黄花滩项目工程地质特征研究及实施措施

2014-04-06余侃柱

水利规划与设计 2014年7期

关键词：壤土干渠黄花

余侃柱

（甘肃省水利水电勘测设计研究院甘肃兰州 730000）

黄花滩项目工程地质特征研究及实施措施

余侃柱

（甘肃省水利水电勘测设计研究院甘肃兰州 730000）

本文以甘肃省古浪县生态移民暨扶贫开发黄花滩项目工程地质勘察的详实资料为基础，深刻研究了该工程的工程地质条件、水文地质条件、环境地质背景，对主要的工程地质问题进行了评价，并系统总结了项目实施中所采取的主要措施和方法，对类似工程条件项目建设和实施有借鉴作用。

黄花滩项目工程地质问题实施措施及方法

1 前言

甘肃省古浪县生态移民暨扶贫开发黄花滩项目水利骨干工程（简称黄花滩项目）是充分利用景电二期工程古浪灌区节水量，对已有灌区部分设施基础进行改扩建和延伸，合理开发黄花滩土壤条件优越的部分土地，新建一个生态移民扶贫开发区，用来安置古浪县南部干旱山区及祁连山水源涵养林区贫困的居民4万人，实施生态移民、扶贫开发、综合治理。黄花滩灌区骨干渠系由干渠、分干渠、支渠3级渠道组成，其中黄花滩干渠长30.57km，设计流量5.09～3.21m3/s，加大流量6.36～4.17m3/s；南分干渠长14.53km，北分干渠长24.92km，提灌分干渠长8.63km，南分干渠所属3条支渠长16.07km，北分干渠所属2条支渠长19.49km，灌区骨干渠道全长114.2km。新建泵站3座（其中干渠一泵站扬程41.70m，二泵站扬程61.8m，提灌分干渠泵站扬程85.2m），4座渡槽。灌区灌溉总面积8.62万亩，其中农田7.20万亩，生态林1.42万亩。工程主要建筑物有明渠、暗渠、管道、渡槽（管）、倒虹吸、泵站、分水闸等。本工程属Ⅲ等中型工程。黄花滩项目引水线路干渠及分干渠、支渠通过地形地貌为低山丘陵区、冲洪积扇、冲洪积平原、纵向沙垄、新月形砂丘链及零星的丛草砂丘，地貌单元和地基条件不同，涉及的工程地质问题不同，对策和处理措施亦不同。本文以详实勘察资料为依据，深入分析研究了该工程的工程地质特征，对主要工程地质问题评价，总结了项目实施中采用的措施及方法。

2 工程地质概况

黄花滩项目位于古浪县东北部，南邻中山地带，北缘腾格里沙漠，海拔1600m～2000m。工程区属陇西系与河西系交接地带，多被大片第四系松散堆积物覆盖。大靖至古山墩段，主要构造形迹展布方向为北西西，属陇西系旋卷构造的最外层同心～古浪褶带。大靖坳陷则形成中新生界断陷盆地，其近代堆积物厚度达百余米，古山墩基岩隆起。灌区黄花滩冲洪积平原，属于武威坳陷带的东北边缘，形成中新生界断陷盆地，第四系松散堆积物覆盖，在双槽车站附近，第四系覆盖层厚189m。工程区新构造运动主要表现为垂直升降运动，以下降运动为主。工程区受祁连山

山前活动断裂的影响，近代地震活动较为频繁，工程区50年超越概率为10%时地震动峰值加速度0.20g，地震动反应谱特征周期0.45s，相当于地震基本烈度为VIII度。灌区第四系覆盖层厚度大于100m，无基岩裸露，无区域性活动断裂分布，区域构造稳定性分级和评价属稳定性较差。

