白龙江引水工程陇中黄土工程地质分区研究

2021-09-26张学超窦健楠赵伟马翼轩

水利水电工程设计 2021年2期

张学超窦健楠赵伟马翼轩

白龙江引水工程是从甘肃省嘉陵江支流白龙江上游引水，向陇东南调水，旨在重点解决泾渭河流域缺水的大型水资源配置工程，工程受水区为天水、平凉、庆阳3市20县区，工程任务是城乡生活供水兼顾工业用水。工程主要由水源枢纽、输水线路、调蓄库三部分组成，主要建筑物包括水库、大坝、隧洞群、大型跨河（沟）建筑物等，属于长距离跨流域调水工程。代古寺供水方案从白龙江干流代古寺断面取水，穿过西秦岭、陇中盆地和六盘山，输水至天水、平凉和庆阳。

目前黄土的工程地质分区研究较多，主要有从地学界、建筑行业、公路行业的角度对黄土的工程地质进行分区研究，已取得较好的成果。王治国（1995）对晋西黄土地区侵蚀地貌进行了分区[1]。王兰民（1999）等对黄土地震灾害区划研究中进行了三级的分区[2]。宋焱勋（2004）研究了陇东地区黄土的物理力学性质及其相互关系，对陇东黄土进行了工程地质分区[3]。管频（2004）通过甘肃地区黄土湿陷性系数及分布规律，对甘肃湿陷黄土进行了区域评级和分类[4]。刘怡林、支喜兰（2006）等，根据大量黄土试验资料，以含水量、湿陷性系数为指标，将黄土进行了划分[5]。赵环（2009）等依据地貌类型和湿陷性评价结果对晋南地区进行了湿陷性黄土工程地质分区[6]。陈伟（2016）在借助三级分区指标体系，将甘肃湿陷性黄土分为三个大区，对每个大区进行了二级、三级分区，三个大区为Ⅰ鄂尔多斯黄土区（陇东区）、Ⅱ祁连丘陵黄土区（陇中区）、Ⅲ秦岭地层黄土区（陇南区）[7]。白龙江引水工程跨越了黄土工程地质分区的三个大区。白龙江引水工程位置如图1所示，线路主要从陇中南部通过。本研究主要依于白龙江引水工程对工程区黄土进行工程地质分区研究。

图1 白龙江引水工程黄土分布情况

1 陇中黄土地貌分区

陇中黄土东临六盘山，西接祁连山，北至景泰、古浪一线，南抵天水、宝鸡一线，是一个几乎四面环山的山间高原，主要包括兰州、定西、临夏及白银地区，受黄河、渭河等水流强烈切割形成典型的黄土丘陵地形，黄土黏粒含量少，土体含水量较小，地下水埋藏深度大。

1.1 陇中南部河流谷地区

本区散渡河及渭河，形成不同的三级河谷阶地。宽数百米甚至达3 km，呈树枝状嵌入黄土丘陵中。一级阶地包括河漫滩，分布于河槽凸岸，高出河床1～3 m，宽数十米。二级阶地高出河漫滩10～30 m，向上游递减，阶面平坦，宽0.3～1.2 km。三级阶地断续分布于河谷边缘，阶高30 m左右，阶地多由第四系冲、洪积物组成。岩性主要为黄土状土、亚黏土、亚砂土、砂砾石构成，总体粒度较细，基本以亚黏土、亚砂土为主，层厚大于20 m。本区土体湿陷性中等，场地为Ⅱ-Ⅲ类部分Ⅳ类，对黄土地基需进行地基湿陷性处理。

1.2 陇中南部梁峁区

本区黄土分布面积较广，地形起伏大，以黄土梁峁为主。侵蚀严重，梁峁并存，峁顶面积不大，四周斜坡较缓，一般为3°～10°；峁缘到谷面的坡面较长，坡度变化在15°～25°。岩性一般为沉积新黄土：最大层厚大于40 m，其中上部主要以风积相黄土为主，层厚0～20 m左右。本区土体湿陷性强烈-中等，场地为Ⅲ～Ⅳ类，黄土湿陷性对工程建设造成很大的危害需要对黄土地基需进行地基湿陷性处理。

1.3 陇中中部河谷盆地区

主要河谷有黄河、宛川河、水阜河河谷等，河谷一般较为开阔，黄河河谷阶地发育。支流及沿线沟谷有宽沟、碱沟等，沟谷相对狭窄，多呈“V”字形，沟脑或有泉水出露。川谷地两侧有众多呈树枝状伸向黄土丘陵地的小沟谷，长数百米或数千米，宽度往往不足100 m。这些沟谷及其支沟，限制了黄土梁的宽度，因而使地表形态更加破碎，并加大了黄土梁与沟谷间的相对高差。谷地地面相对平坦。第四系地层广泛分布，岩性以黄土为主。除河流两侧有Ⅰ～Ⅴ级阶地堆积物外，几乎全区都有中、上更新统的黄土堆积，特别是上更新统疏松黄土（马兰黄土）遍布全区。黄土冲沟、阶地主要以全新统冲洪积黄土为主，黄土厚度10～30 m。本区土体湿陷性中等，场地为Ⅱ～Ⅲ类部分Ⅳ类。对黄土地基需进行地基湿陷性处理。

