甘肅隴西與隴東地區(qū)馬蘭黃土工程地質(zhì)特性分析研究

邊義成

(甘肅省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

甘肅省中東部地區(qū)馬蘭黃土覆蓋深厚、分布廣闊，前人采用孢粉學(xué)、古氣候?qū)W、化學(xué)分析及X射線等方法對(duì)該地區(qū)馬蘭黃土的礦物成分、物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、成壤作用、形成原因等進(jìn)行了廣泛研究，取得了豐碩成果。隨著近幾年西部大開發(fā)、一帶一路建設(shè)，黃土高原地區(qū)持續(xù)開發(fā)與治理對(duì)策就顯得更為舉足輕重。制約甘肅省中東部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素是缺水問題，國家為完成精準(zhǔn)扶貧攻堅(jiān)任務(wù)，已批準(zhǔn)開工建設(shè)引洮供水工程和正在規(guī)劃白龍江引水兩項(xiàng)長距離調(diào)水工程，這兩項(xiàng)工程已列入國家“十三五”172項(xiàng)重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目中。

由長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司牽頭批準(zhǔn)立項(xiàng)“水資源高效開發(fā)利用”重點(diǎn)專項(xiàng)“長距離調(diào)水工程建設(shè)與安全運(yùn)行集成研究及應(yīng)用”(項(xiàng)目編號(hào)：2016YFC0401800)，甘肅省水利水電水電勘測設(shè)計(jì)研究院為子課題(課題編號(hào)：2016YFC0401801)合作單位。兩項(xiàng)長距離調(diào)水工程耗資巨大，橫跨甘肅省隴西和隴東地區(qū)，馬蘭黃土為輸水渠道地基主要土體。目前通過大量室內(nèi)土工試驗(yàn)手段分析研究甘肅省隴西與隴東地區(qū)馬蘭黃土物理力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律、參數(shù)間相關(guān)性和兩地區(qū)土體工程地質(zhì)特性對(duì)比分析成果較少。為此，本著研究成果為工程建設(shè)服務(wù)的宗旨，通過試驗(yàn)，充分研究馬蘭黃土工程特性，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)和回歸分析等手段系統(tǒng)地分析該地區(qū)馬蘭黃土物理力學(xué)性質(zhì)，研究其工程地質(zhì)特性的規(guī)律性，采取科學(xué)合理的工程措施對(duì)其不利特性加以改造，保證所建工程正常安全運(yùn)營，同時(shí)對(duì)甘肅省中東部地區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)、地質(zhì)災(zāi)害防治、水土流失治理及美麗鄉(xiāng)村治理等綠色發(fā)展理念項(xiàng)目建設(shè)提供有力的理論依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

甘肅省中東部地區(qū)民宅、廠房、高樓大廈以馬蘭黃土為地基，道路、橋梁、隧洞、水壩、渠道常要以此土層為介質(zhì)和材料。分布于地表的馬蘭黃土與人類活動(dòng)聯(lián)系緊密，其特殊的不利特性對(duì)工程建設(shè)影響較大。橫亙于甘肅中東部的六盤山呈南北向展布，將甘肅中東部地區(qū)分為東西兩部分，如圖1所示，以西為隴西黃土高原，海拔1500～2000m，地形破碎，多梁、峁、丘陵，主要包括甘肅蘭州、定西、白銀、天水，該地區(qū)分布黃土通稱隴西黃土；以東為隴東黃土高原，海拔800～1500m，除少數(shù)黃土殘塬外，大部分地區(qū)多為破碎的梁、峁、溝壑，主要包括甘肅平?jīng)?、慶陽，該地區(qū)分布黃土通稱隴東黃土。隴東與隴西馬蘭黃土分布于黃土高原表部，是在冰期干冷氣候條件下，土壤作用很弱時(shí)形成的風(fēng)塵堆積，沉積于晚更新世(Q3)。風(fēng)積馬蘭黃土(eolQ3)分布面積廣闊，經(jīng)過長期地球外營力改造，分布范圍逐漸減小，分布區(qū)域支離破碎，現(xiàn)在主要分布于黃土塬、梁、峁頂部及其斜坡地帶，因其分布地域不同，顆粒組成、結(jié)構(gòu)類型也不同，土體物理力學(xué)性質(zhì)也存在差異。

表1 馬蘭黃土試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖1 隴西黃土與隴東黃土分布區(qū)

