府谷縣皇甫川防洪工程地質探析

尚艷娥，王功成

（1.陜西省府谷縣水利水保工作隊，陜西 府谷 719400；2.陜西省府谷縣皇甫川流域治理指揮部辦公室，陜西 府谷 719400）

0 引言

皇甫川流域位于黃河中游河口鎮至龍門區間的右岸上段，規劃建設的府谷縣皇甫川防洪工程，位于皇甫川中下游河漫灘上，地貌上屬皇甫川河谷地貌，該段河床寬度3.0 m～35.0 m，谷底一般寬度520.0 m～950.0 m，河谷寬闊，呈“U”型。該段河谷兩岸下部多為基巖斜坡，基巖局部裸露，上部為黃土梁峁區前緣斜坡，地形較破碎。河床兩岸以河漫灘為主，局部地段分布有一、二級階地地貌，其中河漫灘一般高出河床0.2 m～3.0 m，上部堆積細砂，下部為砂礫石。要確保工程安全建設，需對工程區進行分析評價。

1 工程地質分析

1.1 區域地質

工程區地形總體趨勢是西北高東南低。區內地貌單元以侵蝕-剝蝕黃土梁卯、中低山及河谷堆積階地地貌單元為主。河谷兩岸斜坡下部有基巖出露，巖性為砂巖及砂質泥巖互層，巖層產狀：330°～20°∠3°～8°，傾角較平緩，一般小于10°，未見斷層發育，僅發育兩組高傾角裂隙及一組層面裂隙，地質構造對堤防工程無影響。根據《中國地震動峰值加速度區劃圖》（GB18306－2015）標準及國標1號修改單，本區地震動峰值加速度為0.05 g，地震動反應譜特征周期為0.45 s，相應的地震基本烈度Ⅵ度。

1.2 水文地質

工程區地下水補給主要來源為大氣降水，地下水類型主要為第四系松散層孔隙潛水和基巖裂隙水兩種?；鶐r裂隙水賦存于風化巖體及構造裂隙中，以滲流及下降泉形式排泄于河谷；第四系松散層孔隙潛水賦存于細砂、砂礫石、礫石層中，分布于河谷漫灘及階地內，以潛流形式排泄于下游河谷，屬中等富水帶。

擬建堤防沿線的地下水位埋深為0.3 m～5.8 m，地下水位高程為896.0 m～905.8 m。根據野外地質調查，工程區地下水位的年季節性變化幅度為1.0 m～2.0 m。堤防擋水后堤基與堤內相關地段水文地質條件無大的變化。本次勘察分別對皇甫川河水及左岸地下水各取水樣一組，室內進行水化學分析。由試驗成果可知，前西灣至柳樹沙段河水及右岸地下水的化學類型均為HCO3--SO42--Ca2+型水，環境水對砼無腐蝕性，對砼中的鋼筋具有微腐蝕性，對鋼結構具有弱腐蝕性。

1.3 河床沖積物特征

府谷縣十里長川前西灣至柳樹沙段防洪工程沿線位于皇甫川河漫灘及一級階地上，河床地層是以第四系全新統沖洪積細砂及砂礫石為主。其顆粒分試驗曲線見圖1。

十里長川堤防漫灘表層沖積物為細砂，室內定名為級配不良砂，有效粒徑d10=0.076 mm，平均粒徑d50=0.20 mm；沖刷粒徑d15=0.085 mm，不沖粒徑d85=0.45 mm。河漫灘下部沖積物以第四系全新統沖洪積砂礫石為主，室內定名為含細粒土礫，沖積物的含礫率為63.7%，含砂率為30.7%，磨圓度一般，呈次棱角～扁圓狀，有效粒徑d10=0.117 mm，平均粒徑d50=7.65 mm。

圖1 河漫灘砂礫石的顆粒大小平均分配曲線圖

根據野外調查及訪問，現代河床平直段沖刷深度一般為1.6 m～2.0 m，頂沖段最大沖刷深度可達2.3 m～2.5 m。建議細砂的允許不沖刷流速V0=0.3 m/s～0.4 m/s；砂礫石的允許不沖刷流速V0=0.9 m/s～1.2 m/s；堤防基礎埋置深度2.0 m（平直段）～2.5 m（頂沖段）。

2 地基工程地質問題評價

2.1 地質簡況

擬建的皇甫川堤防位于皇甫川左岸，堤防沿線位于皇甫川河漫灘及一級階地上，擬建的麻鎮前西灣至柳樹沙段堤防位于皇甫川左岸，設計規劃樁號L0+000～L3+114，僅L0+417～L1+031.7 m段為已成堤防加固段，其余各段均為新建堤防。

