大沙河综合整治工程地质条件及评价

郭建礼，王 斌，张 磊

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

大沙河综合整治工程地质条件及评价

郭建礼，王 斌，张 磊

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

大沙河是子牙河系滏阳河的重要支流，多年来经常遭遇突发洪水，防洪形势严峻，对其进行综合整治是解决流域内防洪安全的必要措施。工程区地质条件复杂，堤防质量、砂土液化、渗透破坏、沉降稳定、岸坡稳定等地质问题严重，通过对场区工程地质条件的分析及评价，为设计部门提供了相关的物理力学参数，解决了影响工程建设的地质问题。

大沙河；地质条件；地质评价；综合整治

大沙河是河北省子牙河系滏阳河的支流，全长166km，流经内丘、邢台、沙河、南和、永年、鸡泽、任县7县（市），流经滏阳河中游洼地后汇入滏阳河。大沙河上游是历史上有名的暴雨区，因河道源短坡急，一遇暴雨就会山洪暴发，经常冲及村庄，淹没大片农田，给两岸人民生命财产造成重大损失。大沙河堤防虽经多次修复加固，但因多年的自然侵蚀及人为破坏，已损坏严重。自“96.8”洪水以后，大沙河陆续修建了多处护岸工程，河势已得到基本控制，但由于大部分堤防采用砂质土堆筑及粘土包胶，一旦遭遇较大洪水，极易造成溃坝。京广铁路桥以上的河道宽阔，虽行洪水深不大，但淹没范围极广，致使河心岛、滩地无法有效地开发利用。

此外，穿越大沙河的南水北调中线工程将把大沙河划分为南北两个行洪主槽，会使原有的行洪形势发生改变。对该河段进行全面的综合整治，提高沿岸的防洪能力，促进防洪与国民经济建设之间的和谐统一是十分必要的。

1 地质概况

1.1 地形地貌

工程区位于邢台市所管辖的沙河市及南河县境内，属太行山东麓的山前低山丘陵区及华北冲洪积平原区，总体地势西高东低，地形较为开阔平坦。低山丘陵区河谷高程一般为125.0～180.0m，两岸高程200.0～270.0m，相对高差80～100m；平原区河谷逐渐开阔平坦，高程35.0～100.0m，比降为0.2%，两岸高程35.0～110.0m，高出河床1～10m。

大沙河属于滏阳河支流，在沙河市境内称为大沙河，下游称为南澧河。河流途经山区、丘陵及平原，蜿蜒曲折。河道上游呈树枝状发育，喉咽村以上河道较窄，宽度2km，主槽明显，岸坡较陡。喉咽村以下，河岸呈扇形向下游扩散，最大河宽达10km。喉咽村～高店村段无明显主槽和滩地，为游荡性河床。高店村以下，主槽逐渐明显但不稳定。京广铁路以下段河道明显变窄，最小宽度仅0.6km。

1.2 地层岩性

工程区揭露的地层主要为粘砂多层结构，岩性主要为第四系（Q4）松散沉积地层。

1.2.1 人工堆积层（rQ）

为河流两岸的人工填筑堤防，填筑材料主要为中细砂及壤土、砂壤土，厚度2～6m。京广铁路以上左岸无堤防，右岸高庙～油村段堤防主要由中砂填筑，厚度5～6m，粘土材料包胶；京广铁路以下两岸多修筑堤防，除右岸三思乡～丰化庄段主要由粘性土填筑外，其他段由中、细砂填筑，厚度2～5m，粘土包胶。

1.2.2 砂壤土（al+plQ4）

灰黄色为主，稍湿～湿，硬塑～可塑。该层厚度1～5m，主要分布在近河岸位置，分布范围较小。

1.2.3 壤土（al+plQ4）

灰黄、灰褐色，湿，硬塑～可塑。土质均匀性较差，局部夹中、细砂薄层。该层厚度1～15m，工程区范围内分布较为广泛。

1.2.4 中、细砂（al+plQ4）

灰黄～灰白色，稍密为主，局部地段中密，分选较好，少含卵砾石，矿物成分主要为石英、长石。该层厚度1～9m，堤基、河床及河道两岸皆有分布，范围较广。

1.2.5 卵石（al+plQ4）

灰白色，中密为主，卵石含量70%～80%，粒径一般10～15cm，最大粒径25cm，次圆状，内充填中、粗砂。该层厚度大于10m，主要分布在河心岛附近堤基及其上游河道内，勘察深度范围内未穿透。

