第四系鈣質膠結卵石成因及工程特性探討

童文鐸, 楊繼東

(河南省水利勘測有限公司,河南 鄭州　450008)

0　引言

南水北調中線工程總干渠河南境內黃河北渠段主要跨越焦作、新鄉及安陽三市。渠線地處華北平原西部邊緣與太行山東麓的交接部位,穿行于山前坡洪積裙、山前傾斜平原,地質結構為粘性土和卵石多層結構,其地質條件相對復雜。卵石層主要為第四系沖洪積、坡洪積成因而形成的。在卵石層中一般存在鈣質膠結現象,其工程特性對渠道邊坡穩定及施工開挖影響較大。由于現行相關規范、規程對膠結卵石的膠結程度及其強度未作專門規定,因此結合南水北調中線工程揭示膠結卵石情況,對其成因,軟硬、膠結程度及分級等工程特性進行研究。

1　水文、工程地質概況

河南省黃河北地區屬溫帶大陸性季風型氣候區,夏秋炎熱多雨，冬春干燥少雨,氣溫由南向北變幅不大,沿線多年平均降水568～649 mm。工程區地面徑流以坡面流向河流集中匯流過渡,區內水系較發育,均屬海河流域的衛河水系,河流水位、流量受降水控制,變化極大,大部分屬于季節性河流。

場區第四系松散層地層巖性主要為沖洪積、坡洪積成因的粉質壤土、粉質粘土和砂卵石層組成。卵石層一般可見數層,多與粘性土呈互層或透鏡體狀分布。單層厚度一般1～10 m不等,局部>15 m,卵石成份主要為灰巖,粒徑大小不均,一般3～8 cm,大者10～20 cm,含量60%～70%,次圓—次棱角狀。局部鈣質膠結較好,膠結程度與分布不均一。第四系全新統卵石一般未膠結,鈣質膠結卵石一般見于第四系上更新統、中更新統及下更新統卵石層中。

沿線淺層地下水類型主要為第四系松散層孔隙潛水,主要賦存于礫卵石及粉質壤土中。粉質壤土層一般屬微—弱透水性,礫卵石層一般屬強透水性。地下水以大氣降水、地表水體和側向徑流補給為主,排泄方式主要為蒸發、人工開采及側向徑流。地下水整體流向為西北向東南。

2　卵石膠結規律及成因分析

2.1　卵石膠結規律

根據鉆孔巖芯及總干渠開挖揭示情況鈣質膠結卵石層具有如下規律:

(1)鈣質膠結現象主要存在于第四系中更新統坡洪積成因的卵石層中,膠結程度與分布很不均勻。而第四系全新統沖洪積成因的卵石層一般無鈣質膠結現象。

(2)一般厚層卵石(dlplQ2)層,鈣質膠結卵石處于卵石層的中、上部(或頂部),膠結程度自上而下由好變差直至漸變為未膠結卵石(見圖1),局部鈣質膠結較好的卵石處于卵石層的底部;通常薄層(1～2 m)卵石絕大部分或整層鈣質膠結,且膠結程度較好(見圖2)。

(3)靠近河流部位主流帶的卵石層膠結較好,遠離河流泛流帶卵石層膠結相對較差。

2.2　成因分析

膠結卵石層(體)是含有鈣質、鐵質、錳質、硅質等礦物質成分的膠結物質與松散卵石在沉積過程中鈣質凝結、膠結作用的產物。膠結作用是沉積物形成巖、土過程中的一種物理、化學變化。山區基巖經風化、剝蝕、淋濾、溶蝕等物理、化學作用,把含有鈣質、鐵質、錳質、硅質等具有膠結作用的礦物質和卵石一起被洪水搬運到山前沖洪積扇裙(沖洪積傾斜平原)上。在沉積過程中,卵石和具有膠結作用的礦物質經過物理、化學變化,凝結、膠結成具有一定強度的膠結卵石層(體)。太行山區基巖以碳酸鹽巖(灰巖)為主,故膠結的礦物質以鈣質成分較為普遍。

