陕北黄土地区引调水线路第四系工程地质问题及对策

2019-02-15余胜利

陕西水利 2019年3期

余胜利

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安 712000）

黄土地区由于其特有的性质和独特的地貌形态，在黄土地区兴建水利工程会碰到与其他地区有很大区别的水文地质及工程地质问题，本文以陕甘宁盐环定扬黄定边供水提升改建工程为实例，围绕在陕北黄土地区引调水线路的工程地质问题展开讨论，对黄土地区的管道、隧洞、黄土边坡稳定性以及库区的渗漏、湿陷变形等主要工程地质问题及处理措施进行分析探讨。

1 工程概况

陕甘宁盐环定扬黄定边供水提升改建工程分陕西、甘肃、宁夏三省区公用工程和各省区专用工程。其中定边供水工程是盐环定扬黄工程陕西省专用部分，面积约2364 km2，项目配套工程主要有输水管线、调蓄水池，水厂以及泵站等，主要以解决定边、靖边高氟区人畜饮水及部分工业企业用水，发展生态的一项以防氟为主的三等扶贫工程。本工程为盐环定定边供水提升改建工程，在一期、二期工程基础上对已成工程进行提升改建。

2 地质概况

2.1 地形地貌

该工程位于陕北黄土高原与毛乌素沙漠之间的过渡地带，白于山以北，毛乌素沙漠以南，总体地势轮廓为西高东低，南高北低。南部长期受水力冲刷、风力搬运作用的影响，形成了典型的堆积侵蚀黄土斜坡地貌，北部以及中部主要为风洪积平原地貌，区域内还零星分布有风积丘陵梁岗地形。主要地貌包括黄土堆积侵蚀斜坡、风洪积平原、风积堆积丘陵梁岗及洪积扇。

2.2 地层岩性

工程区内主要分布第四系（Q），在区内广泛分布，岩相变化大。出露地层主要为第四系黄土、黄土状土、古土壤及砂壤土层。其中黄土及黄土状土土质均一，主要分布在分布于区域南部黄土堆积侵蚀斜坡下部及黄土梁，该层厚度一般6.0 m～15.0 m，最大厚度24.4 m；砂壤土层主要分布在黄土斜坡前缘及其以北广大风洪积堆积平原地区，厚度小于15 m。

2.3 水文地质

本区为干旱的大陆性气候，降雨量少，蒸发量大，地下水主要受大气降水补给，地下水埋深按地貌单元差异较大，蓄水后主要持水层为黄土层孔隙及裂隙。

3 第四系主要工程地质问题及处理措施

工程区范围内地表出露的地层主要以第四系为主，该地区第四系成因及岩性主要为冲积、风积以及洪积的黄土、黄土状土、壤土和砂壤土，局部夹有薄层粉细砂层。

3.1 库区渗漏

根据以往多个黄土地区工程项目实践证明，黄土的渗漏量相当可观，供水管线或者水库初次通水还未达到目的地就全部渗完的情况时有发生。本次项目新建陡沟调蓄水池设计库容1300 万m3，调蓄水池设计正常蓄水位高程1510 m，位于黄土高原北部，主要地貌类型为堆积侵蚀黄土斜坡、风洪积平原以及冲洪积扇，地层主要为白垩系第四系松散堆积物，两岸黄土塬面较宽，五大的构造断裂，上部主要岩性为黄土及黄土状土，下部基岩岩性为泥岩、砂岩互层，其中黄土及黄土状壤土属弱透水～微透水性，基岩岩性为泥岩、砂岩互层，强风化厚度2 m～3 m，属中等～弱透水性，下部弱风化～微风化岩体q＜3 Lu，可视为相对不透水层。其主要渗漏为前期对库底土的饱和需水量。通过对各岩土层进行室内岩性分析，上覆黄土、黄土状土砂壤土层渗透系数K=2.0×10-5cm/s～9.45×10-5cm/s，属微透水性，孔隙率n=43%～51%，饱和度Sr=17.4%～52.5%。通过对地形地貌、地层结构及地层渗透性综合分析，水库蓄水初期存在暂时性渗漏，但水库永久性渗漏轻微，对水库运行影响不大，同时两岸冲沟距库区较远，正常蓄水位远高于地下水位，且无单薄山梁，不存在邻谷渗漏问题。

