烏魯木齊市達(dá)坂城區(qū)黑溝河小流域治理工程地質(zhì)勘察

高俊雙，劉小偉

(廣州市水利科學(xué)研究所，廣州510220)

1 前言

黑溝河發(fā)源于東天山博格達(dá)峰南坡，由北向南流。由于受盆地內(nèi)水文地質(zhì)條件影響，山區(qū)地表水在運(yùn)移過(guò)程中滲漏較大，地表水、地下水經(jīng)多次轉(zhuǎn)化，在達(dá)坂城區(qū)東南以泉水型式復(fù)出，匯入白楊河。黑溝渠首(水文巡測(cè)站斷面)以上河長(zhǎng)24 km，集水面積176 km2;黑溝渠以下至與阿克蘇河交匯處河長(zhǎng)34.28 km，河道比降為1.7% ～3.6%。

本次工程地質(zhì)勘察是在對(duì)黑溝河沿線全面進(jìn)行工程地質(zhì)測(cè)繪的基礎(chǔ)上，非重點(diǎn)地段每隔3 km做一個(gè)橫斷面，重點(diǎn)地段每隔1 km做一個(gè)橫斷面，重點(diǎn)地段做順河縱斷面。完成工程地質(zhì)剖面24個(gè)，完成機(jī)械鉆孔16個(gè)，人工探井90個(gè)，重型動(dòng)力觸探實(shí)驗(yàn)15孔，顆粒分析實(shí)驗(yàn)42組，土壤含鹽分析試驗(yàn)9組，水質(zhì)分析試驗(yàn)9組。

本次工程地質(zhì)勘察外業(yè)工作于2008年12月14日開始，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和內(nèi)業(yè)整理工作于2009年2月5日完成。

2 工程地質(zhì)特征

2.1 地形地貌特征

黑溝河出山口后，沿河流域大的地貌特征屬于沖洪積扇地貌單元，小范圍地貌特征為河漫灘地貌單元，大部分地段階地不發(fā)育。現(xiàn)代河床寬50～100 m，深1～2 m。河漫灘發(fā)育良好，寬200～500 m?？菟竟?jié)河水流量較小，上游局部地段干枯，河水下滲變成潛流。洪水季節(jié)，洪水淹沒(méi)大部分河漫灘。黑溝河河床沿線無(wú)古河道、古沖溝、塘、沙丘等不利地貌現(xiàn)象。

2.2 地層巖性特征

1)黑溝河出山口后，從渠首沿河往下2 km左右，黑溝河河谷寬度約200～500 m，河谷岸坡為巖質(zhì)山丘，巖石為輝長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖，黑色，塊狀構(gòu)造，質(zhì)地堅(jiān)硬。現(xiàn)代河床和河漫灘為厚度＞15 m的沖洪積的漂石、卵石層。

2)黑溝河的中游部位，在西溝鄉(xiāng)11隊(duì)前后約5 km范圍內(nèi)，受東溝至雷家溝構(gòu)造隆起帶的影響，黑溝河河谷兩岸岸坡發(fā)育有上更新統(tǒng)冰積卵礫石地層，厚度5～10 m，與下伏基巖為朱羅系的紅色礫巖、砂巖和泥巖地層成不整合接觸。黑溝河河谷在此段寬約300～500 m，發(fā)育有河漫灘和一級(jí)階地，地層為厚＞30 m的沖洪積的漂石、卵石層。

3)黑溝河除了在以上兩段情況特殊以外，其他河段現(xiàn)代河床均在沖洪積扇地貌單元上，河道很淺，且經(jīng)常變換河道位置?，F(xiàn)代河床寬約200～300 m，無(wú)明顯的河岸岸坡。河床及兩側(cè)地層為厚度50～100 m的沖洪積的漂石、卵石層。

2.3 卵石地基物理力學(xué)性質(zhì)特征

由于本次勘察工作的重點(diǎn)，是小流域治理工程所涉及到的河道梳理、攔洪壩、挑壩等堤岸工程的地質(zhì)問(wèn)題，黑溝河現(xiàn)代河床及河漫灘均為大厚度的卵石地層，在可能分布的堤基范圍內(nèi)，沒(méi)有軟弱土層、粉細(xì)砂層、凍土層、鹽漬土層、人工雜填土等不利土層。所以，本勘察主要是對(duì)黑溝河現(xiàn)代河床和河漫灘的卵石地層的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析和研究。

