甘肃陇西与陇东地区马兰黄土工程地质特性分析研究

边义成

(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)

甘肃省中东部地区马兰黄土覆盖深厚、分布广阔，前人采用孢粉学、古气候学、化学分析及X射线等方法对该地区马兰黄土的矿物成分、物质组成、结构构造、成壤作用、形成原因等进行了广泛研究，取得了丰硕成果。随着近几年西部大开发、一带一路建设，黄土高原地区持续开发与治理对策就显得更为举足轻重。制约甘肃省中东部地区经济发展的主要因素是缺水问题，国家为完成精准扶贫攻坚任务，已批准开工建设引洮供水工程和正在规划白龙江引水两项长距离调水工程，这两项工程已列入国家“十三五”172项重点建设项目中。

由长江勘测规划设计研究有限责任公司牵头批准立项“水资源高效开发利用”重点专项“长距离调水工程建设与安全运行集成研究及应用”(项目编号：2016YFC0401800)，甘肃省水利水电水电勘测设计研究院为子课题(课题编号：2016YFC0401801)合作单位。两项长距离调水工程耗资巨大，横跨甘肃省陇西和陇东地区，马兰黄土为输水渠道地基主要土体。目前通过大量室内土工试验手段分析研究甘肃省陇西与陇东地区马兰黄土物理力学参数变化规律、参数间相关性和两地区土体工程地质特性对比分析成果较少。为此，本着研究成果为工程建设服务的宗旨，通过试验，充分研究马兰黄土工程特性，采用数理统计和回归分析等手段系统地分析该地区马兰黄土物理力学性质，研究其工程地质特性的规律性，采取科学合理的工程措施对其不利特性加以改造，保证所建工程正常安全运营，同时对甘肃省中东部地区生态环境恢复、地质灾害防治、水土流失治理及美丽乡村治理等绿色发展理念项目建设提供有力的理论依据。

1 地质背景

甘肃省中东部地区民宅、厂房、高楼大厦以马兰黄土为地基，道路、桥梁、隧洞、水坝、渠道常要以此土层为介质和材料。分布于地表的马兰黄土与人类活动联系紧密，其特殊的不利特性对工程建设影响较大。横亘于甘肃中东部的六盘山呈南北向展布，将甘肃中东部地区分为东西两部分，如图1所示，以西为陇西黄土高原，海拔1500～2000m，地形破碎，多梁、峁、丘陵，主要包括甘肃兰州、定西、白银、天水，该地区分布黄土通称陇西黄土；以东为陇东黄土高原，海拔800～1500m，除少数黄土残塬外，大部分地区多为破碎的梁、峁、沟壑，主要包括甘肃平凉、庆阳，该地区分布黄土通称陇东黄土。陇东与陇西马兰黄土分布于黄土高原表部，是在冰期干冷气候条件下，土壤作用很弱时形成的风尘堆积，沉积于晚更新世(Q3)。风积马兰黄土(eolQ3)分布面积广阔，经过长期地球外营力改造，分布范围逐渐减小，分布区域支离破碎，现在主要分布于黄土塬、梁、峁顶部及其斜坡地带，因其分布地域不同，颗粒组成、结构类型也不同，土体物理力学性质也存在差异。

表1 马兰黄土试验数据

图1 陇西黄土与陇东黄土分布区

陇西马兰黄土取样324组，陇东马兰黄土取样260组，均为原状土样，每种试验重复次数见表1。

2 陇西马兰黄土工程地质特性

陇西马兰黄土主要分布于六盘山以西、乌梢岭以东，渭河以北、黄河黑山峡以南范围内的梁、峁、丘陵及断陷盆地中，如图1所示，分布范围广，厚度变化各异，一般厚度5～30m，局部可达50m左右，浅灰黄色，质地均匀，结构疏松，具大孔隙，垂直节理发育。在黄土梁、峁顶部及断陷盆地中部厚度较大，多达10～30m，沟谷斜坡地带厚度小，多为5～10m，陇西马兰黄土典型地质剖面图如图2所示。

图2 陇西马兰黄土典型地质剖面图

2.1 粒度成分

陇西马兰黄土砂粒含量1%～45%，平均值15.2%；粉粒含量41%～80.9%，平均值67%；黏粒含量4.3%～36.7%，平均值17.8%。粒度成分含量统计见表2。

