內蒙古教來河奈曼旗段堤防建設工程地質研究

摘 要：【目的】為了加強內蒙古教來河奈曼旗段堤防整體防洪安全，提升教來河河道的泄洪防洪能力，保證兩岸城鎮、村莊及耕地的安全，需要對教來河奈曼旗段的堤防建設工程地質進行研究。【方法】采用地質調查、鉆探、現場試驗和室內試驗、定性分析與定量分析等方法，對內蒙古教來河奈曼旗段工程地質條件進行研究。【結果】研究結果表明，工程區內地勢整體呈西高東低、南高北低，地貌單元主要為河漫灘，堤基土主要由沖洪積粉砂及粉質黏土組成。堤防工程區地下水為淺層地下水，且埋深大，地表水對混凝土無腐蝕性，地下水對鋼筋混凝土中鋼筋及鋼結構具有弱腐蝕性。【結論】堤防工程建設要注意解決原有堤防堤身質量和抗滑穩定性差、堤基及堤身的抗沖穩定性差、堤基滲透變形、堤基土具有凍脹性等工程地質問題。研究成果對類似河流堤防工程的設計和建設工作具有一定的參考價值。

關鍵詞：內蒙古；教來河；堤防；堤基；工程地質

中圖分類號：TV871 文獻標志碼：A 文章編號：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

教來河發源于內蒙古赤峰市敖漢旗西南的努魯爾虎山北側老道梁，流經赤峰市敖漢旗，通遼市奈曼旗、開魯縣、科爾沁區等，在科左中旗的姜家窩卜泄入西遼河，全長482 km［1］。本次工程治理主要針對教來河內蒙古奈曼旗段進行堤防建設，具體包括長17.6 km的現狀堤防加固和長4.5 km的新建堤防工程，堤防工程總計約22.1 km。

1 堤防工程地質條件

1.1 區域地質概況

工程區域地貌單元分為兩類，一類是風積沙丘崗地灘地貌，該類地貌沿教來河流域中下游廣泛分布，沙丘移動緩慢，往往在樹林、草坡地帶形成固定丘包、崗地、沙坡等地形；第二類是沖洪積堆積地貌，主要沿教來河河道分布，具體表現為沖洪積河漫灘、河床擺動形成的掩埋心灘、掩埋的原舊河床、一級階地等次級地貌類型，該類地貌是工程區內的主要地貌類型［2］。

區域地層巖性7Gb1HtWLki614IyQgwGLkg==主要為前第四紀地層、第四紀地層等［2-3］。區域內的第四系地層發育，厚度大，成因多，除基巖地區外均有分布。區內第四系地層的分布、巖性、巖相、結構、厚度嚴格受古氣候、地貌及新構造運動的控制。區內的第四系地層自南西向北東由薄（<20 m）變厚（>180 m）。

本區構造以赤峰—開源大斷裂為界（官家杖子—青龍山）南北分兩種構造體系，北為扭動構造體系，南為緯向構造體系。該區有記載以來，未發生過較大地震。區域內老構造多以壓扭性斷裂為主，并經過中、新生代的多次構造運動的改造。新構造運動繼承了老構造的特點，繼續對老構造進行改造，工程區附近地區未發現新構造運動對巖土體及建筑物產生斷裂破壞作用，未發現不良地質作用。本區近期未發生過中強以上的地震，屬構造穩定區。

根據國家標準《中國地震參數區劃圖》（GB 18306—2015）和《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）（2016年版）可知工程區地震烈度為Ⅵ度，設計基本地震加速值為0.05 g，地震動反應譜特征周期為0.35 s。設計地震一組，場地土類別為中軟土，場地類別為Ⅲ類。

1.2 堤防工程區地質條件

工程區內地勢整體呈西高東低、南高北低，地面最高高程395.16 m，最低高程371.50 m，地貌單元主要為河漫灘，由沖洪積粉砂及粉質黏土組成。教來河河道灘地寬闊，兩岸堤距為800～2 500 m。