隴西馬蘭黃土取樣324組，隴東馬蘭黃土取樣260組，均為原狀土樣，每種試驗(yàn)重復(fù)次數(shù)見表1。

2 隴西馬蘭黃土工程地質(zhì)特性

隴西馬蘭黃土主要分布于六盤山以西、烏梢?guī)X以東，渭河以北、黃河黑山峽以南范圍內(nèi)的梁、峁、丘陵及斷陷盆地中，如圖1所示，分布范圍廣，厚度變化各異，一般厚度5～30m，局部可達(dá)50m左右，淺灰黃色，質(zhì)地均勻，結(jié)構(gòu)疏松，具大孔隙，垂直節(jié)理發(fā)育。在黃土梁、峁頂部及斷陷盆地中部厚度較大，多達(dá)10～30m，溝谷斜坡地帶厚度小，多為5～10m，隴西馬蘭黃土典型地質(zhì)剖面圖如圖2所示。

圖2 隴西馬蘭黃土典型地質(zhì)剖面圖

2.1 粒度成分

隴西馬蘭黃土砂粒含量1%～45%，平均值15.2%；粉粒含量41%～80.9%，平均值67%；黏粒含量4.3%～36.7%，平均值17.8%。粒度成分含量統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 隴西馬蘭黃土粒度成分

2.2 物理特性

隴西馬蘭黃土天然條件下含水量少，土體常處于堅(jiān)硬或硬塑狀態(tài)，孔隙較大，膨脹性較小，崩解速度快，弱～微透水，垂直向滲透性略大于水平向。天然狀態(tài)下土體中的含水量隨深度增大而增加，干密度亦隨深度增大而增大，孔隙比隨深度增大而減小。

根據(jù)321組隴西馬蘭黃土原狀樣試驗(yàn)成果，統(tǒng)計(jì)分析主要物理性質(zhì)，見表3，土體天然含水量5.1%～25.8%，平均值在10%～18%之間變化；天然密度1.25～1.72g/cm3，平均值在1.38～1.54g/cm3之間變化；干密度1.10～1.45g/cm3，平均值在1.22～1.34g/cm3之間變化；孔隙比0.87～1.46，平均值在1.03～1.23之間變化；塑性指數(shù)8～17.5，平均值在10.92～13.67；液性指數(shù)為-1.89～0.28，平均值在-0.14～-0.72之間變化；滲透系數(shù)垂直向(0.26～506)×10-6cm/s，平均值在(5.65～275.5)×10-6cm/s之間變化，水平向(0.36～506)×10-6cm/s，平均值在(5.49～279.79)×10-6cm/s之間變化。

2.3 力學(xué)特性

隴西馬蘭黃土天然狀態(tài)下具中～高壓縮性、中～強(qiáng)濕陷性，屬自重濕陷性黃土，工程地質(zhì)性質(zhì)不良。黃土濕陷性地層表部土體最大，隨深度有減小趨勢,但變化緩慢，濕陷起始?jí)毫﹄S深度增大趨勢較明顯，至馬蘭黃土底部最大。土體主要力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)見表4，壓縮系數(shù)0.10～1.937，平均值在0.20～0.93之間變化；濕陷系數(shù)0.017～0.168，平均值在0.05～0.11MPa之間變化；自重濕陷系數(shù)0.012～0.155，平均值在0.03～0.08之間變化；天然狀態(tài)下黏聚力5.7～92.2kPa，平均值在20.83～46.71kPa之間變化，內(nèi)摩擦角16.9°～33.6°，平均值在23°～29.12°之間變化；飽和狀態(tài)下黏聚力0.9～46.8kPa，平均值在3.87～19.51kPa之間變化，內(nèi)摩擦角7.3°～26.4°，平均值在12.48°～21.63°之間變化。

表3 隴西馬蘭黃土物理性質(zhì)統(tǒng)計(jì)表

表4 隴西馬蘭黃土力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)表

2.3.1 濕陷性與天然含水量和孔隙比關(guān)系

隴西馬蘭黃土天然狀態(tài)下濕陷性大小隨深度、含水量及密實(shí)度增大而減小，繪制濕陷系數(shù)與天然含水量、孔隙比散點(diǎn)圖，如圖3、4所示。從圖中看出濕陷系數(shù)與天然含水量大小成反比關(guān)系，與孔隙比大小成正比關(guān)系，濕陷系數(shù)隨天然含量減小而增大，隨孔隙比增大而增大。

