第四系鈣質(zhì)膠結(jié)卵石成因及工程特性探討

童文鐸, 楊繼東

(河南省水利勘測有限公司,河南 鄭州　450008)

0　引言

南水北調(diào)中線工程總干渠河南境內(nèi)黃河北渠段主要跨越焦作、新鄉(xiāng)及安陽三市。渠線地處華北平原西部邊緣與太行山東麓的交接部位,穿行于山前坡洪積裙、山前傾斜平原,地質(zhì)結(jié)構(gòu)為粘性土和卵石多層結(jié)構(gòu),其地質(zhì)條件相對復(fù)雜。卵石層主要為第四系沖洪積、坡洪積成因而形成的。在卵石層中一般存在鈣質(zhì)膠結(jié)現(xiàn)象,其工程特性對渠道邊坡穩(wěn)定及施工開挖影響較大。由于現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范、規(guī)程對膠結(jié)卵石的膠結(jié)程度及其強(qiáng)度未作專門規(guī)定,因此結(jié)合南水北調(diào)中線工程揭示膠結(jié)卵石情況,對其成因,軟硬、膠結(jié)程度及分級等工程特性進(jìn)行研究。

1　水文、工程地質(zhì)概況

河南省黃河北地區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)型氣候區(qū),夏秋炎熱多雨，冬春干燥少雨,氣溫由南向北變幅不大,沿線多年平均降水568～649 mm。工程區(qū)地面徑流以坡面流向河流集中匯流過渡,區(qū)內(nèi)水系較發(fā)育,均屬海河流域的衛(wèi)河水系,河流水位、流量受降水控制,變化極大,大部分屬于季節(jié)性河流。

場區(qū)第四系松散層地層巖性主要為沖洪積、坡洪積成因的粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)粘土和砂卵石層組成。卵石層一般可見數(shù)層,多與粘性土呈互層或透鏡體狀分布。單層厚度一般1～10 m不等,局部>15 m,卵石成份主要為灰?guī)r,粒徑大小不均,一般3～8 cm,大者10～20 cm,含量60%～70%,次圓—次棱角狀。局部鈣質(zhì)膠結(jié)較好,膠結(jié)程度與分布不均一。第四系全新統(tǒng)卵石一般未膠結(jié),鈣質(zhì)膠結(jié)卵石一般見于第四系上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)及下更新統(tǒng)卵石層中。

沿線淺層地下水類型主要為第四系松散層孔隙潛水,主要賦存于礫卵石及粉質(zhì)壤土中。粉質(zhì)壤土層一般屬微—弱透水性,礫卵石層一般屬強(qiáng)透水性。地下水以大氣降水、地表水體和側(cè)向徑流補給為主,排泄方式主要為蒸發(fā)、人工開采及側(cè)向徑流。地下水整體流向為西北向東南。

2　卵石膠結(jié)規(guī)律及成因分析

2.1　卵石膠結(jié)規(guī)律

根據(jù)鉆孔巖芯及總干渠開挖揭示情況鈣質(zhì)膠結(jié)卵石層具有如下規(guī)律:

(1)鈣質(zhì)膠結(jié)現(xiàn)象主要存在于第四系中更新統(tǒng)坡洪積成因的卵石層中,膠結(jié)程度與分布很不均勻。而第四系全新統(tǒng)沖洪積成因的卵石層一般無鈣質(zhì)膠結(jié)現(xiàn)象。

(2)一般厚層卵石(dlplQ2)層,鈣質(zhì)膠結(jié)卵石處于卵石層的中、上部(或頂部),膠結(jié)程度自上而下由好變差直至漸變?yōu)槲茨z結(jié)卵石(見圖1),局部鈣質(zhì)膠結(jié)較好的卵石處于卵石層的底部;通常薄層(1～2 m)卵石絕大部分或整層鈣質(zhì)膠結(jié),且膠結(jié)程度較好(見圖2)。

(3)靠近河流部位主流帶的卵石層膠結(jié)較好,遠(yuǎn)離河流泛流帶卵石層膠結(jié)相對較差。

2.2　成因分析

膠結(jié)卵石層(體)是含有鈣質(zhì)、鐵質(zhì)、錳質(zhì)、硅質(zhì)等礦物質(zhì)成分的膠結(jié)物質(zhì)與松散卵石在沉積過程中鈣質(zhì)凝結(jié)、膠結(jié)作用的產(chǎn)物。膠結(jié)作用是沉積物形成巖、土過程中的一種物理、化學(xué)變化。山區(qū)基巖經(jīng)風(fēng)化、剝蝕、淋濾、溶蝕等物理、化學(xué)作用,把含有鈣質(zhì)、鐵質(zhì)、錳質(zhì)、硅質(zhì)等具有膠結(jié)作用的礦物質(zhì)和卵石一起被洪水搬運到山前沖洪積扇裙(沖洪積傾斜平原)上。在沉積過程中,卵石和具有膠結(jié)作用的礦物質(zhì)經(jīng)過物理、化學(xué)變化,凝結(jié)、膠結(jié)成具有一定強(qiáng)度的膠結(jié)卵石層(體)。太行山區(qū)基巖以碳酸鹽巖(灰?guī)r)為主,故膠結(jié)的礦物質(zhì)以鈣質(zhì)成分較為普遍。

