂带上发生过5级地震。该断裂距锡伯提水库68km左右,离水库较远,其活动对库坝区安全性影响较小。

(2)地层岩性。区域内地层发育有古生界的泥盘系、石炭系、二叠系,新生界的第三系、第四系,其中缺失中生界。新生界第三系中、上新统多埋藏于盘地内。泥盘系多分布于乔拉克山、吉尔得卡拉山、乌日可下亦山、科朱尔山、巴尔雷克山。石炭系多分布于巴尔雷克山。区域地层由老到新分述如下。

1)古生界。

a.泥盘系—石灰系塔尔巴哈台组(D3＋C1)t1。广泛分布于塔尔巴哈台山区,本组岩性自下而上可细分为4个亚组。

第一亚组：分布于塔尔巴哈台山南麓,下部为暗灰色泥岩、粉砂质千枚岩,灰色石英长石砂岩及暗紫红色凝灰粉砂岩,安山玢岩,生物灰岩及白云岩透镜体。中部为黄褐色安山质凝灰岩,灰绿色石英砂岩,钙质粉砂岩,矽化灰岩和千枚岩。上部是灰色石英长石细砂岩与绢云母片岩互层,灰色千枚状泥质页岩,泥质灰岩夹矽质岩透镜体。

第二亚组：分布于塔尔巴哈台山的中山带及乌什水以南之卡因得山。岩性是绿色,黄褐色粉砂岩,粉砂质泥灰岩夹暗灰色岩屑、晶屑凝灰岩,凝灰砂岩夹凝灰砾岩透镜体。

第三亚组：呈窄带状分布于塔尔巴哈台山,岩性是暗灰色石英钠长斑岩,凝灰岩夹暗灰及灰绿色千枚岩,粉砂岩及薄层灰岩。

第四亚组：分布于乌日可下亦山北坡,岩性为深灰、灰绿色中性凝灰岩夹凝灰粉砂岩。

b.侵入杂岩。侵入杂岩形成于华力西中晚期,岩性是肉红色中、粗粒钾质或黑云母花岗岩,花岗闪长岩。

2)新生界。

a.第三系。在盘地边缘傍依山麓只零星出露,主要分布在盘地内部,伏于第四系之下,属内陆湖相堆积。岩性为一套棕色黏土岩。中新统(N1)为深棕色固结黏土,含石膏细脉及铁质斑点。上新统(N2)底部为薄层钙质胶结砾岩,上部是浅棕色或黄棕色厚层固结黏土,石膏含量显著减少,普遍含碳酸钙质,并有铁锰质斑点。

b.第四系。中下更新统冰水沉积层)：分布于塔尔巴哈台山山麓,岩性为漂砾、碎石、砂土组成。漂砾直径一般在0.2～1.0m,出露厚度5～20m。

上更新统洪积层)：呈环状分布于山前,宽度达10～30km。岩性由盘地边缘向中部变细。洪积平原中、上部是暗灰,灰黑色卵砾石层。砾石成分多为凝灰岩类和花岗岩等。地表多覆盖0.5～1.0m的含细粒土砾、细粒土砂,至前缘部位砾石尖灭,过渡为低液限黏土、低液限粉土。该层在工作区表现为洪积的含细粒土砾,厚度8～30m。

上更新统风积层：分布于塔尔巴哈台山山前地带,岩性为浅黄色低液限粉土,颗粒均匀,结构疏松,具大孔隙性和垂直节理。据资料分析：粉粒含量占46%,细砂粒含量占45%,黏粒含量占9%；厚度一般为5～15m。该层在测区广泛分布。

全新统冲洪积层)：分布于现代河道及冲沟底部,在河道内为卵砾石夹粗砂,在冲沟内一般为砾石、粗砂或砂土。

水库处地层主要为：覆盖于黄土层下的上更新统洪积的卵石、砾石和粗砂；沟谷两岸上更新统风积低液限粉土,除冲沟外厚度一般大于6m；沿冲沟分布有呈条带状全新统冲积的含砾石砂土。

