堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)分類及堤防工程地質(zhì)評價方法

1、堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)分類及堤防工程地質(zhì)評價方法摘要：以我省堤防工程地質(zhì)勘察為例，對堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)分類進行了探索。對堤防工程地質(zhì)問題及評價方法進行了論述，并對堤防工程地質(zhì)問題的定量評價進行了歸納和總結(jié)。關(guān)鍵詞：堤防堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)工程地質(zhì)問題評價方法堤防工程地質(zhì)條件是堤防設(shè)計的基礎(chǔ)。堤基地層的結(jié)構(gòu)、組成及其承載性能、抗滑性能、滲透穩(wěn)定性能等的評價是堤防工程設(shè)計的重要依據(jù)，也是堤防工程設(shè)計的重要組成部分。因此，全面準確地發(fā)現(xiàn)、分析工程地質(zhì)問題并做出相應(yīng)科學(xué)合理的評價，是堤防工程地質(zhì)勘察的核心內(nèi)容。我省位于黃河及長江的中上游地區(qū)，河道眾多，堤防線長，如何針對我省河道及堤防地質(zhì)條件的特點，對堤防工程地質(zhì)問題進行有的

2、放矢的研究評價，是地質(zhì)工作者所面臨的課題之一。1地基地質(zhì)結(jié)構(gòu)是堤防工程地質(zhì)評價的基礎(chǔ)任何工程建筑都離不開它所依托的地質(zhì)體，堤防工程建筑也不例外。堤防工程設(shè)計的一個重要內(nèi)容就是根據(jù)堤防工程地基地質(zhì)結(jié)構(gòu)因地制宜地選擇堤防工程的基礎(chǔ)型式及埋置深度。相應(yīng)的，堤防地基地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型不同，其水文、工程地質(zhì)條件和存在的工程地質(zhì)問題也有所不同。因此，只有查明堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型，才能從本質(zhì)上把握堤基巖土性狀、組合特點、水文地質(zhì)條件等各要素的地位和作用，并依據(jù)工程性狀，合理劃分地基地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型，對所暴露出的工程地質(zhì)問題進行分析評價，從而提出合理的治理措施和方案。我省大部分范圍屬黃河流域，少部分范圍屬長江流域，還有部分

3、區(qū)域為內(nèi)陸河。河網(wǎng)縱橫，河道變化較大，堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。但總的特點不外乎為山區(qū)堤基地層以基巖為主，而河流沖洪積盆地、沖洪積平原及平原地區(qū)則以第四系松散層為主。根據(jù)堤基地層結(jié)構(gòu)特點及工程性能、巖性組合、層位埋深等綜合分析，我省堤防地基大體可分為3大類，8個亞類，各類結(jié)構(gòu)特征、主要分布位置見表1。2堤防工程地質(zhì)問題及評價方法堤防工程地質(zhì)勘察的目的在于從研究工程地質(zhì)問題的表征出發(fā)，分析其原因、性質(zhì)、形成和發(fā)展過程，找出堤防工程地質(zhì)問題的控制因素和影響因素，預(yù)測其未來的發(fā)展趨勢，并對所存在的工程地質(zhì)問題進行總結(jié)、分段、歸類，為堤防設(shè)計提供地質(zhì)依據(jù)。因此，堤防工程地質(zhì)勘察所要解決的主要問題是堤防工程

4、地質(zhì)問題的分析評價及分段歸類問題。而堤防工程地質(zhì)問題主要包括堤基穩(wěn)定問題、堤防環(huán)境工程地質(zhì)問題及堤身穩(wěn)定問題。2.1 堤基穩(wěn)定問題及評價方法2.1.1 堤基承載力性能及沉陷變形問題如表1所示，I1及田類堤基地層或以粘性土為主，或各類松散層呈互層狀且極不均質(zhì)，此類堤基地層天然含水量高，孔隙比大，天然強度較低，且具弱透水性，軟流塑狀，固結(jié)排水時間長，且具高壓縮性及觸變、流變性，在上部載荷作用下，可引起大堤不均勻沉降，導(dǎo)致大堤下沉、堤身裂縫。因此，應(yīng)進行適量的現(xiàn)場靜力觸探和標(biāo)準貫入試驗，結(jié)合室內(nèi)土工試驗，查明地基土的形成年代、成因類型、分布范圍、厚度以及上覆下臥層的物理力學(xué)性質(zhì)，并考慮堤防特點，最終

