黃花灘項目工程地質特征研究及實施措施

余侃柱

（甘肅省水利水電勘測設計研究院 甘肅蘭州 730000）

黃花灘項目工程地質特征研究及實施措施

余侃柱

（甘肅省水利水電勘測設計研究院 甘肅蘭州 730000）

本文以甘肅省古浪縣生態移民暨扶貧開發黃花灘項目工程地質勘察的詳實資料為基礎，深刻研究了該工程的工程地質條件、水文地質條件、環境地質背景，對主要的工程地質問題進行了評價，并系統總結了項目實施中所采取的主要措施和方法，對類似工程條件項目建設和實施有借鑒作用。

黃花灘項目 工程地質問題 實施 措施及方法

1 前言

甘肅省古浪縣生態移民暨扶貧開發黃花灘項目水利骨干工程（簡稱黃花灘項目）是充分利用景電二期工程古浪灌區節水量，對已有灌區部分設施基礎進行改擴建和延伸，合理開發黃花灘土壤條件優越的部分土地，新建一個生態移民扶貧開發區，用來安置古浪縣南部干旱山區及祁連山水源涵養林區貧困的居民4萬人，實施生態移民、扶貧開發、綜合治理。黃花灘灌區骨干渠系由干渠、分干渠、支渠3級渠道組成，其中黃花灘干渠長30.57km，設計流量5.09～3.21m3/s，加大流量6.36～4.17m3/s；南分干渠長14.53km，北分干渠長24.92km，提灌分干渠長8.63km，南分干渠所屬3條支渠長16.07km，北分干渠所屬2條支渠長19.49km，灌區骨干渠道全長114.2km。新建泵站3座（其中干渠一泵站揚程41.70m，二泵站揚程61.8m，提灌分干渠泵站揚程85.2m），4座渡槽。灌區灌溉總面積8.62萬畝，其中農田7.20萬畝，生態林1.42萬畝。工程主要建筑物有明渠、暗渠、管道、渡槽（管）、倒虹吸、泵站、分水閘等。本工程屬Ⅲ等中型工程。黃花灘項目引水線路干渠及分干渠、支渠通過地形地貌為低山丘陵區、沖洪積扇、沖洪積平原、縱向沙壟、新月形砂丘鏈及零星的叢草砂丘，地貌單元和地基條件不同，涉及的工程地質問題不同，對策和處理措施亦不同。本文以詳實勘察資料為依據，深入分析研究了該工程的工程地質特征，對主要工程地質問題評價，總結了項目實施中采用的措施及方法。

2 工程地質概況

黃花灘項目位于古浪縣東北部，南鄰中山地帶，北緣騰格里沙漠，海拔1600m～2000m。工程區屬隴西系與河西系交接地帶，多被大片第四系松散堆積物覆蓋。大靖至古山墩段，主要構造形跡展布方向為北西西，屬隴西系旋卷構造的最外層同心～古浪褶帶。大靖坳陷則形成中新生界斷陷盆地，其近代堆積物厚度達百余米，古山墩基巖隆起。灌區黃花灘沖洪積平原，屬于武威坳陷帶的東北邊緣，形成中新生界斷陷盆地，第四系松散堆積物覆蓋，在雙槽車站附近，第四系覆蓋層厚189m。工程區新構造運動主要表現為垂直升降運動，以下降運動為主。工程區受祁連山

山前活動斷裂的影響，近代地震活動較為頻繁，工程區50年超越概率為10%時地震動峰值加速度0.20g，地震動反應譜特征周期0.45s，相當于地震基本烈度為VIII度。灌區第四系覆蓋層厚度大于100m，無基巖裸露，無區域性活動斷裂分布，區域構造穩定性分級和評價屬穩定性較差。

