堤防工程区地层特征分析

（一）地层时代及组成

1.前第四系

前古生界分布有片麻岩、角闪岩、变质岩、基性火山岩、砂页岩和碳酸盐岩等，大都出露在嵩山、太行山、泰山及其周围地区。

下古生界为寒武系、奥陶系浅海相碳酸盐岩为主夹碎屑岩的地层，厚约2200m；上古生界为石炭系、二叠系海陆交互相含煤砂页岩建造及陆相砂页岩建造，厚度比较稳定，多保存在该代的断陷盆地内。

中生界发育三叠系、侏罗系及白垩系的砂页岩、含煤砂页岩、中基性—中酸性火山岩以及红色含膏盐碎屑岩等。其分布明显地受构造控制，岩性、厚度变化均较大。

新生界主要分布在新生代拗陷中，地层的分布及岩相厚度变化受构造控制极为明显。

老第三系（E）主要为河湖相碎屑岩和山麓洪积相砂砾岩，地层厚度变化较大，最厚可达3000余m。这套地层是主要生（储）油层，并赋存有膏盐、硫、煤等矿产。它们不整合于白垩系或古生界之上。

新第三系（N）广泛发育，主要分布于平原区，丘陵区有零星分布，主要为河湖相砂岩、泥岩夹基性火山岩。厚度可达2000余m。

在宽阔的黄河下游平原区内，第四系几乎全部覆盖了古生代、中生代等前第四纪地层。

2.第四系

黄河下游长1451.68km的大堤，全修筑在第四纪松软土层上。因此，欲要查清大堤的工程地质条件，必须对第四系进行详细的调查研究。

本区包括第四纪中更新世早期形成黄河以来，其冲淤势力所涉及到的范围，即黄河出峡谷顺东南方向流动，经徐州（洪泽湖）入海，即东南线；黄河出峡谷，顺东北方向流动，经濮阳、德州南入海，即东北线。东南线附近第四系厚度较薄，东北线附近第四系厚度较厚，而在鲁西及鲁北地区，因缺失下更新统地层，而第四系厚度更小，一般厚度从十几米、几十米到150～200m。黄河下游第四纪地层特征见表2-9。

本区在早更新世时，沉积物主要来自近山区。中更新世时，黄河沉积物占主导地位，以冲积、冲洪积为主。下更新统内，在山前可见粘土砾卵石层，可能为冰碛泥砾。中、上更新统，均以黄土状砂壤土、壤土、细砂、粉细砂为主。砂层呈扇状及带状分布。

（1）全新统（Q4）。全新世为冰后期。总的气候趋势，是向偏暖方向变化的，但仍有旋回性的变化。即全新世冰后期内，又有寒温偏干、偏暖湿润、湿凉偏干之变化。当温暖气候时，在近海地区曾形成了一次海侵；在内陆沉积了一套与之相对应的地层。

从出峡谷到滨海，岩性相变明显；从垂直向上分析，有三段与三个气候分期相对应的堆积层。全新统地层总厚度变化在18～25.7m之间，又可细分为上、中、下三段。

1）全新统上段（）。厚度由濮阳组6.55m到近海垦利县的0.6m，主要由灰黄色砂壤土、壤土和灰黑色薄层淤泥质土组成。表层土多土壤化，有一段小的沉积间断。

2）全新统中段（）。厚度由荆隆宫的5m到近海垦利县的14m。该层在荆隆宫钻孔中未见到淤泥质土层，只是在壤土和砂壤土中，腐殖质成分变多了些，为灰色色调。在濮阳、平原县两个钻孔中所见的岩性，主要由灰黄色粉砂、砂壤土及黄灰色壤土组成；在沾化、垦利两钻孔中，采集到大量的海相有孔虫化石，为海相地层，主要由灰黄到浅黄色的含淤泥质的粉砂与砂壤土组成。海进最盛时期，约距今5000年。