5、做出正確評價。我省各河流堤基地層除I1及田類為土堤基地層外，大部分河流堤基地層以砂礫卵石層及基巖類為主，此類堤基地層的一個主要特征就是其承載性能較好，堤基承載力一般大于300kPa,具有較好的地基承載力，能滿足防洪堤基礎(chǔ)強度要求。堤基地層不存在沉陷變形問題。另外，對I2及田類堤基中，還可能存在有厚度較大的粉細砂堤基層，而堤基層均位于堤防工程之下，為飽水地基。故此類飽和砂土層還有可能發(fā)生震動液化而引起堤基失穩(wěn)，造成大堤下沉、滑動。對此類地基，應(yīng)進行液化判別。室內(nèi)土工試驗以顆粒分析為主，現(xiàn)場則以標(biāo)準貫入試驗為主，同時，還需查明此類土的成因類型及時代、地下水位埋深、工程區(qū)地震烈度，必要時還需進行土的

6、波速試驗。對此，堤防工程設(shè)計規(guī)范附錄A及水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范附錄N已有較為詳細的介紹，在此不再贅述。只有查明了飽和砂土的液化可能性，才能對此類堤基提出相應(yīng)的堤基處理措施。如我省黑河干流下段堤基地層有部分液化粉細砂層，堤防建設(shè)時，將飽和粉細砂及砂土層全部清除，將防洪堤基礎(chǔ)置于下部砂礫石層上，避免了粉細砂地震液化對河堤的破壞。甘肅省堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)分類表表1基本結(jié)構(gòu)類型堤基巖性主要分布位置亞類單層結(jié)構(gòu)類（I）粘性土亞類（I1）堤基地層主要由壤土，砂壤土等組成，抗?jié)B條件較好，工程地質(zhì)條件相對簡單。所存在的主要問題為塌岸、沉陷及滲透變形。壤土及砂壤土隴東涇河、祖厲河及渭河部分支流。河西地區(qū)部分河流。砂

7、礫石業(yè)類（I2）堤基地層主要為透水性較強的砂土層、砂礫石層。分布比較穩(wěn)定，抗?jié)B條件差。所存在的主要問題為崩岸問題。砂性土埋深淺時，存在滲透變形。砂礫卵石河西地區(qū)及省忖大部分河段。軟巖亞類（13）地基地層為泥質(zhì)砂巖及泥巖，分布穩(wěn)定，抗?jié)B條件好，工程地質(zhì)條件相對簡單。所存在的主要問題為塌岸問題。軟巖甘肅中部大部分河段。硬質(zhì)巖類（14）地基地層以硬質(zhì)巖為主，分布穩(wěn)定，強度較好，抗?jié)B條件好。所存在的主要問題為塌岸問題。硬質(zhì)巖山區(qū)河流部分河段。雙層結(jié)構(gòu)類（D）松散層亞類（n1）堆積階地上部二元結(jié)構(gòu)，上部為沖洪積粉質(zhì)壤土及砂壤土層，不均質(zhì)。下部為沖洪積砂礫卵石土層，一般下部粗粒層厚度較大，分布穩(wěn)定，抗?jié)B條

