张保富

(甘肃省张掖市临泽县水务局，甘肃 张掖 734200)

张掖市祁连山(黑河流域)山水林田湖草生态保护修复项目黑河城区段2019年生态治理工程位于甘肃省张掖市甘州区[1- 3]。治理河道长度2.2km，范围为黑干22+974(滨河新区黑河大桥下游约800m处)～25+174m。

工程对原有河道进行疏浚，疏浚后中央主河槽满足设计行洪要求；沿疏浚后河道左、右岸坡拟建驳岸，保障河道行洪能力；河底拟建固床潜坝，防止河床下切[1- 3]。可研阶段工程地质勘察目的及任务主要为：

(1)调查收集区域地质及地震活动资料，评价工程区的区域构造稳定性，提出工程区地震烈度及地震动参数。

(2)基本查明河道疏浚地段河势稳定状况、河床的冲淤变化，并对岸坡、滩地等的稳定性进行初步评价[4- 5]。

(3)基本查明治理段土层成因类型、分布规律、埋藏条件等情况[4- 5]。

(4)基本查明地下水的分布、类型、水质及含水透水层、相对隔水层的分布、性质等，评价对工程的影响。

(5)基本查明各岩土层物理力学性质，初步提出各土(岩)层的物理力学参数；评价建筑物场地地基承载力、渗透稳定和边坡稳定性等[4- 5]。

1 地质概况

1.1 地形地貌

工程区位于河西走廊中段张掖盆地中南部，系祁连山与龙首山之间狭长凹陷山间盆地[6]。黑河生态治理段属黑河冲洪积倾斜平原中段，高程1551～1525m，地形平坦开阔，地势南高北低。河床宽浅、多滩，属游荡型河道，河床总宽330～710m，平均纵向比降0.72%，该段河道两岸无阶地发育。

1.2 地层岩性

工程区及其附近出露的地层主要为第四系冲洪积成因堆积物，分布广泛、厚度大，自上而下粒度由粗变细，与工程有关的主要为第四系地层，按其成因类型从老至新简述如下：

1.3 区域地质构造与地震

工程区位于祁连山与龙首山之间的张掖凹陷带。南面以祁连山前深大断裂为界，北面以龙首山前深大断裂为界，南北两侧的深大断裂控制着盆地诸小构造[6]。工程区内无断裂构造及褶皱，亦未发现第四系以来的褶曲断裂和继承性活动断裂，但远场区南部祁连山前大断裂晚近期新构造运动形迹较为明显，其形式为间歇性垂直升降运动，主要表现为南部祁连山隆起上升，张掖盆地相对凹陷，沿盆地边缘多次发生强震[6]。

工程区地震动峰值加速度为0.15g，地震动反应谱特征周期为0.45s，相应地震基本烈度Ⅶ度，区域构造稳定性较差[4- 6]。

1.4 不良物理地质现象

工程区位于黑河冲洪积倾斜平原中部，地势开阔较平坦，黑河为浅滩形河床，受两岸防洪堤约束，治理段现代河床宽330～710m，河流游荡，无滑坡、泥石流等，洪水的冲刷、侧蚀和掏蚀较严重。

1.5 水文地质条件

工程区属于典型的大陆性干旱气候区。根据张掖市气象站1971—2009年气象要素统计，多年平均降水量为132.6mm，降水量年内主要集中在6—9月，占全年降水量的74%，多年平均蒸发量为1796.7mm，工程区最大冻土深150cm。工程区地表水较为丰富，主要来自黑河。

工程区地下水为第四系松散层孔隙潜水，主要赋存于黑河河床、河漫滩冲洪积砂卵石层中，分布范围广，含水层厚度大，渗透系数为(0.9～2.2)×10-2cm/s，属中等-强透水性，据探坑揭露及机井调查，拟建驳岸段地下水位埋深大于15m，对工程无影响；地下水受黑河河水及大气降水的补给，黑河地表水渗入补给地下水形式为带状垂直入渗补给。

2 工程地质条件分析及评价

2.1 河床稳定性

治理河流总体流向NE35°，河流游荡，汊流发育，多滩，平水期河水面宽30～50m，水面高程1526.4～1540.9m，水深0.5～1.8m。其稳定性从以下几个方面进行分析。

(1)河床边界条件：黑河治理段均由河漫滩砂卵砾石构成的土质岸坡，岸坡抗冲刷能力弱，对河流约束力低，在河水特别是洪水的冲蚀、侧蚀、淘蚀下，岸坡易产生坍塌后退，易造成河岸线频繁变化。

