堤基地质结构分类及堤防工程施工地质评价方法.docx
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堤基地质结构分类及堤防工程施工地质评价方法
堤基地质结构分类及堤防工程地质评价方法
摘要：
以我省堤防工程地质勘察为例，对堤基地质结构分类进行了探索。
对堤防工程地质问题及评价方法进行了论述，并对堤防工程地质问题的定量评价进行了归纳和总结。
关键词：
堤防堤基地质结构工程地质问题评价方法
堤防工程地质条件是堤防设计的基础。
堤基地层的结构、组成及其承载性能、抗滑性能、渗透稳定性能等的评价是堤防工程设计的重要依据，也是堤防工程设计的重要组成部分。
因此，全面准确地发现、分析工程地质问题并做出相应科学合理的评价，是堤防工程地质勘察的核心容。
我省位于黄河及长江的中上游地区，河道众多，堤防线长，如何针对我省河道及堤防地质条件的特点，对堤防工程地质问题进行有的放矢的研究评价，是地质工作者所面临的课题之一。
1地基地质结构是堤防工程地质评价的基础
任何工程建筑都离不开它所依托的地质体，堤防工程建筑也不例外。
堤防工程设计的一个重要容就是根据堤防工程地基地质结构因地制宜地选择堤防工程的基础型式及埋置深度。
相应的，堤防地基地质结构类型不同，其水文、工程地质条件和存在的工程地质问题也有所不同。
因此，只有查明堤基地质结构类型，才能从本质上把握堤基岩土性状、组合特点、水文地质条件等各要素的地位和作用，并依据工程性状，合理划分地基地质结构类型，对所暴露出的工程地质问题进行分析评价，从而提出合理的治理措施和方案。
我省大部分围属黄河流域，少部分围属长江流域，还有部分区域为陆河。
河网纵横，河道变化较大，堤基地质结构较为复杂。
但总的特点不外乎为山区堤基地层以基岩为主，而河流冲洪积盆地、冲洪积平原及平原地区则以第四系松散层为主。
根据堤基地层结构特点及工程性能、岩性组合、层位埋深等综合分析，我省堤防地基大体可分为3大类，8个亚类，各类结构特征、主要分布位置见表1。
2堤防工程地质问题及评价方法
堤防工程地质勘察的目的在于从研究工程地质问题的表征出发，分析其原因、性质、形成和发展过程，找出堤防工程地质问题的控制因素和影响因素，预测其未来的发展趋势，并对所存在的工程地质问题进行总结、分段、归类，为堤防设计提供地质依据。
因此，堤防工程地质勘察所要解决的主要问题是堤防工程地质问题的分析评价及分段归类问题。
而堤防工程地质问题主要包括堤基稳定问题、堤防环境工程地质问题及堤身稳定问题。
2.1堤基稳定问题及评价方法
2.1.1堤基承载力性能及沉陷变形问题
如表1所示，Ⅰ1及Ⅲ类堤基地层或以粘性土为主，或各类松散层呈互层状且极不均质，此类堤基地层天然含水量高，孔隙比大，天然强度较低，且具弱透水性，软~流塑状，固结排水时间长，且具高压缩性及触变、流变性，在上部载荷作用下，可引起大堤不均匀沉降，导致大堤下沉、堤身裂缝。
因此，应进行适量的现场静力触探和标准贯入试验，结合室土工试验，查明地基土的形成年代、成因类型、分布围、厚度以及上覆下卧层的物理力学性质，并考虑堤防特点，最终做出正确评价。
我省各河流堤基地层除Ⅰ1及Ⅲ类为土堤基地层外，大部分河流堤基地层以砂砾卵石层及基岩类为主，此类堤基地层的一个主要特征就是其承载性能较好，堤基承载力一般大于300kPa，具有较好的地基承载力，能满足防洪堤基础强度要求。
堤基地层不存在沉陷变形问题。
另外，对Ⅰ2及Ⅲ类堤基中，还可能存在有厚度较大的粉细砂堤基层，而堤基层均位于堤防工程之下，为饱水地基。