8、件較差。所存在的主要問題為岸坡穩(wěn)定問題。砂性土埋深淺時，存在滲透變形。砂礫卵石省內(nèi)各河流均有分布。軟巖基底亞類（n2）為基座階地二兀結(jié)構(gòu)，上部為沖洪積壤土及砂礫卵石層。卜部則為泥質(zhì)砂巖及泥巖，分布穩(wěn)定，抗?jié)B條件好，工程地質(zhì)條件相對簡單。所存在的主要問題為塌岸問題。軟巖甘肅中部山區(qū)河流部分河段。硬巖基底亞類（n3）為基座階地二兀結(jié)構(gòu)，上部所存在的主要問題為沖洪積壤土及砂礫卵石層。下部則以硬質(zhì)巖為主，分布穩(wěn)定，強度較好，抗?jié)B條件好。所存在的主要問題為塌岸問題。硬質(zhì)巖山區(qū)河流部分河段。多層結(jié)構(gòu)類（出）堤基地層為第四系松散層呈粘性土與砂礫石類、卵石類呈互層狀或透鏡體狀，鍥形體狀。所存在的主要問題較為復(fù)

9、雜，有沉陷、塌岸、滲透變形等問題。粘性土、砂類土及礫卵石各河流部分河段。2.1.2 堤基滲透穩(wěn)定滲透穩(wěn)定及滲漏問題是任何水工建筑物所面臨的主要問題之一。滲透穩(wěn)定問題直接關(guān)系到防洪堤壩的安全，因此，滲透穩(wěn)定及滲漏問題也是堤防工程設(shè)計所要考慮的主要問題。此類問題主要出現(xiàn)在以松散層為堤基的河段（12、Ri、田類堤基）。堤基地層透水性較強，當(dāng)存在堤內(nèi)外水頭差時，即會發(fā)生堤防的橫向滲流。如果背水側(cè)堤基的滲透比降超過堤基土的臨界水力比降時，堤基土就會產(chǎn)生滲透破壞。土體的允許水力坡降與土體的顆粒組成及密實度有關(guān)，因此，需進行堤基土的允許水力坡降計算，計算可按水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范附錄M所介紹的方法進行。我

10、省大部分河流堤基允許水力坡降J允許大于0.1,如洗河堤防J允許=0.10.6,涅水7R"堤防J允許=0.150.55。2.1.3 堤基沖刷穩(wěn)定及岸坡穩(wěn)定問題堤防工程設(shè)計所要解決的一個重要問題就是堤基埋深問題，這就需要進行河流的沖刷計算。按照堤防工程設(shè)計規(guī)范所推薦的計算公式，可以較為準確的計算出河流的平行水流、斜沖水流、擠壓水流沖刷及丁壩、鎖壩等各種條件下水流對河底或岸邊的沖刷深度。地質(zhì)工程師所要解決的問題就是提供這些計算所需的各種地質(zhì)參數(shù)。如堤基河床地層的各種顆粒級配特征值、堤基河床地層的允許不沖流速等等。因此，應(yīng)結(jié)合探井或鉆孔施工，采取河床堤基地層的擾動樣，進行顆粒級配分析，根據(jù)顆

11、分曲線來查得計算沖深所需要的級配特征值如d85,d50等值。關(guān)于河床堤基地層的允許不沖流速，一般采用查表法求得。如表2、表3、表4。對于非粘土，還可采用經(jīng)驗公式法求得其允許不沖流速。V允許(m/s)=(a1>0.22+32M.7+a3+a4X0.55)/100式中aiT：于150mm粒徑百分含量(%)%20150mm&徑百分含量(%)a3220mm粒徑百分含量(%)a4、于2mm粒徑百分含量(%)岸坡穩(wěn)定問題是堤防工程的主要地質(zhì)問題之一。岸坡巖土體受流水的軟化、沖刷而發(fā)生崩塌，使岸坡逐漸變陡，直至失去平衡而引起失穩(wěn)破壞。引起岸坡失穩(wěn)的原因很多：一是岸坡巖土體結(jié)構(gòu)松散、巖性軟弱、抗