3.水文地质条件

该区属寒温带半干旱半荒漠草原气候类型,冬季寒冷、夏季炎热,冬长夏短,气温年、月变化幅度很大,根据额敏气象台的资料可知：流域内多年平均降水量262.5mm,相对湿度冬季一般在70%～80%,夏季40%～60%,年平均为60%左右；极端最高气温39.7℃(1962年),极端最低气温-34.4℃(1961年),多年平均气温5.6℃,多年平均无霜期为133d,封冻期一般为10月到第二年3月,冻土深度1—3月最大、达1m,4月开始解冻。

锡伯提水库处在山前洪积倾斜平原上部,地形坡度大,地表水系靠山区泉水、春季融雪水及部分大气降水补给。水库上游系小斯别特河和斯别特河,小斯别特河年径流量为6350万m3,斯别特河年径流量为8360万m3。河流的动态类型为雪水型,即春季积雪融化,大量补给河水、形成春汛,河水溢出河床,泛滥于平原,大量补给地下水。地表为5～15m厚的覆盖土,下部为巨厚卵石层,地下水埋深大,据区域地质资料该区地下水埋深约84m。区域内地下水主要为北部山区深部基岩裂隙水和斯别特河水通过河床卵砾石层直接补给。水库底高出斯别特河床15m左右,大气降水稀少,渠系田间灌溉渗漏对附近地下水影响甚微。

6.2.3.2 地震动参数

库区地处塔城盆地北侧,塔尔巴哈台复背斜和扎依尔复向斜之间的塔城—额敏山间断陷上,在区域上具有影响的断裂为塔克台断裂和巴尔鲁克断裂。位于塔尔巴哈台山前的塔克台断裂距水库约15km,该断裂在盘地区域内未发生过地震,因此该断裂对库坝区安全性影响较小。位于巴尔鲁克山南侧的巴尔鲁克断裂距水库68km左右,离水库较远,其活动对库坝区安全性影响较小。

根据现有资料,在区内很少地震发生,本区有历史记载的地震在100km半径范围仅为1941年4月5日在裕民县断裂带上发生过5级地震,震中距水库约76km,没有6.5级以上地震记录,由于地震活动在时间和空间上一般具有继承性和重复性,因此工作区发生强震的可能性不大。

根据2001年版1:400万《中国地震动参数区划图》(GB18306—2001),该区地震峰值加速度为0.05g,场地反应谱特征周期为0.35g,相当于地震基本烈度Ⅵ度。

在水库附近范围没有发生断裂转折及交叉、非构造应力集中区。根据《中国区域地壳稳定性图》(1:500万),区域地壳稳定性为稳定区,库区地震基本烈度为Ⅵ度,因此水库区域稳定性较好,不会产生水库诱发地震。

6.2.3.3 坝址区工程地质条件

大坝建于1992年,坝型为均质土坝,由于坝基中低液限粉土厚度差异较大,最大厚度达12.23m,其下的砾石层厚度较大。水库修建时对坝基低液限粉土的湿陷性未进行彻底处理,坝基湿陷使坝体变形严重。

6.2.3.4 坝体填筑料质量评价

锡伯提水库坝体由低液限粉土组成,坝体土不同深度物理力学性质参数统计见表6.2-3和表6.2-4。

表6.2-3　各剖面坝体土力学性质参数统计表

表6.2-4　各剖面坝体土物理性质参数统计表

由物探资料知,0＋061～0＋205段,坝体波速主要在130～250m/s间,说明坝体质量较好。只在桩号0＋061～0＋110段2.5～7m深度,波速在50～130m/s之间,强度差,裂缝发育,其余坝体波速在130～250m/s之间,强度相对较好,裂缝不发育。0＋251～0＋275段和0＋317～0＋365段中的0＋251～0＋260段在5m左右、0＋340～0＋365段在5～7m深度,波速在50～130m/s之间,强度差,裂缝发育；其余坝体波速在130～250m/s之间,说明质量相对较好。0＋698～0＋840段代表低波速(50～150m/s)的红色和黄色主要分布在3～10m深度段,说明该坝段坝体裂缝发育,但坝体上部2.5～5m深度范围,颜色以蓝绿为主,波速在130～250m/s之间,坝体质量较好。0＋895～1＋040段,2～8m深度范围,红黄色的低速体呈蜂窝状不规则分布,说明该坝段坝体存在严重的质量问题,裂缝和软弱层相当发育；而且在0＋980桩附近,裂缝较深,可达到15m左右,其中上部2.5～5.0m范围,波速在130～250m/s之间,强度相对较好。1＋062～1＋085段,在原地面线以上,即坝体部分,颜色以蓝绿为主,波速在200～250m/s之间,说明坝体质量较好。