故此类饱和砂土层还有可能发生震动液化而引起堤基失稳，造成大堤下沉、滑动。
对此类地基，应进行液化判别。
室土工试验以颗粒分析为主，现场则以标准贯入试验为主，同时，还需查明此类土的成因类型及时代、地下水位埋深、工程区地震烈度，必要时还需进行土的波速试验。
对此，《堤防工程设计规》附录A及《水利水电工程地质勘察规》附录N已有较为详细的介绍，在此不再赘述。
只有查明了饱和砂土的液化可能性，才能对此类堤基提出相应的堤基处理措施。
如我省干流下段堤基地层有部分液化粉细砂层，堤防建设时，将饱和粉细砂及砂土层全部清除，将防洪堤基础置于下部砂砾石层上，避免了粉细砂地震液化对河堤的破坏。
省堤基地质结构分类表表1
类型
基本结构类型
堤基岩性
主要分布位置
大类
亚类
单层结构类（Ⅰ）
粘性土亚类（Ⅰ1）
堤基地层主要由壤土，砂壤土等组成，抗渗条件较好，工程地质条件相对简单。
所存在的主要问题为塌岸、沉陷及渗透变形。
壤土及砂壤土
陇东泾河、袓厉河及渭河部分支流。
河区部分河流。
砂砾石亚类（Ⅰ2）
堤基地层主要为透水性较强的砂土层、砂砾石层。
分布比较稳定，抗渗条件差。
所存在的主要问题为崩岸问题。
砂性土埋深浅时，存在渗透变形。
砂砾卵石
河区及省大部分河段。
软岩亚类（Ⅰ3）
地基地层为泥质砂岩及泥岩，分布稳定，抗渗条件好，工程地质条件相对简单。
所存在的主要问题为塌岸问题。
软岩
中部大部分河段。
硬质岩类（Ⅰ4）
地基地层以硬质岩为主，分布稳定，强度较好，抗渗条件好。
所存在的主要问题为塌岸问题。
硬质岩
山区河流部分河段。
双层结构类（Ⅱ）
松散层亚类（Ⅱ1）
堆积阶地上部二元结构，上部为冲洪积粉质壤土及砂壤土层，不均质。
下部为冲洪积砂砾卵石土层，一般下部粗粒层厚度较大，分布稳定，抗渗条件较差。
所存在的主要问题为岸坡稳定问题。
砂性土埋深浅时，存在渗透变形。
砂砾卵石
省各河流均有分布。
软岩基底亚类（Ⅱ2）
为基座阶地二元结构，上部为冲洪积壤土及砂砾卵石层。
下部则为泥质砂岩及泥岩，分布稳定，抗渗条件好，工程地质条件相对简单。
所存在的主要问题为塌岸问题。
软岩
中部山区河流部分河段。
硬岩基底亚类（Ⅱ3）
为基座阶地二元结构，上部所存在的主要问题为冲洪积壤土及砂砾卵石层。
下部则以硬质岩为主，分布稳定，强度较好，抗渗条件好。
所存在的主要问题为塌岸问题。
硬质岩
山区河流部分河段。
多层结构类（Ⅲ）
堤基地层为第四系松散层呈粘性土与砂砾石类、卵石类呈互层状或透镜体状，锲形体状。
所存在的主要问题较为复杂，有沉陷、塌岸、渗透变形等问题。
粘性土、砂类土及砾卵石
各河流部分河段。
2.1.2堤基渗透稳定
渗透稳定及渗漏问题是任何水工建筑物所面临的主要问题之一。
渗透稳定问题直接关系到防洪堤坝的安全，因此，渗透稳定及渗漏问题也是堤防工程设计所要考虑的主要问题。
此类问题主要出现在以松散层为堤基的河段（Ⅰ2、Ⅱ1、Ⅲ类堤基）。
堤基地层透水性较强，当存在堤外水头差时，即会发生堤防的横向渗流。
如果背水侧堤基的渗透比降超过堤基土的临界水力比降时，堤基土就会产生渗透破坏。
土体的允许水力坡降与土体的颗粒组成及密实度有关，因此，需进行堤基土的允许水力坡降计算，计算可按《水利水电工程地质勘察规》附录M所介绍的方法进行。
我省大部分河流堤基允许水力坡降J允许大于0.1，如洮河堤防J允许=0.1~0.6，湟水河堤防J允许=0.15~0.55。
2.1.3堤基冲刷稳定及岸坡稳定问题
堤防工程设计所要解决的一个重要问题就是堤基埋深问题，这就需要进行河流的冲刷计算。