工程渠線布置大靖和黃花灘兩沖洪積平原，中間為古山墩基巖隆起的低山丘陵及沙漠區，渠線從東到西經過了三個地貌區：山前洪積波狀及沖洪積傾斜平原區、騰格里沙漠南緣中山丘陵區及沙漠、黃花灘山前沖洪積傾斜平原區。渠線通過砂丘有流動砂丘和半固定砂丘，沙壟和沙壟間槽型洼地（即所謂的塘地）。工程區地基地層巖性主要為第四系全新統(Q4)松散堆積物砂壤土、粉質壤土、細砂、砂礫（碎）石及風積砂等。引水渠線沿線第四系孔隙潛水地下水位埋深一般為60～140m，對渠道建筑物基礎無影響。灌區第四系孔隙潛水，地下水位埋深一般為80～140m，總體由南向北徑流最后潛入騰格里沙漠，對灌區建筑物地基無影響。

工程區地處西北內陸，降水稀少，蒸發強烈，氣候干旱，地表、地下水資源貧乏，屬典型的溫帶大陸性干旱氣候。據氣象資料統計，全年平均氣溫6.6℃，極端最高氣溫33℃，極端最低氣溫-26.4℃；多年平均降水量207.7mm，最大314mm，最小95mm，降水量多集中在7、8、9三個月；多年平均蒸發量2807mm，多年平均日照時數2852.3小時，無霜期平均為142天，冬春兩季多風，主要風向為東南、西北風，多年平均風速3.6m/s；歷年沙塵暴最多日數47天，大多發生在春季和夏初。凍結日期一般在11月下旬；歷年最大積雪深度11cm，降雪日期一般在10月下旬至次年4月下旬。最大凍土深度110cm。項目區多年平均徑流深5mm，基本不產流，無地表徑流河流。

3 主要工程地質問題及評價

渠線地基地層巖性主要為第四系全新統松散堆積物，按渠基巖性及地貌特征可分為3種類型：（1）砂壤土、粉質壤土，夾細砂或砂碎石透鏡體，主要分布干渠及灌區部分分支渠，地貌為低山丘陵區、沖洪積扇、沖洪積平原、縱向沙壟、新月形砂丘鏈及零星的叢草砂丘。（2）風積細砂為主，夾砂壤土及粉質壤土透鏡體，主要分布干渠北線方案的紅柳灣～趙家刺灘～干渠尾、灌區南北支渠及分支渠大部分渠道，均位于沙漠中，以流動砂丘為主。在沙漠區沙壟和沙壟之間有槽型風蝕洼地（即所謂的塘地）分布，并有沖溝分布，如崖溝一帶線路有多條沖溝分布，風蝕切割地形較破碎，呈“V”型沖溝。（3）砂礫石或砂碎石，分布干渠及局部沖溝、洪積扇前緣，主要為渡槽或倒虹吸地基。

3.1滲漏問題

砂壤土、粉質壤土天然地基滲透系數10-4～10-5cm/s，滲透性分級屬弱透水，風積細砂天然地基滲透系數10-3～10-2cm/s，滲透性分級屬中等透水，砂礫石或砂碎石天然地基滲透系數10-2～10-1cm/s，滲透性分級屬強透水。渠道天然地基不采取防滲漏措施，渠道沿線滲漏量損失大，而且沿線滲漏會引起邊坡失穩、沉降變形、坍塌、次生鹽漬化等環境地質問題。

3.2濕陷性及壓縮性問題

砂壤土、粉質壤土，天然含水率0.6～8%，平均值4.1%，自重濕陷系數0.01～0.113，平均值0.042；濕陷系數0.019～0.16，平均值0.091，濕陷性強烈，一般為自重濕陷性場地，濕陷等級為III（嚴重）、IV(很嚴重)，濕陷起始壓力Psh=10～70KPa，平均值31.7KPa。砂壤土、粉質壤土原狀快剪c=6.2～76.1KPa，平均值31.1KPa，Φ=21.3～28.3°，平均值25.5°，飽和快剪c=2.5～29.9KPa，平均值11.2KPa，Φ =7.4～15.3°，平均值11.9°。砂壤土、粉質壤土原狀壓縮系數a1-2=0.06～0.42MPa-1，平均值0.17MPa-1，中壓縮性。飽和壓縮系數a1-2=0.34～0.87MPa-1，平均值0.58MPa-1，孔隙比0.735～1.221，平均值0.938。

