陇东地区湿陷性黄土工程地质特性研究——以白龙江引水工程为例

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

白龙江引水工程拟从甘肃境内嘉陵江支流白龙江引水至泾、渭河流域，途经黄河、长江流域，穿越秦岭、六盘山分水屏障，主要解决陇东地区城乡生产生活用水困难，规划引水线路总长四百多公里，属于长距离跨流域调水工程。

引水线路自六盘山隧洞出口至终点通过陇东低中山、低山区，为我国典型的黄土地貌发育区，不同时代、不同成因的黄土广布于黄土丘陵残塬、塬台粱峁地带和河谷阶地区，与工程关系密切且具有湿陷性的黄土主要有中更新统(Q2)离石黄土及上更新统风积(Q32)马兰黄土，大部分倒虹吸、箱涵建筑物以湿陷性黄土为地基，对湿陷性黄土的工程地质特性进行研究，对工程的顺利实施具有重要的意义。

1 陇东地区湿陷性黄土的分布

陇东地区在黄土沉积后，侵蚀切割较强烈，从而形成深切沟谷与连绵起伏的梁峁和平坦塬台相间的地形特征，地貌形态较为单一，按其形态可划分为黄土丘陵残塬区、河谷阶地区和黄土塬台、梁峁区等次一级地貌单元。

陇东地区主要发育有第四纪下更新统三门组(Q1s)石质黄土、中更新统离石组(Q2l)离石黄土和上更新统马兰组(Q3m)风积马兰黄土。其中Q2离石黄土表层和Q3风积马兰黄土具湿陷性。

离石黄土(Q2)：构成黄土塬或黄土丘陵基体中上部及分水岭顶部。在塬边陡坎、梁峁上部、冲沟、河谷岸坡均有出露，塬台面多为马兰黄土覆盖，出露很少。在梁峁区厚50～100 m，在塬台地区厚度约100 m。

马兰黄土(Q32)：覆盖于区内丘陵、塬台、梁、峁之上，为工程区分布范围最广的湿陷性黄土，厚度变化较大，沿线路由西向东变薄，在泾河右岸较厚，一般厚18～25 m，泾河左岸草峰塬至平泉塬一带厚15～20 m，洪河左岸郭家塬至西峰董志塬一带厚10～15 m，局部梁峁地带厚度小于10 m。其下部多为中更新统(Q2)离石黄土，在河(沟)谷及Ⅲ级阶地上直接覆盖在上更新统(Q31)黄土状土之上，局部直接覆盖于下更新统(Q1)石质黄土或基岩上。

2 湿陷性黄土的工程地质特性

与工程关系密切的湿陷性黄土为上更新统风积(Q32)马兰黄土，中更新统(Q2)离石黄土仅其上部数米有轻微湿陷性。现将相同成因时代的湿陷性黄土作为一个地质单元，对191组Q2离石黄土土样，232组Q32马兰黄土土样物理力学指标分别进行了分析统计。

2.1 土的物理力学性质

2.1.1 离石黄土(Q2)

(1)物理性质：液限27.4%～36.9%，塑限14.4%～22.5%，塑性指数9.3～17.4，液性指数-0.88～0.33，均值-0.3，多处于坚硬～硬塑状，局部为可塑状；含水率9.1%～24.7%，平均值15.4%，稍湿；湿密度1.49～1.97 g/cm3，平均值1.65 g/cm3，干密度1.32～1.64 g/cm3，平均值1.43 g/cm3，饱和度27.2%～75.4%，孔隙比0.595～1.043，平均值0.90。

(2)力学性质：天然状态下压缩系数0.064～0.728 MPa-1，平均值0.182 MPa-1，为中～低压缩性土；湿陷变形系数0.001～0.028，自重湿陷系数0～0.037，总体上为非湿陷性土，局部顶部3～6 m具轻微湿陷性。原状抗剪强度：c=22.2～88.0 kPa，Φ=17.2°～26.2°；饱和状态下抗剪强度：c=3.7～26.1 kPa，Φ=9.4°～19.4°；饱水后强度降低明显，其凝聚力降低一倍以上，内摩擦角降低40%～50%。总体看来，离石黄土压缩性低且无湿陷性或局部具轻微湿陷性，工程地质性质较好。

2.1.2 马兰黄土(Q32)