2.2 河流沖刷

皇甫川匯流面積較大，流量變化大。由于河流流經區域多以易風化的砂巖、砂質泥巖為主，河流推移質主要以小粒徑沖洪積細砂和礫石為主，破壞能力較弱。根據本次勘察對河床堆積砂礫石層的取樣試驗成果，結合皇甫川實際流量、流速等參數，建議治理河段河床砂礫石層的不沖刷流速V0=0.9 m/s～1.2 m/s，細砂層的不沖刷流速V0=0.3 m/s～0.4 m/s，河床平直段沖刷深度一般為1.6 m～2.0 m，頂沖段最大沖刷深度2.3 m～2.5 m。

2.3 岸坡穩定性

擬建堤防主要位于皇甫川河漫灘后緣及一級階地前緣，總體而言，堤防內、外側高程差別不大，地形較平坦開闊，天然狀態下不存在岸坡穩定問題。但L1+031.7～L1+162.9、L1+476～L1+625及L2+833.4～L3+089段堤防距離河漫灘前緣陡坎僅0 m～15 m，由于河床下切嚴重，堤防內側河床高程與外側河漫灘高程有明顯差別，高差1.5 m～3.5 m，可能存在岸坡沖蝕坍塌現象，加之堤基土為抗沖刷能力較差的細砂及砂礫石層等，在平水期，特別是洪水期，河水對岸坡及坡腳沖涮掏蝕破壞嚴重，極易引起塌岸，危及堤防安全，建議在修建堤防的同時，應對前緣陡坎進行防護處理，并加深地基設置深度或采取其它抗沖刷措施，以減弱河水對堤腳及防護工程的沖刷破壞。

2.4 滲透穩定性

擬建堤防地基主要為細砂、砂礫石及礫石層，其中河漫灘細砂一般厚度0.3 m～1.0 m，較連續，不均勻系數Cu=3.4，曲率系數Cc=0.86；一級階地細砂一般厚度0.6 m～3.5 m，較連續，不均勻系數Cu=3.3，曲率系數Cc=0.94。根據（SL188-2005）附錄D，D.0.1條判定細砂的破壞類型為流土型。

河漫灘砂礫石的厚度2.8 m～4.5 m，不均勻系數Cu=121.4，曲率系數Cc=0.28，級配不連續；一級階地礫石層的厚度1.6 m～3.1 m，不均勻系數Cu=131.3，曲率系數Cc=0.28，級配不連續。根據《堤防工程地質勘察規范》SL188-2005附錄D判別如下：

式中：ρd為干密度，g/cm3；ds為相對密度；ρ為濕密度，g/cm3；w 為含水量，%。

經計算，河漫灘砂礫石的孔隙率n=25.9%，d10=0.117 mm，d70=20.3 mm，df==1.53 mm，砂礫石的Pc含量為33.1%，Pc＜1/｛4×(1-n)｝×100%=33.7%，判定為管涌。一級階地礫石層的孔隙率n=22.7%，d10=0.128 mm，d70=20.6 mm，df=1.62 mm，礫石層的Pc含量為31.9%，Pc＜1/｛4×(1-n)｝×100%=32.3%，亦判定為管涌。

由以上判定可知地基細砂、砂礫石及礫石層，在洪水過程中，防洪堤內外側形成水位差，堤基土易發生滲透破壞，其中細砂破壞類型為流土型，允許水力坡降J允許=0.20～0.23；砂礫石及礫石層的破壞類型為管涌型，允許水力坡降J允許=0.12～0.15。建議設計采取合理的堤防斷面尺寸，確保堤基滲透穩定。

上部細砂及下部砂礫石接觸面由于粒徑的差異，滲透流速差異較大，沿接觸面帶走細粒而形成接觸沖刷。依據（SL188-2005）規程附錄D判定如下：

當D10/d10＜10時，不會發生接觸沖刷，其中d10為細粒的有效粒徑，mm；D10為粗粒的有效粒徑，mm。

經計算，皇甫川麻鎮段河漫灘的D10/d10=0.117/0.076=1.54；一級階地的D10/d10=0.128/0.085=1.51，均不易發生接觸沖刷。2.5 砂土的地震液化

工程區地震基本地震烈度為Ⅵ度，根據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010），“飽和砂土和飽和粉土(不含黃土)的液化判別和地基處理6度時一般情況下可不進行判別和處理”的規定，場地可以不考慮地基砂土液化影響。因此堤基不存在液化問題。

