大凌河义县城区段堤防工程地质条件与特征分析

2017-03-09赵日全

黑龙江水利科技 2017年12期

赵日全

(义县凌河保护区管理局，辽宁锦州 121100)

1 工程概况

目前大凌河义县的城区段右岸堤防堤顶高程基本达到50a一遇堤防要求，但堤身断面普遍不足；大凌河左岸现状无成型堤防，岸坎高程基本平20a一遇水位，与50a一遇防洪标准仍有较大差距，需提高其防洪标准，确保新城区防洪安全。由此可见，现状大凌河两岸均不能满足城区建设的防洪要求，需要采取相应措施，提高防洪标准，为新老城区建设提供安全保障[1]。拟建场地位于大凌河义县城区段，西起锦阜铁路桥，东至锦阜高速公路桥，主要勘察对象有：大凌河左岸新建堤防段(锦阜铁路桥-锦阜高速公路桥)3272 m；大凌河右岸现有堤防加固改建段(西关变电所-锦阜高速公路桥)4469m；料场等处。

2 堤防工程地质条件与特征

根据岩性、地层时代、成因及工程地质性质，将勘探深度内所揭露的地层划分为素填土(Qml)①1层、素填土(Qml)①2层、粉土(Q4al)②层、粉质黏土(Q4al)③层、粉砂(Q4al)④层、中砂(Q4al)⑤层、粗砂(Q4al)⑥层、砾砂(Q4al)⑦层、圆砾(Q4al)⑧1层、圆砾(Q4al)⑧2层、粉质黏土(Q4al)⑧a层、全风化泥岩(K1f)⑨层、全风化粉砂岩(K1f)⑩层共10个工程地质层，5个工程地质亚层。现按工程区域将各层岩土工程地质特征分述如下。

2.1 左岸堤防工程地质条件与特征

2.1.1 左岸堤防工程地质条件

1)地形地貌。拟新建左岸堤防位于锦阜铁路至锦阜高速公路段，长3272 m。场区地貌主要为大凌河的高漫滩，地形起伏不大，地势呈西高东低，并向南倾向河道。该段河道弯曲，呈S型，河床宽约100-200 m，总体上自西向东流。按规划堤线位置，堤外漫滩呈不规则三角形，铁路桥下宽约740 m，高速公路桥下规划堤线紧临岸边，现主要为林地、花生地或荒地，地面高程56.6-66.2 m。铁路桥至S204公路桥间的左岸漫滩上有一正在开采的小型砂场，并零星分布采砂坑。S204公路桥下325 m处有一座自来水公司建筑，该桥下880m处分布一个大水塘，长约400 m，宽约150m，塘深3.5-4.0 m。堤内高漫滩主要为旱田和林地，地面高程60.1-64.2 m。铁路桥至S204公路间有旧堤，高约1.5 m。铁路桥北桥头东侧有武警营地及训练场。铁路路基宽约52m，顶高程71.7 m左右。S204公路路基宽约35 m，顶高程66.0-69.0 m。锦阜高速公路路基宽约50 m，顶高程67.2-68.0 m。

2)地层岩性。根据钻孔揭露的地层岩性自上而下依次为：

a.粉砂(Q4al)④层：灰黄色，稍湿，松散，分选较好，主要矿物成份为石英、长石，表层有0.3-0.4 m的耕作层，成份以粉土为主。该层在左坝基处分布普遍，层厚1.50-3.70m，层底埋深1.50-3.70m，层底标高57.44-62.00 m。

b.粗砂(Q4al)⑥层：黄褐色，湿-饱和，松散-稍密，分选较差，含有砾卵石，占20%左右，该层分布不连续，仅见于1、3号钻孔，层厚1.60-1.90 m，层底埋深3.50-3.80 m，层底标高59.58-60.40 m。

c.砾砂(Q4al)⑦层：黄褐色，湿-饱和，松散-稍密，分选磨圆中等，砾石多呈次棱角-次圆状。砾卵石占25-35%左右，最大粒径50 mm左右，砾石主要成份为花岗岩、安山岩、石英岩等，该层分布较普遍，层厚0.90-3.50 m，层底埋深3.60-5.80 m，层底标高55.94-59.50 m。

d.圆砾(Q4al)⑧2层：黄褐色，饱水，松散-稍密，磨圆中等，砾石多呈次棱角-次圆状，分选较差，>2mm的卵砾石占60-80%左右，最大粒径70mm左右，砾石的主要成份为花岗岩，安山岩，石英岩等，该层主要分布高漫滩处，层厚0.90-3.40m，层底埋深4.50-8.00m，层底标高53.53-58.60m。

e.全风化粉砂岩(K1f)⑩层：灰黄色，湿，碎屑结构，半胶结状，手搓呈粉末状，该层分布较普遍，层顶埋深4.50-8.00 m，层顶标高53.53-58.60 m，揭露厚度1.1-3.10 m。