按照《堤防工程设计规》所推荐的计算公式，可以较为准确的计算出河流的平行水流、斜冲水流、挤压水流冲刷及丁坝、锁坝等各种条件下水流对河底或岸边的冲刷深度。
地质工程师所要解决的问题就是提供这些计算所需的各种地质参数。
如堤基河床地层的各种颗粒级配特征值、堤基河床地层的允许不冲流速等等。
因此，应结合探井或钻孔施工，采取河床堤基地层的扰动样，进行颗粒级配分析，根据颗分曲线来查得计算冲深所需要的级配特征值如d85，d50等值。
关于河床堤基地层的允许不冲流速，一般采用查表法求得。
如表2、表3、表4。
对于非粘土，还可采用经验公式法求得其允许不冲流速。
v允许（m/s）=（a1×0.22+a2×1.7+a3+a4×0.55）/100
式中a1─大于150mm粒径百分含量（%）
a2─20~150mm粒径百分含量（%）
a3─2~20mm粒径百分含量（%）
a4─小于2mm粒径百分含量（%）
岸坡稳定问题是堤防工程的主要地质问题之一。
岸坡岩土体受流水的软化、冲刷而发生崩塌，使岸坡逐渐变陡，直至失去平衡而引起失稳破坏。
引起岸坡失稳的原因很多：
一是岸坡岩土体结构松散、岩性软弱、抗冲能力低；二是河流的侧蚀及底蚀；三是渗流作用。
保护岸坡岩土体不受水流的侵蚀而失稳破坏，是堤防工程建设的主要目的。
当岸坡岩土体基岩或岸边无防护对象时，受经济等问题的制约，通常的做法是不进行堤防治理。
从而使岸坡直接经受河流的冲刷、浸泡。
对此类问题，一方面，要立足于查明岸坡岩土体的物理力学性质，另一方面，也要根据河流侧向侵蚀的具体情况，按水利工程边坡稳定问题，对岸坡工程地质条件进行分析评价，以免河流侧向侵蚀过快而引起边坡失稳而发生滑塌，阻塞河道，发生险情。
如在我省广通河堤防工程勘察过程中，部分河段位于谷底北侧，且多位于基岩山脚部位，山体下部为第三系砂质泥岩层，分布稳定，厚度巨大，上部则多为风积黄土及坡积粉质壤土。
一般情况下无防护对象时，可不予治理。
而第三系砂质泥岩层抗风化能力较差，遇水易软化、膨胀，表面风化强烈。
故在河流顶冲部位也要进行分析论证，并要求局部地段修建堤防或丁坝，以防止山脚过度冲刷而失稳，造成岩坡崩塌，阻塞河道，发生险情。
非粘性土允许不冲流速表表2
序号
堤基地层及特征
堤基地层粒径
水流平均深度（m）
名称
特征
0.4
1.0
2.0
3.0
5.0
10及以上
（mm）
平均流速（m/s）
1
粉土及淤泥
灰尘及淤泥带细砂
0.005~0.05
0.15~0.2
0.2~0.3
0.25~0.4
0.3~0.45
0.4~0.55
0.45~0.65
2
细砂
细砂带中砂
0.05~0.25
0.2~0.35
0.3~0.45
0.4~0.55
0.45~0.6
0.55~0.7
0.65~0.8
3
中砂
细砂带粘土、中砂带粗砂
0.25~1
0.35~0.5
0.45~0.6
0.55~0.7
0.6~0.75
0.7~0.85
0.8~0.95
4
粗砂
砂夹砾石、中砂带粘土
1~2.5
0.5~0.65
0.6~0.75
0.7~0.8
0.75~0.9
0.85~1
0.95~1.2
5
细砾石
细砾掺中等砾石
2.5~5
0.65~0.8
0.75~0.85
0.8~1
0.9~1.1
1~1.2
1.2~1.5
6
中砾石
大砾石含砂和小砾石
5~10
0.8~0.9
0.85~1.05
1~1.15
1.1~1.3
1.2~1.45
1.5~1.75
7
粗砾石
小卵石含砂和砾石
10~15
0.9~1.1
1.05~1.2
1.15~1.35
1.3~1.5
1.45~1.65
1.75~2
8
小卵石
中卵石含砂和砾石
15~25