1.3 地质构造与地震

工程区位于华北断陷的冀中坳陷与沧州凸起交汇带。近场区南段隐伏NNE向邯郸断裂，中段隐伏NE向新河断裂，北段隐伏NE向宁晋断裂，上述断裂为晚更新世以来活动断裂。

工程区大部分被第四系松散沉积物覆盖，工程地质普查未发现明显的地质构造。

工程区地震动峰值加速度为0.1g，相当于地震基本烈度7°区，地震动反应谱特征周期为0.40s。

1.4 水文地质条件

工程区所在流域属温带大陆性季风气候，四季分明，春季干旱多风，蒸发量大；夏季降雨集中，易久旱不雨或大雨成灾；秋季天高气爽，降雨稀少；冬季多北风，少雨雪。多年平均气温山区为11.7℃，丘陵为12.2℃，月平均最高气温24.5℃，月平均最低气温山区-4.0℃，多年平均降雨量600mm左右。

平原区地下水类型主要为第四系孔隙潜水，山区及丘陵区主要为基岩裂隙水。平原区地下水埋深一般10～20m，含水层主要为砂性土，为中等富水的含水层，受大气降水及上游补水影响，补排条件一般为地表水补充地下水。基岩裂隙水埋藏较深，含水量较少。

1.5 物理地质现象

1.5.1 河岸坍塌

京广线以上地段大部分无堤防，河岸普遍高出河床2～4m，主要由砂壤土及砂性土（中、细砂，含土）组成，稳定性差，在水流冲蚀及常年风吹日晒剥蚀下，易造成河岸失稳，形成坍塌。

1.5.2 冻土

本区存在季节性冻土，冬季冻结，春季融化，根据当地气象资料记载，冻土最大深度46cm。

2 堤防工程地质条件及评价

大沙河堤防综合整治起于朱庄水库下游，止于南和县城奉化庄，长66km。

2.1 堤防工程地质条件

（1）京广铁路以上段左岸未修筑堤防，河岸高出河床2～4m，右岸高庙段及油村段修筑有两段堤防，两岸均为粘砂多层结构，岩性为砂壤土、壤土及中、细砂（al+plQ4）；山区丘陵段为土岩多层结构，岩性为太古界（Ar）片麻岩及粘性土，地质结构比较复杂。

京广铁路以下段多修有堤防，地质结构为粘砂多层结构，岩性为砂壤土、壤土及中、细砂（al+plQ4），地质结构相对简单。

大沙河现代河床多分布中、细砂（alQ4），厚度大于3m，砂质较纯净，河床内分布多个人工开采砂场，河心岛以上段河床分布卵石层（alQ4）。南澧河三思乡以下段河床砂层下常有粘性土分布，厚度5～10m，有多处砖场在此取土。

（2）大沙河堤防多采用砂土填筑，粘土包胶，筑堤材料为中、细砂（rQ），分选较好，少含卵砾石，矿物成分为石英及长石。中、细砂密实度多不均一，京广铁路以上的高庙段及油村段密实度较好，多呈中密～密实状态，渗透系数建议值20m/d；京广铁路以下段呈稍密～密实状态，砂质较不纯净，含少量卵砾石及粘性土颗粒，渗透系数建议值30m/d。包胶粘性土多为壤土～砂壤土，土质不均匀，多含砂砾，渗透系数建议值2.5×10-5cm/s。包胶粘性土厚度不均一，堤顶厚度多为0.3～0.5m，局部地段1.0～1.5m；堤坡厚度0.5m左右，局部地段0.5～1.0m。

（3）堤基土多由砂性土组成，分布范围较广，左堤107国道以下段及右堤南水北调线路～西宋村段，堤基多由中、细砂（al+plQ4）组成，厚度1～9m，多为稍密状态，分选较好，少含卵砾石，渗透系数建议值25m/d。左堤107国道～洛阳镇及右堤西宋村～丰化庄段，堤基由粘性土组成，岩性为壤土、砂壤土（al+plQ4），厚度1～15m，土质不均，多含砂砾及碎石，局部夹有薄层砂土，渗透系数建议值7.5×10-6cm/s。

（4）堤基砂性土贯入试验标准击数20击，承载力标准值261kPa，根据地层特点及经验值，提出承载力建议值170kPa。堤基粘性土压缩系数0.153MPa-1，具中等压缩性；饱和固结强度建议值c=23kPa，φ=20°；贯入试验标准基数11.2击，承载力标准值284kPa，根据地层特点及经验值，提出承载力建议值140kPa。