本次地質勘察堤防鉆孔最深12 m，根據勘探深度范圍內揭露的地層情況并結合室內試驗成果，包括堤身在內將地層劃分為4層，現說明如下。第①層：堤身土（Q4r），為人工填筑土，屬于原有堤防，合計約17.6 km，根據堤防填筑時間和堤身質量不同，又將其分為A、B兩部分堤防。第一部分為A段堤防，填筑于2017年前后，長度約5.5 km ，一部分填土以壤土為主，呈灰褐～灰黃色，稍濕，松散～稍密，經過機械分層碾壓而成，該層層厚為2.2～5.5 m，層頂標高為389.63～390.42 m，層底標高為384.76～387.68 m。第二部分為B段堤防，長度為12.1 km，堤段填筑于20世紀60年代，后又進行了加固，填土以粉質壤土、粉砂為主，灰褐～灰黃色，稍濕，松散，為人工堆積填筑土。該層層厚為0.8～4.3 m，層頂標高為372.68～392.08 m，層底標高為371.48～388.38 m。第②層：粉砂（Q4al+pl），灰黃～灰褐色，稍濕，稍密，局部為壤土。該層厚度0.7～6.6 m，層頂標高為371.40～394.76 m，層底標高368.90～388.81 m。第③層：粉質黏土（Q4al+pl），灰褐色，可塑～硬塑，干強度中等，無搖振反應，稍有光澤，韌性中等，含鐵質氧化物；局部為粉質壤土，該層厚度0.3～3.9 m，層頂標高為372.27～388.81 m，層底標高為369.22～388.01 m。第④層：粉砂（Q4al+pl），灰黃～灰褐色，稍濕，中密～稍密，局部為細砂。該層厚度為1.5～8.0 m，層頂標高為368.90～388.22 m，層底標高為361.40～384.78 m。勘探深度范圍內未揭穿該層。

本次地質勘察現場進行了原位測試，并分層取土樣進行室內試驗。根據試驗結果進行整理，標準貫入試驗統計結果見表1，對各層土的物理力學指標進行了分層統計，見表2。

工程區淺層地下水為孔隙潛水。本次勘察期間（2023年6月），僅在工程區右岸鉆孔ZK45、ZK46、ZK107、ZK108、ZK109、ZK110、ZK129、ZK130中揭露到了地下水，按照現有地面計算，地下水埋深為4.2～4.8 m，對應標高368.17～368.35 m。其余孔未見地下水，由此推斷，工程區潛水埋層較深。

勘察期間分別取地表水和地下水（井水）水樣各6組進行水質分析試驗。試驗成果表明，地表水礦化度為155.93～211.64 mg/L，均小于1 g/L，屬淡水；pH值為7.62～8.21，屬于7.5～9.0的范圍，為弱堿性水；總硬度為7.13～8.86 mg/L，1組屬于4.2～8.4的范圍，為軟水，2組屬于8.4～16.8的范圍，為微硬水；按舒卡列夫分類為H-CM型。地下水：礦化度為164.60～177.25 mg/L，均小于1 g/L，屬淡水；pH值為8.15～8.22，屬于7.5～9.0的范圍，為弱堿性水；總硬度為6.79～7.03 mg/L，屬于4.2～8.4的范圍，為軟水；按舒卡列夫分類為HS-C型。

根據《水利水電工程地質勘察規范》（GB 50487—2008）進行環境水的腐蝕性判別，判別結果為地下水、地表水對混凝土無腐蝕性，對鋼筋混凝土中鋼筋及鋼結構具有弱腐蝕性。

2 堤防工程地質問題及評價

2.1 現有堤防壩體質量評價

A段堤防堤身完整，壩頂平順，無明顯凹陷、裂縫等，堤身基本無開裂、塌陷、滑塌，填筑土以壤土為主，干密度為1.50～1.70 g/cm3，標貫4～7擊，填筑質量較好。

B段堤防堤頂不平整，堤頂局部存在凹陷、裂縫，為人工填筑形成，填筑土以粉砂、粉質壤土為主，干密度為1.40～1.50 g/cm3，標貫2～3擊，填筑質量較差；堤身和堤肩線已經殘缺不全，堤坡不平順、有雨淋溝，不滿足防洪要求。

2.2 堤基及堤身的抗沖穩定性評價

該區域地表地層巖性以粉砂為主，區內沉積物的粒度為0.25～0.07 mm，其抗沖流速小于1 m/s。從教來河洪水計算資料分析，教來河洪水的流量為 2 158～2 519 m3/s，一般河段流速約為1.5 m/s。因此，堤基和堤身土體極易被水沖走，給堤基和堤身的穩定帶來不利影響。

本研究采用表面沖刷試驗儀進行試驗，按照《表面沖刷試驗規程》（GJ/JH 1007—2022）進行評價，教來河堤基土樣表面沖刷試驗結果表明，其沖蝕率大于1 g/h·cm2，啟動流速小于1 m/s，屬于強沖蝕性土，抗沖穩定性差。

綜上所述，堤基及堤身的抗沖穩定性差，建議堤防施工后，采取堤坡植草、格賓石籠等措施加以防護，以增強堤基的抗沖能力。

2.3 堤身的抗滑穩定性

現狀堤防有4段，合計約17.6 km，新建堤防有2段，合計約4.5 km，堤防主要在粉砂（局部為砂壤土、壤土）和粉質黏土地層上填筑。粉砂：稍濕，稍密，飽和快剪指標建議值為c=0 kPa、φ=25°；粉質黏土：可塑～硬塑，飽和快剪指標建議值為c=22 kPa、φ=11°。經過穩定性初步計算，新建堤防和加高培厚以后的現狀堤防穩定性均滿足要求。