工程渠线布置大靖和黄花滩两冲洪积平原，中间为古山墩基岩隆起的低山丘陵及沙漠区，渠线从东到西经过了三个地貌区：山前洪积波状及冲洪积倾斜平原区、腾格里沙漠南缘中山丘陵区及沙漠、黄花滩山前冲洪积倾斜平原区。渠线通过砂丘有流动砂丘和半固定砂丘，沙垄和沙垄间槽型洼地（即所谓的塘地）。工程区地基地层岩性主要为第四系全新统(Q4)松散堆积物砂壤土、粉质壤土、细砂、砂砾（碎）石及风积砂等。引水渠线沿线第四系孔隙潜水地下水位埋深一般为60～140m，对渠道建筑物基础无影响。灌区第四系孔隙潜水，地下水位埋深一般为80～140m，总体由南向北径流最后潜入腾格里沙漠，对灌区建筑物地基无影响。

工程区地处西北内陆，降水稀少，蒸发强烈，气候干旱，地表、地下水资源贫乏，属典型的温带大陆性干旱气候。据气象资料统计，全年平均气温6.6℃，极端最高气温33℃，极端最低气温-26.4℃；多年平均降水量207.7mm，最大314mm，最小95mm，降水量多集中在7、8、9三个月；多年平均蒸发量2807mm，多年平均日照时数2852.3小时，无霜期平均为142天，冬春两季多风，主要风向为东南、西北风，多年平均风速3.6m/s；历年沙尘暴最多日数47天，大多发生在春季和夏初。冻结日期一般在11月下旬；历年最大积雪深度11cm，降雪日期一般在10月下旬至次年4月下旬。最大冻土深度110cm。项目区多年平均径流深5mm，基本不产流，无地表径流河流。

3 主要工程地质问题及评价

渠线地基地层岩性主要为第四系全新统松散堆积物，按渠基岩性及地貌特征可分为3种类型：（1）砂壤土、粉质壤土，夹细砂或砂碎石透镜体，主要分布干渠及灌区部分分支渠，地貌为低山丘陵区、冲洪积扇、冲洪积平原、纵向沙垄、新月形砂丘链及零星的丛草砂丘。（2）风积细砂为主，夹砂壤土及粉质壤土透镜体，主要分布干渠北线方案的红柳湾～赵家刺滩～干渠尾、灌区南北支渠及分支渠大部分渠道，均位于沙漠中，以流动砂丘为主。在沙漠区沙垄和沙垄之间有槽型风蚀洼地（即所谓的塘地）分布，并有冲沟分布，如崖沟一带线路有多条冲沟分布，风蚀切割地形较破碎，呈“V”型冲沟。（3）砂砾石或砂碎石，分布干渠及局部冲沟、洪积扇前缘，主要为渡槽或倒虹吸地基。

3.1渗漏问题

砂壤土、粉质壤土天然地基渗透系数10-4～10-5cm/s，渗透性分级属弱透水，风积细砂天然地基渗透系数10-3～10-2cm/s，渗透性分级属中等透水，砂砾石或砂碎石天然地基渗透系数10-2～10-1cm/s，渗透性分级属强透水。渠道天然地基不采取防渗漏措施，渠道沿线渗漏量损失大，而且沿线渗漏会引起边坡失稳、沉降变形、坍塌、次生盐渍化等环境地质问题。

3.2湿陷性及压缩性问题

砂壤土、粉质壤土，天然含水率0.6～8%，平均值4.1%，自重湿陷系数0.01～0.113，平均值0.042；湿陷系数0.019～0.16，平均值0.091，湿陷性强烈，一般为自重湿陷性场地，湿陷等级为III（严重）、IV(很严重)，湿陷起始压力Psh=10～70KPa，平均值31.7KPa。砂壤土、粉质壤土原状快剪c=6.2～76.1KPa，平均值31.1KPa，Φ=21.3～28.3°，平均值25.5°，饱和快剪c=2.5～29.9KPa，平均值11.2KPa，Φ =7.4～15.3°，平均值11.9°。砂壤土、粉质壤土原状压缩系数a1-2=0.06～0.42MPa-1，平均值0.17MPa-1，中压缩性。饱和压缩系数a1-2=0.34～0.87MPa-1，平均值0.58MPa-1，孔隙比0.735～1.221，平均值0.938。