依据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50287—1999)附录D“岩土物理力学性质参数取值要求”,坝体0＋061～0＋110段2.5～7m、0＋251～0＋260段5m左右、0＋340～0＋365段5～7m、0＋698～0＋840段3～10m和0＋895～1＋040段2～8m的低液限粉土物理力学参数综合取值：天然密度(ρ)为2.04g/cm3,干密度(ρd)为1.74g/cm3,含水量(ω)为16.8%,孔隙比(e)为0.545,黏聚力(C)为21.45kPa,摩擦角(φ)为29°,压缩模量为9.14MPa,压缩系数为0.175MPa-1。其余坝体质量较好,较密实的低液限粉土物理力学参数综合取值：天然密度(ρ)为2.147g/cm3,干密度(ρd)为1.89g/cm3,含水率(ω)为13.5%,孔隙比(e)为0.479,比重(GS)为2.69,液限(wL)为24.7%,塑限(wP)为14.2%,塑性指数(IP)为10.6,黏聚力(C)为28.73kPa,摩擦角(φ)为31.1°,压缩模量为10.24MPa,压缩系数为0.2MPa-1,砂粒含量为19.6%,粉粒含量为66.7%,黏粒含量为13.7%。坝体土渗透系数为6.40×10-7～1.48×10-5cm/s,属极微透水性,坝体渗漏量很小,可不考虑。

从表6.2-3和表6.2-4分析可知,坝体填筑料的主要物理力学指标满足均质土坝填筑料质量技术要求,渗漏量很小。从物探资料看,坝体填筑质量较好。坝体填筑材料标准贯入试验坝体密实度为稍密～中密。总体说明坝体填筑质量较好。

6.2.3.5 坝基工程地质条件评价

1.坝基细粒土工程性质

水库坝基由低液限黏土和低液限粉土组成。低液限黏土在坝基处主要分布于右岸,随着地势的变化向沟谷处逐渐变薄。左岸只在0＋417处ZK8的15.96～23.40m揭露。低液限粉土在坝基处主要分布于左岸,右岸则呈透镜体存在于低液限黏土中,在0＋720处ZK5的20.20～28.30m、0＋841处ZK2的10.60～15.40m和0＋926处ZK1的9.60～15.00m深度有所揭露。

2.主坝东端及东副坝坝基土

主坝东端及东副坝坝基土主要是覆于含细粒土砾之上的低液限粉土,由0＋100处的ZK13和0＋174处的ZK6可以看出,细粒土在坝基处随着地面高程增加逐渐变厚。根据地层岩性,坝基细粒土分为以下2层。

(1)层低液限粉土。土黄色,含少量的钙质结核。天然密度1.63～2.01g/cm3,干密度1.47～1.83g/cm3；含水率7.8%～10.6%,稍湿；孔隙比0.48～0.74,中密～密实状态；压缩模量5.5～16.5MPa,压缩系数0.1～0.3MPa-1,属中等压缩性；黏聚力16.0～19.4kPa,摩擦角22.6°～29.5°；渗透系数1.8×10-6～3.0×10-5cm/s,属弱～微透水性。

