內(nèi)蒙古教來(lái)河奈曼旗段堤防建設(shè)工程地質(zhì)研究

摘 要：【目的】為了加強(qiáng)內(nèi)蒙古教來(lái)河奈曼旗段堤防整體防洪安全，提升教來(lái)河河道的泄洪防洪能力，保證兩岸城鎮(zhèn)、村莊及耕地的安全，需要對(duì)教來(lái)河奈曼旗段的堤防建設(shè)工程地質(zhì)進(jìn)行研究?！痉椒ā坎捎玫刭|(zhì)調(diào)查、鉆探、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)、定性分析與定量分析等方法，對(duì)內(nèi)蒙古教來(lái)河奈曼旗段工程地質(zhì)條件進(jìn)行研究?！窘Y(jié)果】研究結(jié)果表明，工程區(qū)內(nèi)地勢(shì)整體呈西高東低、南高北低，地貌單元主要為河漫灘，堤基土主要由沖洪積粉砂及粉質(zhì)黏土組成。堤防工程區(qū)地下水為淺層地下水，且埋深大，地表水對(duì)混凝土無(wú)腐蝕性，地下水對(duì)鋼筋混凝土中鋼筋及鋼結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性?！窘Y(jié)論】堤防工程建設(shè)要注意解決原有堤防堤身質(zhì)量和抗滑穩(wěn)定性差、堤基及堤身的抗沖穩(wěn)定性差、堤基滲透變形、堤基土具有凍脹性等工程地質(zhì)問(wèn)題。研究成果對(duì)類似河流堤防工程的設(shè)計(jì)和建設(shè)工作具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：內(nèi)蒙古；教來(lái)河；堤防；堤基；工程地質(zhì)

中圖分類號(hào)：TV871 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2024）21-0053-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.21.011

Engineering Geology Study on Embankment Construction Engineering in Naiman Banner Section of Jiaolai River of Inner Mongolia

LIU Yan1，2 LYU Xuming3

（1.Jianghe Anlan Engineering Consulting Co.， Ltd.， Zhengzhou 450020，China; 2.National Center for Quality Supervision and Test， Zhengzhou 450020，China; 3.Henan Yellow River Bureau Zhengzhou Yellow River Bureau， Zhengzhou 450020， China）

Abstract： [Purposes] In order to strengthen the overall flood control safety of the embankment in the Inner Mongolia Naiman Banner section of the Jiaolai River， improve the flood discharge and flood control capacity of the Jiaolai River channel， and protect the safety of towns， villages and cultivated land on both sides， it is necessary to study the engineering geology of the embankment construction in the Naiman Banner section of the Jiaolai River.[Methods] The engineering geological conditions of the Naiman Banner section in Inner Mongolia were studied using methods such as geological investigation， drilling， on-site and indoor experiments， qualitative and quantitative analysis. [Findings] The research results indicate that the overall terrain in the project area is high in the west and low in the east， high in the south and low in the north. The geomorphic unit is mainly the floodplain， and the embankment foundation soil is mainly composed of alluvial and diluvial silt and silty clay. The groundwater in the embankment engineering area is shallow groundwater， whose burial depth is large. Surface water has no corrosiveness to concrete， while groundwater has weak corrosiveness to steel bars and steel structures in reinforced concrete. [Conclusions] In summary， the construction of embankment engineering should pay attention to solving engineering geology problems such as the poor quality and anti-sliding stability of the original embankment， the poor anti-impact stability of the embankment foundation and embankment body， the seepage deformation of the embankment foundation， and the frost heave of the embankment foundation soil. This article has certain reference significance for the design and construction of similar river embankment projects.

Keywords： Inner Mongolia; Jiaolai River; embankment; embankment foundation; engineering geology

0 引言

教來(lái)河發(fā)源于內(nèi)蒙古赤峰市敖漢旗西南的努魯爾虎山北側(cè)老道梁，流經(jīng)赤峰市敖漢旗，通遼市奈曼旗、開(kāi)魯縣、科爾沁區(qū)等，在科左中旗的姜家窩卜泄入西遼河，全長(zhǎng)482 km［1］。本次工程治理主要針對(duì)教來(lái)河內(nèi)蒙古奈曼旗段進(jìn)行堤防建設(shè)，具體包括長(zhǎng)17.6 km的現(xiàn)狀堤防加固和長(zhǎng)4.5 km的新建堤防工程，堤防工程總計(jì)約22.1 km。

1 堤防工程地質(zhì)條件

1.1 區(qū)域地質(zhì)概況

工程區(qū)域地貌單元分為兩類，一類是風(fēng)積沙丘崗地灘地貌，該類地貌沿教來(lái)河流域中下游廣泛分布，沙丘移動(dòng)緩慢，往往在樹(shù)林、草坡地帶形成固定丘包、崗地、沙坡等地形；第二類是沖洪積堆積地貌，主要沿教來(lái)河河道分布，具體表現(xiàn)為沖洪積河漫灘、河床擺動(dòng)形成的掩埋心灘、掩埋的原舊河床、一級(jí)階地等次級(jí)地貌類型，該類地貌是工程區(qū)內(nèi)的主要地貌類型［2］。