1.1~1.25
1.2~1.45
1.35~1.65
1.5~1.85
1.65~2
2~2.3
9
中卵石
大卵石掺砂和砾石
25~40
1.25~1.5
1.45~1.85
1.65~2.1
1.85~2.3
2~2.45
2.3~2.7
10
大卵石
小卵石含卵石和砾石
40~75
1.5~2
1.85~2.4
2.1~2.75
2.3~3.1
2.45~3.3
2.7~3.6
11
小圆石
中等圆石带卵石
75~100
2~2.45
2.4~2.8
2.75~3.2
3.1~3.5
3.3~3.8
3.6~4.2
12
中圆石
中等圆石夹大个鹅卵石,
100~150
2.45~3
2.8~3.35
3.2~3.75
3.5~4.1
3.8~4.4
4.2~4.5
14
大圆石
大圆石带小漂石及卵石
150~200
3~3.5
3.35~3.8
3.75~4.3
4.1~4.65
4.4~5
4.5~5.4
15
小漂石
中漂石带卵石
200~300
3.5~3.85
3.8~4.35
4.3~4.7
4.65~4.9
5~5.5
5.4~5.9
16
中漂石
漂石夹石
300~400
_
4.35~4.75
4.7~4.95
4.9~5.3
5.5~5.6
5.9~6
17
特大漂石
漂石夹鹅卵石
>400
_
_
4.95~5.35
5.3~5.5
5.6~6
6~6.2
粘性土允许不冲流速表表3
序号
1
2
3
4
注:
1.当水深3m时，允许不冲流速按V=H0.2V1（m/s）公式计算，式中H为平均水深（m），V1为水深1m时的允许不冲流速（m/s）。
2.当设计位于易受风化的紧密及极紧密的土层中的地面排水沟时，允许不冲流速按中等紧密的土层取值。
堤基土层名称
粘土
重砂质粘土
贫脊的砂质粘土
沉陷已结束的黄土
颗粒成分（%）
<0.005（mm）
30~50
20~30
10~20
/
0.005~0.05（mm）
70~50
30~70
90~80
/
堤基土层特征
不大紧密的土层（孔隙比为1.2~0.9），土密度为1.2g/cm3以下
水流平均深度（m）
0.4
平均流速（m/s）
0.30
0.35
/
1.0
0.40
0.40
/
2.0
0.45
0.45
/
≥3.0
0.50
0.50
/
中等紧密的土层（孔隙比为0.9~0.6），土密度为1.2~1.66g/cm3
0.4
0.70
0.65
0.60
1.0
0.85
0.80
0.70
2.0
0.95
0.90
0.80
≥3.0
1.10
1.00
0.85
紧密土层（孔隙比为0.6~0.3），土密度为1.66~2.04g/cm3
0.4
1.00
0.95
0.50
1.0
1.20
1.20
1.00
2.0
1.40
1.40
1.20
≥3.0
1.50
1.50
1.30
极紧密的土层（孔隙比为0.3~0.2），土密度为2.04~2.14g/cm3
0.4
1.40
1.40
1.10
1.0
1.70
1.70
1.30
2.0
1.90
1.90
1.50
≥3.0
2.10
2.10
1.70
岩石允许不冲流速表表4
序号
岩石分类
岩石名称
岩石表面粗糙时
岩石表面光滑时
水流平均深度（m）
0.4
1.0
2.0
3.0
0.4
1.0
2.0
3.0
平均不冲流速（m/s）
1
沉积岩
砾岩、泥灰岩、板岩、页岩
2.1
2.5
2.9
3.1
/
/
/
/
2
松石灰岩、灰质砂岩、白云质石灰岩、紧密砾岩
2.5
3
3.4
3.7
4.2
5
5.7
6.2
3
