某河段生態治理工程地質條件分析評價

張保富

(甘肅省張掖市臨澤縣水務局，甘肅 張掖 734200)

張掖市祁連山(黑河流域)山水林田湖草生態保護修復項目黑河城區段2019年生態治理工程位于甘肅省張掖市甘州區[1- 3]。治理河道長度2.2km，范圍為黑干22+974(濱河新區黑河大橋下游約800m處)～25+174m。

工程對原有河道進行疏浚，疏浚后中央主河槽滿足設計行洪要求；沿疏浚后河道左、右岸坡擬建駁岸，保障河道行洪能力；河底擬建固床潛壩，防止河床下切[1- 3]。可研階段工程地質勘察目的及任務主要為：

(1)調查收集區域地質及地震活動資料，評價工程區的區域構造穩定性，提出工程區地震烈度及地震動參數。

(2)基本查明河道疏浚地段河勢穩定狀況、河床的沖淤變化，并對岸坡、灘地等的穩定性進行初步評價[4- 5]。

(3)基本查明治理段土層成因類型、分布規律、埋藏條件等情況[4- 5]。

(4)基本查明地下水的分布、類型、水質及含水透水層、相對隔水層的分布、性質等，評價對工程的影響。

(5)基本查明各巖土層物理力學性質，初步提出各土(巖)層的物理力學參數；評價建筑物場地地基承載力、滲透穩定和邊坡穩定性等[4- 5]。

1 地質概況

1.1 地形地貌

工程區位于河西走廊中段張掖盆地中南部，系祁連山與龍首山之間狹長凹陷山間盆地[6]。黑河生態治理段屬黑河沖洪積傾斜平原中段，高程1551～1525m，地形平坦開闊，地勢南高北低。河床寬淺、多灘，屬游蕩型河道，河床總寬330～710m，平均縱向比降0.72%，該段河道兩岸無階地發育。

1.2 地層巖性

工程區及其附近出露的地層主要為第四系沖洪積成因堆積物，分布廣泛、厚度大，自上而下粒度由粗變細，與工程有關的主要為第四系地層，按其成因類型從老至新簡述如下：

1.3 區域地質構造與地震

工程區位于祁連山與龍首山之間的張掖凹陷帶。南面以祁連山前深大斷裂為界，北面以龍首山前深大斷裂為界，南北兩側的深大斷裂控制著盆地諸小構造[6]。工程區內無斷裂構造及褶皺，亦未發現第四系以來的褶曲斷裂和繼承性活動斷裂，但遠場區南部祁連山前大斷裂晚近期新構造運動形跡較為明顯，其形式為間歇性垂直升降運動，主要表現為南部祁連山隆起上升，張掖盆地相對凹陷，沿盆地邊緣多次發生強震[6]。

工程區地震動峰值加速度為0.15g，地震動反應譜特征周期為0.45s，相應地震基本烈度Ⅶ度，區域構造穩定性較差[4- 6]。

1.4 不良物理地質現象

工程區位于黑河沖洪積傾斜平原中部，地勢開闊較平坦，黑河為淺灘形河床，受兩岸防洪堤約束，治理段現代河床寬330～710m，河流游蕩，無滑坡、泥石流等，洪水的沖刷、側蝕和掏蝕較嚴重。

1.5 水文地質條件

工程區屬于典型的大陸性干旱氣候區。根據張掖市氣象站1971—2009年氣象要素統計，多年平均降水量為132.6mm，降水量年內主要集中在6—9月，占全年降水量的74%，多年平均蒸發量為1796.7mm，工程區最大凍土深150cm。工程區地表水較為豐富，主要來自黑河。

工程區地下水為第四系松散層孔隙潛水，主要賦存于黑河河床、河漫灘沖洪積砂卵石層中，分布范圍廣，含水層厚度大，滲透系數為(0.9～2.2)×10-2cm/s，屬中等-強透水性，據探坑揭露及機井調查，擬建駁岸段地下水位埋深大于15m，對工程無影響；地下水受黑河河水及大氣降水的補給，黑河地表水滲入補給地下水形式為帶狀垂直入滲補給。

2 工程地質條件分析及評價

2.1 河床穩定性

治理河流總體流向NE35°，河流游蕩，汊流發育，多灘，平水期河水面寬30～50m，水面高程1526.4～1540.9m，水深0.5～1.8m。其穩定性從以下幾個方面進行分析。

(1)河床邊界條件：黑河治理段均由河漫灘砂卵礫石構成的土質岸坡，岸坡抗沖刷能力弱，對河流約束力低，在河水特別是洪水的沖蝕、側蝕、淘蝕下，岸坡易產生坍塌后退，易造成河岸線頻繁變化。