流動砂丘風積細砂一般不具濕陷性，局部沙漠與洪積扇邊緣過渡帶，半固定砂丘、固定砂丘分布風積砂因粉粒及黏粒含量增加，未經浸水和壓實，含有易溶鹽，濕陷系數為0.02～0.06，濕陷性輕微～中等，濕陷深度一般在8m以內，一般為非自重濕陷性場地，濕陷等級為I（輕微）、II（中等）。壓縮系數a1-2=0.06～0.1MPa-1，低壓縮性。風積細砂抗剪C=1.1～13.5KPa，平均值6.2KPa；Φ=25°～31°，平均值28°。天然干密度越大，壓縮、濕陷變形也越小。

3.3風積砂邊坡及侵蝕問題

活動砂丘區分布沙漠區壟崗高地，多由連續分布或獨立的新月形砂丘鏈組成，砂丘相對高差3～6m，渠線局部通過段個別邊坡高達10～25m。砂質松散，受季節風向控制，風砂活動強烈，一般迎風坡自然坡度5°～15°，較緩，背風坡自然坡度28°～33°。

半固定砂丘區分布于沙漠邊緣與沖洪積平原的過渡帶，一般生長檉柳、紅柳、梭梭、駱駝刺、沙拐棗、堿蓬、仙人掌等，砂丘上的植物對流沙有一定的阻礙作用，耐風砂的襲擊和砂埋，“水漲船高”，形成了高大的灌叢砂堆（砂包），固定沙漠的活動，使沙漠逐步退化。一般高度3～6m，呈錐形，孤立或連片小砂丘。半固定砂丘隨植被連片覆蓋生長發育，在塘地及洪積扇邊緣，則向固定砂丘區轉變。

活動砂丘是形成沙塵暴、揚砂天氣的物質來源，冬春兩季多風，風的吹蝕作用使風積砂卷入沿線渠道內，淤積或掩埋渠道，影響渠道正常運行。灌區風的吹蝕破壞耕地土壤，影響作物的生長，風砂入渠問題較突出。

3.4凍脹問題

渠線沿線地下水位埋深較大，對基礎沒有影響，但特殊氣候環境使建筑物發生凍脹破壞，表現為渠道襯砌混凝土陰坡比陽坡破壞嚴重，產生鼓起、裂縫、頂托、坍塌等，影響渠道運行。

3.5滲透變形問題

渠線及灌區地下水位埋深大于60m,遠遠低于渠底，渠基土基及砂礫石、風積砂在天然狀態下沒有受到滲透水流的作用，不會發生滲透變形破壞。在渠道運行中，局部段襯砌防滲措施失效，引起渠道水滲漏，形成滲透水力坡降，可發生小規模的管涌、流土危害。

3.6土的液化問題

渠基砂壤土、粉質壤土、細砂從顆粒組成含量及相對密度符合VIII度區土的地震液化條件，但渠線及灌區地下水位埋深大于60m,渠基位于地下水位以上，地下水徑流排泄暢通，地基處于非飽和，天然地基渠基范圍內不會形成飽和層，因此不會發生砂土滲透液化和地震液化。

3.7泥石流問題

工程區干旱少雨，但沖溝中在秋季常暴發規模大小不等的泥石流，主要分布崖溝及南線方案通過沖溝中，大靖河的支流沖溝。在沙漠塘地局部洪水匯流也可能暴發規模大小不等的山洪。

3.8灌區地下水動態預測

黃花灘灌區地處內陸腹地，位于騰格里沙漠邊緣，全年降水量稀少，蒸發強烈。灌區地下水主要補給來源為灌溉水滲入，其次為大氣降水、雨、雪水滲入，地下徑流補給。無地表水資源，同時地下水埋深較大，水量有限，水資源比較匱乏。排泄主要為地面蒸發和植物蒸騰，人工開采灌溉、生活用水、畜牧飲用，地下徑流。目前灌區地下水位埋深一般為80～140m，水化學類型為SO4—Cl—Mg—Na型和Cl—SO4—Na—Ca型。在實施該項目前，周邊有零星農場和村莊，灌溉及生活水源靠開采地下水，隨著農場開墾耕地面積增大，居住村民逐漸增多，超量開采，區內地下水位總體呈下降趨勢，10年平均下降累計達到2～5m。