白云质砂岩、紧密的非层状石灰岩、硅质石灰岩
3.7
4.5
5.2
5.6
5.8
7
8
8.7
4
结晶岩
岩、花岗岩、正长岩、辉长岩（极限抗压强度70~160MPa）
16
20
23
25
25
25
25
25
5
斑岩、安山岩、玄武岩、辉绿岩、石英岩（极限抗压强度160~220MPa）
21
25
25
25
25
25
25
25
注：
1.表中岩石系无裂缝、且岩面新鲜未风化者，若有裂缝、且风化，则允许不冲流速应视裂隙情况及风化程度予以减小。
如岩石风化很严重（有碎块）的岩石，其允许不冲流速可根据碎块的大小及其密度按非粘性土允许不冲流速数据采用。
2.当水深大于3m时，允许不冲流速按按V=H0.2V1（m/s）公式计算，式中H为平均水深（m），V1为水深1m时的允许不冲流速（m/s）。
2.2堤基工程地质分段及评价问题堤防工程勘察的一大特点。
由于工作区狭长，地形地质条件变化较大，不可能也无必要像其他水利水电工程那样，在整个工作面上平均布置勘察工作。
因此，《堤防工程地质勘察规程》特别要求对堤防工程进行分段或分类。
根据堤防工程地质条件评价结果进行分段分类，是对堤基状况的综合评估，利于形成对整个工程堤基条件的总体认识，也便于堤基设计中对各类堤段有针对性地采取加固处理措施。
堤防工程地质分类分段的依据是堤防区的综合工程地质条件。
影响堤防区综合工程地质条件的因素主要有：
相似的地形地貌、相似的地层岩性或相似的工程地质问题等。
堤防工程地质分类分段不是机械的、简单的分类分段。
地质工程师考虑的因素不同，就会有不同的分段分类。
如根据堤基地层的不同可分为岩石堤基和松散层堤基，松散堆积物堤基又可分为单层结构堤基和多层结构堤基。
根据堤防所处的地貌单元可分为不同的工程地质单元，如沟谷单元和盆地单元等。
按堤基地层渗透破坏情况还可分为管涌段、流土段、无涌流破坏段等。
地质师只有按充分考虑各种因素，对堤基工程地质条件进行综合评价和概化，进行统一的分段分类，一方面使设计师有针对性地设计典型的堤身结构断面或典型的堤基处理方案。
一方面，也利于地质师有针对性、有侧重地布置勘察工作量和勘察手段，有的放矢地进行堤防工程地质问题的评价。
笔者参与的宕昌县秋末河（新寨~脚力铺段）堤防工程地质勘察中即按堤防工程所处的地貌单元将整个堤防工程分为两个工程地质单元：
哈达山间盆地单元和秋末河中、低山沟谷单元。
对山间盆地单元着重进行堤基地层的勘察，而对沟谷单元，侧着重研究侧向洪沟对堤防工程的影响和不治理段岸坡稳定问题。
在广通河堤防工程地质勘察过程中，则按堤基地层进行分段评价，将堤基地层划分为三种结构类型：
表5广通河堤防堤基分类表
分类代号
特征
a
新鲜的第三系泥质砂岩及砂质泥岩层
b
强风化的第三泥质砂岩及砂质泥岩层
c
较为单一的第四系冲洪积砂卵石层
对a类堤基，直接将堤基置于基岩之上。
对b类堤基，则应考虑泥岩的风化层厚度及抗冲刷能力，采取加深堤基埋深或增设堤靴的方法。
对c类堤基，则应考虑平行冲刷和侧向冲刷即可。
可见，划分堤防工程地质单元或分类，在堤防工程设计和堤防工程勘察中有着双重重要的意义。
2.3堤防工程环境地质问题
堤防工程活动与周边地质环境（包括水环境、岩土环境）作用和相互制约所引起的工程及地质环境的变化，即是堤防工程的环境地质问题。
只要进行堤防工程活动，就会造成堤防周边地质环境的一系列变化，从而产生堤防工程环境地质问题。
因此，《堤防工程地质勘察规程》特别提出要对堤防工程活动发生后可能导致的环境地质问题做出预测。
堤防工程环境地质问题一般包括两个方面。
一是水环境地质问题。