(2)层低液限黏土。土黄色,可塑～硬塑状态,稍湿,天然密度1.94g/cm3,干密度1.71g/cm3,含水率13.6%,孔隙比0.84；压缩模量7.3MPa,压缩系数0.2MPa-1,属中等压缩性；黏聚力16.0kPa,摩擦角28.4°；渗透系数2.4×10-7cm/s,属极微透水性。在K0＋000～K0＋140段,974.30～973.50m高程处,标准贯入试验击数5～9击,承载力值140～180kPa,承载力建议值150kPa。在K0＋417～K0＋504段,967.90～966.70m高程处,标准贯入试验锤击数5～9击,承载力值140～180kPa,承载力建议值150kPa。

3.主坝0＋504～0＋720段坝基土(www.xing528.com)

该段坝基土是含细粒土砾,青灰色,湿,稍密状态；砾石含量占63.3%,砂含量占23.8%,粉粒含量占10.1%,黏粒含量占2.8%；重型动力触探试验锤击数22～27击,承载力值400～450kPa,承载力建议值400kPa。

4.主坝西端及西副坝坝基土

主坝西端及西副坝坝基土由低液限粉土、低液限黏土和含细粒土砾组成,且主要是以低液限粉土和含细粒土砾组成。根据地层岩性,坝基细粒土可分为以下2层。

(1)低液限粉土。土黄色,天然密度1.76～2.05g/cm3,干密度1.64～1.80g/cm3,含水率7.1%～14.1%,稍湿；孔隙比0.50～0.64,密实状态；压缩模量5.9～13.1MPa,压缩系数0.1～0.3MPa-1,属中等压缩性；黏聚力10.0～12.6kPa,摩擦角25.8°～27.8°；渗透系数2.7×10-6～8.2×10-7cm/s,属微～极微透水性。

(2)低液限黏土。土黄色,硬塑状态,天然密度1.96g/cm3,干密度1.68g/cm3,含水率16.7%,稍湿；孔隙比0.614,压缩模量10.1MPa,压缩系数0.2MPa-1,属中等压缩性；黏聚力17.0kPa,摩擦角26.6°,渗透系数6.0×10-6cm/s,属微透水性。

5.坝基渗漏评价

水库坝基由低液限黏土、低液限粉土和砾石组成。坝基0＋000～0＋516和0＋742～1＋200段为低液限黏土、低液限粉土和含细粒土砾组成的双层结构,其中,东副坝及主坝东端的0＋000～0＋504段和西副坝及主坝西端的0＋742～1＋200段,两段处低液限黏土和低液限粉土厚度大,其渗透系数为5.73×10-7～7.19×10-6cm/s,属极微透水性,可视为不透水层。砾石的渗透系数为5.93×10-3cm/s,属中等透水性。

6.坝基细粒土湿陷性评价

根据勘察试验资料综合分析,副坝坝基细粒土存在一定的湿陷性,且随着土层厚度的增大,湿陷程度逐渐增强。主坝东端及东副坝坝基细粒土经综合分析,在K0＋000～K0＋100段具中等湿陷性,湿陷系数参考取值为0.04；在K0＋100～K0＋504段具轻微湿陷性,湿陷系数参考取值为0.02。0＋000～0＋100段坝基湿陷性土总湿陷量是78.0cm,单位湿陷量是6.0cm/m,该段坝基属Ⅲ级湿陷性。0＋100.00～0＋504.00段坝基湿陷性土总湿陷量是12.0～23.0cm,湿陷量是3.0cm/m,该段坝基属Ⅰ级湿陷性。

主坝西端及西副坝坝基细粒土经综合分析,在K0＋720～K1＋100段具轻微～中等湿陷性,湿陷系数参考取值1.0～3.0m为0.031,3.0m以下为0.018。在K1＋100～K1＋200段具轻微湿陷性,湿陷系数参考取值为0.02。0＋720～1＋100段坝基湿陷性土总湿陷量是23.9～29.3cm,湿陷量是1.8～2.4cm/m；1＋100～1＋200段坝基湿陷性土总湿陷量是26.0cm,湿陷量是1.6cm/m；该2段坝基均属Ⅰ级湿陷性。