(1)物理性质：液限29.1%～38.2%，平均值32.4%，塑限15.2%～22.8%，平均值19.1%，塑性指数8.9～18.0，平均值13.4，液性指数-0.92～0.69，均值-0.19，多处于坚硬～硬塑状，局部为可塑状；含水率8.1%～28.2%，平均值16.6%；湿密度1.33～1.93 g/cm3，平均值1.52 g/cm3，干密度1.19～1.64 g/cm3，平均值1.31 g/cm3，饱和度20.0%～80.1%，孔隙比0.656～1.270，平均值1.08。

(2)力学性质：天然状态下压缩系数0.105～1.986 MPa-1，平均值0.678 MPa-1，为中～高压缩性土；湿陷变形系数0.014～0.12，自重湿陷系数0.002～0.1，湿陷起始压力23.7～289.2 kPa，平均值96.5 kPa，总体上为中～强湿陷性土，局部底部为轻微～非湿陷性土，湿陷性随深度总体逐步减小，湿陷起始压力随深度增大趋势较明显。原状抗剪强度：c=10.1～72.2 kPa，平均值40.5 kPa，Φ=18.0°～26.5°，平均值22.2°；饱和状态下抗剪强度：c=1.6～33.4 kPa，平均值11.9 kPa，Φ=9.0°～14.5°，平均值11.7°；饱水后强度降低明显，其凝聚力大幅降低，内摩擦角降低约一半。总体上看，马兰黄土具有中～强湿陷性、属中～高压缩性土，工程地质性质不良。

2.2 湿陷特性

黄土的湿陷性十分复杂，与土的生成时代、成因类型、土体结构、干密度、孔隙比及附加荷载等有着十分密切的关系。由于与白龙江引水工程关系最密切的湿陷性黄土为第四系上更新统马兰黄土，因此以该种土的湿陷性为研究对象，分析总结其一般规律。

2.2.1 湿陷性及一般规律

经对输水线路232组马兰黄土(Q32)试验成果统计分析，黄土湿陷性与土层深度、干密度及附加荷载有着十分密切的关系。选取线路通过的草峰塬、交口河左岸梁峁以及董志塬等3个典型场地的竖井试验成果进行统计分析，其中草峰塬、董志塬竖井位于典型的黄土塬区，马兰黄土厚度一般在10～15 m，其下为Q2离石黄土。交口河左岸竖井位于黄土梁峁，梁峁区上部马兰黄土厚一般8～13 m，下部为Q2离石黄土。见典型竖井深度与湿陷系数、自重湿陷系数表(表1)，据试验成果分析黄土湿陷性随各项物理力学指标的变化规律，归纳如下。

表1 典型竖井深度与湿陷系数、自重湿陷系数表

(1)黄土的湿陷性随深度的变化规律：草峰塬竖井上部Q32马兰黄土厚12 m，下部为Q2离石黄土，从试验成果可以看出，马兰黄土在10 m之上具有中～强湿陷性，10～12 m为轻微湿陷性；离石黄土为非湿陷性土。交口河左岸梁峁竖井上部马兰黄土厚约12 m，具轻微～中湿陷性；下部为Q2离石黄土，为非湿陷性土。在董志塬竖井中，上部马兰黄土厚11 m，5 m以上具有中等湿陷性，5～11 m具轻微湿陷性，下部为Q2离石黄土，为非湿陷性土。通过以上三个典型竖井湿陷性随深度变化分析，马兰黄土湿陷性随深度逐步减弱，大部分具中等～强湿陷性，底部具轻微湿陷性；离石黄土一般为非湿陷性土。

(2)黄土的湿陷性随干密度及孔隙比的变化规律：根据黄土湿陷系数与干密度及孔隙比的试验资料统计分析，黄土的干密度小于1.34 g/cm3，其一般具有中等～强烈湿陷性；其干密度1.34～1.42 g/cm3，一般具轻微湿陷性；黄土的干密度大于1.42 g/cm3，一般不具湿陷性，黄土的湿陷系数随干密度的增大而减小，随孔隙比变小而逐渐减小，一般干密度大的黄土湿陷性弱，反之则强。据本工程大量试验成果统计，一般干密度≥1.42 g/cm3或孔隙比小于0.9的黄土，基本上无湿陷性。

2.2.2 湿陷场地及地基湿陷等级

为查明工程区湿陷性土层厚度，在一些典型地段布置了较深的竖井，并自上而下进行了取样试验。根据《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB 50025—2004)，分别对建筑物场地湿陷量和自重湿陷量进行了计算，详见典型场地湿陷量统计表2。