圖3 隴西馬蘭黃土濕陷系數(shù)δs與天然含水量ω散點(diǎn)圖

圖4 隴西馬蘭黃土濕陷系數(shù)δs與孔隙比e散點(diǎn)圖

按照數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，采用最小二乘法對(duì)濕陷系數(shù)δs與天然含水量ω和孔隙比e進(jìn)行線性回歸分析，建立了經(jīng)驗(yàn)公式(1)、(2)。

δs=-0.006ω+0.171

(1)

r=0.7 230組數(shù)據(jù)

δs=0.162e-0.113

(2)

r=0.6 236組數(shù)據(jù)

2.3.2 飽和與天然狀態(tài)抗剪強(qiáng)度關(guān)系

隴西馬蘭黃土在天然和飽和狀態(tài)下黏聚力或內(nèi)摩擦角也存在正比關(guān)系，天然狀態(tài)下黏聚力或內(nèi)摩擦角越高，飽和狀態(tài)下黏聚力或內(nèi)摩擦角亦越高。

繪制天然和飽和狀態(tài)下黏聚力或內(nèi)摩擦角散點(diǎn)圖，如圖5、6所示。采用最小二乘法對(duì)天然和飽和狀態(tài)下黏聚力c或內(nèi)摩擦角φ進(jìn)行線性回歸分析，建立了經(jīng)驗(yàn)公式(3)、(4)。

圖5 隴西馬蘭黃土黏聚力C飽和與C天然散點(diǎn)圖

圖6 隴西馬蘭黃土內(nèi)摩擦角φ飽和與φ天然散點(diǎn)圖

(3)

r=0.81 166組數(shù)據(jù)

φ飽和=0.747φ天然-2.315

(4)

r=0.63 188組數(shù)據(jù)

3 隴東馬蘭黃土工程地質(zhì)特性

隴東馬蘭黃土主要分布于六盤山以東、子午嶺以西，環(huán)江與苦水河分水嶺以南，渭河谷地以北范圍內(nèi)黃土塬、梁、峁頂部及溝谷斜坡地帶(如圖1所示)，一般厚度5～15m，局部達(dá)20m，可塑～堅(jiān)硬，土質(zhì)均一，具垂直節(jié)理和大孔隙。在較完整、寬廣的黃土塬上，一般分布于第一層古土壤層以上，層位穩(wěn)定，多呈水平狀展布，一般厚度10～12m；在塬邊或梁、峁、斜坡地帶分布較薄，一般厚度5～10m，如圖7所示。

圖7 隴東馬蘭黃土典型剖面圖

3.1 粒度成分

隴東馬蘭黃土中砂粒含量1%～15%，平均值6.7%；粉粒含量61.8%～85.8%，平均值72.5%；黏粒含量11.2%～34.8%，平均值20.8%。粒度成分統(tǒng)計(jì)見表5。

表5 隴東馬蘭黃土粒度成分

3.2 物理特性

隴東馬蘭黃土天然條件下含水量較少，土體常處于硬塑狀態(tài)，孔隙較大，膨脹性較小，崩解速度快，弱～微透水，垂直向滲透性略大于水平向。天然狀態(tài)下土體中含水量隨深度增大而增加，干密度亦隨深度增大而增大，孔隙比隨深度增大而減小。

根據(jù)260組隴東馬蘭黃土原狀樣試驗(yàn)成果，統(tǒng)計(jì)分析主要物理性質(zhì)，見表6，土體天然含水量8.1%～30.2%，平均值在13.71%～21.01%之間變化；天然密度1.33～1.84g/cm3，平均值在1.46～1.62g/cm3之間變化；干密度1.19～1.49g/cm3，平均值在1.26～1.35g/cm3之間變化；孔隙比0.66～1.27，平均值在0.98～1.15之間變化；塑性指數(shù)8.9～18，平均值在11.98～14.56；液性指數(shù)-0.92～0.71，平均值在-0.44～0.06之間變化；滲透系數(shù)垂直向(2～269)×10-6cm/s，平均值在(9.43～62.05)×10-6cm/s之間變化，水平向(1.1～248)×10-6cm/s，平均值在(7.8～54.07)×10-6cm/s之間變化。