6.2.3.6 库区工程地质条件评价

1.库区细粒土的分布规律

为探明库区细粒土层厚度,库区共部署对称四级电测深剖面8条,以四横四纵构成测网,覆盖了全部库区(死库容面积除外)。其中剖面间距70～400m,剖面长度400～1000m不等,测点点距为50～100m。库区细粒土层的分布规律见《锡伯提水库工程地质图》。等值线随库区地形的变化而呈现出规律性的变化,一般在低地势的沟内,等值线的值较低,多在0～8m间,对应覆盖土层的厚度较薄,最薄处不到1m,例如在主坝0＋460～0＋570段；而在地形变化微弱、地势平坦的库外平原之上,等值线的值却相对较高在20m以上,对应土层的厚度较大,厚度最大处近30m,例如在西副坝1＋200以北的麦田处；除此以外的其他地带则随着地形由高向低的变化,土层的厚度逐渐变薄,例如由东副坝向西,土层的厚度由20m逐渐降低至2m左右。

综上所述,库区细粒土层整体上覆于第四纪冲积、洪积含细粒土砾和卵石混合土层之上,在地表水流的侵蚀与搬运等外力地质营力长期、持续作用下,具有大空隙和垂直节理等物理性质的细粒土产生了以地表水系为中心的宽大沟壑,中心带已侵蚀至卵砾石层,细粒土层厚度近于零。由中心带向两侧土层的厚度随地形的变化而变化,最大至30m。并且细粒土层在测区平原的厚度由北向南渐薄。最大厚度分布于库区北部,其次为东、西副坝以外；厚度最小处分布于沟壑内及沟壑近处,且以东部面积最大。

2.库区覆盖层物理力学性质

库区覆盖层由低液限粉土、低液限黏土和含细粒土砾组成,依据《水利水电工程地质 勘察规范》(GB50287—1999)附录D“岩土物理力学性质参数取值要求”,库盘内不同深度低液限粉土和低液限黏土砾物理力学性质参数见统计表6.2-5和表6.2-6。

表6.2-5　库盘内不同深度岩性物理性质参数统计表

表6.2-6　库盘内不同深度岩性力学性质参数统计表

3.库盘细粒土湿陷性

根据本次勘察,库盘细粒土的湿陷性在分布和深度上存在不同程度的差异。库盘内湿陷性土分布于980.00m高程以上分布区。依据本次试验资料湿陷性土具体分布如下。

(1)上游两冲沟之间的三角地上分布的黄土均为湿陷性土,其湿陷程度规律是向上游湿陷程度逐渐增强,随着深度的增大湿陷程度逐渐增强。其中,0～4.0m湿陷系数是0.016～0.022,属轻微湿陷性土；4.0～5.5m湿陷系数是0.032,属中等湿陷性土；5.5～7.0m湿陷系数是0.037,属中等湿陷性土；7.0m以下湿陷系数是0.074,属强烈湿陷性土。

(2)库盘上游两冲沟之间的三角地上分布的湿陷性土,在小于2.0m分布区总湿陷量是6.6cm,大于8.0m分布区总湿陷量是27.5～42.3cm,属Ⅱ级湿陷性；4.0～6.0m厚度分布区总湿陷量是11.4～21.9cm,属Ⅰ级湿陷性。

(3)库盘左岸湿陷性黄土分布于980.00m高程以上,其湿陷程度规律是随着地势的升高湿陷程度逐渐增强,在980.00～990.00m高程间分布区,0～2.0m湿陷系数是0.026,属轻微湿陷性土；2.0～4.0m湿陷系数是0.030,属中等湿陷性土；4.0～6.5m湿陷系数是0.032,属中等湿陷性土；6.5m以下湿陷系数为0.001～0.002,小于0.015,属非湿陷性土。990.00m高程以上分布区,湿陷系数是0.097～0.107,属强烈湿陷性土。

(4)库盘左岸分布的湿陷性土,在980.00～990.00m高程间分布区,在4.0～6.0m的厚度处总湿陷量是16.8～23.2cm,属Ⅱ级湿陷性；厚度大于6.0m的土总湿陷量是24.0cm,属Ⅰ级湿陷性。990.00m高程以上分布区,为厚度大于14.0m的湿陷性土,总湿陷量是125.0～156.0cm,属Ⅲ级湿陷性。