3)地质构造与地震。本区无规模较大的地质构造通过，地震基本烈度为Ⅵ度，区域构造相对稳定。

4)水文地质条件。本区内地下水主要类型为第四系孔隙潜水，地下水主要赋存于砾砂⑦层和圆砾⑧2层中、勘察期间左岸堤线钻孔地下水位埋深3.2-5.1 m，地下水位高程56.26-60.30 m，总体上地下水位西高东低，其下部粉砂岩⑩层呈半胶结状，较致密，透水性相对较弱，为相对隔水层。

2.1.2 堤基工程地质特征

1)堤基地质结构。堤基地质结构基本上为单一结构，主要为粉砂层、粗砂层、砾砂层和圆砾层。

2)渗透性。根据室内试验结果，左岸堤防堤基砾砂⑦层渗透系数1.21×10-2cm/s，强透水。圆砾⑧2层渗透系数4.39×10-1cm/s，强透水。参考本次勘察其它区段粉砂④层及粗砂⑥层试验值确定左岸堤防堤基粉砂④层渗透系数5.26×10-4cm/s，中等透水。粗砂⑥层渗透系数2.25×10-3cm/s，中等透水。全风化粉砂岩⑩层为9.90×10-5cm/s，属于弱透水。

3)颗分试验成果。本次勘察左岸堤防钻孔共取土样5组，在室内进行了常规物理力学性质指标试验。根据室内试验结果，进行统计分析。

4)地基承载力。

a.原位测试指标统计。本次勘察堤基土层的原位测试采用了标准贯入和重型动力触探试验，各触探修正前锤击数与贯入深度的关系曲线详见相应的工程地质剖面图。标贯击数与触探击数均经杆长校正后，按地层进行统计分析，并给出建议值。

b.承载力及物理力学指标。根据原位测试锤击数确定了左岸堤基各土层的承载力及物理力学指标，详见表1。

表1 左岸堤基各土层承载力特征值

注：带下划线为经验值

2.1.3 主要工程地质问题

1)堤基渗透变形问题[2]。根据室内试验成果，按《堤防工程地质勘察规程》SL 188—2005附录D，细粒土和不均匀系数不大于5的粗粒土的渗透变形为流土型。根据相邻区域该层土样的分析研究结果，可以判定，粉砂④层(107-1)和粗砂⑥层(27-1)渗透变形为流土型。砾砂层的不均匀系数为18.20，曲率系数为0.53，级配不连续。圆砾层的不均匀系数为91.65，曲率系数为0.743，级配不连续。根据砾砂层和圆砾层室内颗分试验成果，按统计后的建议值绘制颗分曲线，得出PC值均小于25%，其渗透变形类型为管涌型。一般不会产生接触冲刷和接触流失。粉砂层和粗砂层的临界水力比降按下式计算：

Jcr=(Gs-1)(1-n)

(1)

砾砂层和圆砾层的临界水力比降按下式计算：

(2)

式中：Jcr为临界水力比降；Gs为土粒比重；n为孔隙率，砾砂层取0.5；d5为土的颗粒粒径，小于该粒径土的质量占总土质量的5%；d20为土的颗粒粒径，小于该粒径土的质量占总土质量的20%；左岸堤基各土层的临界水力比降及经安全系数修正后的允许水力比降计算值见表2。表中给出了允许水力比降建议值。

表2 允许水力比降表

2)堤基渗漏问题。左岸堤基以单一结构为主，中等-强透水，全风化岩微-弱透水。当橡胶坝建成后，河水水位抬高，地下水位抬高，增大了堤内外的水头差，堤基会产生一定的渗漏量。为保证橡胶坝蓄水目的，建议堤基采取一定的垂直防渗措施。

3)堤基稳定问题。堤基各岩土层层位稳定，层面坡度变化不大，承载力较高，层间未发现较大的软弱夹层。因此堤基稳定。

4)堤基沉降变形问题。堤基由粉砂④层、粗砂⑥层、砾砂⑦层、圆砾⑧2层、全风化粉砂岩⑩层的粗粒土组成，层间未见较厚的软弱夹层，施工期即可完成压密固结，因此堤基不存在较大的沉降变形问题。