12、沖能力低；二是河流的側(cè)蝕及底蝕；三是滲流作用。保護岸坡巖土體不受水流的侵蝕而失穩(wěn)破壞，是堤防工程建設(shè)的主要目的。當(dāng)岸坡巖土體基巖或岸邊無防護對象時，受經(jīng)濟等問題的制約，通常的做法是不進行堤防治理。從而使岸坡直接經(jīng)受河流的沖刷、浸泡。對此類問題，一方面，要立足于查明岸坡巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)，另一方面，也要根據(jù)河流側(cè)向侵蝕的具體情況，按水利工程邊坡穩(wěn)定問題，對岸坡工程地質(zhì)條件進行分析評價，以免河流側(cè)向侵蝕過快而引起邊坡失穩(wěn)而發(fā)生滑塌，阻塞河道,發(fā)生險情。如在我省廣通河堤防工程勘察過程中，部分河段位于谷底北側(cè)，且多位于基巖山腳部位，山體下部為第三系砂質(zhì)泥巖層，分布穩(wěn)定，厚度巨大，上部則多為風(fēng)積黃土及

13、坡積粉質(zhì)壤土。一般情況下無防護對象時，可不予治理。而第三系砂質(zhì)泥巖層抗風(fēng)化能力較差，遇水易軟化、膨脹，表面風(fēng)化強烈。故在河流頂沖部位也要進行分析論證，并要求局部地段修建堤防或丁壩，以防止山腳過度沖刷而失穩(wěn)，造成巖坡崩塌，阻塞河道，發(fā)生險情。序號堤基地層及特征堤基地層粒徑水流平均深度(m)名稱特征0.41.02.03.05.010及以上(mm)平均流速(m/s)1粉土及淤泥灰塵及淤泥帶細砂0.0050.050.150.20.20.30.250.40.30.450.40.550.450.652細砂細砂帶中砂0.050.250.20.350.30.450.40.550.450.60.550.70.6

14、50.83中砂細砂帶粘土、中砂帶粗砂0.2510.350.50.450.60.550.70.60.750.70.850.80.954粗砂砂夾礫石、中砂帶粘土12.50.50.650.60.750.70.80.750.90.8510.951.25細礫石細礫摻中等礫石2.550.650.80.750.850.810.91.111.21.21.56中礫石大礫石含砂和小礫石5100.80.90.851.0511.151.11.31.21.451.51.757粗礫石小卵石含砂和礫石10150.91.11.051.21.151.351.31.51.451.651.7528小卵石中卵石含砂和礫石15251.

15、11.251.21.451.351.651.51.851.65222.39中卵石大卵石摻砂和礫石25401.251.51.451.851.652.11.852.322.452.32.710大卵石小卵石含卵石和礫石40751.521.852.42.12.752.33.12.453.32.73.611小圓石中等圓石帶卵石7510022.452.42.82.753.23.13.53.33.83.64.212中圓石中等圓石夾大個鵝卵石，1001502.4532.83.353.23.753.54.13.84.44.24.514大圓石大圓石帶小漂石及卵石15020033.53.353.83.754.34.

16、14.654.454.55.415小漂石中漂石帶卵石2003003.53.853.84.354.34.74.654.955.55.45.916中漂石漂石夾石3004004.354.754.74.954.95.35.55.65.9617特大漂石漂石夾鵝卵石>4004.955.355.35.55.6666.2非粘性土允許不沖流速表表2粘性土允許不沖流速表表3序號1234注:1.當(dāng)水深3m時，允許不沖流速按V=H0.2V1(m/s)公式計算，式中H為平均水深(m),V1為水深1m時的允許不沖流速(m/s)。2.當(dāng)設(shè)計位于易受風(fēng)化的緊密及極緊密的土層中的地面排水溝時，允許不沖流速按中等緊密的土層

17、取值。堤基土層名稱粘土重砂質(zhì)粘土貧脊的砂質(zhì)粘土沉陷已結(jié)束的黃土顆粒成分()<0.005(mm)305020301020/0.005-0.05(mm)705030709080/堤基土層特征不大緊密的土層(孔隙比為1.20.9),土密度為1.2g/cm3以下水流平均深度(m)0.4平均流速(m/s)0.300.35/1.00.400.40/2.00.450.45/>3.00.500.50/中等緊密的土層(孔隙比為0.90.6),土密度為1.21.66g/cm30.40.700.650.601.00.850.800.702.00.950.900.80>3.01.101.000.85