根據(jù)本次勘察資料，黑溝河現(xiàn)代河床和河漫灘的卵石地層的厚度為20～100 m，為全新世沖洪積形成，有水平層理，結(jié)構(gòu)稍密—中密。從對(duì)流域卵石地層顆粒分析結(jié)果上可以看出，沿黑溝河從上游到下游，卵石地層的卵石粒徑由大逐漸變小，上游含較多的大顆粒漂石，下游含較多的小顆粒砂礫石，越往河流的下游卵石的顆粒級(jí)配越好。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)卵石地層重型動(dòng)力觸探實(shí)驗(yàn)，卵石地層的動(dòng)探擊數(shù)為11～35擊，查《工程地質(zhì)手冊(cè)》(第四版)，結(jié)合本地區(qū)工程勘察經(jīng)驗(yàn)，可以判定卵石地層的物理力學(xué)性質(zhì):

地基承載力特征值fak=350～500 kPa

地基變形模量E0=28～40 MPa

內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值φ=38°～46°

滲透系數(shù)k=50～80 m/d

擋土墻基底對(duì)地基的摩擦系數(shù)μ值:0.4～0.6。

2.4 地表水、地下水特征

本次勘探期間河道常流水，工程區(qū)汛期地下水位較高，一般在2.0 m下，枯水期一般在2.5 m，水位變幅0.5 m左右。經(jīng)過(guò)在上、下游不同地段取3組水樣進(jìn)行了化學(xué)分析，其中HCO3－含量為 1.0～2.7 mmol/l，Mg2+含量為 5.0～16.5 mg/l含量為 57.2 ～ 136.0 mg/l，pH 值為 7.4，各大離子含量呈現(xiàn)由下游到上游增大的趨勢(shì)，根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》GB50487－2008附錄G0.3的判定標(biāo)準(zhǔn)，HCO3－對(duì)混凝土無(wú)分解類腐蝕，Mg2+對(duì)混凝土無(wú)分解結(jié)晶復(fù)合類腐蝕對(duì)普通水泥和抗硫酸鹽水泥混凝土均無(wú)結(jié)晶類腐蝕，pH＞6.5的腐蝕標(biāo)準(zhǔn)。綜合平定水對(duì)混凝土無(wú)腐蝕性。

經(jīng)對(duì)治理段不同位置地基土取樣進(jìn)行化學(xué)分析，易溶鹽含量為 0.047% ～0.179%，根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021－2001)第6.8.1條確定為非鹽漬土。其中含量為162～657 mg/kg，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)腐蝕性;Mg2含量為20～40 mg/kg，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)腐蝕性。綜合評(píng)定堤基土對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)腐蝕性。

2.5 河岸邊坡穩(wěn)定

擬建的防洪工程段為黑溝河平原地段，岸坡一般高1～2 m，坡度近90°，局部地段淘蝕嚴(yán)重，存在岸坡失穩(wěn)與坍塌危險(xiǎn)，土質(zhì)岸坡豎向卸荷裂隙發(fā)育，縫寬1～5 cm，長(zhǎng)約3～5 m。建議對(duì)危陡險(xiǎn)邊坡采取削坡和護(hù)坡措施，建議削坡比1∶0.75。

3 主要工程地質(zhì)問(wèn)題及評(píng)價(jià)

黑溝河小流域治理工程的任務(wù)，是根據(jù)流域防洪工程現(xiàn)狀，在黑溝河沿線興建護(hù)岸工程，加強(qiáng)堤防建設(shè)，整治河道和泄洪通道，重點(diǎn)加固渠首、道路、城鎮(zhèn)、居民點(diǎn)、農(nóng)田的引水泄洪、防洪設(shè)施，提高防洪能力，治理后防洪能力達(dá)到10 a一遇的標(biāo)準(zhǔn)。因此，黑溝河小流域治理工程的主要工程內(nèi)容為:起到攔擋洪水的漿砌石壩，改變洪水流向的漿砌石挑壩，防止洪水沖刷的漿砌石護(hù)坡等堤防工程。這些堤防工程沿河道修建在河漫灘上，巨厚層的卵礫石地基的強(qiáng)度完全可以滿足地基強(qiáng)度的要求，主要的工程地質(zhì)問(wèn)題是洪水挾裹石塊的撞擊強(qiáng)度和洪水沖刷的深度。

3.1 地震液化評(píng)價(jià)

壩基地層巖性主要為低液限黏土和卵石混合土，其中低液限黏土層厚度較小，基礎(chǔ)開挖時(shí)將予以清除，無(wú)地震液化問(wèn)題。

根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》GB50487－2008附錄N0.3的判定標(biāo)準(zhǔn)，卵石粒徑＞5 mm顆粒質(zhì)量百分率＞70%的標(biāo)準(zhǔn)，因此穩(wěn)定的卵石混合土做基礎(chǔ)持力層時(shí)不會(huì)存在地震液化問(wèn)題，經(jīng)綜合分析，工程場(chǎng)區(qū)不存在地震液化問(wèn)題。

3.2 滲透變形評(píng)價(jià)

