3 三义寨引黄闸工程地质勘察研究

该次地质勘察的任务主要是查明三义寨引黄闸改建工程的工程地质、水文地质条件，并对其存在的工程地质问题进行分析评价；为工程的施工设计和建设提供所需的地质资料。

勘察依据的主要规程、规范如下：

（1）《中小型水利水电工程地质勘察规范》（SL 55—2005）。

（2）《堤防工程地质勘察规程》（SL 188—2005）。

（3）《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50287—99）。

（4）《水利水电工程地质测绘规程》（SL 299—2004）。

（5）《水利水电工程钻探规程》（SL 291—2003）。

（6）《土工试验规程》（SL 237—1999）。

该阶段地质勘察工作外业从2007年9月1日开始，于2007年10月1日结束。内业至2007年10月8日结束。三义寨引黄闸场址工程地质勘察主要工作量见表3.0-1。

3.1 工程区基本地质条件

3.1.1 地形地貌

工程区地处黄河下游冲积扇平原区，地形平缓开阔。黄河大堤在渠首闸段内，堤顶高程80.00～81.50m，背河滩面高程68.80～77.20m。工程区内分布有树林、村庄、耕地。

3.1.2 地层岩性

本次勘探钻孔揭露深度，堤身约35m，新建闸基位置约30m，除堤身土为人工堆积（）外，全部为全新统冲积层（），自堤顶而下共分为5大层，现分述如下：

①层堤身土（）：为人工填土，以褐黄色壤土为主，较干燥，可塑。局部为黄色砂壤土。其中在钻孔ZK02揭露深度在8.3～11.5m之间含大量砾石，砾径为5～10cm，局部可达15cm，磨圆度差，分选性差，砾石主要为灰岩。据当地了解的情况，钻孔ZK02处原为一码头。该层厚2.0～8.2m，层底高程约72.00m。

②层壤土（）：灰褐色，稍湿，可塑。层厚1.8～4.0m，层底高程66.50～69.80m，该层分布较稳定，在钻孔ZK03未揭露。

③层黏土（）：灰褐色，饱和，硬塑，局部有细砂、壤土透镜体夹层。层厚0.6～3.8m，层底高程64.00～69.00m。

④层砂壤土（）：灰褐色，饱和，稍密。层厚1.8～3.8m，层底高程61.50～64.00m，该层分布稳定。

⑤层细砂（）：以细砂、极细砂为主，褐黄色，饱和，稍密—中密。局部有粘土、壤土、砂壤土透镜体状夹层。勘探深度内未揭穿，最大揭露厚度为18m。

3.1.3 区域地质构造与地震

工程区位于华北断块区的华北平原断块拗陷亚区，为新华夏系第二沉降带的一部分，受新华夏的北北东向和北西向构造及纬向构造等的控制，区内无深大断裂通过，断层活动性较弱。地震分区属华北地震区的许昌-淮南地震带，地震活动具有强度较弱，频度较低的特点。根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2001），工程区的地震动反应谱特征周期为0.40s，动峰值加速度为0.10g，地震基本烈度为7度。

3.1.4 水文地质条件

与工程相关的地下水主要为第四纪松散岩类孔隙水，为孔隙潜水和黏性土含水带，分布于河床、漫滩。本次勘察区地下水位69.30～69.80m。

据现场所取的2组地下水样和1组地表水样分析结果，地下水化学类型主要为Cl-HCO₃-Na型水，地表水化学类型主要为Cl-Na型水。根据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287—99），环境水对混凝土的腐蚀性评价，工程区地表水、地下水对混凝土不存在分解类、分解结晶复合类、结晶类腐蚀。

3.1.5 土的物理力学性质

场区地层主要由壤土、砂壤土、黏土、砂等组成。为查明各土层的物理力学性质，进行了原位测试、现场试验和室内试验，并对试验数据按岩性特征进行了分层统计。

各层土的主要物理力学性质概述如下。

①层壤土。黏粒含量11.0%～17.9%，平均13.3%；干密度1.44～1.59g/cm³，平均1.50g/cm³；液性指数0.30～0.75，平均0.56，属硬塑—可塑状态；压缩系数0.12～0.58，平均0.30，属中等—高压缩性；孔隙率41.17%～46.68%，平均44.47%；渗透系数在6.94×10^-6～3.91×10^-5cm/s之间，平均2.50×10^-5cm/s，属弱透水。

②层壤土。只有一组样品进行了试验。黏粒含量10.5%；干密度1.65g/cm³；液性指数0.53，属可塑状态；孔隙率38.9%；渗透系数为2.12×10^-5cm/s（1组）属弱透水。

③层黏土。黏粒含量43.2%～60.9%，平均51.2%；干密度1.29～1.43g/cm³，平均1.37g/cm³；液性指数0.19～0.48，平均0.29，属硬塑—可塑状态；压缩系数0.30～0.65，平均0.53，属中等—高压缩性；孔隙率47.98%～52.96%，平均50.17%；渗透系数在6.52×10^-7～6.23×10^-6cm/s之间，平均2.35×10^-6cm/s，属弱—微透水。