5)堤基液化问题。本区地震基本烈度为Ⅵ度，无液化问题[3]。

2.1.4 堤基工程地质条件及评价

1)堤基工程地质条件分类。

A类：不存在抗滑稳定、抗渗稳定、抗震稳定问题和特殊土引起的问题，已建堤防无历史险情发生，工程地质条件良好，无须采取任何处理措施。

B类：基本不存在抗渗稳定、抗震稳定问题和特殊土引起的问题，局部坑塘处存在渗透变形问题，已建堤防局部有险情，工程地质条件较好。

C类和D类：至少存在一种主要工程地质问题，历史险情普遍。根据主要工程地质问题的严重程度、历史险情的危害程度分为工程地质条件较差(C类)和工程地质条件差(D类)。

2)工程地质条件评价。拟建堤段桩号0+000-3+272 m，长度3272 m，地貌简单，地形平坦，主要为左岸河漫滩，现为耕地。堤基地质结构为单一结构，主要粉砂④层、粗砂⑥层、砾砂⑦层、圆砾⑧2层、全风化粉砂岩⑩层。粉砂④层，松散，承载力特征值建议值110 kPa，可作为堤基持力层；该层中等透水，可能发生流土型渗透变形，允许水力比降建议值0.35。粗砂⑥层局部分布，松散，承载力特征值建议值120 kPa，可作为堤基持力层；该层中等透水，可能发生流土型渗透变形，允许水力比降建议值0.33。砾砂层松散-稍密，承载力特征值建议值130 kPa，可作为堤基持力层；该层强透水，可能发生管涌型渗透变形，允许水力比降建议值0.16。圆砾⑧2层稍密-中密状，承载力特征值建议值200 kPa，可作为堤基持力层或下卧层；该层强透水，可能发生管涌型渗透变形，允许水力比降建议值0.10。全风化粉砂岩⑩透水性较弱，承载力较高。堤基存在一定的渗漏和渗透变形问题，工程地质条件较差。应采取一定的处理措施。该段堤基工程地质条件为C类。

2.1.5 堤岸工程地质条件及评价

现有河岸距拟建堤线较远，堤岸工程地质条件良好[4]。人工湖建成后，现有河道将向左取直，新建岸坡与堤防间人工填筑土方后成为绿地，为防止河水冲刷，新建岸坡应采取护坡措施[5]。

2.2 右岸堤防工程地质条件

2.2.1 地质概况

1)地形地貌。位于S204公路桥和锦阜高速公路桥间。场区地貌主要为高漫滩涂及阶地，地形起伏不大，地势呈西高东低，并向北倾向河道。该段河流自SW向NE流，河床宽约100-200 m。堤外漫滩宽100-800 m，现主要为林地和耕地，地面高程56.6-60.9 m。堤内高漫滩主要为旱田和林地，地面高程59.7-63.8 m。沿S204公路东侧一条宽约40 m的河渠，沟底宽约15 m，堤线位置处沟底高程60.0 m，地面高程62.7 m。旧堤以S204公路为界分东西两段，西段以土堤为主，堤顶宽3-4 m，顶高程69.69-67.24 m；东段堤顶宽3-4 m，顶高程64.14-64.26 m。S204公路路基宽约35 m，顶高程67.1-68.3 m。锦阜高速公路路基宽约55 m，顶高程66.0-67.9 m。

2)地层岩性。

a.堤身。据本次勘察钻孔揭露，堤身主要由素填土①1和素填土①2层，各层岩性及分布特征如下：

A素填土(Qml)①1层：黄褐色，稍湿、稍密，主要为粉土、粉质黏土，混杂而成，为右坝堤S204公路桥以西段堤身填土，该层见于87、89、90、91、93号孔，层厚3.50-4.20 m，层底埋深3.50-4.20 m，层底标高63.03-65.89 m。

B素填土(Qml)①2层：黄褐色，松散-稍密状，分选较差，主要由中粗砾砂及圆砾混杂而成。砾石呈次棱角-次圆状，主要成份为花岗岩、安山岩、石英岩等，为右坝堤S204公路桥以东段堤身填土，该层见于95、97、99、101、103号孔，层厚3.30-4.00 m，层底埋深3.30-4.00 m，层底标高60.18-60.85 m。

b.堤基。根据钻孔揭露的地层岩性自上而下依次为：

A粉土(Q4al)②层：黄褐色，稍湿、稍密，干强度低，韧性低，该层主要分布于为右坝堤西段87-91号勘探孔的堤基，层厚3.00-3.50 m，层底埋深3.10-7.30 m，层底标高62.27-62.59 m。

B粉质黏土(Q4al)③层：黄褐色，可塑，切面较光滑，干强度中等，韧性中等，该层主要分布于为右坝堤西段87-91号勘探孔的堤基，层厚1.60-4.50 m，层底埋深5.40-9.20 m，层底标高59.43-60.79 m。