(5)库盘右岸湿陷性土分布于980.00m高程以上分布区,其湿陷程度规律是随着地势的升高湿陷程度逐渐增强,在980.00～985.00m高程间分布区,0～2.0m湿陷系数是0.006,属非湿陷性土；2.0～5.0m湿陷系数是0.053,属中等湿陷性土；5.0m以下湿陷系数为0.002～0.011,小于0.015,属非湿陷性土。985.00m高程以上湿陷系数是0.018～0.031,属轻微～中等湿陷性土。

(6)库盘右岸分布的湿陷性土,在980.00～985.00m高程间分布区,总湿陷量是23.9cm,属Ⅰ级湿陷性。990.00m高程以上分布区,为厚度大于18.0m的湿陷性土,总湿陷量是33.6～41.7cm,属Ⅱ级湿陷性。

4.库盘细粒土的渗透性

根据勘察,库盘细粒土渗透系数是6.65×10-6～4.28×10-4cm/s,属中等～微透水性。库盘内呈带状分布的含细粒土砾的渗透系数为1.56×10-3～5.14×10-3cm/s,属中等透水性；具体情况如下。

(1)上游两冲沟之间的三角地上分布的细粒土,表层渗透系数是4.18×10-4～4.28×10-4cm/s,属中等透水性。

(2)库盘左岸分布的细粒土,表层渗透系数是1.38×10-5～4.94×10-5cm/s,属弱透水性。5m以下深层渗透系数是1.06×10-5cm/s,属弱透水性。

(3)库盘右岸975.00～985.00m高程间分布的细粒土,表层渗透系数是6.65×10-6cm/s,属微透水性。985.00m高程以上分布的细粒土,表层渗透系数是1.40×10-4cm/s,属中等透水性。5m以下深层渗透系数是2.56×10-5cm/s,属弱透水性。

6.2.3.7 坝基沉陷、库盘渗漏原因分析

1.坝基沉陷原因分析

东、西副坝及与副坝衔接处的部分主坝段坝基,为5～15m厚的非自重湿陷性黄土,土质以粉粒为主,其次是砂粒,属轻质壤土或轻粉质砂壤土,天然容重1.5～1.6g/cm3,含水量7%～10%,具有大孔隙结构,较松散。天然状态抗剪强度指标,黏聚力C＝20.4kPa,摩擦角φ＝29.75°；饱和快剪C＝0.1kPa,摩擦角φ＝25°。原设计对坝基下非自重湿陷性黄土的处理方案为：“打埂成畦并泡水2～5次”。

黄土成分在不同地区,不同时代其颗粒组成十分近似,均具有较高的粉砂粒；其矿物成分,特别是重矿物,在不同地区,不同地貌位置上,其种类及含量也基本相同,但具有明显的各向异性。在水平方向上,自北而南,自西向东,粗粉砂及细砂颗粒逐渐减少,黏粒含量逐渐增多。在垂直的方向上,自上而下黏粒逐渐增多,即地质时代越早,黏粒含量越多。

由于黄土形成期所处环境气候干燥,从颗粒的方向性来看,系由风的搬运沉积而成。但黄土中往往夹有碎屑或中细砂层,并有贝壳之类存在,说明在黄土形成过程中,有原生基岩或上游河床的砂砾石由于洪水的搬运沉积而形成各种与母岩或上游河床颗粒有直接联系的夹层。因此可以说黄土是由风积-洪积-冲积交替进行所形成的。

风积和洪积的松散粉砂土,在雨水淋滤的作用下凝结起来。由于蒸发的作用,土中水分又很快减少,在毛细管作用下,含有较高浓度盐分的水溶液,将大部分细小颗粒牵集到砂-粉粒接触点附近,因而使得黄土形成了以砂-粉粒为骨架,以黏土矿物及上述物质为充填材料的非常疏松而又相当结实的土层,这样黄土结构的雏形便初步形成。