④层砂壤土。黏粒含量5.7%～9.8%，平均8.4%；干密度1.50～1.64g/cm³，平均1.59g/cm³；压缩系数0.09～0.12，平均0.10，属低—中等压缩性；孔隙率37.12%～44.41%，平均41.00%；渗透系数在1.39×10^-5～3.68×10^-5cm/s之间，平均2.36×10^-5cm/s，属弱透水。

⑤层细砂。黏粒含量3.0%～10.5%，平均6.7%；干密度1.61～1.90g/cm³，平均1.71g/cm³；标准贯入击数8～25，平均17，稍密—中密状态；压缩系数0.05～0.23，平均0.10，属低—中等压缩性；孔隙率29.37%～44.08%，平均36.38%；渗透系数在1.04×10^-5～8.74×10^-5cm/s之间，平均3.22×10^-5cm/s，属弱透水。

⑤-L壤土。黏粒含量16.9%～21.0%，平均19.4%；干密度1.69～1.80g/cm³，平均1.73g/cm³；液性指数0.20～0.37，属硬塑状态；压缩系数0.18～0.23，平均0.20，属中等压缩性；孔隙率33.5%～37.5%，平均36.2%。

3.2 工程地质评价

3.2.1 地震液化

工程区地震动峰值加速度为0.10g，相应的地震基本烈度为Ⅶ度，区内广泛分布有松散饱和的壤土、砂壤土及砂层，因此饱和砂土地基的震动液化问题将成为影响工程的主要地质问题之一。三义寨引黄闸改建工程场区土的主要物理力学指标建议值见表3.2-1。

依据《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50287—99）对场地土进行地震液化可能性判别。场区地震液化判别结果见表3.2-2。

从表3.2-2中可以看出，该次勘察场区有可能发生液化的土层主要有第⑤层的砂层。

依据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2001）对存在液化土层的地基，按下式计算每个连续标贯试验钻孔的液化指数，并综合划分地基的液化等级：

式中 I_lE——液化指数；

N_i、N_cri——i点标准贯入锤击数的实测值和临界值，i的取值范围为1～n，n为判别深度范围内每一个钻孔标准贯入试验点的总数；

d_i——i点所代表的土层厚度，m；

W_i——i点土层单位土层厚度的层位影响权函数值，m^-1。

液化等级判别见表3.2-3。

从表3.2-3可看出，根据液化等级的综合划分可以看出，场区地基土共进行2个连续标贯孔，其中ZK02液化等级为轻微，ZK06不存在液化土层。

3.2.2 渗透稳定性评价

工程区的地基涉及的土层为①～⑤层的壤土、黏土、砂壤土和砂，其中粉细砂层不均匀系数C_u在7.8～12.5之间，曲率系数C_c在1～3之间。根据《堤防工程地质勘察规程》（SL 188—2005）附录D中“关于土的渗透变形判别”，判别如下：

（1）工程区地基涉及到的砂壤土、壤土、黏土为细粒土，若发生渗透变形，其类型为流土型。

（2）不均匀系数C_u&gt；5的粗粒土（细砂）采用计算判别结果见表3.2-4。

（3）临界水力比降的确定。根据《堤防工程地质勘察规程》（SL 188—2005）附录D中“关于土的渗透变形判别”，采用以下公式确定临界水力比降：

流土型

J_cr=（G_s-1）（1-n）

管涌型

根据上式计算，各土层允许水力坡降值及建议值见表3.2-5。根据《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50287—99）中的要求，流土破坏是土体整体破坏，对水工建筑物的危害较大，安全系数取2.5；管涌比降是土粒在孔隙中开始移动并被带走时的水力比降，一般情况下土体在此水力比降下还有一定的承受水力比降的潜力，取1.5的安全系数。

表3.2-5 场区土层允许水力坡降值及建议值表

3.2.3 地基适宜性评价

（1）闸基承载力。地基承载力标准值采用物理力学指标法、标准贯入试验法综合确定。通过两种方法得出的承载力标准值，经综合分析类比，给出各层土的承载力标准值见表3.2-6。

（2）抗滑稳定。闸基土上部分布有壤土、黏土、砂壤土，抗剪强度低。因此，闸基土存在滑动破坏的可能，设计时应进行闸基抗滑稳定计算分析，闸基土的c、φ建议值见表3.2-1。

（3）沉降变形。新建闸门地基土上部主要以壤土、黏土为主，局部夹细砂透镜体。由于下伏③层黏土厚度0.6～3.8m，层底高程64.00～69.00m，分布不均匀，且其干密度1.29～1.43g/cm³，压缩系数0.3～0.65，工程地质特性较差。综合分析，地基土存在产生不均匀沉陷的可能，进而危及闸门安全，应采取适当的工程处理措施。