C粉砂(Q4al)④层：灰黄色，稍湿-饱和，松散，分选较好，主要矿物成份为石英、长石，该层主要分布于大凌河高漫滩及阶地的表面，层厚1.10-5.80 m，层底埋深1.20-8.00 m，层底标高56.94-59.81 m。。

D中砂(Q4al)⑤层：灰黄色，松散，湿-饱和，分选较差，含有卵、砾石，占15-20%左右，主要矿物成份为石英、长石，该层分布较普遍，层厚1.90-3.00 m，层底埋深3.30-7.40 m，层底标高56.31-57.55 m。

E圆砾(Q4al)⑥2层：黄褐色，饱水，松散-稍密，磨圆中等，砾石多呈次棱角-次圆状，分选较差，>2 mm的卵砾石占60-70%左右，最大粒径80 mm左右，砾石的主要成份为花岗岩、安山岩等，该层主要分布高漫滩处，层厚1.30-5.30 m，层底埋深5.30-14.50 m，层底标高54.47-55.64 m。

F全风化泥岩(K1f)⑨层：紫红色，湿，泥质结构。含有少量的砂砾，岩芯呈团块状-碎块状，手掰易碎，手搓呈粉末状，该层分布较普遍，层顶埋深9.30-9.70 m，层顶标高54.47-54.96 m，揭露厚度2.70-3.00 m。

G全风化粉砂岩(K1f)⑩层：灰黄色，碎屑结构，半胶结状，岩芯湿，手搓呈粉末状，该层分布较较普遍，层顶埋深5.30-14.50 m，层顶标高54.62-55.64 m，揭露厚度1.40-3.00 m。

3)地质构造与地震。本区无规模较大的地质构造通过，地震基本烈度为Ⅵ度，区域构造相对稳定。

4)水文地质条件。本区内地下水主要类型为第四系孔隙潜水及承压水，承压水区段主要位于右坝西侧起点至义县水文站一带，其余堤段均为潜水，地下水主要赋存于粉砂④层、中砂⑤层、圆砾⑧2层中、勘察期间右岸堤线钻孔地下水位埋深5.3-8.2m，地下水位高程56.88-62.39m，总体上地下水位西高东低，其下部泥岩)⑨层、粉砂岩⑩层呈半胶结状，较致密，透水性相对较弱，为相对隔水层。

2.2.2 堤基工程地质特征

1)堤基地质结构。堤基地质结构有两种，右坝西侧端起点至义县水文站一带，为双层结构，上部为厚层细粒土(粉土②层和粉质黏土③层)，下部为厚层的粗粒土(圆砾⑧2层)；义县水文站至锦阜高速公路桥段堤基为单一结构，即粉砂④层、中砂⑤层、和圆砾⑧2层，局部表层见粉土层。

2)物理力学性质。本次勘察右岸堤防钻孔共取扰动土样8组、原状土样5组，在室内进行了常规物理力学性质指标试验。根据室内试验结果，进行统计分析。

3)渗透性。根据据室内试验结果及经验确定，堤身素填土①1层的渗透系数5.5×10-5cm/s，弱透水；素填土①2层渗透系数4.44×10-3cm/s，中等透水；堤基粉土②层渗透系数7.03×10-5cm/s，弱透水；粉质黏土③层渗透系数7.28×10-6cm/s，微透水；粉砂④层渗透系数4.84×10-5cm/s、中等透水；中砂⑤层渗透系数4.15×10-3cm/s、中等透水；圆砾⑥2层渗透系数4.88×10-5cm/s，强透水；全风化泥岩⑨层渗透系数为9.69×10-5cm/s，弱透水；全风化粉砂岩⑩层渗透系数为9.90×10-5cm/s，弱透水。

4)地基承载力。

a.原位测试指标统计。本次勘察堤基土层的原位测试分别采用了标准贯入和重型动力触探试验，各触探修正前锤击数与贯入深度的关系曲线详见相应的工程地质剖面图。标贯击数与触探击数均经杆长校正后，按地层进行统计分析，并给出建议值。