區(qū)域地層巖性7Gb1HtWLki614IyQgwGLkg==主要為前第四紀(jì)地層、第四紀(jì)地層等［2-3］。區(qū)域內(nèi)的第四系地層發(fā)育，厚度大，成因多，除基巖地區(qū)外均有分布。區(qū)內(nèi)第四系地層的分布、巖性、巖相、結(jié)構(gòu)、厚度嚴(yán)格受古氣候、地貌及新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的控制。區(qū)內(nèi)的第四系地層自南西向北東由?。?lt;20 m）變厚（>180 m）。

本區(qū)構(gòu)造以赤峰—開(kāi)源大斷裂為界（官家杖子—青龍山）南北分兩種構(gòu)造體系，北為扭動(dòng)構(gòu)造體系，南為緯向構(gòu)造體系。該區(qū)有記載以來(lái)，未發(fā)生過(guò)較大地震。區(qū)域內(nèi)老構(gòu)造多以壓扭性斷裂為主，并經(jīng)過(guò)中、新生代的多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的改造。新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)繼承了老構(gòu)造的特點(diǎn)，繼續(xù)對(duì)老構(gòu)造進(jìn)行改造，工程區(qū)附近地區(qū)未發(fā)現(xiàn)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)巖土體及建筑物產(chǎn)生斷裂破壞作用，未發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)作用。本區(qū)近期未發(fā)生過(guò)中強(qiáng)以上的地震，屬構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《中國(guó)地震參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015）和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）（2016年版）可知工程區(qū)地震烈度為Ⅵ度，設(shè)計(jì)基本地震加速值為0.05 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。設(shè)計(jì)地震一組，場(chǎng)地土類別為中軟土，場(chǎng)地類別為Ⅲ類。

1.2 堤防工程區(qū)地質(zhì)條件

工程區(qū)內(nèi)地勢(shì)整體呈西高東低、南高北低，地面最高高程395.16 m，最低高程371.50 m，地貌單元主要為河漫灘，由沖洪積粉砂及粉質(zhì)黏土組成。教來(lái)河河道灘地寬闊，兩岸堤距為800～2 500 m。

本次地質(zhì)勘察堤防鉆孔最深12 m，根據(jù)勘探深度范圍內(nèi)揭露的地層情況并結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)成果，包括堤身在內(nèi)將地層劃分為4層，現(xiàn)說(shuō)明如下。第①層：堤身土（Q4r），為人工填筑土，屬于原有堤防，合計(jì)約17.6 km，根據(jù)堤防填筑時(shí)間和堤身質(zhì)量不同，又將其分為A、B兩部分堤防。第一部分為A段堤防，填筑于2017年前后，長(zhǎng)度約5.5 km ，一部分填土以壤土為主，呈灰褐～灰黃色，稍濕，松散～稍密，經(jīng)過(guò)機(jī)械分層碾壓而成，該層層厚為2.2～5.5 m，層頂標(biāo)高為389.63～390.42 m，層底標(biāo)高為384.76～387.68 m。第二部分為B段堤防，長(zhǎng)度為12.1 km，堤段填筑于20世紀(jì)60年代，后又進(jìn)行了加固，填土以粉質(zhì)壤土、粉砂為主，灰褐～灰黃色，稍濕，松散，為人工堆積填筑土。該層層厚為0.8～4.3 m，層頂標(biāo)高為372.68～392.08 m，層底標(biāo)高為371.48～388.38 m。第②層：粉砂（Q4al+pl），灰黃～灰褐色，稍濕，稍密，局部為壤土。該層厚度0.7～6.6 m，層頂標(biāo)高為371.40～394.76 m，層底標(biāo)高368.90～388.81 m。第③層：粉質(zhì)黏土（Q4al+pl），灰褐色，可塑～硬塑，干強(qiáng)度中等，無(wú)搖振反應(yīng)，稍有光澤，韌性中等，含鐵質(zhì)氧化物；局部為粉質(zhì)壤土，該層厚度0.3～3.9 m，層頂標(biāo)高為372.27～388.81 m，層底標(biāo)高為369.22～388.01 m。第④層：粉砂（Q4al+pl），灰黃～灰褐色，稍濕，中密～稍密，局部為細(xì)砂。該層厚度為1.5～8.0 m，層頂標(biāo)高為368.90～388.22 m，層底標(biāo)高為361.40～384.78 m?？碧缴疃确秶鷥?nèi)未揭穿該層。

