白龍江引水工程隴中黃土工程地質(zhì)分區(qū)研究

張學(xué)超 竇健楠 趙偉 馬翼軒

白龍江引水工程是從甘肅省嘉陵江支流白龍江上游引水，向隴東南調(diào)水，旨在重點(diǎn)解決涇渭河流域缺水的大型水資源配置工程，工程受水區(qū)為天水、平?jīng)觥c陽(yáng)3市20縣區(qū)，工程任務(wù)是城鄉(xiāng)生活供水兼顧工業(yè)用水。工程主要由水源樞紐、輸水線路、調(diào)蓄庫(kù)三部分組成，主要建筑物包括水庫(kù)、大壩、隧洞群、大型跨河（溝）建筑物等，屬于長(zhǎng)距離跨流域調(diào)水工程。代古寺供水方案從白龍江干流代古寺斷面取水，穿過(guò)西秦嶺、隴中盆地和六盤山，輸水至天水、平?jīng)龊蛻c陽(yáng)。

目前黃土的工程地質(zhì)分區(qū)研究較多，主要有從地學(xué)界、建筑行業(yè)、公路行業(yè)的角度對(duì)黃土的工程地質(zhì)進(jìn)行分區(qū)研究，已取得較好的成果。王治國(guó)（1995）對(duì)晉西黃土地區(qū)侵蝕地貌進(jìn)行了分區(qū)[1]。王蘭民（1999）等對(duì)黃土地震災(zāi)害區(qū)劃研究中進(jìn)行了三級(jí)的分區(qū)[2]。宋焱勛（2004）研究了隴東地區(qū)黃土的物理力學(xué)性質(zhì)及其相互關(guān)系，對(duì)隴東黃土進(jìn)行了工程地質(zhì)分區(qū)[3]。管頻（2004）通過(guò)甘肅地區(qū)黃土濕陷性系數(shù)及分布規(guī)律，對(duì)甘肅濕陷黃土進(jìn)行了區(qū)域評(píng)級(jí)和分類[4]。劉怡林、支喜蘭（2006）等，根據(jù)大量黃土試驗(yàn)資料，以含水量、濕陷性系數(shù)為指標(biāo)，將黃土進(jìn)行了劃分[5]。趙環(huán)（2009）等依據(jù)地貌類型和濕陷性評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)晉南地區(qū)進(jìn)行了濕陷性黃土工程地質(zhì)分區(qū)[6]。陳偉（2016）在借助三級(jí)分區(qū)指標(biāo)體系，將甘肅濕陷性黃土分為三個(gè)大區(qū)，對(duì)每個(gè)大區(qū)進(jìn)行了二級(jí)、三級(jí)分區(qū)，三個(gè)大區(qū)為Ⅰ鄂爾多斯黃土區(qū)（隴東區(qū)）、Ⅱ祁連丘陵黃土區(qū)（隴中區(qū)）、Ⅲ秦嶺地層黃土區(qū)（隴南區(qū)）[7]。白龍江引水工程跨越了黃土工程地質(zhì)分區(qū)的三個(gè)大區(qū)。白龍江引水工程位置如圖1所示，線路主要從隴中南部通過(guò)。本研究主要依于白龍江引水工程對(duì)工程區(qū)黃土進(jìn)行工程地質(zhì)分區(qū)研究。

圖1 白龍江引水工程黃土分布情況

1 隴中黃土地貌分區(qū)

隴中黃土東臨六盤山，西接祁連山，北至景泰、古浪一線，南抵天水、寶雞一線，是一個(gè)幾乎四面環(huán)山的山間高原，主要包括蘭州、定西、臨夏及白銀地區(qū)，受黃河、渭河等水流強(qiáng)烈切割形成典型的黃土丘陵地形，黃土黏粒含量少，土體含水量較小，地下水埋藏深度大。

1.1 隴中南部河流谷地區(qū)

本區(qū)散渡河及渭河，形成不同的三級(jí)河谷階地。寬數(shù)百米甚至達(dá)3 km，呈樹(shù)枝狀嵌入黃土丘陵中。一級(jí)階地包括河漫灘，分布于河槽凸岸，高出河床1～3 m，寬數(shù)十米。二級(jí)階地高出河漫灘10～30 m，向上游遞減，階面平坦，寬0.3～1.2 km。三級(jí)階地?cái)嗬m(xù)分布于河谷邊緣，階高30 m左右，階地多由第四系沖、洪積物組成。巖性主要為黃土狀土、亞黏土、亞砂土、砂礫石構(gòu)成，總體粒度較細(xì)，基本以亞黏土、亞砂土為主，層厚大于20 m。本區(qū)土體濕陷性中等，場(chǎng)地為Ⅱ-Ⅲ類部分Ⅳ類，對(duì)黃土地基需進(jìn)行地基濕陷性處理。