堤防工程的建设通常会因堤坝修筑、垂直防渗等措施而改变工程区的水力条件，切断了堤外的水力联系，造成地表水排泄不畅、地下水位雍高、地下水运移变缓，从而引起地下水富营养化、土地沼泽化或盐碱化，建筑物因地基饱水而产生变形破坏等一系列问题。
二是岩土体环境问题。
堤防工程建设过程中，多采用当地材料作为坝体填筑料，这样，周边土料被大量开采，可能破坏上覆较薄的耕土层（天然铺盖层），从而产生新的渗透破坏；或当就近利用河床岩土体作为筑坝材料时，在新建堤防附近造成开采坑，使河流改道至堤脚，增大河流对堤基的冲刷等。
堤防环境地质问题的评价目前还没有系统的方法，一些定量的评价方法还不太成熟。
因此，对堤防工程的环境地质问题的评价通常首先还是要从整体上进行定性的分析，在正确认识自然地质环境特征的基础上，分析环境变化的关键的重要的评价要素，选择要素的评价因子，然后运用现代科学技术原理和方法，确定评价机制和方法。
对其中可能定量的因子，如截渗对地下水位的影响，采用定量评价；有可能采用类比技术评价的，可在充分注意类比条件的基础上，运用类比法进行评价。
如大量开挖造成水域面积对农业生态的影响、对气候的影响，可采用类比水库做出定性评价。
2.4关于堤身“地质”勘察问题
《堤防工程地质勘察规程》在总则1.0.3条中明确规定：
“堤防工程地质勘察的任务是查明堤防区或已建堤防堤身和堤基的工程地质与水文地质条件，为工程提供地质资料。
”将堤身等同于堤基一样当作地质体看待。
从而可以用工程地质体的一般原理和勘察方法进行分析研究。
事实并非如此。
堤身一般是使用当地天然建筑材料，按照一定的规要求，运用一定的施工工艺构筑成的狭长型的水工建筑物，是完全按照人类的需要和意志而形成的。
堤防工程的质量与隐患，不仅与筑坝材料有关，还与堤防工程建筑历史、施工技术水平、工艺、施工人员素质、施工质量检测、施工时的环境以及工程完成后所经历的水文、气象、生物和人类活动等诸多因素有关，具有明显的不确定性、随机性、非均质性、易变性和难测性。
与其它天然地质体有着明显的差别。
运用一般的地质体勘察原理和方法是难以“查明”其“工程地质与水文地质条件”的。
笔者认为，对堤身质量与隐患的认识，不易用查明表述，而最好用“堤身质量检测”表述，以便与一般地质体相区别。
由于堤身大多用天然建筑材料经人工搬运、夯筑而成，其分布规律、质量表述、特征参数与天然地质体是截然不同的。
而相当一部分工程地质勘察的具体方法、手段还是可以借用的。
也就是说，应该将堤身看作人工建筑物，借用一定的工程勘察手段和方法对堤身质量及隐患进行检测。
一方面，在理论上能站住脚，实践中也不至于产生混乱，增强对堤身质量认识的针对性和科学性。
3结语
我省位于青藏高原东缘，黄土高原西部，地形高差较大，地形地质条件较为复杂。
河床地层及堤基地层相应也较为复杂，因此，有目的地对我省河流堤防堤基地质结构进行合理科学的分类，就显得尤为重要。
本文结合我省堤防工程实际情况，对我省堤防堤基地质结构的分类进行初步的探索，以求对堤防勘察、设计工作有所帮助。
同时，现行的《堤防工程地质勘察规程》虽对堤防工程勘察的程序、容、方法和要求进行了相应的规，但它所提到的容和方法远不能进行定量分析评价。
而此类定量评价方法和原理多散见于其它文献和规、规程，本文针对较为重要堤防工程地质问题，归纳总结了堤防工程地质问题的定量评价方法，并结合我省堤防工程地质勘察的实例进行了具体分析，对我省堤防工程勘察、设计工作做出了一个有益的探索。
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