甘肅隴西與隴東地區馬蘭黃土工程地質特性分析研究

邊義成

(甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000)

甘肅省中東部地區馬蘭黃土覆蓋深厚、分布廣闊，前人采用孢粉學、古氣候學、化學分析及X射線等方法對該地區馬蘭黃土的礦物成分、物質組成、結構構造、成壤作用、形成原因等進行了廣泛研究，取得了豐碩成果。隨著近幾年西部大開發、一帶一路建設，黃土高原地區持續開發與治理對策就顯得更為舉足輕重。制約甘肅省中東部地區經濟發展的主要因素是缺水問題，國家為完成精準扶貧攻堅任務，已批準開工建設引洮供水工程和正在規劃白龍江引水兩項長距離調水工程，這兩項工程已列入國家“十三五”172項重點建設項目中。

由長江勘測規劃設計研究有限責任公司牽頭批準立項“水資源高效開發利用”重點專項“長距離調水工程建設與安全運行集成研究及應用”(項目編號：2016YFC0401800)，甘肅省水利水電水電勘測設計研究院為子課題(課題編號：2016YFC0401801)合作單位。兩項長距離調水工程耗資巨大，橫跨甘肅省隴西和隴東地區，馬蘭黃土為輸水渠道地基主要土體。目前通過大量室內土工試驗手段分析研究甘肅省隴西與隴東地區馬蘭黃土物理力學參數變化規律、參數間相關性和兩地區土體工程地質特性對比分析成果較少。為此，本著研究成果為工程建設服務的宗旨，通過試驗，充分研究馬蘭黃土工程特性，采用數理統計和回歸分析等手段系統地分析該地區馬蘭黃土物理力學性質，研究其工程地質特性的規律性，采取科學合理的工程措施對其不利特性加以改造，保證所建工程正常安全運營，同時對甘肅省中東部地區生態環境恢復、地質災害防治、水土流失治理及美麗鄉村治理等綠色發展理念項目建設提供有力的理論依據。

1 地質背景

甘肅省中東部地區民宅、廠房、高樓大廈以馬蘭黃土為地基，道路、橋梁、隧洞、水壩、渠道常要以此土層為介質和材料。分布于地表的馬蘭黃土與人類活動聯系緊密，其特殊的不利特性對工程建設影響較大。橫亙于甘肅中東部的六盤山呈南北向展布，將甘肅中東部地區分為東西兩部分，如圖1所示，以西為隴西黃土高原，海拔1500～2000m，地形破碎，多梁、峁、丘陵，主要包括甘肅蘭州、定西、白銀、天水，該地區分布黃土通稱隴西黃土；以東為隴東黃土高原，海拔800～1500m，除少數黃土殘塬外，大部分地區多為破碎的梁、峁、溝壑，主要包括甘肅平涼、慶陽，該地區分布黃土通稱隴東黃土。隴東與隴西馬蘭黃土分布于黃土高原表部，是在冰期干冷氣候條件下，土壤作用很弱時形成的風塵堆積，沉積于晚更新世(Q3)。風積馬蘭黃土(eolQ3)分布面積廣闊，經過長期地球外營力改造，分布范圍逐漸減小，分布區域支離破碎，現在主要分布于黃土塬、梁、峁頂部及其斜坡地帶，因其分布地域不同，顆粒組成、結構類型也不同，土體物理力學性質也存在差異。

表1 馬蘭黃土試驗數據

圖1 隴西黃土與隴東黃土分布區

隴西馬蘭黃土取樣324組，隴東馬蘭黃土取樣260組，均為原狀土樣，每種試驗重復次數見表1。

2 隴西馬蘭黃土工程地質特性

隴西馬蘭黃土主要分布于六盤山以西、烏梢嶺以東，渭河以北、黃河黑山峽以南范圍內的梁、峁、丘陵及斷陷盆地中，如圖1所示，分布范圍廣，厚度變化各異，一般厚度5～30m，局部可達50m左右，淺灰黃色，質地均勻，結構疏松，具大孔隙，垂直節理發育。在黃土梁、峁頂部及斷陷盆地中部厚度較大，多達10～30m，溝谷斜坡地帶厚度小，多為5～10m，隴西馬蘭黃土典型地質剖面圖如圖2所示。

圖2 隴西馬蘭黃土典型地質剖面圖

2.1 粒度成分

隴西馬蘭黃土砂粒含量1%～45%，平均值15.2%；粉粒含量41%～80.9%，平均值67%；黏粒含量4.3%～36.7%，平均值17.8%。粒度成分含量統計見表2。

