乌鲁木齐市达坂城区黑沟河小流域治理工程地质勘察

2010-03-22高俊双刘小伟

黑龙江水利科技 2010年3期

高俊双，刘小伟

(广州市水利科学研究所，广州510220)

1 前言

黑沟河发源于东天山博格达峰南坡，由北向南流。由于受盆地内水文地质条件影响，山区地表水在运移过程中渗漏较大，地表水、地下水经多次转化，在达坂城区东南以泉水型式复出，汇入白杨河。黑沟渠首(水文巡测站断面)以上河长24 km，集水面积176 km2;黑沟渠以下至与阿克苏河交汇处河长34.28 km，河道比降为1.7% ～3.6%。

本次工程地质勘察是在对黑沟河沿线全面进行工程地质测绘的基础上，非重点地段每隔3 km做一个横断面，重点地段每隔1 km做一个横断面，重点地段做顺河纵断面。完成工程地质剖面24个，完成机械钻孔16个，人工探井90个，重型动力触探实验15孔，颗粒分析实验42组，土壤含盐分析试验9组，水质分析试验9组。

本次工程地质勘察外业工作于2008年12月14日开始，室内实验和内业整理工作于2009年2月5日完成。

2 工程地质特征

2.1 地形地貌特征

黑沟河出山口后，沿河流域大的地貌特征属于冲洪积扇地貌单元，小范围地貌特征为河漫滩地貌单元，大部分地段阶地不发育。现代河床宽50～100 m，深1～2 m。河漫滩发育良好，宽200～500 m。枯水季节河水流量较小，上游局部地段干枯，河水下渗变成潜流。洪水季节，洪水淹没大部分河漫滩。黑沟河河床沿线无古河道、古冲沟、塘、沙丘等不利地貌现象。

2.2 地层岩性特征

1)黑沟河出山口后，从渠首沿河往下2 km左右，黑沟河河谷宽度约200～500 m，河谷岸坡为岩质山丘，岩石为辉长闪长岩，黑色，块状构造，质地坚硬。现代河床和河漫滩为厚度＞15 m的冲洪积的漂石、卵石层。

2)黑沟河的中游部位，在西沟乡11队前后约5 km范围内，受东沟至雷家沟构造隆起带的影响，黑沟河河谷两岸岸坡发育有上更新统冰积卵砾石地层，厚度5～10 m，与下伏基岩为朱罗系的红色砾岩、砂岩和泥岩地层成不整合接触。黑沟河河谷在此段宽约300～500 m，发育有河漫滩和一级阶地，地层为厚＞30 m的冲洪积的漂石、卵石层。

3)黑沟河除了在以上两段情况特殊以外，其他河段现代河床均在冲洪积扇地貌单元上，河道很浅，且经常变换河道位置。现代河床宽约200～300 m，无明显的河岸岸坡。河床及两侧地层为厚度50～100 m的冲洪积的漂石、卵石层。

2.3 卵石地基物理力学性质特征

由于本次勘察工作的重点，是小流域治理工程所涉及到的河道梳理、拦洪坝、挑坝等堤岸工程的地质问题，黑沟河现代河床及河漫滩均为大厚度的卵石地层，在可能分布的堤基范围内，没有软弱土层、粉细砂层、冻土层、盐渍土层、人工杂填土等不利土层。所以，本勘察主要是对黑沟河现代河床和河漫滩的卵石地层的物理力学性质进行分析和研究。

根据本次勘察资料，黑沟河现代河床和河漫滩的卵石地层的厚度为20～100 m，为全新世冲洪积形成，有水平层理，结构稍密—中密。从对流域卵石地层颗粒分析结果上可以看出，沿黑沟河从上游到下游，卵石地层的卵石粒径由大逐渐变小，上游含较多的大颗粒漂石，下游含较多的小颗粒砂砾石，越往河流的下游卵石的颗粒级配越好。

根据现场卵石地层重型动力触探实验，卵石地层的动探击数为11～35击，查《工程地质手册》(第四版)，结合本地区工程勘察经验，可以判定卵石地层的物理力学性质:

地基承载力特征值fak=350～500 kPa

地基变形模量E0=28～40 MPa

内摩擦角标准值φ=38°～46°

渗透系数k=50～80 m/d

挡土墙基底对地基的摩擦系数μ值:0.4～0.6。

2.4 地表水、地下水特征

本次勘探期间河道常流水，工程区汛期地下水位较高，一般在2.0 m下，枯水期一般在2.5 m，水位变幅0.5 m左右。经过在上、下游不同地段取3组水样进行了化学分析，其中HCO3－含量为 1.0～2.7 mmol/l，Mg2+含量为 5.0～16.5 mg/l含量为 57.2 ～ 136.0 mg/l，pH 值为 7.4，各大离子含量呈现由下游到上游增大的趋势，根据《水利水电工程地质勘察规范》GB50487－2008附录G0.3的判定标准，HCO3－对混凝土无分解类腐蚀，Mg2+对混凝土无分解结晶复合类腐蚀对普通水泥和抗硫酸盐水泥混凝土均无结晶类腐蚀，pH＞6.5的腐蚀标准。综合平定水对混凝土无腐蚀性。

