隴東地區(qū)濕陷性黃土工程地質(zhì)特性研究
——以白龍江引水工程為例

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

白龍江引水工程擬從甘肅境內(nèi)嘉陵江支流白龍江引水至涇、渭河流域，途經(jīng)黃河、長江流域，穿越秦嶺、六盤山分水屏障，主要解決隴東地區(qū)城鄉(xiāng)生產(chǎn)生活用水困難，規(guī)劃引水線路總長四百多公里，屬于長距離跨流域調(diào)水工程。

引水線路自六盤山隧洞出口至終點(diǎn)通過隴東低中山、低山區(qū)，為我國典型的黃土地貌發(fā)育區(qū)，不同時(shí)代、不同成因的黃土廣布于黃土丘陵殘塬、塬臺(tái)粱峁地帶和河谷階地區(qū)，與工程關(guān)系密切且具有濕陷性的黃土主要有中更新統(tǒng)(Q2)離石黃土及上更新統(tǒng)風(fēng)積(Q32)馬蘭黃土，大部分倒虹吸、箱涵建筑物以濕陷性黃土為地基，對(duì)濕陷性黃土的工程地質(zhì)特性進(jìn)行研究，對(duì)工程的順利實(shí)施具有重要的意義。

1 隴東地區(qū)濕陷性黃土的分布

隴東地區(qū)在黃土沉積后，侵蝕切割較強(qiáng)烈，從而形成深切溝谷與連綿起伏的梁峁和平坦塬臺(tái)相間的地形特征，地貌形態(tài)較為單一，按其形態(tài)可劃分為黃土丘陵殘塬區(qū)、河谷階地區(qū)和黃土塬臺(tái)、梁峁區(qū)等次一級(jí)地貌單元。

隴東地區(qū)主要發(fā)育有第四紀(jì)下更新統(tǒng)三門組(Q1s)石質(zhì)黃土、中更新統(tǒng)離石組(Q2l)離石黃土和上更新統(tǒng)馬蘭組(Q3m)風(fēng)積馬蘭黃土。其中Q2離石黃土表層和Q3風(fēng)積馬蘭黃土具濕陷性。

離石黃土(Q2)：構(gòu)成黃土塬或黃土丘陵基體中上部及分水嶺頂部。在塬邊陡坎、梁峁上部、沖溝、河谷岸坡均有出露，塬臺(tái)面多為馬蘭黃土覆蓋，出露很少。在梁峁區(qū)厚50～100 m，在塬臺(tái)地區(qū)厚度約100 m。

馬蘭黃土(Q32)：覆蓋于區(qū)內(nèi)丘陵、塬臺(tái)、梁、峁之上，為工程區(qū)分布范圍最廣的濕陷性黃土，厚度變化較大，沿線路由西向東變薄，在涇河右岸較厚，一般厚18～25 m，涇河左岸草峰塬至平泉塬一帶厚15～20 m，洪河左岸郭家塬至西峰董志塬一帶厚10～15 m，局部梁峁地帶厚度小于10 m。其下部多為中更新統(tǒng)(Q2)離石黃土，在河(溝)谷及Ⅲ級(jí)階地上直接覆蓋在上更新統(tǒng)(Q31)黃土狀土之上，局部直接覆蓋于下更新統(tǒng)(Q1)石質(zhì)黃土或基巖上。

2 濕陷性黃土的工程地質(zhì)特性

與工程關(guān)系密切的濕陷性黃土為上更新統(tǒng)風(fēng)積(Q32)馬蘭黃土，中更新統(tǒng)(Q2)離石黃土僅其上部數(shù)米有輕微濕陷性。現(xiàn)將相同成因時(shí)代的濕陷性黃土作為一個(gè)地質(zhì)單元，對(duì)191組Q2離石黃土土樣，232組Q32馬蘭黃土土樣物理力學(xué)指標(biāo)分別進(jìn)行了分析統(tǒng)計(jì)。

2.1 土的物理力學(xué)性質(zhì)

2.1.1 離石黃土(Q2)