表6 隴東馬蘭黃土物理性質(zhì)統(tǒng)計(jì)表

表7 隴東馬蘭黃土力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)表

3.3 力學(xué)特性

隴東馬蘭黃土天然狀態(tài)下具中～高壓縮性、中～強(qiáng)濕陷性土，屬自重濕陷性黃土，工程地質(zhì)性質(zhì)不良。土體力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)見表7。濕陷性隨深度先增強(qiáng)后減弱，但變化緩慢，濕陷起始?jí)毫﹄S深度增大趨勢先慢后快。一般馬蘭黃土在埋深5m附近濕陷系數(shù)最大，濕陷性最強(qiáng)，埋深在馬蘭黃土底部、第一層古土壤以上附近濕陷性最小，濕陷起始?jí)毫_(dá)最大。土體壓縮系數(shù)0.105～1.988，平均值在0.276～1.223之間變化；濕陷系數(shù)0.019～0.120，平均值在0.04～0.07MPa之間變化；自重濕陷系數(shù)0.013～0.10，平均值在0.02～0.04之間變化；天然狀態(tài)下黏聚力7.4～94.9kPa，平均值在27.5～51.74kPa之間變化，內(nèi)摩擦角18°～26.5°，平均值在20.92°～23.90°之間變化；飽和狀態(tài)下黏聚力1.2～35.9kPa，平均值在7.65～16.24kPa之間變化，內(nèi)摩擦角9.0°～17.8°，平均值在11.25°～13.89°之間變化；擊實(shí)后最大干密度1.65～1.77g/cm3。

(1)濕陷性與天然含水量和孔隙比關(guān)系

隴東馬蘭黃土天然狀態(tài)下濕陷性大小隨深度、含水量及密實(shí)度增大而減小，繪制濕陷系數(shù)與天然含水量、孔隙比散點(diǎn)圖，如圖8、9所示。

按照數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，采用最小二乘法對(duì)隴東馬蘭黃土濕陷系數(shù)δs與天然含水量ω%和孔隙比e進(jìn)行線性回歸分析，建立了經(jīng)驗(yàn)公式(5)、(6)。

圖8 隴東馬蘭黃土濕陷系數(shù)δs與天然含水量ω%散點(diǎn)圖

圖9 隴東馬蘭黃土濕陷系數(shù)δs與孔隙比e散點(diǎn)圖

(5)

r=0.6 138組數(shù)據(jù)

δs=0.126e-0.094

(6)

r=0.63 150組數(shù)據(jù)

(2)飽和狀態(tài)與天然狀態(tài)抗剪強(qiáng)度關(guān)系

隴東馬蘭黃土在天然和飽和狀態(tài)下黏聚力或內(nèi)摩擦角也存在正比關(guān)系。繪制天然和飽和狀態(tài)下黏聚力或內(nèi)摩擦角散點(diǎn)圖，如圖10、11所示。采用最小二乘法對(duì)天然和飽和狀態(tài)下黏聚力c或內(nèi)摩擦角φ進(jìn)行線性回歸分析，建立了經(jīng)驗(yàn)回歸方程(7)和(8)。

C飽和=0.236C天然+2.533

(7)

r=0.61 158組數(shù)據(jù)

φ飽和=0.195φ天然+7.773

(8)

r=0.62 178組數(shù)據(jù)

圖10 隴東馬蘭黃土黏聚力C飽和與C天然散點(diǎn)圖

圖11 隴西馬蘭黃土內(nèi)摩擦角φ飽和與φ天然散點(diǎn)圖

4 隴東與隴西馬蘭黃土工程地質(zhì)特性差異

隴西與隴東馬蘭黃土工程地質(zhì)特性對(duì)比見表8。從表8粒度成分分析看，隴西馬蘭黃土比隴東馬蘭黃土顆粒粗糙，砂粒含量高，粉、粒含量低。隴西馬蘭黃土砂粒含量比隴東馬蘭黃土高8.5%(數(shù)據(jù)按平均值計(jì)，以下類同)，粉、黏粒含量分別低5.5%和3%。這也說明了馬蘭黃土是由粉塵物質(zhì)在風(fēng)力搬運(yùn)營力作用下由西向東堆積的，在強(qiáng)烈隆起的六盤山阻隔下，粉塵物質(zhì)中粗顆粒在自重作用下先落下堆積，細(xì)顆粒繼續(xù)向東運(yùn)移，再次在子午嶺阻擋下，次粗的土粒再繼續(xù)下落堆積。