b.承载力。根据原位测试锤击数综合确定了右岸堤身及堤基各土层的承载力特征值。

2.2.3 主要工程地质问题

1)堤身及堤基渗透变形问题[6]。根据室内试验成果，按《堤防工程地质勘察规程》SL 188—2005附录D，细粒土和不均匀系数不大于5的粗粒土的渗透变形为流土型。可以判定，素填土①1层、粉土②层、粉质黏土③层渗透变形为流土型，素填土①2层不均匀系数为127.61，曲率系数为18.695，级配不连续；粉砂④层不均匀系数为38.75，曲率系数为0.75，级配不连续；中砂⑤层不均匀系数为1008.0，曲率系数为0.08，级配不连续；圆砾⑧2层的不均匀系数为133.81，曲率系数为4.395，级配不连续。根据素填土①2层室内颗分试验成果，按统计后的建议值绘制颗分曲线，得出PC值均小于25%，其渗透变形类型为管涌型；粉砂④层和中砂⑤层PC值均大于35%，其渗透变形类型为流土型，圆砾⑧2层的PC值小于25%，其渗透变形类型为管涌型。堤基土一般不会产生接触冲刷和接触流失。

2)堤身及堤基渗漏问题。S204公路桥以西的右岸堤身为素填土①1层，主要由粉土和粉质黏土组成，弱透水，S204公路桥以东的右岸堤身为素填土①2层，主要由砂砾混杂而成，中等透水，应采取一定的防护措施。

右岸堤基义县水文站以西段为双层结构，以东段为单一结构为主。但坝基下均有透水层存在，粉土层、粉砂④层和中砂⑤层中等透水；圆砾⑧2层强透水；全风化泥岩⑨层和全风化粉砂石岩⑩层弱透水。当橡胶坝建成后，河水位抬高，地下水位抬高，增大了堤内外的水头差，堤基会产生一定的渗漏量。为保证橡胶坝蓄水，可采取一定的垂直防渗措施[7]。

3)堤基稳定问题。右岸堤防已修建多年，经多年来运行，堤基稳定。

4)堤基沉降变形问题。右岸堤防已修建多年，经多年来运行，堤基沉降变形已完成，右岸堤基一般不会发生沉降变形问题。

5)堤基液化问题。本区地震基本烈度为Ⅵ度，堤基土不存在液化问题。

2.2.4 堤基工程地质条件及评价

1)堤基工程地质条件分类。

A类：不存在抗滑稳定、抗渗稳定、抗震稳定问题和特殊土引起的问题，已建堤防无历史险情发生，工程地质条件良好，无须采取任何处理措施。

B类：基本不存在抗渗稳定、抗震稳定问题和特殊土引起的问题，局部坑塘处存在渗透变形问题，已建堤防局部有险情，工程地质条件较好。

2)工程地质条件评价。右岸堤防长度4469 m，地貌简单，地形起伏不大，主要为右岸高漫滩及阶地。S204公路桥以西的右岸堤身为素填土①1层，主要由粉土和粉质黏土组成，弱透水，S204公路桥以东的右岸堤身为素填土①2层，主要由砂砾混杂而成，中等透水。堤基地质结构有两种，右坝西侧端起点至义县水文站一带，为双层结构，上部为厚层细粒土(粉土②层和粉质黏土③层)，下部为厚层的粗粒土(圆砾⑧2层)；义县水文站至锦阜高速公路桥段堤基为单一结构，即粉砂④层、中砂⑤层、和圆砾⑧2层，局部表层见粉土层。粉土②层稍密，承载力特征值建议值120 kPa，可作为堤基持力层；该层弱透水，可能发生流土型渗透变形，允许水力比降建议值0.36。粉质黏土③层软可塑状，承载力特征值建议值105 kPa，可作为堤基持力层；该层微透水，可能发生流土型渗透变形，允许水力比降建议值0.36。粉砂④层，松散，承载力特征值建议值140 kPa，可作为堤基持力层；该层中等透水，可能发生流土型渗透变形，允许水力比降建议值0.14。中砂层，稍密-松散，承载力特征值建议值160 kPa，可作为堤基持力层或下卧层；该层中等透水，可能发生流土型渗透变形，允许水力比降建议值0.25。圆砾⑧2层稍密，承载力特征值建议值200 kPa，可作为堤基持力层或下卧层；该层强透水，可能发生管涌型渗透变形，允许水力比降建议值0.10。全风化泥岩⑨层和全风化粉砂石岩⑩层弱透水，承载力较高。堤基存在一定的渗漏和渗透变形问题，工程地质条件较差。该段堤基工程地质条件为C类。

2.2.5 堤身工程地质条件评价

现有堤高约4m，堤身填筑土以砾砂和圆砾为主，稍密，颗粒级配一般不连续。经多年运行，现有堤身基本稳定[8]。

2.2.6 堤岸工程地质条件及评价

本堤段现有河岸稳定。人工湖建成后，新建岸坡与堤防间人工填筑土方后成为绿地，为防止河水冲刷，新建岸坡应采取护坡措施[9]。