18、緊密土層(孔隙比為0.60.3),土密度為1.662.04g/cm30.41.000.950.501.01.201.201.002.01.401.401.20>3.01.501.501.30極緊密的土層（孔隙比為0.30.2）,土密度為2.042.14g/cm30.41.401.401.101.01.701.701.302.01.901.901.50>3.02.102.101.70巖石允許不沖流速表表4序號巖石分類巖石名稱巖石表面粗糙時巖石表面光滑時水流平均深度（m）0.41.02.03.00.41.02.03.0平均不沖流速（m/s）1沉積巖礫巖、泥灰?guī)r、板巖、頁巖2.12.52

19、.93.1/2松石灰?guī)r、灰質(zhì)砂巖、白云質(zhì)石灰?guī)r、緊密礫巖2.533.43.74.255.76.23白云質(zhì)砂巖、緊密的非層狀石灰?guī)r、硅質(zhì)石灰?guī)r3.74.55.25.65.8788.74結(jié)晶巖大理巖、花崗巖、正長巖、輝長巖（極限抗壓強度70160MPa）16202325252525255斑巖、安山巖、玄武巖、輝綠巖、石英巖（極限抗壓強度160220MPa）2125252525252525注：1.表中巖石系無裂縫、且?guī)r面新鮮未風(fēng)化者，若有裂縫、且風(fēng)化，則允許不沖流速應(yīng)視裂隙情況及風(fēng)化程度予以減小。如巖石風(fēng)化很嚴重（有碎塊）的巖石，其允許不沖流速可根據(jù)碎塊的大小及其密度按非粘性土允許不沖流速數(shù)據(jù)采用。

20、2.當(dāng)水深大于3m時，允許不沖流速按按V=H0.2Vi（m/s）公式計算，式中H為平均水深（m）,Vi為水深1m時的允許不沖流速（m/s）。2.2 堤基工程地質(zhì)分段及評價問題堤防工程勘察的一大特點。由于工作區(qū)狹長，地形地質(zhì)條件變化較大，不可能也無必要像其他水利水電工程那樣，在整個工作面上平均布置勘察工作。因此，堤防工程地質(zhì)勘察規(guī)程特別要求對堤防工程進行分段或分類。根據(jù)堤防工程地質(zhì)條件評價結(jié)果進行分段分類，是對堤基狀況的綜合評估，利于形成對整個工程堤基條件的總體認識，也便于堤基設(shè)計中對各類堤段有針對性地采取加固處理措施。堤防工程地質(zhì)分類分段的依據(jù)是堤防區(qū)的綜合工程地質(zhì)條件。影響堤防區(qū)綜合工程地質(zhì)

21、條件的因素主要有：相似的地形地貌、相似的地層巖性或相似的工程地質(zhì)問題等。堤防工程地質(zhì)分類分段不是機械的、簡單的分類分段。地質(zhì)工程師考慮的因素不同，就會有不同的分段分類。如根據(jù)堤基地層的不同可分為巖石堤基和松散層堤基，松散堆積物堤基又可分為單層結(jié)構(gòu)堤基和多層結(jié)構(gòu)堤基。根據(jù)堤防所處的地貌單元可分為不同的工程地質(zhì)單元，如溝谷單元和盆地單元等。按堤基地層滲透破壞情況還可分為管涌段、流土段、無涌流破壞段等。地質(zhì)師只有按充分考慮各種因素，對堤基工程地質(zhì)條件進行綜合評價和概化，進行統(tǒng)一的分段分類，一方面使設(shè)計師有針對性地設(shè)計典型的堤身結(jié)構(gòu)斷面或典型的堤基處理方案。一方面，也利于地質(zhì)師有針對性、有側(cè)重地布置勘