2.2 堤防工程地质问题

2.2.1 堤身填筑质量

大沙河多数堤防采用砂土填筑，粘土包胶，砂土填筑密实度较低；多处存在松软、陷空地段，影响堤坊稳定性。粘土包胶材料厚度不均，粘性欠佳，抗渗性不足，难以起到良好的防渗固堤作用。

2.2.2 堤基砂土液化

堤基多处存在中、细砂等砂性土，分布范围广泛，根据现行规范标准判定，存在砂土液化问题。

2.2.3 堤基渗透破坏

堤基多处为第四系松散沉积砂层，透水性强，在持续高水位下，堤基渗透压力增大，当渗透比降超过土体的抗剪强度时，易造成堤基的渗透破坏，致使堤基发生管涌或流土等稳定问题。

2.2.4 堤基沉降稳定

堤防施工时，由于施工质量较差，施工期短，堤基未进行有效的固结、压实处理，堤防竣工后，堤基土体压缩强度发生变化，致使堤基下沉，影响堤防的安全与稳定。

2.2.5 岸坡稳定

岸坡主要由砂性土及砂壤土组成，稳定性较差，在水侵或动力地质作用下，易造成河岸失稳，形成坍塌。特别是107国道以上左岸及部分右岸段，岸坡较陡，河岸高出河床2～4m，洪水来临时，极易造成塌岸或滑坡，淤塞河道，影响行洪。

2.3 堤防工程地质评价

2.3.1 堤防质量

（1）大沙河的堤防应属于四级堤防，但建设之初并未考虑建设等级，堤防建设等级偏低，现状设防标准难以满足设计及防洪要求。除右岸三思乡～丰化庄段主要由粘性土填筑外，其他段由中、细砂填筑，粘土包胶。由于砂土填筑密实度较低，洪水来侵时，极易造成溃堤。粘土包胶材料不满足设计要求，厚度不均，抗渗性不足，多处已经出现剥蚀脱离，难以起到良好的防渗固堤作用；部分险工段进行了干砌石护坡，对堤坝能起到较好的加固作用，但干砌石护坡段相对较短，仅对局部地段防洪安全发挥效用，难以对大沙河流域整体防洪体系起到明显改善作用。

（2）现有堤防堤顶宽度及堤防高度不达标准，坡比较陡，特别是南澧河段，堤身单薄，毁损严重，多处存在缺口、塌滑、亏土地段，险工段多，严重影响防洪，急需全面加高加固。

（3）京广铁路以上河道滩地宽阔，行洪期间淹没范围广泛，左侧河岸坍塌严重，致使土地损失，滩地无法合理开发利用，应在此段建设相应规模标准的堤防，提高防洪标准及安全等级。

2.3.2 堤基砂土液化

本区抗震设防烈度为7°，堤基分布中细、砂层，根据GB50487—2008《水利水电工程地质勘察规范》中N63.5＜Ncr，通过判断，堤基分布的中、细砂多数贯入击数（N63.5）小于临界值（Ncr），判定该层具液化潜势。

2.3.3 堤基渗透破坏评价

大沙河堤基多处为第四系松散沉积砂层，特别是左堤107国道以下段及右堤南水北调线路～西宋村段，堤身大部分坐落在砂层上，砂层厚度1～9m，分布范围较广，该地质结构易形成内水外渗的渗透破坏。砂层渗透系数建议值25m/d，属强透水层，在持续高水位下，堤基渗透压力增大，易造成河水渗漏外溢，致使堤基发生管涌、流土及接触冲刷等稳定问题，影响堤坝及防洪安全。“96.8”洪水在沙河市的南阳村～郭庄村决口2000m，“2000.7”洪水造成南裴庄、瓦固村、南韩村及西宋村多处堤防冲毁，除堤防不够坚固外，还与堤基砂性土在洪水来临时发生的渗透破坏有直接关系。根据地层分布特点及防渗要求，建议在强渗漏堤基段进行水平铺盖或垂直防渗，截断砂层渗漏通道，防止堤基的渗透破坏，保障堤防安全。

