府谷县皇甫川防洪工程地质探析

尚艳娥，王功成

（1.陕西省府谷县水利水保工作队，陕西 府谷 719400；2.陕西省府谷县皇甫川流域治理指挥部办公室，陕西 府谷 719400）

0 引言

皇甫川流域位于黄河中游河口镇至龙门区间的右岸上段，规划建设的府谷县皇甫川防洪工程，位于皇甫川中下游河漫滩上，地貌上属皇甫川河谷地貌，该段河床宽度3.0 m～35.0 m，谷底一般宽度520.0 m～950.0 m，河谷宽阔，呈“U”型。该段河谷两岸下部多为基岩斜坡，基岩局部裸露，上部为黄土梁峁区前缘斜坡，地形较破碎。河床两岸以河漫滩为主，局部地段分布有一、二级阶地地貌，其中河漫滩一般高出河床0.2 m～3.0 m，上部堆积细砂，下部为砂砾石。要确保工程安全建设，需对工程区进行分析评价。

1 工程地质分析

1.1 区域地质

工程区地形总体趋势是西北高东南低。区内地貌单元以侵蚀-剥蚀黄土梁卯、中低山及河谷堆积阶地地貌单元为主。河谷两岸斜坡下部有基岩出露，岩性为砂岩及砂质泥岩互层，岩层产状：330°～20°∠3°～8°，倾角较平缓，一般小于10°，未见断层发育，仅发育两组高倾角裂隙及一组层面裂隙，地质构造对堤防工程无影响。根据《中国地震动峰值加速度区划图》（GB18306－2015）标准及国标1号修改单，本区地震动峰值加速度为0.05 g，地震动反应谱特征周期为0.45 s，相应的地震基本烈度Ⅵ度。

1.2 水文地质

工程区地下水补给主要来源为大气降水，地下水类型主要为第四系松散层孔隙潜水和基岩裂隙水两种。基岩裂隙水赋存于风化岩体及构造裂隙中，以渗流及下降泉形式排泄于河谷；第四系松散层孔隙潜水赋存于细砂、砂砾石、砾石层中，分布于河谷漫滩及阶地内，以潜流形式排泄于下游河谷，属中等富水带。

拟建堤防沿线的地下水位埋深为0.3 m～5.8 m，地下水位高程为896.0 m～905.8 m。根据野外地质调查，工程区地下水位的年季节性变化幅度为1.0 m～2.0 m。堤防挡水后堤基与堤内相关地段水文地质条件无大的变化。本次勘察分别对皇甫川河水及左岸地下水各取水样一组，室内进行水化学分析。由试验成果可知，前西湾至柳树沙段河水及右岸地下水的化学类型均为HCO3--SO42--Ca2+型水，环境水对砼无腐蚀性，对砼中的钢筋具有微腐蚀性，对钢结构具有弱腐蚀性。

1.3 河床冲积物特征

府谷县十里长川前西湾至柳树沙段防洪工程沿线位于皇甫川河漫滩及一级阶地上，河床地层是以第四系全新统冲洪积细砂及砂砾石为主。其颗粒分试验曲线见图1。

十里长川堤防漫滩表层冲积物为细砂，室内定名为级配不良砂，有效粒径d10=0.076 mm，平均粒径d50=0.20 mm；冲刷粒径d15=0.085 mm，不冲粒径d85=0.45 mm。河漫滩下部冲积物以第四系全新统冲洪积砂砾石为主，室内定名为含细粒土砾，冲积物的含砾率为63.7%，含砂率为30.7%，磨圆度一般，呈次棱角～扁圆状，有效粒径d10=0.117 mm，平均粒径d50=7.65 mm。

图1 河漫滩砂砾石的颗粒大小平均分配曲线图

根据野外调查及访问，现代河床平直段冲刷深度一般为1.6 m～2.0 m，顶冲段最大冲刷深度可达2.3 m～2.5 m。建议细砂的允许不冲刷流速V0=0.3 m/s～0.4 m/s；砂砾石的允许不冲刷流速V0=0.9 m/s～1.2 m/s；堤防基础埋置深度2.0 m（平直段）～2.5 m（顶冲段）。

2 地基工程地质问题评价

2.1 地质简况

拟建的皇甫川堤防位于皇甫川左岸，堤防沿线位于皇甫川河漫滩及一级阶地上，拟建的麻镇前西湾至柳树沙段堤防位于皇甫川左岸，设计规划桩号L0+000～L3+114，仅L0+417～L1+031.7 m段为已成堤防加固段，其余各段均为新建堤防。