圖1　厚層狀卵石膠結(jié)情況示意圖

圖2　薄層狀卵石膠結(jié)情況示意圖

總干渠地處太行山前,渠道沿線施工開挖地層主要為第四系中(上)更新統(tǒng)坡(沖)洪積成因的地層。山地河流在其進(jìn)入平原的出山口處,由于地形坡度突然變緩,河流流速驟減,水流分散,河流洪水?dāng)y帶的碎屑物質(zhì)大量堆積下來,形成以山口為頂點而向平原擴(kuò)展的洪積扇,從扇頂過渡到中間帶和前緣帶,沉積顆粒由粗變細(xì)。每次山洪爆發(fā),伴隨著洪流或面流搬運碎屑物質(zhì)的同時,山區(qū)基巖(碳酸鹽巖)易溶于水的鈣質(zhì)成份隨著山洪流向出山口。攜帶鈣質(zhì)礦物質(zhì)成分的山洪由地表徑流轉(zhuǎn)化為地下徑流,在下滲流經(jīng)卵石層時,鈣質(zhì)礦物質(zhì)析出淋漓到卵石層,卵石層被充填膠結(jié)。

由于每次山洪爆發(fā)的規(guī)模大小及持續(xù)時間的不規(guī)律性導(dǎo)致了卵石層的膠結(jié)程度及空間分布的不均一性。一般來說,主流帶(河流附近)卵石層膠結(jié)程度好于面流帶,透水性差異較大部位的卵石層膠結(jié)程度較好,近山區(qū)的卵石層膠結(jié)程度優(yōu)于遠(yuǎn)離山區(qū)的卵石層,如山門河、孟村、淇河等附近鈣質(zhì)膠結(jié)程度較好。在垂直方向上,對于厚層卵石一般在表層(或上部)形成鈣質(zhì)膠結(jié)卵石硬殼層(膠結(jié)好或較好),往下逐步減弱,膠結(jié)程度較差(或微膠結(jié)),多呈團(tuán)窩狀或葡萄狀,直至未膠結(jié);在水平方向上多呈透鏡體狀分布,局部呈薄層狀分布,薄層卵石膠結(jié)程度好于厚層卵石。

3　工程特性

3.1　膠結(jié)卵石強(qiáng)度

為了解鈣質(zhì)膠結(jié)卵石的強(qiáng)度指標(biāo),針對鈣質(zhì)膠結(jié)好的卵石,在不同渠段取樣做飽和單軸抗壓強(qiáng)度試驗,試驗統(tǒng)計成果見表1。試驗成果表明:鈣質(zhì)膠結(jié)好的卵石按飽和單軸抗壓強(qiáng)度相當(dāng)于軟質(zhì)巖石,個別相當(dāng)于較硬巖。鈣質(zhì)膠結(jié)較好或膠結(jié)差(微膠結(jié))的卵石難以取樣,或取樣后難以制樣(標(biāo)準(zhǔn)試件),或制樣后難以進(jìn)行試驗。

表1　鈣質(zhì)膠結(jié)(好—較好)卵石單軸抗壓強(qiáng)度試驗成果統(tǒng)計表

3.2　膠結(jié)程度分級及工程特性

卵石存在膠結(jié)對于渠道邊坡穩(wěn)定是有利的,但由于其膠結(jié)的不均勻性,在進(jìn)行渠道邊坡穩(wěn)定性計算時往往作為安全儲備,參數(shù)取值時未考慮膠結(jié)對卵石層力學(xué)性能的提高,但其對于施工開挖來說增加了施工開挖的難度。根據(jù)卵石膠結(jié)物的成分、膠結(jié)性狀、膠結(jié)體軟硬程度，結(jié)合現(xiàn)場施工開挖難易程度，將鈣質(zhì)膠結(jié)卵石膠結(jié)程度劃分為三級:膠結(jié)好、膠結(jié)較好、膠結(jié)差(或微膠結(jié))。膠結(jié)卵石體其工程特征見表2。

表2　卵石鈣質(zhì)膠結(jié)程度分級及工程特性

4　結(jié)語

(1)南水北調(diào)中線工程河南黃河北渠段沿線鈣質(zhì)膠結(jié)卵石層的分布和膠結(jié)強(qiáng)度很不均一。一般厚層卵石中上部鈣質(zhì)膠結(jié)相對較好,下部膠結(jié)差或未膠結(jié);薄層卵石鈣質(zhì)膠結(jié)相對較好。

(2)膠結(jié)卵石是含有鈣質(zhì)、鐵質(zhì)、錳質(zhì)、硅質(zhì)等礦物質(zhì)成分的膠結(jié)物質(zhì)與松散卵石在沉積過程中溶解、膠結(jié)、粘連、固結(jié)作用的產(chǎn)物。其膠結(jié)規(guī)律和地表水、地下水的活動關(guān)系非常密切。

(3)卵石膠結(jié)后其工程性質(zhì)利于渠道邊坡的穩(wěn)定,但增加了渠道開挖的難度。根據(jù)卵石膠結(jié)物的成分、膠結(jié)性狀、膠結(jié)體軟硬程度，結(jié)合現(xiàn)場施工開挖難易程度，將鈣質(zhì)膠結(jié)卵石膠結(jié)程度劃分為三級:膠結(jié)好、膠結(jié)較好、膠結(jié)差(或微膠結(jié))。膠結(jié)較好—好的卵石達(dá)到了軟質(zhì)巖—較硬巖的硬度,對應(yīng)的巖土施工工程分級相當(dāng)于V-VI類。

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