内蒙古教来河奈曼旗段堤防建设工程地质研究

摘 要：【目的】为了加强内蒙古教来河奈曼旗段堤防整体防洪安全，提升教来河河道的泄洪防洪能力，保证两岸城镇、村庄及耕地的安全，需要对教来河奈曼旗段的堤防建设工程地质进行研究。【方法】采用地质调查、钻探、现场试验和室内试验、定性分析与定量分析等方法，对内蒙古教来河奈曼旗段工程地质条件进行研究。【结果】研究结果表明，工程区内地势整体呈西高东低、南高北低，地貌单元主要为河漫滩，堤基土主要由冲洪积粉砂及粉质黏土组成。堤防工程区地下水为浅层地下水，且埋深大，地表水对混凝土无腐蚀性，地下水对钢筋混凝土中钢筋及钢结构具有弱腐蚀性。【结论】堤防工程建设要注意解决原有堤防堤身质量和抗滑稳定性差、堤基及堤身的抗冲稳定性差、堤基渗透变形、堤基土具有冻胀性等工程地质问题。研究成果对类似河流堤防工程的设计和建设工作具有一定的参考价值。

关键词：内蒙古；教来河；堤防；堤基；工程地质

中图分类号：TV871 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2024）21-0053-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.21.011

Engineering Geology Study on Embankment Construction Engineering in Naiman Banner Section of Jiaolai River of Inner Mongolia

LIU Yan1，2 LYU Xuming3

（1.Jianghe Anlan Engineering Consulting Co.， Ltd.， Zhengzhou 450020，China; 2.National Center for Quality Supervision and Test， Zhengzhou 450020，China; 3.Henan Yellow River Bureau Zhengzhou Yellow River Bureau， Zhengzhou 450020， China）

Abstract： [Purposes] In order to strengthen the overall flood control safety of the embankment in the Inner Mongolia Naiman Banner section of the Jiaolai River， improve the flood discharge and flood control capacity of the Jiaolai River channel， and protect the safety of towns， villages and cultivated land on both sides， it is necessary to study the engineering geology of the embankment construction in the Naiman Banner section of the Jiaolai River.[Methods] The engineering geological conditions of the Naiman Banner section in Inner Mongolia were studied using methods such as geological investigation， drilling， on-site and indoor experiments， qualitative and quantitative analysis. [Findings] The research results indicate that the overall terrain in the project area is high in the west and low in the east， high in the south and low in the north. The geomorphic unit is mainly the floodplain， and the embankment foundation soil is mainly composed of alluvial and diluvial silt and silty clay. The groundwater in the embankment engineering area is shallow groundwater， whose burial depth is large. Surface water has no corrosiveness to concrete， while groundwater has weak corrosiveness to steel bars and steel structures in reinforced concrete. [Conclusions] In summary， the construction of embankment engineering should pay attention to solving engineering geology problems such as the poor quality and anti-sliding stability of the original embankment， the poor anti-impact stability of the embankment foundation and embankment body， the seepage deformation of the embankment foundation， and the frost heave of the embankment foundation soil. This article has certain reference significance for the design and construction of similar river embankment projects.

Keywords： Inner Mongolia; Jiaolai River; embankment; embankment foundation; engineering geology

0 引言

教来河发源于内蒙古赤峰市敖汉旗西南的努鲁尔虎山北侧老道梁，流经赤峰市敖汉旗，通辽市奈曼旗、开鲁县、科尔沁区等，在科左中旗的姜家窝卜泄入西辽河，全长482 km［1］。本次工程治理主要针对教来河内蒙古奈曼旗段进行堤防建设，具体包括长17.6 km的现状堤防加固和长4.5 km的新建堤防工程，堤防工程总计约22.1 km。