本次地質(zhì)勘察現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了原位測(cè)試，并分層取土樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1，對(duì)各層土的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了分層統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表2。

工程區(qū)淺層地下水為孔隙潛水。本次勘察期間（2023年6月），僅在工程區(qū)右岸鉆孔ZK45、ZK46、ZK107、ZK108、ZK109、ZK110、ZK129、ZK130中揭露到了地下水，按照現(xiàn)有地面計(jì)算，地下水埋深為4.2～4.8 m，對(duì)應(yīng)標(biāo)高368.17～368.35 m。其余孔未見(jiàn)地下水，由此推斷，工程區(qū)潛水埋層較深。

勘察期間分別取地表水和地下水（井水）水樣各6組進(jìn)行水質(zhì)分析試驗(yàn)。試驗(yàn)成果表明，地表水礦化度為155.93～211.64 mg/L，均小于1 g/L，屬淡水；pH值為7.62～8.21，屬于7.5～9.0的范圍，為弱堿性水；總硬度為7.13～8.86 mg/L，1組屬于4.2～8.4的范圍，為軟水，2組屬于8.4～16.8的范圍，為微硬水；按舒卡列夫分類為H-CM型。地下水：礦化度為164.60～177.25 mg/L，均小于1 g/L，屬淡水；pH值為8.15～8.22，屬于7.5～9.0的范圍，為弱堿性水；總硬度為6.79～7.03 mg/L，屬于4.2～8.4的范圍，為軟水；按舒卡列夫分類為HS-C型。

根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50487—2008）進(jìn)行環(huán)境水的腐蝕性判別，判別結(jié)果為地下水、地表水對(duì)混凝土無(wú)腐蝕性，對(duì)鋼筋混凝土中鋼筋及鋼結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性。

2 堤防工程地質(zhì)問(wèn)題及評(píng)價(jià)

2.1 現(xiàn)有堤防壩體質(zhì)量評(píng)價(jià)

A段堤防堤身完整，壩頂平順，無(wú)明顯凹陷、裂縫等，堤身基本無(wú)開(kāi)裂、塌陷、滑塌，填筑土以壤土為主，干密度為1.50～1.70 g/cm3，標(biāo)貫4～7擊，填筑質(zhì)量較好。

B段堤防堤頂不平整，堤頂局部存在凹陷、裂縫，為人工填筑形成，填筑土以粉砂、粉質(zhì)壤土為主，干密度為1.40～1.50 g/cm3，標(biāo)貫2～3擊，填筑質(zhì)量較差；堤身和堤肩線已經(jīng)殘缺不全，堤坡不平順、有雨淋溝，不滿足防洪要求。

2.2 堤基及堤身的抗沖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

該區(qū)域地表地層巖性以粉砂為主，區(qū)內(nèi)沉積物的粒度為0.25～0.07 mm，其抗沖流速小于1 m/s。從教來(lái)河洪水計(jì)算資料分析，教來(lái)河洪水的流量為 2 158～2 519 m3/s，一般河段流速約為1.5 m/s。因此，堤基和堤身土體極易被水沖走，給堤基和堤身的穩(wěn)定帶來(lái)不利影響。

本研究采用表面沖刷試驗(yàn)儀進(jìn)行試驗(yàn)，按照《表面沖刷試驗(yàn)規(guī)程》（GJ/JH 1007—2022）進(jìn)行評(píng)價(jià)，教來(lái)河堤基土樣表面沖刷試驗(yàn)結(jié)果表明，其沖蝕率大于1 g/h·cm2，啟動(dòng)流速小于1 m/s，屬于強(qiáng)沖蝕性土，抗沖穩(wěn)定性差。

綜上所述，堤基及堤身的抗沖穩(wěn)定性差，建議堤防施工后，采取堤坡植草、格賓石籠等措施加以防護(hù)，以增強(qiáng)堤基的抗沖能力。

2.3 堤身的抗滑穩(wěn)定性

現(xiàn)狀堤防有4段，合計(jì)約17.6 km，新建堤防有2段，合計(jì)約4.5 km，堤防主要在粉砂（局部為砂壤土、壤土）和粉質(zhì)黏土地層上填筑。粉砂：稍濕，稍密，飽和快剪指標(biāo)建議值為c=0 kPa、φ=25°；粉質(zhì)黏土：可塑～硬塑，飽和快剪指標(biāo)建議值為c=22 kPa、φ=11°。經(jīng)過(guò)穩(wěn)定性初步計(jì)算，新建堤防和加高培厚以后的現(xiàn)狀堤防穩(wěn)定性均滿足要求。