(2)河床稳定性：现代河床宽330～710m，河床平均纵坡比为0.72%，纵坡较稳定，河流游荡，汊流和河滩发育，河心滩高出河床一般1～2m。河床物质组成岩性为砂卵砾石，根据地基土颗分试验结果(见表1)：漂石(>200mm)质量分数4.0%～8.54%，平均值为6.08%，卵石(60～200mm)质量分数26.22%～36.02%，平均值为30.35%，砾石(2～60mm)质量分数44.93%～55.55%，平均值为49.16%，砂(2～0.075mm)质量分数9.73%～20.16%，平均值为13.04%，粉黏粒(≤0.075mm)质量分数0.49%～2.21%，平均值为1.37%，平均粒径(d50)为34.2～53.25mm，平均值为41.0mm。由此可见，河床从上游至下游，漂石、卵石含量有所减少，砂和砾石含量相应的有所增加。根据河床形态和河床物质组成，河床的纵向和横向稳定性均较差，从上游至下游河床物质抗冲刷能力减弱，造成河道主水流偏移，是河道变迁的主要原因。

表1 地基土颗分试验结果

根据野外测绘及调查：黑河中心桩号黑甘16+970以前黑河主流靠近右岸，该段冲刷深度1.5～1.8m，河流向右摆动强烈，右岸冲刷侧蚀和掏蚀较左岸强烈，因此，本段应加强右岸防冲处理措施；黑河中心桩号黑甘16+970以后黑河主流靠近左岸，河流向左摆动剧烈，河流对左岸岸坡基础冲刷、侧蚀较严重，冲刷深度1.6～1.9m，因此，本段应加强对左岸防冲措施。

(3)人类活动的影响：治理段河道前期采砂取料现象较为严重，且无序开采，导致河流水力条件变化剧烈，加剧了局部河流的冲刷。

综上所述，受多种因素的控制，黑河治理段河床稳定性差，属游荡型河流，河道疏窄后，洪水的冲刷、侧蚀以及掏蚀增强，需对河床采取固床、抛石护脚等防冲措施。

2.2 土体物理力学性质及参数选择

(1)土体的物理力学性质

砂卵砾石主要由砾石、卵石组成，其次为砂和漂石以及少量泥质，砾、卵、漂石成分主要为花岗岩、变质砂岩、砂岩等硬质岩，磨圆度较好，无胶结。根据砂卵砾石物理力学试验结果(见表1—2)：特征粒径(d85)为122.46～152.55mm，平均值为135.87mm，平均粒径(d50)为34.2～53.25mm，平均值为41.0mm，不均匀系数(Cu)为50.25～232.33，平均值为114.31，曲率系数(Cc)为4.88～17.45，平均值为10.99，总体属级配不良，颗分定名为卵石混合土(SICb)。天然密度2.08～2.12g/cm3，最大干密度2.25～2.32g/cm3，饱和内摩擦角φ值34°09′～34°51′，相对密度0.42～0.63，属中密状态，工程地质特性较好，可作为建筑物基础持力层。

(2)土体的渗透性和渗透变形判别

砂卵砾石不均匀系数(Cu)为50.25～232.33大于5，曲率系数(Cc)为4.88～17.45，砂卵砾石级配不连续。按照SL 188—2005《堤防工程地质勘察规程》附录D《土的渗透变形判别》的条款[8]，求得df=2.35mm，在颗分曲线(图略)上查出Pc=15.7%，可知Pc<25%，即砂卵砾石的渗透变形类型为管涌型。

由室内扰动样的渗透变形试验获得的临界水力比降Jkp为0.44～0.53，2级堤防安全系数取2.0，经计算允许水力比降J为0.22～0.26。结合本工程实际情况，依据SL 188—2005，建议允许水力比降0.15～0.20。

(3)土体允许不冲流速(V允)

对非黏性土可采用经验公式计算：

V允=2.2a1+1.7a2+1.0a3+0.5a4

式中:a1—大于150mm颗粒质量分数;a2—20～150mm质量分数;a3—2～20mm质量分数;a4—小于2mm质量分数。由表1可得a1、a2、a3、a4值，计算结果见表3。经计算，治理段段砂卵砾石允许不冲流速V允=1.16～1.29m/s，平均1.24m/s。