表2 陇西马兰黄土粒度成分

2.2 物理特性

陇西马兰黄土天然条件下含水量少，土体常处于坚硬或硬塑状态，孔隙较大，膨胀性较小，崩解速度快，弱～微透水，垂直向渗透性略大于水平向。天然状态下土体中的含水量随深度增大而增加，干密度亦随深度增大而增大，孔隙比随深度增大而减小。

根据321组陇西马兰黄土原状样试验成果，统计分析主要物理性质，见表3，土体天然含水量5.1%～25.8%，平均值在10%～18%之间变化；天然密度1.25～1.72g/cm3，平均值在1.38～1.54g/cm3之间变化；干密度1.10～1.45g/cm3，平均值在1.22～1.34g/cm3之间变化；孔隙比0.87～1.46，平均值在1.03～1.23之间变化；塑性指数8～17.5，平均值在10.92～13.67；液性指数为-1.89～0.28，平均值在-0.14～-0.72之间变化；渗透系数垂直向(0.26～506)×10-6cm/s，平均值在(5.65～275.5)×10-6cm/s之间变化，水平向(0.36～506)×10-6cm/s，平均值在(5.49～279.79)×10-6cm/s之间变化。

2.3 力学特性

陇西马兰黄土天然状态下具中～高压缩性、中～强湿陷性，属自重湿陷性黄土，工程地质性质不良。黄土湿陷性地层表部土体最大，随深度有减小趋势,但变化缓慢，湿陷起始压力随深度增大趋势较明显，至马兰黄土底部最大。土体主要力学性质统计见表4，压缩系数0.10～1.937，平均值在0.20～0.93之间变化；湿陷系数0.017～0.168，平均值在0.05～0.11MPa之间变化；自重湿陷系数0.012～0.155，平均值在0.03～0.08之间变化；天然状态下黏聚力5.7～92.2kPa，平均值在20.83～46.71kPa之间变化，内摩擦角16.9°～33.6°，平均值在23°～29.12°之间变化；饱和状态下黏聚力0.9～46.8kPa，平均值在3.87～19.51kPa之间变化，内摩擦角7.3°～26.4°，平均值在12.48°～21.63°之间变化。

表3 陇西马兰黄土物理性质统计表

表4 陇西马兰黄土力学性质统计表

2.3.1 湿陷性与天然含水量和孔隙比关系

陇西马兰黄土天然状态下湿陷性大小随深度、含水量及密实度增大而减小，绘制湿陷系数与天然含水量、孔隙比散点图，如图3、4所示。从图中看出湿陷系数与天然含水量大小成反比关系，与孔隙比大小成正比关系，湿陷系数随天然含量减小而增大，随孔隙比增大而增大。

图3 陇西马兰黄土湿陷系数δs与天然含水量ω散点图

图4 陇西马兰黄土湿陷系数δs与孔隙比e散点图

按照数理统计方法，采用最小二乘法对湿陷系数δs与天然含水量ω和孔隙比e进行线性回归分析，建立了经验公式(1)、(2)。

δs=-0.006ω+0.171

(1)

r=0.7 230组数据

δs=0.162e-0.113

(2)

r=0.6 236组数据

2.3.2 饱和与天然状态抗剪强度关系

陇西马兰黄土在天然和饱和状态下黏聚力或内摩擦角也存在正比关系，天然状态下黏聚力或内摩擦角越高，饱和状态下黏聚力或内摩擦角亦越高。

绘制天然和饱和状态下黏聚力或内摩擦角散点图，如图5、6所示。采用最小二乘法对天然和饱和状态下黏聚力c或内摩擦角φ进行线性回归分析，建立了经验公式(3)、(4)。

图5 陇西马兰黄土黏聚力C饱和与C天然散点图

图6 陇西马兰黄土内摩擦角φ饱和与φ天然散点图

(3)

r=0.81 166组数据

φ饱和=0.747φ天然-2.315

(4)

r=0.63 188组数据

3 陇东马兰黄土工程地质特性

陇东马兰黄土主要分布于六盘山以东、子午岭以西，环江与苦水河分水岭以南，渭河谷地以北范围内黄土塬、梁、峁顶部及沟谷斜坡地带(如图1所示)，一般厚度5～15m，局部达20m，可塑～坚硬，土质均一，具垂直节理和大孔隙。在较完整、宽广的黄土塬上，一般分布于第一层古土壤层以上，层位稳定，多呈水平状展布，一般厚度10～12m；在塬边或梁、峁、斜坡地带分布较薄，一般厚度5～10m，如图7所示。