流动砂丘风积细砂一般不具湿陷性，局部沙漠与洪积扇边缘过渡带，半固定砂丘、固定砂丘分布风积砂因粉粒及黏粒含量增加，未经浸水和压实，含有易溶盐，湿陷系数为0.02～0.06，湿陷性轻微～中等，湿陷深度一般在8m以内，一般为非自重湿陷性场地，湿陷等级为I（轻微）、II（中等）。压缩系数a1-2=0.06～0.1MPa-1，低压缩性。风积细砂抗剪C=1.1～13.5KPa，平均值6.2KPa；Φ=25°～31°，平均值28°。天然干密度越大，压缩、湿陷变形也越小。

3.3风积砂边坡及侵蚀问题

活动砂丘区分布沙漠区垄岗高地，多由连续分布或独立的新月形砂丘链组成，砂丘相对高差3～6m，渠线局部通过段个别边坡高达10～25m。砂质松散，受季节风向控制，风砂活动强烈，一般迎风坡自然坡度5°～15°，较缓，背风坡自然坡度28°～33°。

半固定砂丘区分布于沙漠边缘与冲洪积平原的过渡带，一般生长柽柳、红柳、梭梭、骆驼刺、沙拐枣、碱蓬、仙人掌等，砂丘上的植物对流沙有一定的阻碍作用，耐风砂的袭击和砂埋，“水涨船高”，形成了高大的灌丛砂堆（砂包），固定沙漠的活动，使沙漠逐步退化。一般高度3～6m，呈锥形，孤立或连片小砂丘。半固定砂丘随植被连片覆盖生长发育，在塘地及洪积扇边缘，则向固定砂丘区转变。

活动砂丘是形成沙尘暴、扬砂天气的物质来源，冬春两季多风，风的吹蚀作用使风积砂卷入沿线渠道内，淤积或掩埋渠道，影响渠道正常运行。灌区风的吹蚀破坏耕地土壤，影响作物的生长，风砂入渠问题较突出。

3.4冻胀问题

渠线沿线地下水位埋深较大，对基础没有影响，但特殊气候环境使建筑物发生冻胀破坏，表现为渠道衬砌混凝土阴坡比阳坡破坏严重，产生鼓起、裂缝、顶托、坍塌等，影响渠道运行。

3.5渗透变形问题

渠线及灌区地下水位埋深大于60m,远远低于渠底，渠基土基及砂砾石、风积砂在天然状态下没有受到渗透水流的作用，不会发生渗透变形破坏。在渠道运行中，局部段衬砌防渗措施失效，引起渠道水渗漏，形成渗透水力坡降，可发生小规模的管涌、流土危害。

3.6土的液化问题

渠基砂壤土、粉质壤土、细砂从颗粒组成含量及相对密度符合VIII度区土的地震液化条件，但渠线及灌区地下水位埋深大于60m,渠基位于地下水位以上，地下水径流排泄畅通，地基处于非饱和，天然地基渠基范围内不会形成饱和层，因此不会发生砂土渗透液化和地震液化。

3.7泥石流问题

工程区干旱少雨，但冲沟中在秋季常暴发规模大小不等的泥石流，主要分布崖沟及南线方案通过冲沟中，大靖河的支流冲沟。在沙漠塘地局部洪水汇流也可能暴发规模大小不等的山洪。