治理段基礎(chǔ)以卵石混合土巖性為主，根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》GB50487－2008附錄M土的滲透變形判別其基礎(chǔ)滲透穩(wěn)定性。連續(xù)級(jí)配的土，區(qū)分粗粒和細(xì)粒的界限粒徑

根據(jù)本次勘探揭示，壩基礎(chǔ)卵礫石屬連續(xù)級(jí)配土。查顆分得 d70=120，d10=0.65，經(jīng)計(jì)算 df=0.83 mm，則 pc=17.5% ＜1/(4×(1－n))×100=33.78%(取 n=0.26)，因此卵石混合土的滲透變形破壞形式為管涌。

臨界水力比降及允許水力比降的確定:

壩基卵礫石不連續(xù)級(jí)配土，其滲透破壞形式為管涌，臨界水力比降計(jì)算公式如下:

式中:Jcr為土的臨界水力比降;n為土的孔隙率，取0.26;Gs為土的顆粒密度與水的密度之比;d5、d20分別為占總土量的5%和 20%的土的粒徑，mm，d5取 0.55，d20取 2.81。

計(jì)算結(jié)果:Jcr=2.2(2.71－1)(1－0.26)2=0.403

3.3 凍脹性評(píng)價(jià)

擬建各壩段地基基本由低液限黏土和卵石混合土構(gòu)成，低液限黏土大多分布于兩岸階地上，卵石混合土主要集中在河床內(nèi)，經(jīng)調(diào)查該區(qū)最大凍土深1.50 m。

經(jīng)對(duì)工程區(qū)低液限黏土層和卵石混合土進(jìn)行顆粒分析，其＜0.075的顆粒含量分別為43.7% ～71.8%、0.88% ～1.83%;根據(jù)《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL211－2006)的判定標(biāo)準(zhǔn)，低液限黏土層＜0.075mm顆粒含量＞10%的標(biāo)準(zhǔn)，因此為凍脹土，卵石＜0.075 mm顆粒含量＜10%的標(biāo)準(zhǔn)，為非凍脹土。

3.4 水、土化學(xué)分析與評(píng)價(jià)

本次勘探期間河道常流水，工程區(qū)汛期地下水位較高，一般在2.0m下，枯水期一般在2.5m，水位變幅0.5 m左右。經(jīng)過(guò)在上、下游不同地段取3組水樣進(jìn)行了化學(xué)分析，其中HCO3－含量為 1.0～2.7 mmol/l，Mg2+含量為 5.0～16.5 mg/l，SO42－含量為 57.2 ～ 136.0 mg/l，pH 值為 7.4，各大離子含量呈現(xiàn)由下游到上游增大的趨勢(shì)，根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》GB50487－2008附錄G0.3的判定標(biāo)準(zhǔn)，HCO3－對(duì)混凝土無(wú)分解類腐蝕，Mg2+對(duì)混凝土無(wú)分解結(jié)晶復(fù)合類腐蝕，SO42－對(duì)普通水泥和抗硫酸鹽水泥混凝土均無(wú)結(jié)晶類腐蝕，pH＞6.5的腐蝕標(biāo)準(zhǔn)。綜合平定水對(duì)混凝土無(wú)腐蝕性。

經(jīng)對(duì)治理段不同位置地基土取樣進(jìn)行化學(xué)分析，易溶鹽含量為0.047% ～0.179%，根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021－2001)第6.8.1條確定為非鹽漬土。其中含量為162～657 mg/kg，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)腐蝕性;Mg2+含量為20～40 mg/kg，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)腐蝕性。綜合評(píng)定堤基土對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)腐蝕性，土樣含鹽量詳見(jiàn)土的易溶鹽分析報(bào)告。

3.5 河岸邊坡穩(wěn)定評(píng)價(jià)

擬建的防洪工程段為黑溝河平原地段，岸坡一般高1～2 m，坡度近90°，局部地段淘蝕嚴(yán)重，存在岸坡失穩(wěn)與坍塌危險(xiǎn)，土質(zhì)岸坡豎向卸荷裂隙發(fā)育，縫寬1～5 cm，長(zhǎng)約3～5 m。建議對(duì)危陡險(xiǎn)邊坡采取削坡和護(hù)坡措施，建議削坡比1∶0.75。

4 結(jié)論

黑溝河流域地處柴窩堡盆地的東部。工程區(qū)的地層巖性比較簡(jiǎn)單，主要是漂、卵石、礫石。而砂、泥質(zhì)含量很少，上游河道內(nèi)漂、卵石較多，最大漂石直徑約600 mm，砂、泥質(zhì)較少，下游也主要以卵石、礫石為主，只是砂、泥質(zhì)有所增加，但不超過(guò)25%。地基承載力在350～500 kPa。

黑溝河流域抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10 g。該區(qū)域?qū)賲^(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)。

［1］楊連生.水利水電工程地質(zhì)［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2004.