图7 陇东马兰黄土典型剖面图

3.1 粒度成分

陇东马兰黄土中砂粒含量1%～15%，平均值6.7%；粉粒含量61.8%～85.8%，平均值72.5%；黏粒含量11.2%～34.8%，平均值20.8%。粒度成分统计见表5。

表5 陇东马兰黄土粒度成分

3.2 物理特性

陇东马兰黄土天然条件下含水量较少，土体常处于硬塑状态，孔隙较大，膨胀性较小，崩解速度快，弱～微透水，垂直向渗透性略大于水平向。天然状态下土体中含水量随深度增大而增加，干密度亦随深度增大而增大，孔隙比随深度增大而减小。

根据260组陇东马兰黄土原状样试验成果，统计分析主要物理性质，见表6，土体天然含水量8.1%～30.2%，平均值在13.71%～21.01%之间变化；天然密度1.33～1.84g/cm3，平均值在1.46～1.62g/cm3之间变化；干密度1.19～1.49g/cm3，平均值在1.26～1.35g/cm3之间变化；孔隙比0.66～1.27，平均值在0.98～1.15之间变化；塑性指数8.9～18，平均值在11.98～14.56；液性指数-0.92～0.71，平均值在-0.44～0.06之间变化；渗透系数垂直向(2～269)×10-6cm/s，平均值在(9.43～62.05)×10-6cm/s之间变化，水平向(1.1～248)×10-6cm/s，平均值在(7.8～54.07)×10-6cm/s之间变化。

表6 陇东马兰黄土物理性质统计表

表7 陇东马兰黄土力学性质统计表

3.3 力学特性

陇东马兰黄土天然状态下具中～高压缩性、中～强湿陷性土，属自重湿陷性黄土，工程地质性质不良。土体力学性质统计见表7。湿陷性随深度先增强后减弱，但变化缓慢，湿陷起始压力随深度增大趋势先慢后快。一般马兰黄土在埋深5m附近湿陷系数最大，湿陷性最强，埋深在马兰黄土底部、第一层古土壤以上附近湿陷性最小，湿陷起始压力达最大。土体压缩系数0.105～1.988，平均值在0.276～1.223之间变化；湿陷系数0.019～0.120，平均值在0.04～0.07MPa之间变化；自重湿陷系数0.013～0.10，平均值在0.02～0.04之间变化；天然状态下黏聚力7.4～94.9kPa，平均值在27.5～51.74kPa之间变化，内摩擦角18°～26.5°，平均值在20.92°～23.90°之间变化；饱和状态下黏聚力1.2～35.9kPa，平均值在7.65～16.24kPa之间变化，内摩擦角9.0°～17.8°，平均值在11.25°～13.89°之间变化；击实后最大干密度1.65～1.77g/cm3。

(1)湿陷性与天然含水量和孔隙比关系

陇东马兰黄土天然状态下湿陷性大小随深度、含水量及密实度增大而减小，绘制湿陷系数与天然含水量、孔隙比散点图，如图8、9所示。

按照数理统计方法，采用最小二乘法对陇东马兰黄土湿陷系数δs与天然含水量ω%和孔隙比e进行线性回归分析，建立了经验公式(5)、(6)。

图8 陇东马兰黄土湿陷系数δs与天然含水量ω%散点图

图9 陇东马兰黄土湿陷系数δs与孔隙比e散点图

(5)

r=0.6 138组数据

δs=0.126e-0.094

(6)

r=0.63 150组数据

(2)饱和状态与天然状态抗剪强度关系

陇东马兰黄土在天然和饱和状态下黏聚力或内摩擦角也存在正比关系。绘制天然和饱和状态下黏聚力或内摩擦角散点图，如图10、11所示。采用最小二乘法对天然和饱和状态下黏聚力c或内摩擦角φ进行线性回归分析，建立了经验回归方程(7)和(8)。