3.8灌区地下水动态预测

黄花滩灌区地处内陆腹地，位于腾格里沙漠边缘，全年降水量稀少，蒸发强烈。灌区地下水主要补给来源为灌溉水渗入，其次为大气降水、雨、雪水渗入，地下径流补给。无地表水资源，同时地下水埋深较大，水量有限，水资源比较匮乏。排泄主要为地面蒸发和植物蒸腾，人工开采灌溉、生活用水、畜牧饮用，地下径流。目前灌区地下水位埋深一般为80～140m，水化学类型为SO4—Cl—Mg—Na型和Cl—SO4—Na—Ca型。在实施该项目前，周边有零星农场和村庄，灌溉及生活水源靠开采地下水，随着农场开垦耕地面积增大，居住村民逐渐增多，超量开采，区内地下水位总体呈下降趋势，10年平均下降累计达到2～5m。

项目实施后，灌区科学合理规划开发，选择适宜节水的作物、林、饲草种植，发展高效节水农作物，生态环境逐步改善，合理确定地下水允许开采量，预测灌区总体地下水位会逐步抬升，水量增大，水质变好，但生活污水、非农业加工产品污水等直接排放渗入，局部地下水可能受到污染，水质变差或恶化。

3.9次生盐渍化预测

灌区土壤分类采用土类—亚类—土属三级分类制。灌区土壤分为2个土类，3个亚类，5个土属。灌区主要土类为地带性土壤灰钙土和区域性土壤风砂土。灰钙土亚类主要划分为灰钙土、灌耕灰钙土。土壤风砂土亚类为荒漠风砂土。土属分为自然灰钙土、旱作灰钙土、黄土性灌耕灰钙土、半固定风砂土、流动风砂土。当土壤含盐量超过一定数量（0.6%～1.0%），对植物生长构成危害，在组成相同情况下，土壤含盐量越高，危害越大。灌区盐渍化土盐量分级，主要根据土壤含盐量、盐分成分和对作物危害划分。灌区土壤盐分成分以硫酸盐和氯化物+硫酸盐为主。根据土壤分析资料，自然灰钙土腐殖质层易溶盐含量平均为1.05g/kg，淀积层为1.78g/kg，底土层为2.14g/kg。旱作灰钙土耕作层平均为0.49g/kg，心土层为2.17g/kg，底土层为2.10g/kg，土层中上部易溶盐含量较低。灌耕灰钙土耕作层平均为0.44g/kg，心土层为0.95g/kg，底土层为0.83g/kg。

灌区全为非盐渍化土壤，非盐碱地，地下水埋深大于80m，且土壤易溶盐明显有下移现象。灌区土壤含盐量整体较低，透水性好，实施高效节水灌溉措施，控制地下水位的快速抬高，灌溉后灌区土壤一般不会产生次生盐渍化。

3.10生态环境问题

项目区特殊地理位置和气候环境，土地资源丰富，具有一定的开发潜力。但具有典型的干旱大陆性气候，干旱少雨，蒸发量大，地表、地下水匮乏，生态环境脆弱，沙漠化愈加严重，沙尘暴频繁，吞噬土地。项目实施，合理开发利用土地资源，遏制沙化南移，在腾格里沙漠南缘又形成了一道人工防护工程，灌溉土地、农田防护林、防风固沙林的实施，增加地下水的补给，人工绿洲形成，自然生态环境必将发生改观，生态、环境、社会效益显著。

4 项目实施中采取措施及方法

在项目可研、初设阶段进行了深入的研究，实施中综合采取主要措施如下：

（1）线路比选优化。黄花滩干渠北线方案全长30.78km，黄花滩干渠南线方案全长38.66km，2条线路其前段不同，进行比选，后段长9.03km工程地质条件相同，穿越活动砂丘、半固定砂丘及塘地，无比选。灌区支渠及分支渠线路相同无比选。南线方案，以明渠为主，改建南干渠一、二级泵站，南干3座渡槽，南二支渠7座渡槽、5座倒虹吸及压力管道，新建一级泵站，主要工程地质问题为地基湿陷性问题、泥石流及冲刷问题、边坡稳定性问题，建筑物多，南线方案较北线方案长7.88km。工程地质问题较北线方案复杂，地基处理措施相对北线方案复杂。北线方案建筑物比南线方案简单，以明渠为主，4座渡槽，需跨民调渠，设二级泵站，主要工程地质问题为地基湿陷性问题，工程条件相对简单，避开不良物理地质现象，地基处理措施相对南线方案简单。经比选北线方案优于南线方案，实施中采用北线方案。