需要說(shuō)明的是，對(duì)于現(xiàn)狀堤防，由于當(dāng)時(shí)施工技術(shù)所限，存在基礎(chǔ)清理不深、夯實(shí)或者碾壓實(shí)質(zhì)量不均、堤基未做強(qiáng)化處理等問(wèn)題，另外，現(xiàn)有的堤防存在底部尺寸普遍偏小、堤身?yè)p壞、殘缺不全和垂直荷載不足等問(wèn)題，這些問(wèn)題對(duì)堤防穩(wěn)定性造成不利影響，需要結(jié)合新的洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)現(xiàn)狀堤防擴(kuò)大堤壩截面尺寸，并進(jìn)行加高培厚處理。

2.4 滲透變形問(wèn)題

該段堤防堤基土為粉砂，局部為粉質(zhì)黏土，堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)分類為單一結(jié)構(gòu)（Ⅰ）。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試坑滲水試驗(yàn)和室內(nèi)滲透試驗(yàn)，堤基粉砂層滲透系數(shù)建議值為5.5×10-4 cm/s，堤基粉質(zhì)黏土層滲透系數(shù)為3.7×10-6 cm/s。粉質(zhì)黏土為黏性土，滲透變形為流土。通過(guò)粉砂顆分試驗(yàn)可得：d10=0.032 mm、d60=0.115 mm，計(jì)算得出不均勻系數(shù)Cu=3.59＜5，判定粉砂滲透變形類型為流土［4］。建議允許水力坡降值取0.40。

2.5 堤基土凍脹性

根據(jù)氣象資料，工程區(qū)多年平均氣溫為6.3 ℃，冬季寒冷而漫長(zhǎng)，1月份氣溫最低且多年平均值為-13 ℃，每年10月下旬到11月上旬土地開(kāi)始凍結(jié)，翌年3月下旬至4月上旬解凍。工程區(qū)域?qū)偌竟?jié)性凍土區(qū)，標(biāo)準(zhǔn)凍深1.27 m，最大凍深1.52 m。堤基的地層巖性為粉砂、粉質(zhì)黏土兩類，最大凍深范圍內(nèi)地層巖性試驗(yàn)指標(biāo)表見(jiàn)表3。

按照《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 211—2006）中3.0.8條，根據(jù)地基土的顆粒組成，粉砂（Q4al+pl）、粉質(zhì)黏土（Q4al+pl）粒徑小于0.075 mm的土粒含量分別為 35.7 %和 88.7%，均大于10%，屬凍脹性土。

按照《凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JGJ 118—2011）季節(jié)性凍土凍脹性分類：粉砂（Q4al+peOK9eRZGsoMI+SR2+ZnTEA==l）的天然含水率為 10.5%，小于14%；凍前地下水位距設(shè)計(jì)凍深的最小距離大于1.0 m；試驗(yàn)平均凍脹率值為0.16%～0.23%，小于1%；判定粉砂（Q4al+pl）的凍脹等級(jí)屬于Ⅰ級(jí)，凍脹類別屬于不凍脹。粉質(zhì)黏土（Q4al+pl）的天然含水率為 23.9% ，塑限含水率為 23.9%，凍前地下水位距設(shè)計(jì)凍深的最小距離大于2.0 m；試驗(yàn)平均凍脹率值為1.05%～1.44%，大于1%且小于3.5%。由此判定粉質(zhì)黏土（Q4al+pl）的凍脹等級(jí)屬于Ⅱ級(jí)，凍脹類別屬于弱凍脹。

根據(jù)以上兩種方法判定情況，結(jié)合場(chǎng)地地層巖性、地下水埋深、具體地質(zhì)環(huán)境等條件，綜合判定，堤基粉砂屬于不凍脹類土，凍脹等級(jí)為Ⅰ類；堤基粉質(zhì)黏土屬于弱凍脹類土，凍脹等級(jí)為Ⅱ類。根據(jù)以上判定結(jié)果，新建堤防的堤基需要考慮凍脹問(wèn)題，具體涉及堤防堤基長(zhǎng)度約0.61 km，凍脹土埋深1.0～1.1 m。

3 結(jié)論

工程場(chǎng)區(qū)內(nèi)地勢(shì)整體呈西高東低、南高北低，地貌單元主要為河漫灘，堤基土主要由沖洪積粉砂及粉質(zhì)黏土組成。堤防工程區(qū)地下水屬于淺層地下水為潛水，地下水埋深大，地表水對(duì)混凝土無(wú)腐蝕性，地下水對(duì)鋼筋混凝土中鋼筋及鋼結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性。綜上所述，堤防工程建設(shè)要注意解決原有堤防堤身質(zhì)量差、原有堤防堤身的抗滑穩(wěn)定性、堤基及堤身的抗沖性差、堤基滲透變形、堤基土的凍脹性等工程地質(zhì)問(wèn)題，通過(guò)對(duì)原有堤防加高培厚和新建堤防的建設(shè)，以實(shí)現(xiàn)河流防洪作用和教來(lái)河的長(zhǎng)治久安。

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