C饱和=0.236C天然+2.533

(7)

r=0.61 158组数据

φ饱和=0.195φ天然+7.773

(8)

r=0.62 178组数据

图10 陇东马兰黄土黏聚力C饱和与C天然散点图

图11 陇西马兰黄土内摩擦角φ饱和与φ天然散点图

4 陇东与陇西马兰黄土工程地质特性差异

陇西与陇东马兰黄土工程地质特性对比见表8。从表8粒度成分分析看，陇西马兰黄土比陇东马兰黄土颗粒粗糙，砂粒含量高，粉、粒含量低。陇西马兰黄土砂粒含量比陇东马兰黄土高8.5%(数据按平均值计，以下类同)，粉、黏粒含量分别低5.5%和3%。这也说明了马兰黄土是由粉尘物质在风力搬运营力作用下由西向东堆积的，在强烈隆起的六盘山阻隔下，粉尘物质中粗颗粒在自重作用下先落下堆积，细颗粒继续向东运移，再次在子午岭阻挡下，次粗的土粒再继续下落堆积。

从表8物理性质分析看，陇西马兰黄土比陇东马兰黄土干燥、松散、密实度差、饱水程度差、可塑性强、坚硬程度高、膨胀性小、崩解速度快、透水性强。陇西马兰黄土比陇东马兰黄土天然含水量一般低2.56%，干密度低0.02g/cm3，饱和度低5.74%，孔隙率高1.21%，孔隙比高0.05，塑性指数高5.61，液性指数低0.22。

从表8力学性质分析看，陇西马兰黄土比陇东马兰黄土难于压缩、易于湿陷；陇东马兰黄土比陇西马兰黄土土体抗剪性易受地下水影响，土体饱和后抗剪强度降低快，水稳定性差；陇西与陇东马兰黄土土体击实性相近，最优含水量与最大干密度基本一致。陇西马兰黄土比陇东马兰黄土压缩系数一般低0.23MPa-1，压缩模量高3.37MPa，湿陷系数高0.028，湿陷起始压力低34.65kPa，天然状态下内摩擦角高3.35°，黏聚力低8.54kPa；饱和状态下内摩擦角高4.85°，黏聚力低1.45kPa。

表8 陇西与陇东马兰黄土工程地质特性对比表

5 对未来研究的展望

随着甘肃陇西与陇东地区大型水利工程不断兴建，生态保护理念不断增强，给马兰黄土工程特性的研究提出一系列新的课题，如何利用这一动力推动甘肃省陇西与陇东地区马兰黄土工程特性研究发展，笔者认为：

(1)进一步探索马兰黄土土体定量化的有效参数以及这一参数的广泛应用；如何在工程中充分利用马兰黄土工程特性中有利的一面。

(2)抓住马兰黄土湿陷性，继续研究能描述黄土水作用过程和结果的简单易行的数学模型。

(3)提高测试水平和加大现场原位观测仍将是黄土工程特性研究的基础。

(4)根据马兰黄土特性和本质规律，研究新的工程处理措施。

(5)总结和应用马兰黄土地区工程建设的成功经验，少走弯路减少失误。

6 结论

(1)陇西马兰黄土砂粒含量比陇东马兰黄土高8.5%，粉、黏粒含量分别低5.5%和3%；一般天然含水量低2.56%，干密度低0.02g/cm3，饱和度低5.74%，孔隙率高1.21%，孔隙比高0.05，塑性指数高5.61，液性指数低0.22。

(2)陇西马兰黄土比陇东马兰黄土一般压缩系数低0.23MPa-1，压缩模量高3.37MPa，湿陷系数高0.028，湿陷起始压力低34.65kPa，天然状态下内摩擦角高3.35°，黏聚力低8.54kPa；饱和状态下内摩擦角高4.85°，黏聚力低1.45kPa。

(3)陇西马兰黄土比陇东马兰黄土颗粒粗糙，砂粒含量高，粉、粒含量低；土质干燥、土体松散、密实度差、饱水程度差、可塑性强、坚硬程度高、膨胀性小、崩解速度快、透水性强；陇西马兰黄土比陇东马兰黄土难于压缩、易于湿陷；陇东马兰黄土比陇西马兰黄土土体抗剪性易受地下水影响，土体饱和后抗剪强度降低快，水稳定性差。