陕北水资源匮乏，当库底渗漏量大时，应对库底进行防渗处理，处理方法是先蓄水一两次，等水干后填塞构造裂缝和湿陷裂缝，再整理库底进行原土翻压或者塑料薄膜防渗处理。

3.2 黄土湿陷性

黄土湿陷性是黄土特有的工程地质特性，在天然状态下黄土强度较高，一旦遇水，强度急剧下降，严重威胁和影响工程建筑的正常运行。根据勘探资料，项目区域内分布于黄土斜坡处的黄土失陷系数为0.003～0.008，无湿陷性，湿陷起始压力＞200kPa；分布于山前丘陵处的砂壤土湿陷系数0.001～0.016，湿陷性无～轻微，表层1m 左右有少量样品湿陷系数达0.061，湿陷起始压力＞200kPa，湿陷性中等，建议进行管基开挖时予以清除；分布于风洪积平原处的湿陷性砂壤土湿陷系数0.015～0.070，湿陷轻微～强烈，湿陷起始压力44 kPa～96 kPa，湿陷下限9 m；分布于洪积平原及洪积扇处的湿陷性壤土湿陷系数0.015～0.060，湿陷轻微～中等，湿陷起始压力42 kPa～128 kPa，湿陷下限8m；分布于黄土斜坡处的湿陷性壤土湿陷系数0.015～0.077，湿陷轻微～强烈，湿陷起始压力30 kPa～87 kPa，湿陷下限＞15 m。对于具有湿陷性的场地采用灰土垫层的解决办法，处理厚度根据失陷等级0.5 m～1.5 m 不等。

3.3 边坡稳定性

管线沿线会经过冲沟，干燥状态下黄土类土具有较高的强度，边坡稳定条件较好，但当其浸水后，强度会急剧降低，从而导致边坡的失稳，沟道冲刷及溯源侵蚀可能对管基有影响，建议对管线近沟段做好防冲刷措施。

调蓄水池库区岸坡主要由黄土、黄土状壤土组成，未见基岩岸坡出露，两岸斜坡坡面倾角50°～65°，水库地质调查过程崩塌堆积体及落水洞发育。库区主要为黄土斜坡，由于冲沟发育，水库蓄水后易形成三面环水，库水位的升降必然导致库岸斜坡黄土层物理力学性质的改变，使得库岸黄土斜坡发生再造，是构成水库塌岸的主要物质来源，水库蓄水后正常蓄水位以下边坡坡度较陡，蓄水后塌岸问题严重。后期施工需对库区岸坡进行工程处理措施。

3.4 地基土膨胀性

管线基础第三系粘土及粘土岩分布广泛，属于典型膨胀土，建议在基础底部垫0.3 m 以上的砂砾石层，严密封闭管道渗漏。类比前期资料，含粘土石膏自由膨胀率及膨胀力均较小，故可不考虑膨胀性。由于石膏遇水易溶解，开挖过程中应清除表层强风化，使用抗硫酸盐水泥，以防腐蚀，同时应做好防水封闭措施，以防溶解、流失而降低基础强度。

3.5 黄土类土压缩性

本次勘察对工程区不同地貌单元土体进行探坑取样，由实验数据可知，砂壤土（Q41eol+pl）压缩系数a1-2=0.51 MPa-1为高压缩性土，壤土（Q4pl）压缩系数a1-2=0.36 MPa-1～0.70 MPa-1为中高压缩性土，黄土（Q3eol）压缩系数a1-2=0.48 MPa-1～0.92 MPa-1为中高压缩性土，壤土（Q3al+pl）压缩系数a1-2=0.33 MPa-1为中压缩性土。其中黄土压缩性总体较高，根据一些研究表明，强夯压实黄土的干密度普遍降低，同时其压缩模量和强度显著提高，所以建议对其进行夯实处理。