1 堤防工程地质条件

1.1 区域地质概况

工程区域地貌单元分为两类，一类是风积沙丘岗地滩地貌，该类地貌沿教来河流域中下游广泛分布，沙丘移动缓慢，往往在树林、草坡地带形成固定丘包、岗地、沙坡等地形；第二类是冲洪积堆积地貌，主要沿教来河河道分布，具体表现为冲洪积河漫滩、河床摆动形成的掩埋心滩、掩埋的原旧河床、一级阶地等次级地貌类型，该类地貌是工程区内的主要地貌类型［2］。

区域地层岩性7Gb1HtWLki614IyQgwGLkg==主要为前第四纪地层、第四纪地层等［2-3］。区域内的第四系地层发育，厚度大，成因多，除基岩地区外均有分布。区内第四系地层的分布、岩性、岩相、结构、厚度严格受古气候、地貌及新构造运动的控制。区内的第四系地层自南西向北东由薄（<20 m）变厚（>180 m）。

本区构造以赤峰—开源大断裂为界（官家杖子—青龙山）南北分两种构造体系，北为扭动构造体系，南为纬向构造体系。该区有记载以来，未发生过较大地震。区域内老构造多以压扭性断裂为主，并经过中、新生代的多次构造运动的改造。新构造运动继承了老构造的特点，继续对老构造进行改造，工程区附近地区未发现新构造运动对岩土体及建筑物产生断裂破坏作用，未发现不良地质作用。本区近期未发生过中强以上的地震，属构造稳定区。

根据国家标准《中国地震参数区划图》（GB 18306—2015）和《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）（2016年版）可知工程区地震烈度为Ⅵ度，设计基本地震加速值为0.05 g，地震动反应谱特征周期为0.35 s。设计地震一组，场地土类别为中软土，场地类别为Ⅲ类。

1.2 堤防工程区地质条件

工程区内地势整体呈西高东低、南高北低，地面最高高程395.16 m，最低高程371.50 m，地貌单元主要为河漫滩，由冲洪积粉砂及粉质黏土组成。教来河河道滩地宽阔，两岸堤距为800～2 500 m。

本次地质勘察堤防钻孔最深12 m，根据勘探深度范围内揭露的地层情况并结合室内试验成果，包括堤身在内将地层划分为4层，现说明如下。第①层：堤身土（Q4r），为人工填筑土，属于原有堤防，合计约17.6 km，根据堤防填筑时间和堤身质量不同，又将其分为A、B两部分堤防。第一部分为A段堤防，填筑于2017年前后，长度约5.5 km ，一部分填土以壤土为主，呈灰褐～灰黄色，稍湿，松散～稍密，经过机械分层碾压而成，该层层厚为2.2～5.5 m，层顶标高为389.63～390.42 m，层底标高为384.76～387.68 m。第二部分为B段堤防，长度为12.1 km，堤段填筑于20世纪60年代，后又进行了加固，填土以粉质壤土、粉砂为主，灰褐～灰黄色，稍湿，松散，为人工堆积填筑土。该层层厚为0.8～4.3 m，层顶标高为372.68～392.08 m，层底标高为371.48～388.38 m。第②层：粉砂（Q4al+pl），灰黄～灰褐色，稍湿，稍密，局部为壤土。该层厚度0.7～6.6 m，层顶标高为371.40～394.76 m，层底标高368.90～388.81 m。第③层：粉质黏土（Q4al+pl），灰褐色，可塑～硬塑，干强度中等，无摇振反应，稍有光泽，韧性中等，含铁质氧化物；局部为粉质壤土，该层厚度0.3～3.9 m，层顶标高为372.27～388.81 m，层底标高为369.22～388.01 m。第④层：粉砂（Q4al+pl），灰黄～灰褐色，稍湿，中密～稍密，局部为细砂。该层厚度为1.5～8.0 m，层顶标高为368.90～388.22 m，层底标高为361.40～384.78 m。勘探深度范围内未揭穿该层。