经对治理段不同位置地基土取样进行化学分析，易溶盐含量为 0.047% ～0.179%，根据《岩土工程勘察规范》(GB50021－2001)第6.8.1条确定为非盐渍土。其中含量为162～657 mg/kg，对混凝土结构无腐蚀性;Mg2含量为20～40 mg/kg，对混凝土结构无腐蚀性。综合评定堤基土对混凝土结构无腐蚀性。

2.5 河岸边坡稳定

拟建的防洪工程段为黑沟河平原地段，岸坡一般高1～2 m，坡度近90°，局部地段淘蚀严重，存在岸坡失稳与坍塌危险，土质岸坡竖向卸荷裂隙发育，缝宽1～5 cm，长约3～5 m。建议对危陡险边坡采取削坡和护坡措施，建议削坡比1∶0.75。

3 主要工程地质问题及评价

黑沟河小流域治理工程的任务，是根据流域防洪工程现状，在黑沟河沿线兴建护岸工程，加强堤防建设，整治河道和泄洪通道，重点加固渠首、道路、城镇、居民点、农田的引水泄洪、防洪设施，提高防洪能力，治理后防洪能力达到10 a一遇的标准。因此，黑沟河小流域治理工程的主要工程内容为:起到拦挡洪水的浆砌石坝，改变洪水流向的浆砌石挑坝，防止洪水冲刷的浆砌石护坡等堤防工程。这些堤防工程沿河道修建在河漫滩上，巨厚层的卵砾石地基的强度完全可以满足地基强度的要求，主要的工程地质问题是洪水挟裹石块的撞击强度和洪水冲刷的深度。

3.1 地震液化评价

坝基地层岩性主要为低液限黏土和卵石混合土，其中低液限黏土层厚度较小，基础开挖时将予以清除，无地震液化问题。

根据《水利水电工程地质勘察规范》GB50487－2008附录N0.3的判定标准，卵石粒径＞5 mm颗粒质量百分率＞70%的标准，因此稳定的卵石混合土做基础持力层时不会存在地震液化问题，经综合分析，工程场区不存在地震液化问题。

3.2 渗透变形评价

治理段基础以卵石混合土岩性为主，根据《水利水电工程地质勘察规范》GB50487－2008附录M土的渗透变形判别其基础渗透稳定性。连续级配的土，区分粗粒和细粒的界限粒径

根据本次勘探揭示，坝基础卵砾石属连续级配土。查颗分得 d70=120，d10=0.65，经计算 df=0.83 mm，则 pc=17.5% ＜1/(4×(1－n))×100=33.78%(取 n=0.26)，因此卵石混合土的渗透变形破坏形式为管涌。

临界水力比降及允许水力比降的确定:

坝基卵砾石不连续级配土，其渗透破坏形式为管涌，临界水力比降计算公式如下:

式中:Jcr为土的临界水力比降;n为土的孔隙率，取0.26;Gs为土的颗粒密度与水的密度之比;d5、d20分别为占总土量的5%和 20%的土的粒径，mm，d5取 0.55，d20取 2.81。

计算结果:Jcr=2.2(2.71－1)(1－0.26)2=0.403

3.3 冻胀性评价

拟建各坝段地基基本由低液限黏土和卵石混合土构成，低液限黏土大多分布于两岸阶地上，卵石混合土主要集中在河床内，经调查该区最大冻土深1.50 m。

经对工程区低液限黏土层和卵石混合土进行颗粒分析，其＜0.075的颗粒含量分别为43.7% ～71.8%、0.88% ～1.83%;根据《水工建筑物抗冰冻设计规范》(SL211－2006)的判定标准，低液限黏土层＜0.075mm颗粒含量＞10%的标准，因此为冻胀土，卵石＜0.075 mm颗粒含量＜10%的标准，为非冻胀土。

3.4 水、土化学分析与评价

本次勘探期间河道常流水，工程区汛期地下水位较高，一般在2.0m下，枯水期一般在2.5m，水位变幅0.5 m左右。经过在上、下游不同地段取3组水样进行了化学分析，其中HCO3－含量为 1.0～2.7 mmol/l，Mg2+含量为 5.0～16.5 mg/l，SO42－含量为 57.2 ～ 136.0 mg/l，pH 值为 7.4，各大离子含量呈现由下游到上游增大的趋势，根据《水利水电工程地质勘察规范》GB50487－2008附录G0.3的判定标准，HCO3－对混凝土无分解类腐蚀，Mg2+对混凝土无分解结晶复合类腐蚀，SO42－对普通水泥和抗硫酸盐水泥混凝土均无结晶类腐蚀，pH＞6.5的腐蚀标准。综合平定水对混凝土无腐蚀性。

经对治理段不同位置地基土取样进行化学分析，易溶盐含量为0.047% ～0.179%，根据《岩土工程勘察规范》(GB50021－2001)第6.8.1条确定为非盐渍土。其中含量为162～657 mg/kg，对混凝土结构无腐蚀性;Mg2+含量为20～40 mg/kg，对混凝土结构无腐蚀性。综合评定堤基土对混凝土结构无腐蚀性，土样含盐量详见土的易溶盐分析报告。