2.2 河流冲刷

皇甫川汇流面积较大，流量变化大。由于河流流经区域多以易风化的砂岩、砂质泥岩为主，河流推移质主要以小粒径冲洪积细砂和砾石为主，破坏能力较弱。根据本次勘察对河床堆积砂砾石层的取样试验成果，结合皇甫川实际流量、流速等参数，建议治理河段河床砂砾石层的不冲刷流速V0=0.9 m/s～1.2 m/s，细砂层的不冲刷流速V0=0.3 m/s～0.4 m/s，河床平直段冲刷深度一般为1.6 m～2.0 m，顶冲段最大冲刷深度2.3 m～2.5 m。

2.3 岸坡稳定性

拟建堤防主要位于皇甫川河漫滩后缘及一级阶地前缘，总体而言，堤防内、外侧高程差别不大，地形较平坦开阔，天然状态下不存在岸坡稳定问题。但L1+031.7～L1+162.9、L1+476～L1+625及L2+833.4～L3+089段堤防距离河漫滩前缘陡坎仅0 m～15 m，由于河床下切严重，堤防内侧河床高程与外侧河漫滩高程有明显差别，高差1.5 m～3.5 m，可能存在岸坡冲蚀坍塌现象，加之堤基土为抗冲刷能力较差的细砂及砂砾石层等，在平水期，特别是洪水期，河水对岸坡及坡脚冲涮掏蚀破坏严重，极易引起塌岸，危及堤防安全，建议在修建堤防的同时，应对前缘陡坎进行防护处理，并加深地基设置深度或采取其它抗冲刷措施，以减弱河水对堤脚及防护工程的冲刷破坏。

2.4 渗透稳定性

拟建堤防地基主要为细砂、砂砾石及砾石层，其中河漫滩细砂一般厚度0.3 m～1.0 m，较连续，不均匀系数Cu=3.4，曲率系数Cc=0.86；一级阶地细砂一般厚度0.6 m～3.5 m，较连续，不均匀系数Cu=3.3，曲率系数Cc=0.94。根据（SL188-2005）附录D，D.0.1条判定细砂的破坏类型为流土型。

河漫滩砂砾石的厚度2.8 m～4.5 m，不均匀系数Cu=121.4，曲率系数Cc=0.28，级配不连续；一级阶地砾石层的厚度1.6 m～3.1 m，不均匀系数Cu=131.3，曲率系数Cc=0.28，级配不连续。根据《堤防工程地质勘察规范》SL188-2005附录D判别如下：

式中：ρd为干密度，g/cm3；ds为相对密度；ρ为湿密度，g/cm3；w 为含水量，%。

经计算，河漫滩砂砾石的孔隙率n=25.9%，d10=0.117 mm，d70=20.3 mm，df==1.53 mm，砂砾石的Pc含量为33.1%，Pc＜1/｛4×(1-n)｝×100%=33.7%，判定为管涌。一级阶地砾石层的孔隙率n=22.7%，d10=0.128 mm，d70=20.6 mm，df=1.62 mm，砾石层的Pc含量为31.9%，Pc＜1/｛4×(1-n)｝×100%=32.3%，亦判定为管涌。

由以上判定可知地基细砂、砂砾石及砾石层，在洪水过程中，防洪堤内外侧形成水位差，堤基土易发生渗透破坏，其中细砂破坏类型为流土型，允许水力坡降J允许=0.20～0.23；砂砾石及砾石层的破坏类型为管涌型，允许水力坡降J允许=0.12～0.15。建议设计采取合理的堤防断面尺寸，确保堤基渗透稳定。

上部细砂及下部砂砾石接触面由于粒径的差异，渗透流速差异较大，沿接触面带走细粒而形成接触冲刷。依据（SL188-2005）规程附录D判定如下：

当D10/d10＜10时，不会发生接触冲刷，其中d10为细粒的有效粒径，mm；D10为粗粒的有效粒径，mm。

经计算，皇甫川麻镇段河漫滩的D10/d10=0.117/0.076=1.54；一级阶地的D10/d10=0.128/0.085=1.51，均不易发生接触冲刷。2.5 砂土的地震液化

工程区地震基本地震烈度为Ⅵ度，根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010），“饱和砂土和饱和粉土(不含黄土)的液化判别和地基处理6度时一般情况下可不进行判别和处理”的规定，场地可以不考虑地基砂土液化影响。因此堤基不存在液化问题。

2.6 地基土的湿陷性

堤基地层为无粘性土，不具湿陷性，可不考虑地基湿陷影响。

2.7 地基工程地质综合评价及处理措施

各堤防地基分段评价如下：

（1）L0+000～L0+197、L1+031.7～L1+162.9、L1+476～L2+810及、L2+833.4～L3+089段：堤基位于一级阶地上，地基上部为细砂，稍密～中密，允许不冲刷流速Vo=0.3 m/s～0.5 m/s，承载力标准值fk=120 kPa；中部为砾石层，稍密～中密，允许不冲刷流速Vo=1.0 m/s～1.3 m/s，承载力标准值fk=260 kPa；下伏砂岩及砂质泥岩互层，强风化岩体承载力标准值fk=260 kPa，弱风化岩体承载力标准值fk=800 kPa。该段不存在液化问题，但细砂及砾石层易产生渗透破坏，另外细砂及砾石层抗冲刷能力较差，洪水期河水易对堤脚形成冲刷破坏，建议迎水坡堤脚采取抗冲刷措施，抗冲基础置于砾石层中下部或强风化基岩上，基础埋置于深弘线以下2.5 m～3.0 m，以减弱河水对堤脚的冲刷破坏作用。