本次地质勘察现场进行了原位测试，并分层取土样进行室内试验。根据试验结果进行整理，标准贯入试验统计结果见表1，对各层土的物理力学指标进行了分层统计，见表2。

工程区浅层地下水为孔隙潜水。本次勘察期间（2023年6月），仅在工程区右岸钻孔ZK45、ZK46、ZK107、ZK108、ZK109、ZK110、ZK129、ZK130中揭露到了地下水，按照现有地面计算，地下水埋深为4.2～4.8 m，对应标高368.17～368.35 m。其余孔未见地下水，由此推断，工程区潜水埋层较深。

勘察期间分别取地表水和地下水（井水）水样各6组进行水质分析试验。试验成果表明，地表水矿化度为155.93～211.64 mg/L，均小于1 g/L，属淡水；pH值为7.62～8.21，属于7.5～9.0的范围，为弱碱性水；总硬度为7.13～8.86 mg/L，1组属于4.2～8.4的范围，为软水，2组属于8.4～16.8的范围，为微硬水；按舒卡列夫分类为H-CM型。地下水：矿化度为164.60～177.25 mg/L，均小于1 g/L，属淡水；pH值为8.15～8.22，属于7.5～9.0的范围，为弱碱性水；总硬度为6.79～7.03 mg/L，属于4.2～8.4的范围，为软水；按舒卡列夫分类为HS-C型。

根据《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50487—2008）进行环境水的腐蚀性判别，判别结果为地下水、地表水对混凝土无腐蚀性，对钢筋混凝土中钢筋及钢结构具有弱腐蚀性。

2 堤防工程地质问题及评价

2.1 现有堤防坝体质量评价

A段堤防堤身完整，坝顶平顺，无明显凹陷、裂缝等，堤身基本无开裂、塌陷、滑塌，填筑土以壤土为主，干密度为1.50～1.70 g/cm3，标贯4～7击，填筑质量较好。

B段堤防堤顶不平整，堤顶局部存在凹陷、裂缝，为人工填筑形成，填筑土以粉砂、粉质壤土为主，干密度为1.40～1.50 g/cm3，标贯2～3击，填筑质量较差；堤身和堤肩线已经残缺不全，堤坡不平顺、有雨淋沟，不满足防洪要求。

2.2 堤基及堤身的抗冲稳定性评价

该区域地表地层岩性以粉砂为主，区内沉积物的粒度为0.25～0.07 mm，其抗冲流速小于1 m/s。从教来河洪水计算资料分析，教来河洪水的流量为 2 158～2 519 m3/s，一般河段流速约为1.5 m/s。因此，堤基和堤身土体极易被水冲走，给堤基和堤身的稳定带来不利影响。

本研究采用表面冲刷试验仪进行试验，按照《表面冲刷试验规程》（GJ/JH 1007—2022）进行评价，教来河堤基土样表面冲刷试验结果表明，其冲蚀率大于1 g/h·cm2，启动流速小于1 m/s，属于强冲蚀性土，抗冲稳定性差。

综上所述，堤基及堤身的抗冲稳定性差，建议堤防施工后，采取堤坡植草、格宾石笼等措施加以防护，以增强堤基的抗冲能力。

2.3 堤身的抗滑稳定性

现状堤防有4段，合计约17.6 km，新建堤防有2段，合计约4.5 km，堤防主要在粉砂（局部为砂壤土、壤土）和粉质黏土地层上填筑。粉砂：稍湿，稍密，饱和快剪指标建议值为c=0 kPa、φ=25°；粉质黏土：可塑～硬塑，饱和快剪指标建议值为c=22 kPa、φ=11°。经过稳定性初步计算，新建堤防和加高培厚以后的现状堤防稳定性均满足要求。

需要说明的是，对于现状堤防，由于当时施工技术所限，存在基础清理不深、夯实或者碾压实质量不均、堤基未做强化处理等问题，另外，现有的堤防存在底部尺寸普遍偏小、堤身损坏、残缺不全和垂直荷载不足等问题，这些问题对堤防稳定性造成不利影响，需要结合新的洪水设计标准，对现状堤防扩大堤坝截面尺寸，并进行加高培厚处理。