3）全新统下段（）。厚度在7～14m之间。荆隆宫钻孔中，该段岩性是黄褐色的壤土和砂壤土。在濮阳、平阳、沾化和垦利各钻孔中，所见岩性主要由灰黑色淤泥质壤土，黄色、黄灰色壤土及中细砂层组成；在濮阳、沾化钻孔中，该段含微体化石。

该段岩性的成因为河流相、河湖相与河（湖）海相。

总之，在黄河冲积扇以东，全新统地层的主要宏观鉴别特征有二：一是“三分”现象明显。濮阳到平原县间。中段不含淤泥质土层，而上段和下段都含有灰黑色淤泥质土层，沾化至渤海间的地层，中段为海相，上段为河湖相，下段为河（湖）海相。二是全层都不含成层的大的钙质结核。

（2）上更新统（Q3）。从山前到滨海，在温暖偏干、寒冷—温干—寒冷的气候条件下，形成了一套与气候条件相对应的松散沉积层。从综合特征考虑，可将其分为两段。

1）上更新统上段（）。地层厚度变化于13～30m之间。在西部太康的钻孔内，见到上层是一层由褐黄色壤土构成的古土壤层，其下是浅灰色淤泥质砂壤土，再下是质纯、分选好的粉砂，应为冲积层。

在中部的冠县钻孔内，见到上层为淤泥质细砂，其下为浅灰、黄色的中细砂。属河湖相地层。

在东部惠民钻孔中见到的岩层，主要为棕黄、灰黄色壤土与灰黄色砂壤土层，夹粉砂层，中部有海相层，含有孔虫及介形虫化石，顶部并见到钙质结构及软体化石碎片。在垦利县附近为浅灰黄色壤土、砂壤土和细砂层，含有以海相为主的化石群。

2）上更新统下段（）。地层厚度变化于16～45m之间。西部为浅黄、褐黄色的砂壤土和灰黄色磨圆度较好的中细砂层，应为冲积层。顶面有古土壤层，中部的上层为黄褐色砂壤土，具植物根系，中层为黄色细砂层，下层为黄褐色夹灰绿色并含少量钙质结核的壤土，含大量的介形类及腹足类化石，为河湖或湖沼沉积层。东部为褐黄、灰黄、灰绿色砂土与粘性土互层，底部为海相层，含介形虫，有孔虫及轮藻化石。在垦利地区，采到了极丰富的海相化石，当时的海水达到惠民以西地区。

在黄河冲积扇以东，上更新统的主要宏观鉴别特征有二：一是第四系从晚更新世开始，地层沉积过程中有过较长时间的沉积间断，在内陆第四系中，首次发现钙质结核层；二是在上段和下段的顶部，除垦利地区（浅海区）以外，都有一层古土壤层或钙质结核层。

（3）中更新统（Q2）。地层厚度变化于61～103m之间，它们是在冷湿和温干气候条件下沉积的两套地层。现分上、下两段分述如下。

1）中更新统上段（）。地层厚度变化于30～50m之间。西部在开封地层剖面上，主要为浅棕、棕褐色壤土、粘土与灰白、灰绿色粗、中、细砂互层，粘性土中含大量钙质结核，有时可见有灰绿、锈黄、白色斑点。在商水3孔柱状图上，见不到棕红色的岩性，而是向暗色过渡的黄棕、棕灰色色调，淋漓淀积层增多，使一些砂层成半胶结，而有些不含淀积钙质成分的砂层，仍呈松散状态。在东部清观2-1孔，在垦利地-1孔的柱状图上，可见到灰色色调的粘性土增多，砂层减少的现象。在垦利地-1孔柱状图上，可见到一层海侵地层。