表2 隴西馬蘭黃土粒度成分

2.2 物理特性

隴西馬蘭黃土天然條件下含水量少，土體常處于堅硬或硬塑狀態，孔隙較大，膨脹性較小，崩解速度快，弱～微透水，垂直向滲透性略大于水平向。天然狀態下土體中的含水量隨深度增大而增加，干密度亦隨深度增大而增大，孔隙比隨深度增大而減小。

根據321組隴西馬蘭黃土原狀樣試驗成果，統計分析主要物理性質，見表3，土體天然含水量5.1%～25.8%，平均值在10%～18%之間變化；天然密度1.25～1.72g/cm3，平均值在1.38～1.54g/cm3之間變化；干密度1.10～1.45g/cm3，平均值在1.22～1.34g/cm3之間變化；孔隙比0.87～1.46，平均值在1.03～1.23之間變化；塑性指數8～17.5，平均值在10.92～13.67；液性指數為-1.89～0.28，平均值在-0.14～-0.72之間變化；滲透系數垂直向(0.26～506)×10-6cm/s，平均值在(5.65～275.5)×10-6cm/s之間變化，水平向(0.36～506)×10-6cm/s，平均值在(5.49～279.79)×10-6cm/s之間變化。

2.3 力學特性

隴西馬蘭黃土天然狀態下具中～高壓縮性、中～強濕陷性，屬自重濕陷性黃土，工程地質性質不良。黃土濕陷性地層表部土體最大，隨深度有減小趨勢,但變化緩慢，濕陷起始壓力隨深度增大趨勢較明顯，至馬蘭黃土底部最大。土體主要力學性質統計見表4，壓縮系數0.10～1.937，平均值在0.20～0.93之間變化；濕陷系數0.017～0.168，平均值在0.05～0.11MPa之間變化；自重濕陷系數0.012～0.155，平均值在0.03～0.08之間變化；天然狀態下黏聚力5.7～92.2kPa，平均值在20.83～46.71kPa之間變化，內摩擦角16.9°～33.6°，平均值在23°～29.12°之間變化；飽和狀態下黏聚力0.9～46.8kPa，平均值在3.87～19.51kPa之間變化，內摩擦角7.3°～26.4°，平均值在12.48°～21.63°之間變化。

表3 隴西馬蘭黃土物理性質統計表

表4 隴西馬蘭黃土力學性質統計表

2.3.1 濕陷性與天然含水量和孔隙比關系

隴西馬蘭黃土天然狀態下濕陷性大小隨深度、含水量及密實度增大而減小，繪制濕陷系數與天然含水量、孔隙比散點圖，如圖3、4所示。從圖中看出濕陷系數與天然含水量大小成反比關系，與孔隙比大小成正比關系，濕陷系數隨天然含量減小而增大，隨孔隙比增大而增大。

圖3 隴西馬蘭黃土濕陷系數δs與天然含水量ω散點圖

圖4 隴西馬蘭黃土濕陷系數δs與孔隙比e散點圖

按照數理統計方法，采用最小二乘法對濕陷系數δs與天然含水量ω和孔隙比e進行線性回歸分析，建立了經驗公式(1)、(2)。

δs=-0.006ω+0.171

(1)

r=0.7 230組數據

δs=0.162e-0.113

(2)

r=0.6 236組數據

2.3.2 飽和與天然狀態抗剪強度關系

隴西馬蘭黃土在天然和飽和狀態下黏聚力或內摩擦角也存在正比關系，天然狀態下黏聚力或內摩擦角越高，飽和狀態下黏聚力或內摩擦角亦越高。

繪制天然和飽和狀態下黏聚力或內摩擦角散點圖，如圖5、6所示。采用最小二乘法對天然和飽和狀態下黏聚力c或內摩擦角φ進行線性回歸分析，建立了經驗公式(3)、(4)。

圖5 隴西馬蘭黃土黏聚力C飽和與C天然散點圖

圖6 隴西馬蘭黃土內摩擦角φ飽和與φ天然散點圖

(3)

r=0.81 166組數據

φ飽和=0.747φ天然-2.315

(4)

r=0.63 188組數據

3 隴東馬蘭黃土工程地質特性

隴東馬蘭黃土主要分布于六盤山以東、子午嶺以西，環江與苦水河分水嶺以南，渭河谷地以北范圍內黃土塬、梁、峁頂部及溝谷斜坡地帶(如圖1所示)，一般厚度5～15m，局部達20m，可塑～堅硬，土質均一，具垂直節理和大孔隙。在較完整、寬廣的黃土塬上，一般分布于第一層古土壤層以上，層位穩定，多呈水平狀展布，一般厚度10～12m；在塬邊或梁、峁、斜坡地帶分布較薄，一般厚度5～10m，如圖7所示。