表2 典型场地湿陷量统计表

Q32马兰黄土具有自重湿陷性，一般为自重湿陷性场地，白龙江引水工程输水线路在洪河右岸平泉塬以前黄土地基的湿陷等级一般为Ⅲ级(严重)～Ⅳ级(很严重)；洪河左岸郭塬至董志塬线路末端黄土地基的湿陷等级一般为Ⅱ级(中等)，仅孟坝塬段黄土地基的湿陷等级为Ⅲ级(严重)；Q2离石黄土一般仅其上部3～6 m的土层具有轻微湿陷性，当建筑物基础位于Q2离石黄土之中，一般属于非自重湿陷性场地。

3 湿陷性黄土主要工程地质问题

3.1 地基湿陷变形问题及建议

马兰黄土属中～高压缩性、微透水性土，一般具中～强湿陷性，属自重湿陷性场地，地基湿陷等级为Ⅱ级(中等)～Ⅳ级(很严重)，作为地基时存在湿陷变形破坏，一般不宜直接作为建筑物地基。当箱涵、倒虹吸管地基为此类土时，应采取消除其湿陷性的地基处理措施和防水措施。输水线路箱涵地基多为马兰黄土，厚度一般在10～15 m，可采用灰土挤密桩对地基土进行处理，并加水泥土垫层；当基础开挖厚度较大，湿陷性黄土厚度小于5 m时，可采用原土翻夯对地基土进行处理并加水泥土垫层；作为湿陷性黄土地基还应采取加设防渗土工膜、加强地表排水等防水措施。倒虹吸(镇)墩基不宜以湿陷性黄土为持力层，应以桩基形式穿透自重湿陷性土层，将桩端置于较密实的非湿陷性土层之中，并应考虑湿陷性黄土的负摩阻力。

3.2 黄土边坡稳定问题及建议

输水线路通过的陇东黄土区多布置倒虹吸，沿线河(沟)谷与梁塬相间，河谷两岸岸坡坡度一般15°～40°，黄土边坡最大高度超过200 m，沟谷底部一般形成20～40 m近直立陡坎，天然边坡基本稳定。经过观察和分析，边坡的含水量的大小与边坡稳定性关系密切。即：(1)边坡内土体含水量平均达到25%或超过25%时，边坡土体即进入临界状态和不稳定状态；(2)降雨后坡体表层含水量超过20%时，边坡表层土体即进入临危状态，有可能发生滑坡、崩塌，这是由于边坡直线表面剪张裂隙发育，地表水入渗后各种潜在危险结构面上含水量增加，抗剪强度降低较快；(3)根据试验资料统计分析，湿陷性黄土含水量的变化与土体的抗剪强度(C、φ)关系密切，当土体饱水后较原状强度降低一倍左右。建议：Q32马兰黄土、Q2离石黄土临时开挖边坡1:0.5～1:0.75，坡高大于8 m时设宽2.5～3 m马道，并采取坡顶、坡面及坡脚排水措施。

4 结语

(1)陇东地区Q32马兰黄土总厚度一般10～20 m，上部5～10 m范围内，一般具中～强湿陷性，以下为轻微陷性土，湿陷性土层深度及湿陷性强度沿线路由西往东总体逐渐变小；Q2离石黄土一般无湿陷性，仅局部段顶部3～6 m具轻微湿陷性。

(2)黄土湿陷性具有明星的特征：随深度增加湿陷性逐渐减弱；湿陷系数随干密度的增大而减小，随孔隙比变小而逐渐减小，一般干密度≥1.42 g/cm3或孔隙比小于0.9的黄土，基本上无湿陷性。

(3)陇东地区Q32马兰黄土具有自重湿陷性，一般为自重湿陷性场地，黄土地基湿陷等级沿白龙江引水工程输水线路由东至西变弱，平泉塬以前黄土地基的湿陷等级一般为Ⅲ级(严重)～Ⅳ级(很严重)；平泉塬以后至董志塬黄土地基的湿陷等级一般为Ⅱ级(中等)，仅局部段黄土地基的湿陷等级为Ⅲ级(严重)。

(4)陇东地区湿陷性黄土存在的主要工程地质问题有：地基湿陷变形问题，应采取消除其湿陷性的地基处理措施和防水措施；黄土边坡稳定问题，需合理设置开挖坡比和马道，并采取坡顶、坡面及坡脚排水措施。