（2）L0+197～L0+417、L1+162.9～L1+476及 L2+810～L2+833.4段：堤基位于河漫滩上，地基上部为细砂，松散～稍密，允许不冲刷流速Vo=0.3m/s～0.4m/s，承载力标准值fk=100 kPa；中部为砂砾石，稍密～中密，允许不冲刷流速Vo=0.9m/s～1.2m/s，承载力标准值fk=240 kPa；下伏砂岩及砂质泥岩互层，强风化岩体承载力标准值fk=260kPa，弱风化岩体承载力标准值fk=800kPa。该段不存在液化问题，但细砂及砂砾石易产生渗透破坏，另外细砂及砂砾石层抗冲刷能力较差，洪水期河水易对堤脚形成冲刷破坏，建议迎水坡堤脚采取抗冲刷措施，抗冲基础置于砂砾石层中下部或强风化岩体上，且基础埋置于深弘线以下2.5 m～3.0 m，以减弱河水对堤脚的冲刷破坏作用。

（3）L0+417～L0+961.3段：堤基位于河漫滩上，地基上部为人工堆积素填土，成分以中细砂、砾石为主，松散～中密，允许不冲刷流速Vo=0.6 m/s～0.8 m/s，承载力标准值fk=140 kPa；中部为砂砾石，稍密～中密，允许不冲刷流速Vo=0.9 m/s～1.2 m/s，承载力标准值fk=240 kPa；下伏砂岩及砂质泥岩互层，强风化岩体承载力标准值fk=260 kPa，弱风化岩体承载力标准值fk=800 kPa。该段不存在液化问题，但砂砾石易产生渗透破坏，另外砂砾石层抗冲刷能力较差，洪水期河水易对堤脚形成冲刷破坏，建议迎水坡堤脚采取抗冲刷措施，抗冲基础置于砂砾石层中下部或强风化岩体上，且基础埋置于深弘线以下2.5 m～3.0 m，以减弱河水对堤脚的冲刷破坏作用。

（4）L0+961.3～L1+031.7段：堤基位于一级阶地上。地基表层为人工堆积素填土，成分以中细砂、砾石为主，松散～中密，允许不冲刷流速Vo=0.6 m/s～0.8 m/s，承载力标准值fk=140 kPa；上部为细砂，稍密～中密，允许不冲刷流速Vo=0.3 m/s～0.5 m/s，承载力标准值fk=120 kPa；中部为砾石层，稍密～中密，允许不冲刷流速Vo=1.0 m/s～1.3 m/s，承载力标准值fk=260 kPa；下伏砂岩及砂质泥岩互层，强风化岩体承载力标准值fk=260 kPa，弱风化岩体承载力标准值fk=800 kPa。该段不存在液化问题，但细砂及砾石层易产生渗透破坏，另外细砂及砾石层抗冲刷能力较差，洪水期河水易对堤脚形成冲刷破坏，建议迎水坡堤脚采取抗冲刷措施，抗冲基础置于砾石层中下部或强风化基岩上，基础埋置于深弘线以下2.5 m～3.0 m，以减弱河水对堤脚的冲刷破坏作用。

3 结论及建议

3.1 结论

（1）工程区属构造相对稳定区，相应的地震基本烈度Ⅵ度。

（2）工程区地下水类型主要为第四系松散层孔隙潜水及基岩裂隙水，河谷两岸地下水位高于河水，对钢结构具弱腐蚀性。

（3）堤基以细砂及砂砾石、砾石层为主，抗冲刷能力较差，建议平直段冲刷深度可按1.6 m～2.0 m考虑，在强侧蚀段及迎流顶冲段冲刷深度可按2.3 m～2.5 m考虑。

（4）沿线堤基不存在液化问题，但存在渗透稳定问题，细砂及砾石易产生流土及管涌，且抗冲刷能力较差，洪水期河水易对堤脚形成冲刷破坏，建议迎水坡堤脚采取抗冲刷措施。

3.2 建议

（1）在施工过程中，如遇地下水，应做好排水工作。

（2）由于河床下切严重，可能存在岸坡冲蚀坍塌现象，危及堤防安全，建议在修建堤防的同时，对前缘陡坎进行防护处理。