第四系钙质胶结卵石成因及工程特性探讨

童文铎, 杨继东

(河南省水利勘测有限公司,河南 郑州　450008)

0　引言

南水北调中线工程总干渠河南境内黄河北渠段主要跨越焦作、新乡及安阳三市。渠线地处华北平原西部边缘与太行山东麓的交接部位,穿行于山前坡洪积裙、山前倾斜平原,地质结构为粘性土和卵石多层结构,其地质条件相对复杂。卵石层主要为第四系冲洪积、坡洪积成因而形成的。在卵石层中一般存在钙质胶结现象,其工程特性对渠道边坡稳定及施工开挖影响较大。由于现行相关规范、规程对胶结卵石的胶结程度及其强度未作专门规定,因此结合南水北调中线工程揭示胶结卵石情况,对其成因,软硬、胶结程度及分级等工程特性进行研究。

1　水文、工程地质概况

河南省黄河北地区属温带大陆性季风型气候区,夏秋炎热多雨，冬春干燥少雨,气温由南向北变幅不大,沿线多年平均降水568～649 mm。工程区地面径流以坡面流向河流集中汇流过渡,区内水系较发育,均属海河流域的卫河水系,河流水位、流量受降水控制,变化极大,大部分属于季节性河流。

场区第四系松散层地层岩性主要为冲洪积、坡洪积成因的粉质壤土、粉质粘土和砂卵石层组成。卵石层一般可见数层,多与粘性土呈互层或透镜体状分布。单层厚度一般1～10 m不等,局部>15 m,卵石成份主要为灰岩,粒径大小不均,一般3～8 cm,大者10～20 cm,含量60%～70%,次圆—次棱角状。局部钙质胶结较好,胶结程度与分布不均一。第四系全新统卵石一般未胶结,钙质胶结卵石一般见于第四系上更新统、中更新统及下更新统卵石层中。

沿线浅层地下水类型主要为第四系松散层孔隙潜水,主要赋存于砾卵石及粉质壤土中。粉质壤土层一般属微—弱透水性,砾卵石层一般属强透水性。地下水以大气降水、地表水体和侧向径流补给为主,排泄方式主要为蒸发、人工开采及侧向径流。地下水整体流向为西北向东南。

2　卵石胶结规律及成因分析

2.1　卵石胶结规律

根据钻孔岩芯及总干渠开挖揭示情况钙质胶结卵石层具有如下规律:

(1)钙质胶结现象主要存在于第四系中更新统坡洪积成因的卵石层中,胶结程度与分布很不均匀。而第四系全新统冲洪积成因的卵石层一般无钙质胶结现象。

(2)一般厚层卵石(dlplQ2)层,钙质胶结卵石处于卵石层的中、上部(或顶部),胶结程度自上而下由好变差直至渐变为未胶结卵石(见图1),局部钙质胶结较好的卵石处于卵石层的底部;通常薄层(1～2 m)卵石绝大部分或整层钙质胶结,且胶结程度较好(见图2)。

(3)靠近河流部位主流带的卵石层胶结较好,远离河流泛流带卵石层胶结相对较差。

2.2　成因分析

胶结卵石层(体)是含有钙质、铁质、锰质、硅质等矿物质成分的胶结物质与松散卵石在沉积过程中钙质凝结、胶结作用的产物。胶结作用是沉积物形成岩、土过程中的一种物理、化学变化。山区基岩经风化、剥蚀、淋滤、溶蚀等物理、化学作用,把含有钙质、铁质、锰质、硅质等具有胶结作用的矿物质和卵石一起被洪水搬运到山前冲洪积扇裙(冲洪积倾斜平原)上。在沉积过程中,卵石和具有胶结作用的矿物质经过物理、化学变化,凝结、胶结成具有一定强度的胶结卵石层(体)。太行山区基岩以碳酸盐岩(灰岩)为主,故胶结的矿物质以钙质成分较为普遍。