2）中更新统上段（）。地层厚度变化于30～60m之间。在开封的钻孔中，该段主要为棕黄、棕红、灰黄、灰绿色壤土、砂壤土及黄色、浅灰色泥质粉砂和粉砂层。在商水钻孔中除了致密、缺少棕红色和局部含大量铁锰质结核以外，其他与开封钻孔中岩性相似。在清观2-1孔中为棕黄、灰黄、黄灰色的薄层壤土、砂壤土与薄层的粘性土以及灰绿色的中砂层组成互层，含有大量湖相化石。在垦利地-1孔中见到一层6.6m的灰黄色砂壤土层，顶部有海陆混合生物化石群，以下为海相化石群。该层为海侵层。

该段西部开封、商丘地区，为河流相地层，临清附近，为河湖相地层，垦利县附近为河海相地层。

在临清钻孔柱状图上可以看到，在中更新统中上部及底部各有一层灰黑色淤泥层，大体上相当于东部的海进层位，系海平面上升后，排水不畅形成的湖沼相沉积物。

中更新统岩性与上覆的上更新统、全新统岩性相比，有两个明显的特征：一是首次出现杂色的（灰绿、锈黄、白色）松软层；二是首次出现块状致密粘性土和半胶结的砂层。

（4）下更新统（Q1）。下更新统武陟组、无棣组（地层厚度变化于64.61～156m之间），与河北省南部磁县组相当，自太行山东麓或南麓，向平原东部直至渤海，均有该组的冰川—冰水—洪冲积—湖积—河湖积地层。对其分述时，是按由西南而东北方向进行的，又因气候对地层的“三分”影响，故将地层分为上、中、下三段。

1）上段（）。地层厚度变化于15～80m之间。西部山前为棕红色的泥砾层与较薄的砂层互层，属冰川层。在武陟附近，主要为浅蓝灰色、灰黄色砂壤土与灰色、灰黄色粉细砂、砂砾石层互层，有明显的混粒结构。在滨海地区，为灰黑、黄灰色的砂壤土和粉土。该段是一套在干冷气候条件下形成的沉积物。(www.xing528.com)

2）中段（）。地层厚度变化于20～50m之间。西部地区为薄层灰黑色淤泥质砂壤土，褐黄、棕红色粘性土与分选良好的褐黄色粉细粗砂互层。武陟附近，主要为黄灰、灰黄、棕黄色砂壤土夹壤土及灰黄色粉细砂、中粗砂互层，含少量钙质结核。滨海地区，为棕黄、灰色土层、内多含灰绿、锈黄色斑点和团块。中段是处于温暖的间冰期条件下形成的冰水、冲洪积、湖积和河湖相沉积物。

3）下段（）。地层厚度变化于10～60m之间。西部山前为橘黄、棕红色杂以灰白、灰绿色的泥砾层，间夹分选不好的粉细砂、粗砂。上有粘土与砾卵石和各种粒径的砂粒混杂的混粒结构。在粘土内有灰绿、锈黄斑和黑白花纹。到平原中部，为棕黄、灰黄、灰绿色并含少量钙质结核的壤土、砂壤土与灰色且具混粒结构的粉细砂层互层。在粘性土中仍有灰绿、锈黄斑和黑白花纹。到滨海平原，为深黄、灰黄、灰绿色的较致密有大量锈斑并含有少量钙质结核及铁锰结核的砂壤土，下段是在寒冷潮湿气候条件下形成的以冰碛为主的沉积层。

下更新统地层，是在两次冰期夹一次间冰期气候条件下形成的从山前到无棣附近的一套冰川—冰水—洪冲积、河湖相沉积层。

下更新统地层与前述地层相比最明显的宏观鉴别特征：一是山前有冰川冰碛层，除河湖相地层以外，大都有混粒结构；二是从太康，经濮阳、临西，到滨州、惠民和无棣一带河湖相连成的条带大面积出露；三是在无棣及其以西地区，未见到海相化石确定的海相地层。