当水分继续蒸发,盐溶液浓度继续增加,促进了胶体物质的固化和盐分的浓缩和结晶,但这种固化过程往往是可逆的,当雨水的多次淋滤及蒸发,带有二氧化碳的碳酸溶解、干燥、蒸发又促使溶液浓度加大固结,进一步加强了接点的强度,形成了强度较大的固化黏聚力。黄土结构便是由许多这样的集成体共同组成。

由于黄土是由砂-粉粒为骨架的架空结构,较大颗粒“浮”在这个架空结构中,细粉粒、黏粒及胶体附在砂-粉粒表面,特别是集中在大颗粒的接触处,因而黄土的结构就决定它是低容重、大孔隙的天然结构,加上降雨的不断淋滤,使黄土逐渐形成许多垂直的孔隙。

典型黄土特性是低含水量、高孔隙率和碳酸盐高的粉质壤土,有雨水崩解的特性,塑性指数在9～12之间,土粒中以粉粒含量最多,占全部重量的45%～60%,细粉粒含量次之,占全部重量的20%～40%,黏粒含量占10%～16%。

黄土的天然含水量一般在8%～15%之间,通常情况下,它随黄土中的黏粒含量增多而增高。

当黄土的含水量增高时,由于土中盐分的溶解与软化,减少了对土粒的胶结力。另外由于胶结土粒的盐膜并不是完全连续的,水分由盐膜裂纹楔入,细颗粒发挥了吸水膨胀性而摆脱了胶结它的盐膜,这样脆性键就部分遭到了破坏。同时黏性键也就转化为较不稳定状态,一部分黏粒间的接触,转化为点接触形式,因而导致黄土结构的变弱和强度的降低。

饱和黄土承受上部垂直荷重时,会增加附加沉陷量。饱和黄土在承受来自上部垂直荷重时,土层中产生的水平方向应力向四周传递,迫使基础周围受水浸泡后失去或减弱固化凝聚力的黄土受到侧向的挤压,而增加了附加沉陷量。由于土坝基础面积大,而上部填土荷载又不均匀。坝的中心部位,较之两侧的填土高程为大,坝顶中线的荷载也较之两坝坡高,因此中心部位的垂直荷载促使坝基黄土向两侧挤压,而产生附加沉陷量,这个附加沉陷量是较大的。

根据黄土的结构特点,坝基土在水库蓄水后,发生湿陷变形,随着库水位的升高,湿陷变形也会增加。

2.库盘渗漏原因分析

锡伯提水库库盘内主要是沟底及左岸的卵砾石层及两岸大面积的黄土,黄土下也是深厚的卵砾石层。卵砾石层为中等透水性,厚度大(5～20m)、地下水位较深。库盘内低液限粉土及低液限黏土5.0m以上湿陷系数为0.02～0.05,为中等湿陷性土。

库盘原设计为防止和减小库区和坝基渗漏,延长渗径,降低逸出坡降,采用了塑膜铺盖防渗。

由于库盘低液限粉土及低液限黏土的非自重湿陷性,原施工时未对库盘土采取有效的处理措施,水库蓄水后,库盘土发生湿陷变形,形成裂缝和漏斗；另外原铺盖为聚氯乙烯薄膜,其抗裂性能及抗老化性都无法达到要求,当聚氯乙烯薄膜铺盖下形成裂缝及漏斗发生负压后,薄膜会被拉裂,加重库盘土的沉陷,形成恶性循环,以至发生管涌破坏,形成渗漏通道。

3.坝体裂缝原因分析

从表6.2-3和表6.2-4可知,坝体填筑料的主要物理力学指标满足均质土坝填筑料质量技术要求,渗漏量很小。从物探资料看,坝体填筑质量较好,坝体填筑材料标准贯入试验坝体密实度为稍密～中密。总体说明坝体填筑质量较好。

由于坝基土的湿陷性,水库蓄水后,坝基发生湿陷沉陷,造成坝体的不均匀垂直变位,而产生了大量的纵缝及横缝；加上雨水的冲刷和浸泡,形成空穴。当然,大坝的个别区域,也可能有碾压不实现象的存在。库区铺盖的失效,也减短了阻水层下的水流渗径,增加了发生接触破坏的可能。