從表8物理性質(zhì)分析看，隴西馬蘭黃土比隴東馬蘭黃土干燥、松散、密實(shí)度差、飽水程度差、可塑性強(qiáng)、堅(jiān)硬程度高、膨脹性小、崩解速度快、透水性強(qiáng)。隴西馬蘭黃土比隴東馬蘭黃土天然含水量一般低2.56%，干密度低0.02g/cm3，飽和度低5.74%，孔隙率高1.21%，孔隙比高0.05，塑性指數(shù)高5.61，液性指數(shù)低0.22。

從表8力學(xué)性質(zhì)分析看，隴西馬蘭黃土比隴東馬蘭黃土難于壓縮、易于濕陷；隴東馬蘭黃土比隴西馬蘭黃土土體抗剪性易受地下水影響，土體飽和后抗剪強(qiáng)度降低快，水穩(wěn)定性差；隴西與隴東馬蘭黃土土體擊實(shí)性相近，最優(yōu)含水量與最大干密度基本一致。隴西馬蘭黃土比隴東馬蘭黃土壓縮系數(shù)一般低0.23MPa-1，壓縮模量高3.37MPa，濕陷系數(shù)高0.028，濕陷起始?jí)毫Φ?4.65kPa，天然狀態(tài)下內(nèi)摩擦角高3.35°，黏聚力低8.54kPa；飽和狀態(tài)下內(nèi)摩擦角高4.85°，黏聚力低1.45kPa。

表8 隴西與隴東馬蘭黃土工程地質(zhì)特性對(duì)比表

5 對(duì)未來研究的展望

隨著甘肅隴西與隴東地區(qū)大型水利工程不斷興建，生態(tài)保護(hù)理念不斷增強(qiáng)，給馬蘭黃土工程特性的研究提出一系列新的課題，如何利用這一動(dòng)力推動(dòng)甘肅省隴西與隴東地區(qū)馬蘭黃土工程特性研究發(fā)展，筆者認(rèn)為：

(1)進(jìn)一步探索馬蘭黃土土體定量化的有效參數(shù)以及這一參數(shù)的廣泛應(yīng)用；如何在工程中充分利用馬蘭黃土工程特性中有利的一面。

(2)抓住馬蘭黃土濕陷性，繼續(xù)研究能描述黃土水作用過程和結(jié)果的簡單易行的數(shù)學(xué)模型。

(3)提高測試水平和加大現(xiàn)場原位觀測仍將是黃土工程特性研究的基礎(chǔ)。

(4)根據(jù)馬蘭黃土特性和本質(zhì)規(guī)律，研究新的工程處理措施。

(5)總結(jié)和應(yīng)用馬蘭黃土地區(qū)工程建設(shè)的成功經(jīng)驗(yàn)，少走彎路減少失誤。

6 結(jié)論

(1)隴西馬蘭黃土砂粒含量比隴東馬蘭黃土高8.5%，粉、黏粒含量分別低5.5%和3%；一般天然含水量低2.56%，干密度低0.02g/cm3，飽和度低5.74%，孔隙率高1.21%，孔隙比高0.05，塑性指數(shù)高5.61，液性指數(shù)低0.22。

(2)隴西馬蘭黃土比隴東馬蘭黃土一般壓縮系數(shù)低0.23MPa-1，壓縮模量高3.37MPa，濕陷系數(shù)高0.028，濕陷起始?jí)毫Φ?4.65kPa，天然狀態(tài)下內(nèi)摩擦角高3.35°，黏聚力低8.54kPa；飽和狀態(tài)下內(nèi)摩擦角高4.85°，黏聚力低1.45kPa。

(3)隴西馬蘭黃土比隴東馬蘭黃土顆粒粗糙，砂粒含量高，粉、粒含量低；土質(zhì)干燥、土體松散、密實(shí)度差、飽水程度差、可塑性強(qiáng)、堅(jiān)硬程度高、膨脹性小、崩解速度快、透水性強(qiáng)；隴西馬蘭黃土比隴東馬蘭黃土難于壓縮、易于濕陷；隴東馬蘭黃土比隴西馬蘭黃土土體抗剪性易受地下水影響，土體飽和后抗剪強(qiáng)度降低快，水穩(wěn)定性差。