需要說明的是，對于現狀堤防，由于當時施工技術所限，存在基礎清理不深、夯實或者碾壓實質量不均、堤基未做強化處理等問題，另外，現有的堤防存在底部尺寸普遍偏小、堤身損壞、殘缺不全和垂直荷載不足等問題，這些問題對堤防穩定性造成不利影響，需要結合新的洪水設計標準，對現狀堤防擴大堤壩截面尺寸，并進行加高培厚處理。

2.4 滲透變形問題

該段堤防堤基土為粉砂，局部為粉質黏土，堤基地質結構分類為單一結構（Ⅰ）。根據現場試坑滲水試驗和室內滲透試驗，堤基粉砂層滲透系數建議值為5.5×10-4 cm/s，堤基粉質黏土層滲透系數為3.7×10-6 cm/s。粉質黏土為黏性土，滲透變形為流土。通過粉砂顆分試驗可得：d10=0.032 mm、d60=0.115 mm，計算得出不均勻系數Cu=3.59＜5，判定粉砂滲透變形類型為流土［4］。建議允許水力坡降值取0.40。

2.5 堤基土凍脹性

根據氣象資料，工程區多年平均氣溫為6.3 ℃，冬季寒冷而漫長，1月份氣溫最低且多年平均值為-13 ℃，每年10月下旬到11月上旬土地開始凍結，翌年3月下旬至4月上旬解凍。工程區域屬季節性凍土區，標準凍深1.27 m，最大凍深1.52 m。堤基的地層巖性為粉砂、粉質黏土兩類，最大凍深范圍內地層巖性試驗指標表見表3。

按照《水工建筑物抗冰凍設計規范》（SL 211—2006）中3.0.8條，根據地基土的顆粒組成，粉砂（Q4al+pl）、粉質黏土（Q4al+pl）粒徑小于0.075 mm的土粒含量分別為 35.7 %和 88.7%，均大于10%，屬凍脹性土。

按照《凍土地區建筑地基基礎設計規范》（JGJ 118—2011）季節性凍土凍脹性分類：粉砂（Q4al+peOK9eRZGsoMI+SR2+ZnTEA==l）的天然含水率為 10.5%，小于14%；凍前地下水位距設計凍深的最小距離大于1.0 m；試驗平均凍脹率值為0.16%～0.23%，小于1%；判定粉砂（Q4al+pl）的凍脹等級屬于Ⅰ級，凍脹類別屬于不凍脹。粉質黏土（Q4al+pl）的天然含水率為 23.9% ，塑限含水率為 23.9%，凍前地下水位距設計凍深的最小距離大于2.0 m；試驗平均凍脹率值為1.05%～1.44%，大于1%且小于3.5%。由此判定粉質黏土（Q4al+pl）的凍脹等級屬于Ⅱ級，凍脹類別屬于弱凍脹。

根據以上兩種方法判定情況，結合場地地層巖性、地下水埋深、具體地質環境等條件，綜合判定，堤基粉砂屬于不凍脹類土，凍脹等級為Ⅰ類；堤基粉質黏土屬于弱凍脹類土，凍脹等級為Ⅱ類。根據以上判定結果，新建堤防的堤基需要考慮凍脹問題，具體涉及堤防堤基長度約0.61 km，凍脹土埋深1.0～1.1 m。

3 結論

工程場區內地勢整體呈西高東低、南高北低，地貌單元主要為河漫灘，堤基土主要由沖洪積粉砂及粉質黏土組成。堤防工程區地下水屬于淺層地下水為潛水，地下水埋深大，地表水對混凝土無腐蝕性，地下水對鋼筋混凝土中鋼筋及鋼結構具有弱腐蝕性。綜上所述，堤防工程建設要注意解決原有堤防堤身質量差、原有堤防堤身的抗滑穩定性、堤基及堤身的抗沖性差、堤基滲透變形、堤基土的凍脹性等工程地質問題，通過對原有堤防加高培厚和新建堤防的建設，以實現河流防洪作用和教來河的長治久安。

參考文獻：

［1］辛華.教來河掌故［M］.呼和浩特：內蒙古大學出版社，2022.

［2］杜衛長，于洋，王文法.內蒙古教來河故道疏浚工程地質勘察報告［R］.鄭州：江河工程咨詢有限公司，2023.

［3］董哲仁.堤防除險加固實用技術［M］.北京：中國水利水電出版社，1998.

［4］張倬元，王士天，王蘭生，等.工程地質分析原理［M］.北京：地質出版社，2002.