1.2 隴中南部梁峁區(qū)

本區(qū)黃土分布面積較廣，地形起伏大，以黃土梁峁為主。侵蝕嚴(yán)重，梁峁并存，峁頂面積不大，四周斜坡較緩，一般為3°～10°；峁緣到谷面的坡面較長(zhǎng)，坡度變化在15°～25°。巖性一般為沉積新黃土：最大層厚大于40 m，其中上部主要以風(fēng)積相黃土為主，層厚0～20 m左右。本區(qū)土體濕陷性強(qiáng)烈-中等，場(chǎng)地為Ⅲ～Ⅳ類，黃土濕陷性對(duì)工程建設(shè)造成很大的危害需要對(duì)黃土地基需進(jìn)行地基濕陷性處理。

1.3 隴中中部河谷盆地區(qū)

主要河谷有黃河、宛川河、水阜河河谷等，河谷一般較為開(kāi)闊，黃河河谷階地發(fā)育。支流及沿線溝谷有寬溝、堿溝等，溝谷相對(duì)狹窄，多呈“V”字形，溝腦或有泉水出露。川谷地兩側(cè)有眾多呈樹(shù)枝狀伸向黃土丘陵地的小溝谷，長(zhǎng)數(shù)百米或數(shù)千米，寬度往往不足100 m。這些溝谷及其支溝，限制了黃土梁的寬度，因而使地表形態(tài)更加破碎，并加大了黃土梁與溝谷間的相對(duì)高差。谷地地面相對(duì)平坦。第四系地層廣泛分布，巖性以黃土為主。除河流兩側(cè)有Ⅰ～Ⅴ級(jí)階地堆積物外，幾乎全區(qū)都有中、上更新統(tǒng)的黃土堆積，特別是上更新統(tǒng)疏松黃土（馬蘭黃土）遍布全區(qū)。黃土沖溝、階地主要以全新統(tǒng)沖洪積黃土為主，黃土厚度10～30 m。本區(qū)土體濕陷性中等，場(chǎng)地為Ⅱ～Ⅲ類部分Ⅳ類。對(duì)黃土地基需進(jìn)行地基濕陷性處理。

1.4 隴中中部梁峁區(qū)

該區(qū)位于西北黃土高原，地殼運(yùn)動(dòng)造成了區(qū)域性升降差異，又在沖刷、剝蝕等外力地質(zhì)作用下，逐漸演變成黃土丘陵。地勢(shì)北高南低，向黃河谷地傾斜，地形特征是梁峁起伏、溝谷縱橫。丘陵溝谷相對(duì)高度一般在120～150 m，若上覆蓋黃土層較厚時(shí)，山坡坡度明顯變緩，且呈上緩下陡的凸形，上部坡度15°～20°，下部為20°～25°，山頂呈饅頭狀，山體之間一般都有相對(duì)開(kāi)闊的溝谷。在地層巖性上丘陵多由上下兩部分構(gòu)成，上部大多為黃土，下部基巖裸露。上部黃土主要包括沖積及風(fēng)積兩個(gè)類型，以風(fēng)積成因類型分布范圍最廣。本區(qū)土體濕陷性強(qiáng)烈，場(chǎng)地為Ⅳ類部分Ⅲ類。黃土濕陷性對(duì)該區(qū)工程的建設(shè)造成很大的危害，需要對(duì)黃土地基需進(jìn)行地基濕陷性處理。

1.5 隴中北部丘陵區(qū)

本區(qū)位于白銀市以北，景泰縣以南地區(qū)。主要包括白銀和蘭州新區(qū)，地處隴西黃土高原之北端，屬祁連山余脈向黃土高原過(guò)渡地帶。受黃土分布自北向南顆粒逐漸變細(xì)的規(guī)律，該區(qū)黃土黏粒含量很少，多為粉性黃土，土體含水量低，地下水埋藏深度大。按地形特征來(lái)看，可分為溝谷區(qū)、黃土丘陵區(qū)。主要河谷有黃河，河谷一般較為開(kāi)闊，黃河河谷階地發(fā)育。第四系地層廣泛分布，巖性以黃土為主。除河流兩側(cè)有Ⅰ～Ⅴ級(jí)階地堆積物外，幾乎全區(qū)都有中、上更新統(tǒng)的黃土堆積，特別是上更新統(tǒng)疏松黃土（馬蘭黃土）遍布全區(qū)。黃土沖溝、階地主要以全新統(tǒng)沖洪積黃土為主，黃土厚度10～30 m。本區(qū)土體濕陷性強(qiáng)烈，場(chǎng)地為Ⅳ類。該區(qū)是整個(gè)黃土地區(qū)，濕陷性最大的區(qū)域，黃土的濕陷性對(duì)工程的建設(shè)造成極大的影響，對(duì)黃土地基需進(jìn)行地基濕陷性處理。