圖7 隴東馬蘭黃土典型剖面圖

3.1 粒度成分

隴東馬蘭黃土中砂粒含量1%～15%，平均值6.7%；粉粒含量61.8%～85.8%，平均值72.5%；黏粒含量11.2%～34.8%，平均值20.8%。粒度成分統計見表5。

表5 隴東馬蘭黃土粒度成分

3.2 物理特性

隴東馬蘭黃土天然條件下含水量較少，土體常處于硬塑狀態，孔隙較大，膨脹性較小，崩解速度快，弱～微透水，垂直向滲透性略大于水平向。天然狀態下土體中含水量隨深度增大而增加，干密度亦隨深度增大而增大，孔隙比隨深度增大而減小。

根據260組隴東馬蘭黃土原狀樣試驗成果，統計分析主要物理性質，見表6，土體天然含水量8.1%～30.2%，平均值在13.71%～21.01%之間變化；天然密度1.33～1.84g/cm3，平均值在1.46～1.62g/cm3之間變化；干密度1.19～1.49g/cm3，平均值在1.26～1.35g/cm3之間變化；孔隙比0.66～1.27，平均值在0.98～1.15之間變化；塑性指數8.9～18，平均值在11.98～14.56；液性指數-0.92～0.71，平均值在-0.44～0.06之間變化；滲透系數垂直向(2～269)×10-6cm/s，平均值在(9.43～62.05)×10-6cm/s之間變化，水平向(1.1～248)×10-6cm/s，平均值在(7.8～54.07)×10-6cm/s之間變化。

表6 隴東馬蘭黃土物理性質統計表

表7 隴東馬蘭黃土力學性質統計表

3.3 力學特性

隴東馬蘭黃土天然狀態下具中～高壓縮性、中～強濕陷性土，屬自重濕陷性黃土，工程地質性質不良。土體力學性質統計見表7。濕陷性隨深度先增強后減弱，但變化緩慢，濕陷起始壓力隨深度增大趨勢先慢后快。一般馬蘭黃土在埋深5m附近濕陷系數最大，濕陷性最強，埋深在馬蘭黃土底部、第一層古土壤以上附近濕陷性最小，濕陷起始壓力達最大。土體壓縮系數0.105～1.988，平均值在0.276～1.223之間變化；濕陷系數0.019～0.120，平均值在0.04～0.07MPa之間變化；自重濕陷系數0.013～0.10，平均值在0.02～0.04之間變化；天然狀態下黏聚力7.4～94.9kPa，平均值在27.5～51.74kPa之間變化，內摩擦角18°～26.5°，平均值在20.92°～23.90°之間變化；飽和狀態下黏聚力1.2～35.9kPa，平均值在7.65～16.24kPa之間變化，內摩擦角9.0°～17.8°，平均值在11.25°～13.89°之間變化；擊實后最大干密度1.65～1.77g/cm3。

(1)濕陷性與天然含水量和孔隙比關系

隴東馬蘭黃土天然狀態下濕陷性大小隨深度、含水量及密實度增大而減小，繪制濕陷系數與天然含水量、孔隙比散點圖，如圖8、9所示。

按照數理統計方法，采用最小二乘法對隴東馬蘭黃土濕陷系數δs與天然含水量ω%和孔隙比e進行線性回歸分析，建立了經驗公式(5)、(6)。

圖8 隴東馬蘭黃土濕陷系數δs與天然含水量ω%散點圖

圖9 隴東馬蘭黃土濕陷系數δs與孔隙比e散點圖

(5)

r=0.6 138組數據

δs=0.126e-0.094

(6)

r=0.63 150組數據

(2)飽和狀態與天然狀態抗剪強度關系

隴東馬蘭黃土在天然和飽和狀態下黏聚力或內摩擦角也存在正比關系。繪制天然和飽和狀態下黏聚力或內摩擦角散點圖，如圖10、11所示。采用最小二乘法對天然和飽和狀態下黏聚力c或內摩擦角φ進行線性回歸分析，建立了經驗回歸方程(7)和(8)。