（2）干渠防渗及防冻胀措施。渠基为砂壤土、粉质壤土，夹细砂，渠道断面和衬砌结构采用弧底梯形断面，渠道内边坡采用1：1.5。干渠基础开挖至设计高程，原地基夯实，上部铺设砂砾石垫层30cm，压实干密度≥2.1g/cm3,细砂垫层5cm。渠道采用土工膜防渗，渠道衬砌表面采用M10砂浆砌C25混凝土板（边坡厚8cm，弧底厚10cm），抗冻等级采用F50，抗渗等级采用W10，下铺土工膜，二者之间设厚3cm的水泥砂浆找平层，渠口两侧采用30cm宽预制C25混凝土板压顶。每8m设伸缩缝一道，止水材料采用聚氯乙烯胶泥和锯末水泥。泵站引水建筑物（明渠、暗渠、渡槽、分水闸、前池、出水池）及厂房封闭圈以下部分抗冻等级为F200，封闭圈以上部分为F150。镇墩、检查井、闸阀井等为F150。厂房封闭圈、前池、出水池、分水闸确定混凝土抗渗等级为W6。砂壤土、粉质壤土击实最大干密度1.72g/cm3，最优含水率15.5%。

（3）干渠通过活动砂丘区、沙漠区风积砂段，采用输水管道，采用一根Φ1600～Φ2000mm的预应力混凝土管，埋管总长度16.33km，占北干渠总长53.4%。管槽管顶埋深不小于1.5m，采用开挖料夯填，管床地基采用换填1.0m厚的砂砾石垫层，换填层应分层回填夯实，压实后砂砾石干密度≥2.1g/cm3，管区部分再夯填30cm厚砂砾石。管槽开挖边坡比，边坡高度<5m，1：1.5～1：1.75，边坡高度>5m，1：1.75～1：2.5，每5m设置马道。崖沟倒虹吸进出口，分布活动砂丘和半固定砂丘，地基换填砂砾石厚1.0m，压实干密度≥2.1g/cm3，管身采用Φ2000mm预应力混凝土管暗埋。风积砂最优含水率为12～15%，最大干密度1.68～1.75g/cm3。

（4）一、二级泵站位于沙漠中，泵站主厂房基础采用箱型基础，对地基风积细砂采用换填1.0m厚的砂砾石垫层，换填层分层回填夯实，压实后砂砾石干密度≥2.1g/cm3，砂砾石垫层上设10cm厚C25混凝土垫层，泵房底板厚0.8m，C25钢筋混凝土浇筑。

（5）节水灌溉模式确定。经比选，适宜的田间节灌模式以管灌及大田滴灌为主，适度发展日光温室。项目区粮食作物及种植玉米采用管道灌溉；对于渠旁经济林，采用管道灌溉；无公害高原夏菜生产基地全部发展日光温室，保障移民户均1棚，增产增收；对于经济林，采用大田滴灌节水技术，在节水的基础上提高果品质量，达到提高水资源综合利用效益的目的。灌区布置管灌3.44万亩，大田滴灌4.18万亩，日光温室蔬菜1万亩。

（6）科学管理。为保证工程安全和正常运行，充分发挥工程效益，必须进行正规化、制度化和现代化的管理，明确职责，建立科学的、切实可行的工程调度运行监测机制。管理体制要适应改革的不断深入，要适应市场经济的发展要求。项目实施后，随时掌握、监控工程各建筑物和设备的工作状态，以便及时发现问题，消除工程隐患。对管线沿线施工扰动地貌部分铺草方格，设置砂障防护。建立环境监测、地下水动态、地下水与土壤的水盐动态平衡、预防次生盐渍化试验观测。