表2 地基土物理力学性质试验结果

表3 砂卵砾石允许不冲流速计算

(4)土体地震液化判别

根据探坑揭示，河床、河漫滩砂卵砾石中无连续的砂层分布，结构较单一，地层连续。根据颗分试验结果，粒径小于5mm颗粒的质量分数为13.62%～25.19%<30%。依据GB 50487—2008附录P中P.0.3-2，初判砂卵砾石层为不液化土。

(5)地基土腐蚀性评价

(6)土体物理力学参数建议值

在充分收集、分析前人在本区的勘察及研究结果的基础上，类比规模相近、岩性相同或相近工程岩(土)物理力学参数，结合室内外试验结果、测试资料，并参照有关规程、规范，经综合分析，提出土体物理力学参数建议值(见表4)和土体开挖边坡比建议值(见表5)。

表4 土体物理力学性质参数建议值

表5 土体开挖边坡比建议值

2.3 河道疏浚工程地质条件及评价

河道疏浚长2.15km，该段河流总体流向NE35°，河流游荡，汊流发育，多滩，河水面宽30～50m，水深0.5～1.6m。河床平均纵坡比为0.72%。

2.4 驳岸工程地质条件及评价

2.4.1驳岸堤基地质结构类型和工程地质条件分类

(1)堤基地质结构类型

通过工程地质测绘和探坑揭示，拟建驳岸地基岩性为第四系全新统冲洪积砂卵砾石层，该层厚8～12m，依据SL 188—2005附录C《堤基地质结构分表》C.0.2划分[8]，拟建驳岸堤基属粗粒土单一结构(Ⅰ)类。

(2)堤基工程地质条件分类

驳岸堤基为粗粒土单一结构(Ⅰ)类，堤基岩性为第四系全新统冲洪积砂卵砾石层，基本不存在抗渗稳定、渗透稳定以及抗震稳定问题，已建堤防基本运行正常，局部段冲刷严重，基础基本裸露；地下水位埋深大于15m，对驳岸基础开挖无影响。依据SL188—2005附录E划分[8]，驳岸堤基工程地质条件为B类，工程地质条件较好。

2.4.2驳岸工程地质条件及评价

(1)左岸驳岸工程地质条件及评价

(2)右岸驳岸工程地质条件及评价

2.5 固床潜坝工程地质条件及评价

为了降低河水和洪水对河床的冲刷，保证河床的纵向稳定性，在治理段设置固床潜坝2座，分别位于黑河桩号黑甘16+152m、黑甘16+774处。

工程施工要清除表层松散的砂卵砾石层，将潜坝和跌水基础置于最大冻深以下的砂卵砾石层中，且置于洪水最大冲刷深度以下一定的深度，对地基土采取整平夯实处理。固床潜坝修建以后，潜坝下游侧洪水冲刷加剧，会形成冲刷坎或者坑，应采取抛石护脚等防冲措施。施工中加强基坑排水措施，同时做好雨季防洪措施。土体物理力学参数建议值见表4，土体开挖边坡比建议值见表5。

3 分析评价结论及建议

3.1 结论

(1)治理段黑河河床宽浅，属游荡型河流，现代河床宽330～710m，河床平均纵向比降为0.72%。

(2)工程区地震动峰值加速度为0.15g，地震动反应谱特征周期为0.45s，相应地震基本烈度为Ⅶ度，区域构造稳定性较差[4- 6]。

(3)工程区属季节性冻土区，最大冻土深150cm，地下水类型为第四系松散层孔隙潜水，沿线地下水位埋深大于15m，对工程无影响。沿线地表水对混凝土和钢筋混凝土结构中的钢筋均无腐蚀性，对钢结构弱腐蚀性。

(4)驳岸、固床潜坝等建筑物地基岩性均为第四系全新统冲洪积砂卵砾石层，工程地质条件较好，承载力可满足要求，河道疏窄后驳岸、固床潜坝基础的冲刷、掏刷问题较为突出。

3.2 建议

(2)潜坝和跌水基础置于最大冻深以下的砂卵砾石层中，且置于洪水最大冲刷深度以下一定的深度。

(3)河道疏窄后建议采取抛石护脚等防冲措施。

(4)鉴于亲水性缓坡、绿滨垫防护方案，结构单一，占地较少，工程造价低；有很好的柔韧性，能够很好适应变形、沉降；施工工艺简单，对施工队伍技术水平要求相对较低；施工不受季节温度变化影响，冬季可施工，后期维护费用低；结构整体采用无污染材料，存在较多的填石孔隙，结构透水性好等特点，建议沿疏浚后主河槽两岸设置缓坡式绿滨垫驳岸。