2 工程區(qū)隴中黃土的濕陷性特征

從地形地貌分區(qū)上屬于隴中南部河流谷地區(qū)與隴中南部梁峁區(qū)。河流谷地區(qū)地層巖性主要為沖洪積的黃土狀土，梁峁區(qū)表層多為馬蘭黃土，局部有離石黃土出露。

根據(jù)濕陷性試驗(yàn)對(duì)離石黃土、馬蘭黃土與黃土狀土的濕陷性系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。得到結(jié)論：離石黃土的自重濕陷性δz＝0～0.076，平均值為0.013，總體上為非-輕微濕陷性黃土。馬蘭黃土濕陷變形系數(shù)為0.019～0.181，自重濕陷系數(shù)為0.003～0.198，總體上為中-強(qiáng)濕陷性黃土。黃土狀土自重濕陷系數(shù)δz＝0.003～0.151，平均值為0.005?？傮w上為非-輕微濕陷性黃土。黃土的濕陷性統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 大溪橋插補(bǔ)段與實(shí)測(cè)段多年平均徑流量

表1 白龍江引水工程隴中地區(qū)黃土濕陷性統(tǒng)計(jì)

馬蘭黃土（Q3eol）濕陷性與土層深度、干密度及附加荷載有著十分密切的關(guān)系。工程區(qū)馬蘭黃土分布厚度一般4～18 m，場(chǎng)地評(píng)價(jià)多為嚴(yán)重—很嚴(yán)重濕陷性；馬蘭黃土下部2～3 m多具有中等濕陷—輕微濕陷。離石黃土表部具有輕微濕陷性或不具濕陷性。場(chǎng)地濕陷性整體在Ⅲ（嚴(yán)重濕陷）～Ⅳ（很嚴(yán)重濕陷），局部地區(qū)為Ⅱ（輕微）～Ⅲ級(jí)（中等）。強(qiáng)烈濕陷的下限深度，一般分布在2～11.5 m，多處于馬蘭黃土之中，工程性質(zhì)較差，天然狀態(tài)下不適宜做建筑物地基。

3 工程區(qū)黃土濕陷性與干密度關(guān)系

本研究對(duì)工程區(qū)黃土的300組試樣，進(jìn)行了濕陷性試驗(yàn)，得出隴中黃土干密度與濕陷性系數(shù)的散點(diǎn)圖，如圖2所示。通過(guò)散點(diǎn)圖可以看出濕陷性與干密度呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系，產(chǎn)生濕陷的臨界干密度為1.35 g/cm3。這意味在黃土地基處理時(shí)，如果要降低或消除黃土濕陷性，至少要將地基土干密度治理到1.35 g/cm3以上，或者將小于1.35 g/cm3的濕陷性黃土挖除。這對(duì)黃土地基的處理，具有重要意義。

圖2 隴中黃土濕陷性隨干密度變化散點(diǎn)圖

4 結(jié)語(yǔ)

（1）隴中地區(qū)黃土分區(qū)，從地貌上可以分為隴中南部河谷地區(qū)、隴中南部梁峁區(qū)、隴中中部河谷盆地區(qū)、隴中中部梁峁區(qū)、隴中北部丘陵區(qū)。

（2）工程區(qū)梁峁區(qū)離石黃土的自重濕陷性δz＝0～0.076，平均值為0.013?？傮w上為非-輕微濕陷性土。

（3）工程區(qū)馬蘭黃土濕陷變形系數(shù)為0.019～0.181，自重濕陷系數(shù)為0.003～0.198，總體上為中-強(qiáng)濕陷性土。濕陷性隨深度逐步減小，變化趨勢(shì)明顯，濕陷起始?jí)毫﹄S深度增大趨勢(shì)較明顯。

（4）工程區(qū)黃土狀土自重濕陷系數(shù)δz＝0.003～0.151，平均值0.005?？傮w上為非-輕微濕陷性土。濕陷性隨深度減小的趨勢(shì)緩慢，但其濕陷性黃土厚度一般不超過(guò)5 m。

（5）工程區(qū)黃土濕陷的臨界干密度為1.35 g/cm3。當(dāng)土體干密度大于1.35 g/cm3時(shí)，土體將不具濕陷性。