項目實施后，灌區科學合理規劃開發，選擇適宜節水的作物、林、飼草種植，發展高效節水農作物，生態環境逐步改善，合理確定地下水允許開采量，預測灌區總體地下水位會逐步抬升，水量增大，水質變好，但生活污水、非農業加工產品污水等直接排放滲入，局部地下水可能受到污染，水質變差或惡化。

3.9次生鹽漬化預測

灌區土壤分類采用土類—亞類—土屬三級分類制。灌區土壤分為2個土類，3個亞類，5個土屬。灌區主要土類為地帶性土壤灰鈣土和區域性土壤風砂土?；意}土亞類主要劃分為灰鈣土、灌耕灰鈣土。土壤風砂土亞類為荒漠風砂土。土屬分為自然灰鈣土、旱作灰鈣土、黃土性灌耕灰鈣土、半固定風砂土、流動風砂土。當土壤含鹽量超過一定數量（0.6%～1.0%），對植物生長構成危害，在組成相同情況下，土壤含鹽量越高，危害越大。灌區鹽漬化土鹽量分級，主要根據土壤含鹽量、鹽分成分和對作物危害劃分。灌區土壤鹽分成分以硫酸鹽和氯化物+硫酸鹽為主。根據土壤分析資料，自然灰鈣土腐殖質層易溶鹽含量平均為1.05g/kg，淀積層為1.78g/kg，底土層為2.14g/kg。旱作灰鈣土耕作層平均為0.49g/kg，心土層為2.17g/kg，底土層為2.10g/kg，土層中上部易溶鹽含量較低。灌耕灰鈣土耕作層平均為0.44g/kg，心土層為0.95g/kg，底土層為0.83g/kg。

灌區全為非鹽漬化土壤，非鹽堿地，地下水埋深大于80m，且土壤易溶鹽明顯有下移現象。灌區土壤含鹽量整體較低，透水性好，實施高效節水灌溉措施，控制地下水位的快速抬高，灌溉后灌區土壤一般不會產生次生鹽漬化。

3.10生態環境問題

項目區特殊地理位置和氣候環境，土地資源豐富，具有一定的開發潛力。但具有典型的干旱大陸性氣候，干旱少雨，蒸發量大，地表、地下水匱乏，生態環境脆弱，沙漠化愈加嚴重，沙塵暴頻繁，吞噬土地。項目實施，合理開發利用土地資源，遏制沙化南移，在騰格里沙漠南緣又形成了一道人工防護工程，灌溉土地、農田防護林、防風固沙林的實施，增加地下水的補給，人工綠洲形成，自然生態環境必將發生改觀，生態、環境、社會效益顯著。

4 項目實施中采取措施及方法

在項目可研、初設階段進行了深入的研究，實施中綜合采取主要措施如下：

（1）線路比選優化。黃花灘干渠北線方案全長30.78km，黃花灘干渠南線方案全長38.66km，2條線路其前段不同，進行比選，后段長9.03km工程地質條件相同，穿越活動砂丘、半固定砂丘及塘地，無比選。灌區支渠及分支渠線路相同無比選。南線方案，以明渠為主，改建南干渠一、二級泵站，南干3座渡槽，南二支渠7座渡槽、5座倒虹吸及壓力管道，新建一級泵站，主要工程地質問題為地基濕陷性問題、泥石流及沖刷問題、邊坡穩定性問題，建筑物多，南線方案較北線方案長7.88km。工程地質問題較北線方案復雜，地基處理措施相對北線方案復雜。北線方案建筑物比南線方案簡單，以明渠為主，4座渡槽，需跨民調渠，設二級泵站，主要工程地質問題為地基濕陷性問題，工程條件相對簡單，避開不良物理地質現象，地基處理措施相對南線方案簡單。經比選北線方案優于南線方案，實施中采用北線方案。