(2)河床穩定性：現代河床寬330～710m，河床平均縱坡比為0.72%，縱坡較穩定，河流游蕩，汊流和河灘發育，河心灘高出河床一般1～2m。河床物質組成巖性為砂卵礫石，根據地基土顆分試驗結果(見表1)：漂石(>200mm)質量分數4.0%～8.54%，平均值為6.08%，卵石(60～200mm)質量分數26.22%～36.02%，平均值為30.35%，礫石(2～60mm)質量分數44.93%～55.55%，平均值為49.16%，砂(2～0.075mm)質量分數9.73%～20.16%，平均值為13.04%，粉黏粒(≤0.075mm)質量分數0.49%～2.21%，平均值為1.37%，平均粒徑(d50)為34.2～53.25mm，平均值為41.0mm。由此可見，河床從上游至下游，漂石、卵石含量有所減少，砂和礫石含量相應的有所增加。根據河床形態和河床物質組成，河床的縱向和橫向穩定性均較差，從上游至下游河床物質抗沖刷能力減弱，造成河道主水流偏移，是河道變遷的主要原因。

表1 地基土顆分試驗結果

根據野外測繪及調查：黑河中心樁號黑甘16+970以前黑河主流靠近右岸，該段沖刷深度1.5～1.8m，河流向右擺動強烈，右岸沖刷側蝕和掏蝕較左岸強烈，因此，本段應加強右岸防沖處理措施；黑河中心樁號黑甘16+970以后黑河主流靠近左岸，河流向左擺動劇烈，河流對左岸岸坡基礎沖刷、側蝕較嚴重，沖刷深度1.6～1.9m，因此，本段應加強對左岸防沖措施。

(3)人類活動的影響：治理段河道前期采砂取料現象較為嚴重，且無序開采，導致河流水力條件變化劇烈，加劇了局部河流的沖刷。

綜上所述，受多種因素的控制，黑河治理段河床穩定性差，屬游蕩型河流，河道疏窄后，洪水的沖刷、側蝕以及掏蝕增強，需對河床采取固床、拋石護腳等防沖措施。

2.2 土體物理力學性質及參數選擇

(1)土體的物理力學性質

砂卵礫石主要由礫石、卵石組成，其次為砂和漂石以及少量泥質，礫、卵、漂石成分主要為花崗巖、變質砂巖、砂巖等硬質巖，磨圓度較好，無膠結。根據砂卵礫石物理力學試驗結果(見表1—2)：特征粒徑(d85)為122.46～152.55mm，平均值為135.87mm，平均粒徑(d50)為34.2～53.25mm，平均值為41.0mm，不均勻系數(Cu)為50.25～232.33，平均值為114.31，曲率系數(Cc)為4.88～17.45，平均值為10.99，總體屬級配不良，顆分定名為卵石混合土(SICb)。天然密度2.08～2.12g/cm3，最大干密度2.25～2.32g/cm3，飽和內摩擦角φ值34°09′～34°51′，相對密度0.42～0.63，屬中密狀態，工程地質特性較好，可作為建筑物基礎持力層。

(2)土體的滲透性和滲透變形判別

砂卵礫石不均勻系數(Cu)為50.25～232.33大于5，曲率系數(Cc)為4.88～17.45，砂卵礫石級配不連續。按照SL 188—2005《堤防工程地質勘察規程》附錄D《土的滲透變形判別》的條款[8]，求得df=2.35mm，在顆分曲線(圖略)上查出Pc=15.7%，可知Pc<25%，即砂卵礫石的滲透變形類型為管涌型。

由室內擾動樣的滲透變形試驗獲得的臨界水力比降Jkp為0.44～0.53，2級堤防安全系數取2.0，經計算允許水力比降J為0.22～0.26。結合本工程實際情況，依據SL 188—2005，建議允許水力比降0.15～0.20。

(3)土體允許不沖流速(V允)

對非黏性土可采用經驗公式計算：

V允=2.2a1+1.7a2+1.0a3+0.5a4

式中:a1—大于150mm顆粒質量分數;a2—20～150mm質量分數;a3—2～20mm質量分數;a4—小于2mm質量分數。由表1可得a1、a2、a3、a4值，計算結果見表3。經計算，治理段段砂卵礫石允許不沖流速V允=1.16～1.29m/s，平均1.24m/s。

