堤基地质结构分类及堤防工程地质评价方法

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内容。

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内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。

我省大部分范围属黄河流域，少部分范围属长江流域，还有部分区域为内陆河。

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，结合室内土工试验，查明地基土的形成年代、成因类型、分布范围、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。

室内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，《堤防工程设计规范》附录A及《水利水电工程地质勘察规范》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。

如我省黑河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。

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，当存在堤内外水头差时，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范》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《堤防工程设计规范》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，切断了堤内外的水力联系，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。