（4）基础方案建议。综合以上分析，结合工程设计方案，由于下伏③层黏土分布不均匀，且其干密度1.29～1.43g/cm³，工程地质特性较差，闸基采用天然地基将存在抗滑稳定、不均匀沉陷等工程地质问题，建议采用复合地基，以碎石桩或混凝土搅拌桩等工程措施对地基持力层进行加固。

3.2.4 基坑排水

由于地下水埋深较浅，一般为3m左右，地下水位以下为砂壤土、壤土、黏土、砂层，属弱—强透水层。地基开挖时，为保证基础施工安全，保持边坡稳定，可采用放坡开挖，为避免产生流砂（土）、土体坍塌，应进行基坑排水。

3.3 天然建筑材料

三义寨引黄闸改建工程共需土料有：闸及连接大堤填筑料9.62万m³，新堤填筑及其他土方填筑22.18万m³。根据开封市局的工作安排，料场选在蔡楼村西北部春堤与人民跃进渠之间的耕地上。

3.3.1 料场概况

三义寨引黄闸改建工程土料场位于蔡楼村西北部春堤与人民跃进渠之间的耕地上，临近春堤，运距为5.5～6.0km。料场地势较为平坦，现均为耕地。地面高程73.10～73.70m左右。

料场为新近黄河冲积堆积物（），料场勘探深度范围内（1.5m）的地层岩性简单，表层0.1～0.5m多为砂壤土，局部夹少量粉砂，其下为浅黄、浅棕红色壤土，稍湿—湿，可塑状，层厚大于1.5m。

3.3.2 土料物理力学性质

根据现场勘探，料场岩性较为简单，且分布连续、厚度变化不大。同时对料场进行分层取样或混合取样，其中混合击实后的最优含水率14.5%～17.2%，平均16.0%；最大干密度1.64～1.71g/cm³，平均1.67g/cm³。壤土试验数据2组，黏粒含量15.6%～13.0%，平均14.3%；砂壤土和粉砂透镜体试验数据各1组，黏粒含量分别为4.2%、3.2%。

3.3.3 土料质量评价

依据《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》（SL 251—2000）中有关筑坝土料质量要求，对1号料场的混合土样质量进行综合评价见表3.3-1，由表3.3-1可知，该料场土料的黏粒含量（除砂壤土和粉砂外）、塑性指数可以满足规范要求。壤土的天然含水率偏大，因此在使用时要对土料进行适当的晾晒或洒水，使其含水率达到或接近最优含水率；同时对分布较大砂层透镜体应剔除。

3.3.4 储量计算

根据黄河下游一般开采复耕方法，开采深度不易过深，料场的表层0.2m作耕土，为非有用层，开采深度按1.3m，平均有效开采厚度1.0m，料场面积为47.0×10⁴m²。按平均厚度法进行储量计算，用平行断面法进行校核，则有效储量约为50万m³（料场的开采范围还可以向东西两侧扩展），是设计储量的2倍，可以满足储量要求。

3.4 结论与建议

（1）工程区属华北平原地震区，据1/400万《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2001），该区地震动峰值加速度为0.10g，地震动反应谱特征周期为0.40s，相应的地震基本烈度为Ⅶ度。

（2）工程区位于黄河冲积平原上，区内地表为第四纪松散堆积物所覆盖，本次勘察工作所揭露的地层主要为全新统冲积层，岩性主要为壤土、砂壤土、黏土和砂层。根据工程地质特性，将区内所揭露地层分为5层：由①层壤土；②层壤土；③层黏土；④层砂壤土；⑤层砂层组成。

（3）工程区地下水类型主要为第四系松散岩类孔隙水，赋存于河滩地的壤土、砂壤土、砂层中。地下水化学类型主要为Cl-HCO₃-Na型水，地表水化学类型主要为Cl-Na型水。工程区环境水对混凝土不存在分解类、分解结晶复合类、结晶类腐蚀。

（4）闸基土地层中的⑤层砂层存在地震液化的可能，液化等级评价为轻微液化地层。地基土存在渗透变形稳定问题，①层壤土的允许水力坡降为0.35～0.50；②层壤土的允许水力坡降为0.40～0.55；③层黏土的允许水力坡降为0.40～0.55；④层砂壤土的允许水力坡降为0.40～0.50；⑤层砂层的允许水力坡降为0.15～0.25。

（5）闸基土上部分布有壤土、黏土、砂壤土，抗剪强度低，下伏③层黏土分布不均匀，工程地质特性较差，闸基土存在滑动破坏的可能；同时地基存在不均匀沉陷问题，应采取适当的工程处理措施；建议采用复合地基，以碎石桩或混凝土搅拌桩等工程措施对地基持力层进行加固。

（6）由于地下水埋深较浅，一般在3.0m左右，地下水位以下为砂壤土、壤土、黏土、砂层，属弱—强透水层。地基开挖时，为保证基础施工安全，保持边坡稳定，可采用放坡开挖，为避免产生流砂（土）、图体坍塌，应进行基坑排水。

（7）通过对三义寨引黄闸改建工程土料场的勘察、评价，料场储量和质量满足规范要求。