(1)物理性質(zhì)：液限27.4%～36.9%，塑限14.4%～22.5%，塑性指數(shù)9.3～17.4，液性指數(shù)-0.88～0.33，均值-0.3，多處于堅(jiān)硬～硬塑狀，局部為可塑狀；含水率9.1%～24.7%，平均值15.4%，稍濕；濕密度1.49～1.97 g/cm3，平均值1.65 g/cm3，干密度1.32～1.64 g/cm3，平均值1.43 g/cm3，飽和度27.2%～75.4%，孔隙比0.595～1.043，平均值0.90。

(2)力學(xué)性質(zhì)：天然狀態(tài)下壓縮系數(shù)0.064～0.728 MPa-1，平均值0.182 MPa-1，為中～低壓縮性土；濕陷變形系數(shù)0.001～0.028，自重濕陷系數(shù)0～0.037，總體上為非濕陷性土，局部頂部3～6 m具輕微濕陷性。原狀抗剪強(qiáng)度：c=22.2～88.0 kPa，Φ=17.2°～26.2°；飽和狀態(tài)下抗剪強(qiáng)度：c=3.7～26.1 kPa，Φ=9.4°～19.4°；飽水后強(qiáng)度降低明顯，其凝聚力降低一倍以上，內(nèi)摩擦角降低40%～50%?？傮w看來，離石黃土壓縮性低且無濕陷性或局部具輕微濕陷性，工程地質(zhì)性質(zhì)較好。

2.1.2 馬蘭黃土(Q32)

(1)物理性質(zhì)：液限29.1%～38.2%，平均值32.4%，塑限15.2%～22.8%，平均值19.1%，塑性指數(shù)8.9～18.0，平均值13.4，液性指數(shù)-0.92～0.69，均值-0.19，多處于堅(jiān)硬～硬塑狀，局部為可塑狀；含水率8.1%～28.2%，平均值16.6%；濕密度1.33～1.93 g/cm3，平均值1.52 g/cm3，干密度1.19～1.64 g/cm3，平均值1.31 g/cm3，飽和度20.0%～80.1%，孔隙比0.656～1.270，平均值1.08。

(2)力學(xué)性質(zhì)：天然狀態(tài)下壓縮系數(shù)0.105～1.986 MPa-1，平均值0.678 MPa-1，為中～高壓縮性土；濕陷變形系數(shù)0.014～0.12，自重濕陷系數(shù)0.002～0.1，濕陷起始?jí)毫?3.7～289.2 kPa，平均值96.5 kPa，總體上為中～強(qiáng)濕陷性土，局部底部為輕微～非濕陷性土，濕陷性隨深度總體逐步減小，濕陷起始?jí)毫﹄S深度增大趨勢(shì)較明顯。原狀抗剪強(qiáng)度：c=10.1～72.2 kPa，平均值40.5 kPa，Φ=18.0°～26.5°，平均值22.2°；飽和狀態(tài)下抗剪強(qiáng)度：c=1.6～33.4 kPa，平均值11.9 kPa，Φ=9.0°～14.5°，平均值11.7°；飽水后強(qiáng)度降低明顯，其凝聚力大幅降低，內(nèi)摩擦角降低約一半?？傮w上看，馬蘭黃土具有中～強(qiáng)濕陷性、屬中～高壓縮性土，工程地質(zhì)性質(zhì)不良。

2.2 濕陷特性

黃土的濕陷性十分復(fù)雜，與土的生成時(shí)代、成因類型、土體結(jié)構(gòu)、干密度、孔隙比及附加荷載等有著十分密切的關(guān)系。由于與白龍江引水工程關(guān)系最密切的濕陷性黃土為第四系上更新統(tǒng)馬蘭黃土，因此以該種土的濕陷性為研究對(duì)象，分析總結(jié)其一般規(guī)律。

2.2.1 濕陷性及一般規(guī)律

經(jīng)對(duì)輸水線路232組馬蘭黃土(Q32)試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)分析，黃土濕陷性與土層深度、干密度及附加荷載有著十分密切的關(guān)系。選取線路通過的草峰塬、交口河左岸梁峁以及董志塬等3個(gè)典型場(chǎng)地的豎井試驗(yàn)成果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其中草峰塬、董志塬豎井位于典型的黃土塬區(qū)，馬蘭黃土厚度一般在10～15 m，其下為Q2離石黃土。交口河左岸豎井位于黃土梁峁，梁峁區(qū)上部馬蘭黃土厚一般8～13 m，下部為Q2離石黃土。見典型豎井深度與濕陷系數(shù)、自重濕陷系數(shù)表(表1)，據(jù)試驗(yàn)成果分析黃土濕陷性隨各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)的變化規(guī)律，歸納如下。