22、察工作量和勘察手段，有的放矢地進行堤防工程地質(zhì)問題的評價。筆者參與的宕昌縣秋末河（新寨腳力鋪段）堤防工程地質(zhì)勘察中即按堤防工程所處的地貌單元將整個堤防工程分為兩個工程地質(zhì)單元：哈達山間盆地單元和秋末河中、低山溝谷單元。對山間盆地單元著重進行堤基地層的勘察，而對溝谷單元，側(cè)著重研究側(cè)向洪溝對堤防工程的影響和不治理段岸坡穩(wěn)定問題。在廣通河堤防工程地質(zhì)勘察過程中，則按堤基地層進行分段評價，將堤基地層劃分為三種結(jié)構(gòu)類型：表5廣通河堤防堤基分類表分類代號Sia新鮮的第三系泥質(zhì)砂巖及砂質(zhì)泥巖層b強風(fēng)化的第三泥質(zhì)砂巖及砂質(zhì)泥巖層c較為單一的第四系沖洪積砂卵石層對a類堤基，直接將堤基置于基巖之上。對b類堤基，

23、則應(yīng)考慮泥巖的風(fēng)化層厚度及抗沖刷能力，采取加深堤基埋深或增設(shè)堤靴的方法。對c類堤基，則應(yīng)考慮平行沖刷和側(cè)向沖刷即可。可見，劃分堤防工程地質(zhì)單元或分類，在堤防工程設(shè)計和堤防工程勘察中有著雙重重要的意義。2.3 堤防工程環(huán)境地質(zhì)問題堤防工程活動與周邊地質(zhì)環(huán)境（包括水環(huán)境、巖土環(huán)境）作用和相互制約所引起的工程及地質(zhì)環(huán)境的變化，即是堤防工程的環(huán)境地質(zhì)問題。只要進行堤防工程活動，就會造成堤防周邊地質(zhì)環(huán)境的一系列變化，從而產(chǎn)生堤防工程環(huán)境地質(zhì)問題。因此，堤防工程地質(zhì)勘察規(guī)程特別提出要對堤防工程活動發(fā)生后可能導(dǎo)致的環(huán)境地質(zhì)問題做出預(yù)測。堤防工程環(huán)境地質(zhì)問題一般包括兩個方面。一是水環(huán)境地質(zhì)問題。堤防工程的建設(shè)

24、通常會因堤壩修筑、垂直防滲等措施而改變工程區(qū)的水力條件，切斷了堤內(nèi)外的水力聯(lián)系，造成地表水排泄不暢、地下水位雍高、地下水運移變緩，從而引起地下水富營養(yǎng)化、土地沼澤化或鹽堿化，建筑物因地基飽水而產(chǎn)生變形破壞等一系列問題。二是巖土體環(huán)境問題。堤防工程建設(shè)過程中，多采用當(dāng)?shù)夭牧献鳛閴误w填筑料，這樣，周邊土料被大量開采，可能破壞上覆較薄的耕土層（大然鋪蓋層），從而產(chǎn)生新的滲透破壞；或當(dāng)就近利用河床巖土體作為筑壩材料時，在新建堤防附近造成開采坑，使河流改道至堤腳，增大河流對堤基的沖刷等。堤防環(huán)境地質(zhì)問題的評價目前還沒有系統(tǒng)的方法，一些定量的評價方法還不太成熟。因此，對堤防工程的環(huán)境地質(zhì)問題的評價通常首先還是要從整體上進行定性的分析，在正確認識自然地質(zhì)環(huán)境特征的基礎(chǔ)上，分析環(huán)境變化的關(guān)鍵的重要的評價要素，選擇要素的評價因子，然后運用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)原理和方法，確定評價機制和方法。對其中可能定量的因子，如截滲對地下水位的影響，采用定量評價；有可能采用類比技術(shù)評價的，可在充分注意類比條件的基礎(chǔ)上，運用類比法進行評價。如大量開挖造成水域面積對農(nóng)業(yè)生態(tài)的影響、對氣候的影響，可采用類比水庫做出定性評價。2.4 關(guān)于堤身地質(zhì)”勘察問題堤防工程地質(zhì)勘察規(guī)程在總則1.0.3條中明確規(guī)定：堤防工程地質(zhì)勘察的任務(wù)是查明堤防區(qū)或已建堤防堤身和堤基的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，為工程提供地質(zhì)資料?！睂⒌躺淼韧诘袒?/p>