2.4 渗透变形问题

该段堤防堤基土为粉砂，局部为粉质黏土，堤基地质结构分类为单一结构（Ⅰ）。根据现场试坑渗水试验和室内渗透试验，堤基粉砂层渗透系数建议值为5.5×10-4 cm/s，堤基粉质黏土层渗透系数为3.7×10-6 cm/s。粉质黏土为黏性土，渗透变形为流土。通过粉砂颗分试验可得：d10=0.032 mm、d60=0.115 mm，计算得出不均匀系数Cu=3.59＜5，判定粉砂渗透变形类型为流土［4］。建议允许水力坡降值取0.40。

2.5 堤基土冻胀性

根据气象资料，工程区多年平均气温为6.3 ℃，冬季寒冷而漫长，1月份气温最低且多年平均值为-13 ℃，每年10月下旬到11月上旬土地开始冻结，翌年3月下旬至4月上旬解冻。工程区域属季节性冻土区，标准冻深1.27 m，最大冻深1.52 m。堤基的地层岩性为粉砂、粉质黏土两类，最大冻深范围内地层岩性试验指标表见表3。

按照《水工建筑物抗冰冻设计规范》（SL 211—2006）中3.0.8条，根据地基土的颗粒组成，粉砂（Q4al+pl）、粉质黏土（Q4al+pl）粒径小于0.075 mm的土粒含量分别为 35.7 %和 88.7%，均大于10%，属冻胀性土。

按照《冻土地区建筑地基基础设计规范》（JGJ 118—2011）季节性冻土冻胀性分类：粉砂（Q4al+peOK9eRZGsoMI+SR2+ZnTEA==l）的天然含水率为 10.5%，小于14%；冻前地下水位距设计冻深的最小距离大于1.0 m；试验平均冻胀率值为0.16%～0.23%，小于1%；判定粉砂（Q4al+pl）的冻胀等级属于Ⅰ级，冻胀类别属于不冻胀。粉质黏土（Q4al+pl）的天然含水率为 23.9% ，塑限含水率为 23.9%，冻前地下水位距设计冻深的最小距离大于2.0 m；试验平均冻胀率值为1.05%～1.44%，大于1%且小于3.5%。由此判定粉质黏土（Q4al+pl）的冻胀等级属于Ⅱ级，冻胀类别属于弱冻胀。

根据以上两种方法判定情况，结合场地地层岩性、地下水埋深、具体地质环境等条件，综合判定，堤基粉砂属于不冻胀类土，冻胀等级为Ⅰ类；堤基粉质黏土属于弱冻胀类土，冻胀等级为Ⅱ类。根据以上判定结果，新建堤防的堤基需要考虑冻胀问题，具体涉及堤防堤基长度约0.61 km，冻胀土埋深1.0～1.1 m。

3 结论

工程场区内地势整体呈西高东低、南高北低，地貌单元主要为河漫滩，堤基土主要由冲洪积粉砂及粉质黏土组成。堤防工程区地下水属于浅层地下水为潜水，地下水埋深大，地表水对混凝土无腐蚀性，地下水对钢筋混凝土中钢筋及钢结构具有弱腐蚀性。综上所述，堤防工程建设要注意解决原有堤防堤身质量差、原有堤防堤身的抗滑稳定性、堤基及堤身的抗冲性差、堤基渗透变形、堤基土的冻胀性等工程地质问题，通过对原有堤防加高培厚和新建堤防的建设，以实现河流防洪作用和教来河的长治久安。

参考文献：

［1］辛华.教来河掌故［M］.呼和浩特：内蒙古大学出版社，2022.

［2］杜卫长，于洋，王文法.内蒙古教来河故道疏浚工程地质勘察报告［R］.郑州：江河工程咨询有限公司，2023.

［3］董哲仁.堤防除险加固实用技术［M］.北京：中国水利水电出版社，1998.

［4］张倬元，王士天，王兰生，等.工程地质分析原理［M］.北京：地质出版社，2002.