表1 典型豎井深度與濕陷系數(shù)、自重濕陷系數(shù)表

(1)黃土的濕陷性隨深度的變化規(guī)律：草峰塬豎井上部Q32馬蘭黃土厚12 m，下部為Q2離石黃土，從試驗(yàn)成果可以看出，馬蘭黃土在10 m之上具有中～強(qiáng)濕陷性，10～12 m為輕微濕陷性；離石黃土為非濕陷性土。交口河左岸梁峁豎井上部馬蘭黃土厚約12 m，具輕微～中濕陷性；下部為Q2離石黃土，為非濕陷性土。在董志塬豎井中，上部馬蘭黃土厚11 m，5 m以上具有中等濕陷性，5～11 m具輕微濕陷性，下部為Q2離石黃土，為非濕陷性土。通過以上三個(gè)典型豎井濕陷性隨深度變化分析，馬蘭黃土濕陷性隨深度逐步減弱，大部分具中等～強(qiáng)濕陷性，底部具輕微濕陷性；離石黃土一般為非濕陷性土。

(2)黃土的濕陷性隨干密度及孔隙比的變化規(guī)律：根據(jù)黃土濕陷系數(shù)與干密度及孔隙比的試驗(yàn)資料統(tǒng)計(jì)分析，黃土的干密度小于1.34 g/cm3，其一般具有中等～強(qiáng)烈濕陷性；其干密度1.34～1.42 g/cm3，一般具輕微濕陷性；黃土的干密度大于1.42 g/cm3，一般不具濕陷性，黃土的濕陷系數(shù)隨干密度的增大而減小，隨孔隙比變小而逐漸減小，一般干密度大的黃土濕陷性弱，反之則強(qiáng)。據(jù)本工程大量試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)，一般干密度≥1.42 g/cm3或孔隙比小于0.9的黃土，基本上無濕陷性。

2.2.2 濕陷場(chǎng)地及地基濕陷等級(jí)

為查明工程區(qū)濕陷性土層厚度，在一些典型地段布置了較深的豎井，并自上而下進(jìn)行了取樣試驗(yàn)。根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB 50025—2004)，分別對(duì)建筑物場(chǎng)地濕陷量和自重濕陷量進(jìn)行了計(jì)算，詳見典型場(chǎng)地濕陷量統(tǒng)計(jì)表2。

表2 典型場(chǎng)地濕陷量統(tǒng)計(jì)表

Q32馬蘭黃土具有自重濕陷性，一般為自重濕陷性場(chǎng)地，白龍江引水工程輸水線路在洪河右岸平泉塬以前黃土地基的濕陷等級(jí)一般為Ⅲ級(jí)(嚴(yán)重)～Ⅳ級(jí)(很嚴(yán)重)；洪河左岸郭塬至董志塬線路末端黃土地基的濕陷等級(jí)一般為Ⅱ級(jí)(中等)，僅孟壩塬段黃土地基的濕陷等級(jí)為Ⅲ級(jí)(嚴(yán)重)；Q2離石黃土一般僅其上部3～6 m的土層具有輕微濕陷性，當(dāng)建筑物基礎(chǔ)位于Q2離石黃土之中，一般屬于非自重濕陷性場(chǎng)地。