2.3.4 堤基沉降稳定

大沙河现状堤防基本都建在第四系全新统冲洪积 （al+plQ4）地层上，施工时，堤基未进行有效的清理、压实，施工质量较差。竣工后，堤基土经过多年沉积，压缩强度发生变化，致使堤基下沉，造成堤身沉降变形，引起塌陷、裂缝等问题，影响堤防的安全与稳定。“96.8”及“2000.7”洪水造成堤坝多处溃堤，其中堤基不均匀沉降影响堤身稳定也是重要原因之一。建议对新建堤防的堤基进行加固处理，对已有堤防南裴庄段、瓦固段及南和县城东关桥以下段进行加固处理。

2.3.5 堤基力学特性

堤基岩性多为中、细砂及壤土、砂壤土，中、细砂承载力建议值200kPa，强度较高，性质较稳定。壤土、砂壤土承载力建议值180kPa，压缩模量建议值7.5MPa，具中等压缩性，强度较高，性质稳定。

中、细砂及壤土、砂壤土做为堤防基础持力层，强度满足设计要求，做为新建堤防，施工时建议对表层进行清基，清除表层不稳定浮层，清除厚度0.5～1.0m。

2.3.6 岸坡稳定性

大沙河岸坡稳定性较差，特别是左岸107国道以上至洛阳镇及部分右岸段，岸坡较陡，部分地段岸坡几近垂直，河岸普遍高出河床2～4m，洪水来临时，极易造成塌岸或滑坡。建议对岸坡进行护坡、放缓等措施。新堤施工时，应控制岸坡的稳定性，特别是107国道以上段应注意对岸坡的防护，避免强冲、超挖或堆载过大，还应避开塌滑区、冲沟口及冲淤剧烈变化地段。洛阳镇南岸坡现堆积大量工业弃渣，沿河岸堆积长度近1km，为不稳定岸坡体，新建堤防应避开或对其清除。

3 河道工程地质条件及评价

3.1 河心岛工程地质

河道在左岸伍仲村附近分为南北两汊，两汊在京广铁路桥上游的洛阳镇附近汇合，汊间形成河心岛，东西长4km，南北宽2km，岛内沙丘和树木较多。南水北调总干渠自南向北从该岛中心穿过，并分别在南北两汊布设管身段长度为1000m和800m的倒虹吸。拟在河心岛修筑环形防洪堤，总长度11km左右，堤防平均高度5.0m。

（1）河心岛地层结构比较简单，堤基表层断续分布中、细砂及砂壤土（al+plQ4），厚度1～3m，分布不均，下覆盖卵砾石层（al+plQ4），厚度5～10m，呈密实状态，卵石含量70%～80%，次圆状或次棱角状，粒径一般5～10cm，最大约35cm，成分为石英砂岩及石英岩，内充填中砂。

（2）卵石层分布稳定，承载力建议值350kPa，强度较高，作为堤防基础持力层，满足设计要求。

（3）卵石层渗透系数建议值160m/d，属强透水层，修建堤防应进行防渗处理，截断卵石层渗漏通道，防止堤基的渗透破坏，保障堤防安全。

（4）环形堤基局部表层分布薄层中、细砂或砂壤土，该层厚度1～3m，稳定性较差，不宜做为堤防地基，建议清除。

3.2 河道主槽工程地质

大沙河河道主槽宽度一般200～300m，最窄处不足100m，由于主槽深度较浅，一般为1～10m，洪水来临时，造成河道主槽游荡不定，局部河道主流紧邻堤防，易造成堤脚被冲淘，影响堤防安全稳定。为改善泄洪条件，提高防洪标准，应对原有河道进行疏浚，特别是对主槽较窄及临近堤防段进行深挖或改道。

3.2.1 河心岛段

长8km，南北两汊主河槽宽度150～200m，表层覆盖卵砾石层，厚度一般大于10m。主河槽行洪标准低于20a一遇，防洪标准较低；另外为减少对南水北调穿岛倒虹吸的影响，需要加深该段河槽深度。

3.2.2 河心岛～高速公路段

长11km，河道较宽，一般2～3km，主槽宽150～200m，表层覆盖中、细砂，厚度大于3.0m。该段河床宽浅，主槽不明显，行洪时主槽左右摆动，局部河道主槽靠近堤防，影响堤防安全，需要对主槽进行开挖固向。