C飽和=0.236C天然+2.533

(7)

r=0.61 158組數據

φ飽和=0.195φ天然+7.773

(8)

r=0.62 178組數據

圖10 隴東馬蘭黃土黏聚力C飽和與C天然散點圖

圖11 隴西馬蘭黃土內摩擦角φ飽和與φ天然散點圖

4 隴東與隴西馬蘭黃土工程地質特性差異

隴西與隴東馬蘭黃土工程地質特性對比見表8。從表8粒度成分分析看，隴西馬蘭黃土比隴東馬蘭黃土顆粒粗糙，砂粒含量高，粉、粒含量低。隴西馬蘭黃土砂粒含量比隴東馬蘭黃土高8.5%(數據按平均值計，以下類同)，粉、黏粒含量分別低5.5%和3%。這也說明了馬蘭黃土是由粉塵物質在風力搬運營力作用下由西向東堆積的，在強烈隆起的六盤山阻隔下，粉塵物質中粗顆粒在自重作用下先落下堆積，細顆粒繼續向東運移，再次在子午嶺阻擋下，次粗的土粒再繼續下落堆積。

從表8物理性質分析看，隴西馬蘭黃土比隴東馬蘭黃土干燥、松散、密實度差、飽水程度差、可塑性強、堅硬程度高、膨脹性小、崩解速度快、透水性強。隴西馬蘭黃土比隴東馬蘭黃土天然含水量一般低2.56%，干密度低0.02g/cm3，飽和度低5.74%，孔隙率高1.21%，孔隙比高0.05，塑性指數高5.61，液性指數低0.22。

從表8力學性質分析看，隴西馬蘭黃土比隴東馬蘭黃土難于壓縮、易于濕陷；隴東馬蘭黃土比隴西馬蘭黃土土體抗剪性易受地下水影響，土體飽和后抗剪強度降低快，水穩定性差；隴西與隴東馬蘭黃土土體擊實性相近，最優含水量與最大干密度基本一致。隴西馬蘭黃土比隴東馬蘭黃土壓縮系數一般低0.23MPa-1，壓縮模量高3.37MPa，濕陷系數高0.028，濕陷起始壓力低34.65kPa，天然狀態下內摩擦角高3.35°，黏聚力低8.54kPa；飽和狀態下內摩擦角高4.85°，黏聚力低1.45kPa。

表8 隴西與隴東馬蘭黃土工程地質特性對比表

5 對未來研究的展望

隨著甘肅隴西與隴東地區大型水利工程不斷興建，生態保護理念不斷增強，給馬蘭黃土工程特性的研究提出一系列新的課題，如何利用這一動力推動甘肅省隴西與隴東地區馬蘭黃土工程特性研究發展，筆者認為：

(1)進一步探索馬蘭黃土土體定量化的有效參數以及這一參數的廣泛應用；如何在工程中充分利用馬蘭黃土工程特性中有利的一面。

(2)抓住馬蘭黃土濕陷性，繼續研究能描述黃土水作用過程和結果的簡單易行的數學模型。

(3)提高測試水平和加大現場原位觀測仍將是黃土工程特性研究的基礎。

(4)根據馬蘭黃土特性和本質規律，研究新的工程處理措施。

(5)總結和應用馬蘭黃土地區工程建設的成功經驗，少走彎路減少失誤。

6 結論

(1)隴西馬蘭黃土砂粒含量比隴東馬蘭黃土高8.5%，粉、黏粒含量分別低5.5%和3%；一般天然含水量低2.56%，干密度低0.02g/cm3，飽和度低5.74%，孔隙率高1.21%，孔隙比高0.05，塑性指數高5.61，液性指數低0.22。

(2)隴西馬蘭黃土比隴東馬蘭黃土一般壓縮系數低0.23MPa-1，壓縮模量高3.37MPa，濕陷系數高0.028，濕陷起始壓力低34.65kPa，天然狀態下內摩擦角高3.35°，黏聚力低8.54kPa；飽和狀態下內摩擦角高4.85°，黏聚力低1.45kPa。

(3)隴西馬蘭黃土比隴東馬蘭黃土顆粒粗糙，砂粒含量高，粉、粒含量低；土質干燥、土體松散、密實度差、飽水程度差、可塑性強、堅硬程度高、膨脹性小、崩解速度快、透水性強；隴西馬蘭黃土比隴東馬蘭黃土難于壓縮、易于濕陷；隴東馬蘭黃土比隴西馬蘭黃土土體抗剪性易受地下水影響，土體飽和后抗剪強度降低快，水穩定性差。