3 濕陷性黃土主要工程地質(zhì)問題

3.1 地基濕陷變形問題及建議

馬蘭黃土屬中～高壓縮性、微透水性土，一般具中～強(qiáng)濕陷性，屬自重濕陷性場(chǎng)地，地基濕陷等級(jí)為Ⅱ級(jí)(中等)～Ⅳ級(jí)(很嚴(yán)重)，作為地基時(shí)存在濕陷變形破壞，一般不宜直接作為建筑物地基。當(dāng)箱涵、倒虹吸管地基為此類土?xí)r，應(yīng)采取消除其濕陷性的地基處理措施和防水措施。輸水線路箱涵地基多為馬蘭黃土，厚度一般在10～15 m，可采用灰土擠密樁對(duì)地基土進(jìn)行處理，并加水泥土墊層；當(dāng)基礎(chǔ)開挖厚度較大，濕陷性黃土厚度小于5 m時(shí)，可采用原土翻夯對(duì)地基土進(jìn)行處理并加水泥土墊層；作為濕陷性黃土地基還應(yīng)采取加設(shè)防滲土工膜、加強(qiáng)地表排水等防水措施。倒虹吸(鎮(zhèn))墩基不宜以濕陷性黃土為持力層，應(yīng)以樁基形式穿透自重濕陷性土層，將樁端置于較密實(shí)的非濕陷性土層之中，并應(yīng)考慮濕陷性黃土的負(fù)摩阻力。

3.2 黃土邊坡穩(wěn)定問題及建議

輸水線路通過的隴東黃土區(qū)多布置倒虹吸，沿線河(溝)谷與梁塬相間，河谷兩岸岸坡坡度一般15°～40°，黃土邊坡最大高度超過200 m，溝谷底部一般形成20～40 m近直立陡坎，天然邊坡基本穩(wěn)定。經(jīng)過觀察和分析，邊坡的含水量的大小與邊坡穩(wěn)定性關(guān)系密切。即：(1)邊坡內(nèi)土體含水量平均達(dá)到25%或超過25%時(shí)，邊坡土體即進(jìn)入臨界狀態(tài)和不穩(wěn)定狀態(tài)；(2)降雨后坡體表層含水量超過20%時(shí)，邊坡表層土體即進(jìn)入臨危狀態(tài)，有可能發(fā)生滑坡、崩塌，這是由于邊坡直線表面剪張裂隙發(fā)育，地表水入滲后各種潛在危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)面上含水量增加，抗剪強(qiáng)度降低較快；(3)根據(jù)試驗(yàn)資料統(tǒng)計(jì)分析，濕陷性黃土含水量的變化與土體的抗剪強(qiáng)度(C、φ)關(guān)系密切，當(dāng)土體飽水后較原狀強(qiáng)度降低一倍左右。建議：Q32馬蘭黃土、Q2離石黃土臨時(shí)開挖邊坡1:0.5～1:0.75，坡高大于8 m時(shí)設(shè)寬2.5～3 m馬道，并采取坡頂、坡面及坡腳排水措施。

4 結(jié)語

(1)隴東地區(qū)Q32馬蘭黃土總厚度一般10～20 m，上部5～10 m范圍內(nèi)，一般具中～強(qiáng)濕陷性，以下為輕微陷性土，濕陷性土層深度及濕陷性強(qiáng)度沿線路由西往東總體逐漸變?。籕2離石黃土一般無濕陷性，僅局部段頂部3～6 m具輕微濕陷性。

(2)黃土濕陷性具有明星的特征：隨深度增加濕陷性逐漸減弱；濕陷系數(shù)隨干密度的增大而減小，隨孔隙比變小而逐漸減小，一般干密度≥1.42 g/cm3或孔隙比小于0.9的黃土，基本上無濕陷性。

(3)隴東地區(qū)Q32馬蘭黃土具有自重濕陷性，一般為自重濕陷性場(chǎng)地，黃土地基濕陷等級(jí)沿白龍江引水工程輸水線路由東至西變?nèi)?，平泉塬以前黃土地基的濕陷等級(jí)一般為Ⅲ級(jí)(嚴(yán)重)～Ⅳ級(jí)(很嚴(yán)重)；平泉塬以后至董志塬黃土地基的濕陷等級(jí)一般為Ⅱ級(jí)(中等)，僅局部段黃土地基的濕陷等級(jí)為Ⅲ級(jí)(嚴(yán)重)。

(4)隴東地區(qū)濕陷性黃土存在的主要工程地質(zhì)問題有：地基濕陷變形問題，應(yīng)采取消除其濕陷性的地基處理措施和防水措施；黃土邊坡穩(wěn)定問題，需合理設(shè)置開挖坡比和馬道，并采取坡頂、坡面及坡腳排水措施。