3.2.3 高速公路～南韩村段

长19km，河道呈宽浅式，宽度由上至下逐渐变窄，主槽宽度100～200m，河床覆盖中、细砂，厚度大于3.0m，砂质较纯净，少含卵砾石。该段主槽宽度较窄，影响行洪，应进行开挖拓宽。南阳村下2km至郭龙庄上1km河道主槽紧靠左岸，行洪时易对堤脚造成冲刷，危及堤防安全，扩挖主槽时应对其进行改道。

3.2.4 南韩～丰化庄段

长9km，河道宽度较窄，一般500～800m，表层覆盖中、细砂及砂壤土，厚度大于3m，主槽下切不明显，宽度不足100m，最窄处不足50m，严重影响行洪，需要对该段主河槽进行开挖拓宽。

3.2.5 回填

河道内广泛分布中、细砂，为良好的建筑材料，大量开挖取砂在河道内形成多个砂坑，深度3～5m，最深达10m以上，不仅危及堤防稳定，还影响河道的行洪安全，需要进行回填平复。

3.2.6 主槽开挖

主槽开挖后，开挖弃料（砂砾料）可以作为建筑材料进行筑堤，不仅减少占地，而且节约成本。

4 结语

（1）大沙河发源于太行山古老变质岩地区，河道上游呈树枝状发育。喉咽村以上河道较窄，主槽明显，岸坡较陡；喉咽村以下，河岸呈扇形向下游扩散，无明显主槽和滩地；京广铁路桥以下河段，河道宽度明显变窄，最小宽度仅600m左右。

（2）场地平原区地下水类型主要为第四系孔隙潜水，主要为基岩裂隙水。平原区地下水埋深一般10～20m，含水层主要为砂性土，为中等富水的含水层。山区及丘陵区地下水埋藏较深，含水量较少。

（3）大沙河堤防建设等级偏低，多数堤防采用砂土填筑，粘土包胶。砂土填筑密实度较低，影响大堤坚固及稳定性；粘土包胶材料厚度不均，抗渗性不足，难以起到良好的防渗固堤作用。

现有堤防堤顶宽度及高度不达标准，坡比较陡，堤身单薄，毁损严重，多处存在缺口、塌滑、亏土地段，险工险段多，急需全面加高加固。

（4）本区抗震设防烈度为7°，堤基广泛分布中细、砂层，初判及复判该层具液化潜势。

（5）大沙河堤基多处为第四系松散沉积砂层，该层属强透水层，在持续高水位下，堤基易发生管涌、流土及接触冲刷等稳定问题，影响堤坝及防洪安全。建议在强渗漏堤基段进行水平铺盖或垂直防渗，截断砂层渗漏通道，防止堤基的渗透破坏，保障堤防安全。

（6）大沙河现状堤防地基未进行有效的清理、压实，堤基土经过多年沉积，体压缩强度发生变化，致使堤基下沉，造成堤身沉降变形，建议对新建堤防的堤基进行加固处理，对已有堤防段进行加固处理。

（7）堤基岩性多为中细砂及壤土、砂壤土，承载力建议值140～170kPa，做为堤防基础持力层，强度满足设计要求。

（8）大沙河岸坡稳定性较差，特别是左岸107国道以上至洛阳镇及部分右岸段，岸坡较陡，洪水来临时，极易造成塌岸或滑坡，建议对岸坡进行护坡、放缓等措施。

（9）河心岛地层结构比较简单，堤基表层断续分布中细砂及砂壤土，下覆盖卵砾石层。卵砾石层分布稳定，强度较高，作为堤防基础持力层，满足设计要求。卵砾石层属强透水层，应进行防渗处理，防止堤基的渗透破坏，保障堤防安全。

（10）大沙河河道主槽宽度一般200～300m，最窄处不足100m，由于主槽深度较浅，洪水来临时，造成河道主槽游荡不定。为了改善泄洪条件，提高防洪标准，应对原有河道进行疏浚。

［1］常士骠，张苏民.工程地质手册［K］.北京：中国建筑工业出版社，2007.

［2］GB50487—2008，水利水电工程地质勘察规范［S］.

［3］GB50011—2001，建筑抗震设计规范[S].

［4］李广诚，司富安.堤防工程地质勘察与评价究[M].北京：中国水利水电出版社，2004.

［5］河北省水利水电勘测设计研究院.大沙河综合整治衡水市区段可行性研究报告[R].2009.

P54

A

1672-9900（2010）03-0046-04

2010-06-22

郭建礼（1970-），男（汉族），山东潍坊人，高级工程师，主要从事水利水电工程地质勘察工作，（Tel）022-26154829。