（2）干渠防滲及防凍脹措施。渠基為砂壤土、粉質壤土，夾細砂，渠道斷面和襯砌結構采用弧底梯形斷面，渠道內邊坡采用1：1.5。干渠基礎開挖至設計高程，原地基夯實，上部鋪設砂礫石墊層30cm，壓實干密度≥2.1g/cm3,細砂墊層5cm。渠道采用土工膜防滲，渠道襯砌表面采用M10砂漿砌C25混凝土板（邊坡厚8cm，弧底厚10cm），抗凍等級采用F50，抗滲等級采用W10，下鋪土工膜，二者之間設厚3cm的水泥砂漿找平層，渠口兩側采用30cm寬預制C25混凝土板壓頂。每8m設伸縮縫一道，止水材料采用聚氯乙烯膠泥和鋸末水泥。泵站引水建筑物（明渠、暗渠、渡槽、分水閘、前池、出水池）及廠房封閉圈以下部分抗凍等級為F200，封閉圈以上部分為F150。鎮墩、檢查井、閘閥井等為F150。廠房封閉圈、前池、出水池、分水閘確定混凝土抗滲等級為W6。砂壤土、粉質壤土擊實最大干密度1.72g/cm3，最優含水率15.5%。

（3）干渠通過活動砂丘區、沙漠區風積砂段，采用輸水管道，采用一根Φ1600～Φ2000mm的預應力混凝土管，埋管總長度16.33km，占北干渠總長53.4%。管槽管頂埋深不小于1.5m，采用開挖料夯填，管床地基采用換填1.0m厚的砂礫石墊層，換填層應分層回填夯實，壓實后砂礫石干密度≥2.1g/cm3，管區部分再夯填30cm厚砂礫石。管槽開挖邊坡比，邊坡高度<5m，1：1.5～1：1.75，邊坡高度>5m，1：1.75～1：2.5，每5m設置馬道。崖溝倒虹吸進出口，分布活動砂丘和半固定砂丘，地基換填砂礫石厚1.0m，壓實干密度≥2.1g/cm3，管身采用Φ2000mm預應力混凝土管暗埋。風積砂最優含水率為12～15%，最大干密度1.68～1.75g/cm3。

（4）一、二級泵站位于沙漠中，泵站主廠房基礎采用箱型基礎，對地基風積細砂采用換填1.0m厚的砂礫石墊層，換填層分層回填夯實，壓實后砂礫石干密度≥2.1g/cm3，砂礫石墊層上設10cm厚C25混凝土墊層，泵房底板厚0.8m，C25鋼筋混凝土澆筑。

（5）節水灌溉模式確定。經比選，適宜的田間節灌模式以管灌及大田滴灌為主，適度發展日光溫室。項目區糧食作物及種植玉米采用管道灌溉；對于渠旁經濟林，采用管道灌溉；無公害高原夏菜生產基地全部發展日光溫室，保障移民戶均1棚，增產增收；對于經濟林，采用大田滴灌節水技術，在節水的基礎上提高果品質量，達到提高水資源綜合利用效益的目的。灌區布置管灌3.44萬畝，大田滴灌4.18萬畝，日光溫室蔬菜1萬畝。

（6）科學管理。為保證工程安全和正常運行，充分發揮工程效益，必須進行正規化、制度化和現代化的管理，明確職責，建立科學的、切實可行的工程調度運行監測機制。管理體制要適應改革的不斷深入，要適應市場經濟的發展要求。項目實施后，隨時掌握、監控工程各建筑物和設備的工作狀態，以便及時發現問題，消除工程隱患。對管線沿線施工擾動地貌部分鋪草方格，設置砂障防護。建立環境監測、地下水動態、地下水與土壤的水鹽動態平衡、預防次生鹽漬化試驗觀測。

5 結語

黃花灘項目的實施，開發國土資源，遏制項目區北緣騰格里沙漠南移，工程區分布不同地貌單元，特殊地理及氣候環境，建筑物地基工程地質條件和水文條件差異較大，涉及工程地質問題較多。灌區項目運行后，隨著時間推移，水文地質環境條件可能發生變化，可能出現新的問題，需進一步跟蹤監測和研究。

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.07.018

TV22

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1672-2469(2014)07-0057-04

余侃柱（1965年—），男，高級工程師。