圖1　厚層狀卵石膠結情況示意圖

圖2　薄層狀卵石膠結情況示意圖

總干渠地處太行山前,渠道沿線施工開挖地層主要為第四系中(上)更新統坡(沖)洪積成因的地層。山地河流在其進入平原的出山口處,由于地形坡度突然變緩,河流流速驟減,水流分散,河流洪水攜帶的碎屑物質大量堆積下來,形成以山口為頂點而向平原擴展的洪積扇,從扇頂過渡到中間帶和前緣帶,沉積顆粒由粗變細。每次山洪爆發,伴隨著洪流或面流搬運碎屑物質的同時,山區基巖(碳酸鹽巖)易溶于水的鈣質成份隨著山洪流向出山口。攜帶鈣質礦物質成分的山洪由地表徑流轉化為地下徑流,在下滲流經卵石層時,鈣質礦物質析出淋漓到卵石層,卵石層被充填膠結。

由于每次山洪爆發的規模大小及持續時間的不規律性導致了卵石層的膠結程度及空間分布的不均一性。一般來說,主流帶(河流附近)卵石層膠結程度好于面流帶,透水性差異較大部位的卵石層膠結程度較好,近山區的卵石層膠結程度優于遠離山區的卵石層,如山門河、孟村、淇河等附近鈣質膠結程度較好。在垂直方向上,對于厚層卵石一般在表層(或上部)形成鈣質膠結卵石硬殼層(膠結好或較好),往下逐步減弱,膠結程度較差(或微膠結),多呈團窩狀或葡萄狀,直至未膠結;在水平方向上多呈透鏡體狀分布,局部呈薄層狀分布,薄層卵石膠結程度好于厚層卵石。

3　工程特性

3.1　膠結卵石強度

為了解鈣質膠結卵石的強度指標,針對鈣質膠結好的卵石,在不同渠段取樣做飽和單軸抗壓強度試驗,試驗統計成果見表1。試驗成果表明:鈣質膠結好的卵石按飽和單軸抗壓強度相當于軟質巖石,個別相當于較硬巖。鈣質膠結較好或膠結差(微膠結)的卵石難以取樣,或取樣后難以制樣(標準試件),或制樣后難以進行試驗。

表1　鈣質膠結(好—較好)卵石單軸抗壓強度試驗成果統計表

3.2　膠結程度分級及工程特性

卵石存在膠結對于渠道邊坡穩定是有利的,但由于其膠結的不均勻性,在進行渠道邊坡穩定性計算時往往作為安全儲備,參數取值時未考慮膠結對卵石層力學性能的提高,但其對于施工開挖來說增加了施工開挖的難度。根據卵石膠結物的成分、膠結性狀、膠結體軟硬程度，結合現場施工開挖難易程度，將鈣質膠結卵石膠結程度劃分為三級:膠結好、膠結較好、膠結差(或微膠結)。膠結卵石體其工程特征見表2。

表2　卵石鈣質膠結程度分級及工程特性

4　結語

(1)南水北調中線工程河南黃河北渠段沿線鈣質膠結卵石層的分布和膠結強度很不均一。一般厚層卵石中上部鈣質膠結相對較好,下部膠結差或未膠結;薄層卵石鈣質膠結相對較好。

(2)膠結卵石是含有鈣質、鐵質、錳質、硅質等礦物質成分的膠結物質與松散卵石在沉積過程中溶解、膠結、粘連、固結作用的產物。其膠結規律和地表水、地下水的活動關系非常密切。

(3)卵石膠結后其工程性質利于渠道邊坡的穩定,但增加了渠道開挖的難度。根據卵石膠結物的成分、膠結性狀、膠結體軟硬程度，結合現場施工開挖難易程度，將鈣質膠結卵石膠結程度劃分為三級:膠結好、膠結較好、膠結差(或微膠結)。膠結較好—好的卵石達到了軟質巖—較硬巖的硬度,對應的巖土施工工程分級相當于V-VI類。

參考文獻:

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