图1　厚层状卵石胶结情况示意图

图2　薄层状卵石胶结情况示意图

总干渠地处太行山前,渠道沿线施工开挖地层主要为第四系中(上)更新统坡(冲)洪积成因的地层。山地河流在其进入平原的出山口处,由于地形坡度突然变缓,河流流速骤减,水流分散,河流洪水携带的碎屑物质大量堆积下来,形成以山口为顶点而向平原扩展的洪积扇,从扇顶过渡到中间带和前缘带,沉积颗粒由粗变细。每次山洪爆发,伴随着洪流或面流搬运碎屑物质的同时,山区基岩(碳酸盐岩)易溶于水的钙质成份随着山洪流向出山口。携带钙质矿物质成分的山洪由地表径流转化为地下径流,在下渗流经卵石层时,钙质矿物质析出淋漓到卵石层,卵石层被充填胶结。

由于每次山洪爆发的规模大小及持续时间的不规律性导致了卵石层的胶结程度及空间分布的不均一性。一般来说,主流带(河流附近)卵石层胶结程度好于面流带,透水性差异较大部位的卵石层胶结程度较好,近山区的卵石层胶结程度优于远离山区的卵石层,如山门河、孟村、淇河等附近钙质胶结程度较好。在垂直方向上,对于厚层卵石一般在表层(或上部)形成钙质胶结卵石硬壳层(胶结好或较好),往下逐步减弱,胶结程度较差(或微胶结),多呈团窝状或葡萄状,直至未胶结;在水平方向上多呈透镜体状分布,局部呈薄层状分布,薄层卵石胶结程度好于厚层卵石。

3　工程特性

3.1　胶结卵石强度

为了解钙质胶结卵石的强度指标,针对钙质胶结好的卵石,在不同渠段取样做饱和单轴抗压强度试验,试验统计成果见表1。试验成果表明:钙质胶结好的卵石按饱和单轴抗压强度相当于软质岩石,个别相当于较硬岩。钙质胶结较好或胶结差(微胶结)的卵石难以取样,或取样后难以制样(标准试件),或制样后难以进行试验。

表1　钙质胶结(好—较好)卵石单轴抗压强度试验成果统计表

3.2　胶结程度分级及工程特性

卵石存在胶结对于渠道边坡稳定是有利的,但由于其胶结的不均匀性,在进行渠道边坡稳定性计算时往往作为安全储备,参数取值时未考虑胶结对卵石层力学性能的提高,但其对于施工开挖来说增加了施工开挖的难度。根据卵石胶结物的成分、胶结性状、胶结体软硬程度，结合现场施工开挖难易程度，将钙质胶结卵石胶结程度划分为三级:胶结好、胶结较好、胶结差(或微胶结)。胶结卵石体其工程特征见表2。

表2　卵石钙质胶结程度分级及工程特性

4　结语

(1)南水北调中线工程河南黄河北渠段沿线钙质胶结卵石层的分布和胶结强度很不均一。一般厚层卵石中上部钙质胶结相对较好,下部胶结差或未胶结;薄层卵石钙质胶结相对较好。

(2)胶结卵石是含有钙质、铁质、锰质、硅质等矿物质成分的胶结物质与松散卵石在沉积过程中溶解、胶结、粘连、固结作用的产物。其胶结规律和地表水、地下水的活动关系非常密切。

(3)卵石胶结后其工程性质利于渠道边坡的稳定,但增加了渠道开挖的难度。根据卵石胶结物的成分、胶结性状、胶结体软硬程度，结合现场施工开挖难易程度，将钙质胶结卵石胶结程度划分为三级:胶结好、胶结较好、胶结差(或微胶结)。胶结较好—好的卵石达到了软质岩—较硬岩的硬度,对应的岩土施工工程分级相当于V-VI类。

参考文献:

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[5]童文铎，杨继东，秦红军,等.南水北调中线一期工程总干渠黄河北—苃河北渠段工程地质勘察报告[R].郑州:河南省水利勘测有限公司,2006.