2.6 地基土的濕陷性

堤基地層為無粘性土，不具濕陷性，可不考慮地基濕陷影響。

2.7 地基工程地質綜合評價及處理措施

各堤防地基分段評價如下：

（1）L0+000～L0+197、L1+031.7～L1+162.9、L1+476～L2+810及、L2+833.4～L3+089段：堤基位于一級階地上，地基上部為細砂，稍密～中密，允許不沖刷流速Vo=0.3 m/s～0.5 m/s，承載力標準值fk=120 kPa；中部為礫石層，稍密～中密，允許不沖刷流速Vo=1.0 m/s～1.3 m/s，承載力標準值fk=260 kPa；下伏砂巖及砂質泥巖互層，強風化巖體承載力標準值fk=260 kPa，弱風化巖體承載力標準值fk=800 kPa。該段不存在液化問題，但細砂及礫石層易產生滲透破壞，另外細砂及礫石層抗沖刷能力較差，洪水期河水易對堤腳形成沖刷破壞，建議迎水坡堤腳采取抗沖刷措施，抗沖基礎置于礫石層中下部或強風化基巖上，基礎埋置于深弘線以下2.5 m～3.0 m，以減弱河水對堤腳的沖刷破壞作用。

（2）L0+197～L0+417、L1+162.9～L1+476及 L2+810～L2+833.4段：堤基位于河漫灘上，地基上部為細砂，松散～稍密，允許不沖刷流速Vo=0.3m/s～0.4m/s，承載力標準值fk=100 kPa；中部為砂礫石，稍密～中密，允許不沖刷流速Vo=0.9m/s～1.2m/s，承載力標準值fk=240 kPa；下伏砂巖及砂質泥巖互層，強風化巖體承載力標準值fk=260kPa，弱風化巖體承載力標準值fk=800kPa。該段不存在液化問題，但細砂及砂礫石易產生滲透破壞，另外細砂及砂礫石層抗沖刷能力較差，洪水期河水易對堤腳形成沖刷破壞，建議迎水坡堤腳采取抗沖刷措施，抗沖基礎置于砂礫石層中下部或強風化巖體上，且基礎埋置于深弘線以下2.5 m～3.0 m，以減弱河水對堤腳的沖刷破壞作用。

（3）L0+417～L0+961.3段：堤基位于河漫灘上，地基上部為人工堆積素填土，成分以中細砂、礫石為主，松散～中密，允許不沖刷流速Vo=0.6 m/s～0.8 m/s，承載力標準值fk=140 kPa；中部為砂礫石，稍密～中密，允許不沖刷流速Vo=0.9 m/s～1.2 m/s，承載力標準值fk=240 kPa；下伏砂巖及砂質泥巖互層，強風化巖體承載力標準值fk=260 kPa，弱風化巖體承載力標準值fk=800 kPa。該段不存在液化問題，但砂礫石易產生滲透破壞，另外砂礫石層抗沖刷能力較差，洪水期河水易對堤腳形成沖刷破壞，建議迎水坡堤腳采取抗沖刷措施，抗沖基礎置于砂礫石層中下部或強風化巖體上，且基礎埋置于深弘線以下2.5 m～3.0 m，以減弱河水對堤腳的沖刷破壞作用。

（4）L0+961.3～L1+031.7段：堤基位于一級階地上。地基表層為人工堆積素填土，成分以中細砂、礫石為主，松散～中密，允許不沖刷流速Vo=0.6 m/s～0.8 m/s，承載力標準值fk=140 kPa；上部為細砂，稍密～中密，允許不沖刷流速Vo=0.3 m/s～0.5 m/s，承載力標準值fk=120 kPa；中部為礫石層，稍密～中密，允許不沖刷流速Vo=1.0 m/s～1.3 m/s，承載力標準值fk=260 kPa；下伏砂巖及砂質泥巖互層，強風化巖體承載力標準值fk=260 kPa，弱風化巖體承載力標準值fk=800 kPa。該段不存在液化問題，但細砂及礫石層易產生滲透破壞，另外細砂及礫石層抗沖刷能力較差，洪水期河水易對堤腳形成沖刷破壞，建議迎水坡堤腳采取抗沖刷措施，抗沖基礎置于礫石層中下部或強風化基巖上，基礎埋置于深弘線以下2.5 m～3.0 m，以減弱河水對堤腳的沖刷破壞作用。

3 結論及建議

3.1 結論

（1）工程區屬構造相對穩定區，相應的地震基本烈度Ⅵ度。

（2）工程區地下水類型主要為第四系松散層孔隙潛水及基巖裂隙水，河谷兩岸地下水位高于河水，對鋼結構具弱腐蝕性。

（3）堤基以細砂及砂礫石、礫石層為主，抗沖刷能力較差，建議平直段沖刷深度可按1.6 m～2.0 m考慮，在強側蝕段及迎流頂沖段沖刷深度可按2.3 m～2.5 m考慮。

（4）沿線堤基不存在液化問題，但存在滲透穩定問題，細砂及礫石易產生流土及管涌，且抗沖刷能力較差，洪水期河水易對堤腳形成沖刷破壞，建議迎水坡堤腳采取抗沖刷措施。

3.2 建議

（1）在施工過程中，如遇地下水，應做好排水工作。

（2）由于河床下切嚴重，可能存在岸坡沖蝕坍塌現象，危及堤防安全，建議在修建堤防的同時，對前緣陡坎進行防護處理。