1.4 陇中中部梁峁区

该区位于西北黄土高原，地壳运动造成了区域性升降差异，又在冲刷、剥蚀等外力地质作用下，逐渐演变成黄土丘陵。地势北高南低，向黄河谷地倾斜，地形特征是梁峁起伏、沟谷纵横。丘陵沟谷相对高度一般在120～150 m，若上覆盖黄土层较厚时，山坡坡度明显变缓，且呈上缓下陡的凸形，上部坡度15°～20°，下部为20°～25°，山顶呈馒头状，山体之间一般都有相对开阔的沟谷。在地层岩性上丘陵多由上下两部分构成，上部大多为黄土，下部基岩裸露。上部黄土主要包括冲积及风积两个类型，以风积成因类型分布范围最广。本区土体湿陷性强烈，场地为Ⅳ类部分Ⅲ类。黄土湿陷性对该区工程的建设造成很大的危害，需要对黄土地基需进行地基湿陷性处理。

1.5 陇中北部丘陵区

本区位于白银市以北，景泰县以南地区。主要包括白银和兰州新区，地处陇西黄土高原之北端，属祁连山余脉向黄土高原过渡地带。受黄土分布自北向南颗粒逐渐变细的规律，该区黄土黏粒含量很少，多为粉性黄土，土体含水量低，地下水埋藏深度大。按地形特征来看，可分为沟谷区、黄土丘陵区。主要河谷有黄河，河谷一般较为开阔，黄河河谷阶地发育。第四系地层广泛分布，岩性以黄土为主。除河流两侧有Ⅰ～Ⅴ级阶地堆积物外，几乎全区都有中、上更新统的黄土堆积，特别是上更新统疏松黄土（马兰黄土）遍布全区。黄土冲沟、阶地主要以全新统冲洪积黄土为主，黄土厚度10～30 m。本区土体湿陷性强烈，场地为Ⅳ类。该区是整个黄土地区，湿陷性最大的区域，黄土的湿陷性对工程的建设造成极大的影响，对黄土地基需进行地基湿陷性处理。

2 工程区陇中黄土的湿陷性特征

从地形地貌分区上属于陇中南部河流谷地区与陇中南部梁峁区。河流谷地区地层岩性主要为冲洪积的黄土状土，梁峁区表层多为马兰黄土，局部有离石黄土出露。

根据湿陷性试验对离石黄土、马兰黄土与黄土状土的湿陷性系数进行统计。得到结论：离石黄土的自重湿陷性δz＝0～0.076，平均值为0.013，总体上为非-轻微湿陷性黄土。马兰黄土湿陷变形系数为0.019～0.181，自重湿陷系数为0.003～0.198，总体上为中-强湿陷性黄土。黄土状土自重湿陷系数δz＝0.003～0.151，平均值为0.005。总体上为非-轻微湿陷性黄土。黄土的湿陷性统计见表1。

表1 大溪桥插补段与实测段多年平均径流量

表1 白龙江引水工程陇中地区黄土湿陷性统计

马兰黄土（Q3eol）湿陷性与土层深度、干密度及附加荷载有着十分密切的关系。工程区马兰黄土分布厚度一般4～18 m，场地评价多为严重—很严重湿陷性；马兰黄土下部2～3 m多具有中等湿陷—轻微湿陷。离石黄土表部具有轻微湿陷性或不具湿陷性。场地湿陷性整体在Ⅲ（严重湿陷）～Ⅳ（很严重湿陷），局部地区为Ⅱ（轻微）～Ⅲ级（中等）。强烈湿陷的下限深度，一般分布在2～11.5 m，多处于马兰黄土之中，工程性质较差，天然状态下不适宜做建筑物地基。

3 工程区黄土湿陷性与干密度关系

本研究对工程区黄土的300组试样，进行了湿陷性试验，得出陇中黄土干密度与湿陷性系数的散点图，如图2所示。通过散点图可以看出湿陷性与干密度呈负相关的关系，产生湿陷的临界干密度为1.35 g/cm3。这意味在黄土地基处理时，如果要降低或消除黄土湿陷性，至少要将地基土干密度治理到1.35 g/cm3以上，或者将小于1.35 g/cm3的湿陷性黄土挖除。这对黄土地基的处理，具有重要意义。