表2 地基土物理力學性質試驗結果

表3 砂卵礫石允許不沖流速計算

(4)土體地震液化判別

根據探坑揭示，河床、河漫灘砂卵礫石中無連續的砂層分布，結構較單一，地層連續。根據顆分試驗結果，粒徑小于5mm顆粒的質量分數為13.62%～25.19%<30%。依據GB 50487—2008附錄P中P.0.3-2，初判砂卵礫石層為不液化土。

(5)地基土腐蝕性評價

(6)土體物理力學參數建議值

在充分收集、分析前人在本區的勘察及研究結果的基礎上，類比規模相近、巖性相同或相近工程巖(土)物理力學參數，結合室內外試驗結果、測試資料，并參照有關規程、規范，經綜合分析，提出土體物理力學參數建議值(見表4)和土體開挖邊坡比建議值(見表5)。

表4 土體物理力學性質參數建議值

表5 土體開挖邊坡比建議值

2.3 河道疏浚工程地質條件及評價

河道疏浚長2.15km，該段河流總體流向NE35°，河流游蕩，汊流發育，多灘，河水面寬30～50m，水深0.5～1.6m。河床平均縱坡比為0.72%。

2.4 駁岸工程地質條件及評價

2.4.1駁岸堤基地質結構類型和工程地質條件分類

(1)堤基地質結構類型

通過工程地質測繪和探坑揭示，擬建駁岸地基巖性為第四系全新統沖洪積砂卵礫石層，該層厚8～12m，依據SL 188—2005附錄C《堤基地質結構分表》C.0.2劃分[8]，擬建駁岸堤基屬粗粒土單一結構(Ⅰ)類。

(2)堤基工程地質條件分類

駁岸堤基為粗粒土單一結構(Ⅰ)類，堤基巖性為第四系全新統沖洪積砂卵礫石層，基本不存在抗滲穩定、滲透穩定以及抗震穩定問題，已建堤防基本運行正常，局部段沖刷嚴重，基礎基本裸露；地下水位埋深大于15m，對駁岸基礎開挖無影響。依據SL188—2005附錄E劃分[8]，駁岸堤基工程地質條件為B類，工程地質條件較好。

2.4.2駁岸工程地質條件及評價

(1)左岸駁岸工程地質條件及評價

(2)右岸駁岸工程地質條件及評價

2.5 固床潛壩工程地質條件及評價

為了降低河水和洪水對河床的沖刷，保證河床的縱向穩定性，在治理段設置固床潛壩2座，分別位于黑河樁號黑甘16+152m、黑甘16+774處。

工程施工要清除表層松散的砂卵礫石層，將潛壩和跌水基礎置于最大凍深以下的砂卵礫石層中，且置于洪水最大沖刷深度以下一定的深度，對地基土采取整平夯實處理。固床潛壩修建以后，潛壩下游側洪水沖刷加劇，會形成沖刷坎或者坑，應采取拋石護腳等防沖措施。施工中加強基坑排水措施，同時做好雨季防洪措施。土體物理力學參數建議值見表4，土體開挖邊坡比建議值見表5。

3 分析評價結論及建議

3.1 結論

(1)治理段黑河河床寬淺，屬游蕩型河流，現代河床寬330～710m，河床平均縱向比降為0.72%。

(2)工程區地震動峰值加速度為0.15g，地震動反應譜特征周期為0.45s，相應地震基本烈度為Ⅶ度，區域構造穩定性較差[4- 6]。

(3)工程區屬季節性凍土區，最大凍土深150cm，地下水類型為第四系松散層孔隙潛水，沿線地下水位埋深大于15m，對工程無影響。沿線地表水對混凝土和鋼筋混凝土結構中的鋼筋均無腐蝕性，對鋼結構弱腐蝕性。

(4)駁岸、固床潛壩等建筑物地基巖性均為第四系全新統沖洪積砂卵礫石層，工程地質條件較好，承載力可滿足要求，河道疏窄后駁岸、固床潛壩基礎的沖刷、掏刷問題較為突出。

3.2 建議

(2)潛壩和跌水基礎置于最大凍深以下的砂卵礫石層中，且置于洪水最大沖刷深度以下一定的深度。

(3)河道疏窄后建議采取拋石護腳等防沖措施。

(4)鑒于親水性緩坡、綠濱墊防護方案，結構單一，占地較少，工程造價低；有很好的柔韌性，能夠很好適應變形、沉降；施工工藝簡單，對施工隊伍技術水平要求相對較低；施工不受季節溫度變化影響，冬季可施工，后期維護費用低；結構整體采用無污染材料，存在較多的填石孔隙，結構透水性好等特點，建議沿疏浚后主河槽兩岸設置緩坡式綠濱墊駁岸。