（二）堤基地层结构及其分布

1.堤基地层结构类型

由于黄河在下游多次决口、改道及频繁的摆动，使不同岩相的沉积物相互叠置，地层岩性变化极其复杂，若不进行堤基地层结构分类，找出其规律性，就很难较准确地评价其工程地质问题。地层结构类型划分的目的是根据堤防影响深度内岩性变化复杂的松软土体的工程地质特性，概化为数种不同的组合类型，即划分出地基的地层结构类型。不同的地层结构类型，应能反映存在不同的工程地质问题，这样就便于进行工程地质评价及预测堤防的稳定性。地层结构类型的划分，应根据堤基土的岩性分布情况和堤基稳定状况及已经发生的工程地质问题，并把二者间的相互关系联系起来考虑。

以往只按砂性土和粘性土的组合关系划分为：单层结构、双层结构及多层结构等四种类型。这样简单的划分，对于概括长达1451.68km大堤的复杂地基，反映其可能出现的渗水、渗透变形、液化及沉降等众多的工程地质问题，显然是不够的。

人民治黄以来，两岸堤防的地质勘察资料较多，并积累了较多的堤防险情资料，使我们有可能综合分析堤基的地层岩性分布及堤防出现的各种工程地质问题，全面编制能反映岩性与工程地质现象之间关系的各类图件等。在此基础上，针对黄河下游堤防的特点，详细地划分堤基的地层结构类型。黄河下游堤基的地层结构划分为以下9种类型，见图2-5。不同地层结构类型的堤基，所存在的主要工程地质问题是不同的。

（1）单层结构。单层结构（砂性土）1a（1a为地层结构类型代号，下同）。堤基为厚层或较厚层的砂性土，这种类型的地基，其主要工程地质问题是渗水和渗透变形，遇强震时，还有发生液化的可能。

单层结构（粘性土）1b。堤基为粘性土或者堤基的上部为厚层的粘性土，这种类型的地基，特别是当其中分布有湖相、海相及沼泽相淤泥及泥质土质时，容易产生不均匀沉降及滑动变形。

（2）双层结构。双层结构（上层为小于3m厚的粘性土，其下为砂性土）2a。

双层结构（上层为大于3m厚的粘性土，其下为砂性土）2b

当发生洪水时，对于双层结构的地基，若上部粘性土层厚度小于3m时，容易被承压水顶破而发生渗透变形，若上部粘性土层大于3m时，地基常比较稳定，但尚需注意背河堤脚附近是否有坑塘、水沟及取土坑分布，如有时，即使堤基的粘性土层大于3m，其背河的坑塘等低地内，也仍有发生渗透变形的可能。

（3）多层结构。多层结构（以砂性土为主）3a。堤基为相间分布的粘性土和砂性土，砂层分布较多，或者堤基的上部为薄的砂层。其主要工程地质问题是渗水及渗透变形。

多层结构（以粘性土为主）3b。堤基为相间分布的粘性土和砂性土，以粘性土为主，砂性土很薄且埋藏较深。其主要工程地质问题，是沉降及滑动变形。

图2-5　黄河大堤的地基地层结构类型示意图

多层结构（含秸科、树枝、木桩、块石及土的老口门）3c。鉴于老口门堤基填料物质复杂，其工程地质问题也较复杂，有渗水及渗透变形问题，有时也有不均匀沉降及滑动等问题。

黄土类土4a。堤基为上更新世黄土类砂壤土及黄土类壤土。这类堤基的主要工程地质问题，是黄土类土的湿陷性问题。

上覆粘性土的黄土类土4b。堤基上部为全新世的冲积粘性土，下部为黄土类土。这类堤基的黄土类土，具弱湿陷性，在冲积的粘性土中如含有砂壤土及轻、中壤土时，还有轻微的渗水问题，在遇强震时有液化的可能性。

2.堤基各类地层结构的分布

（1）左岸临黄堤的地层结构。左岸临黄堤上段。从孟州中曹坡到温县南马庄，堤线位于黄河漫滩上，浅层土全为第四纪黄河冲积层，岩性变化较大，以砂壤土为主，壤土次之，有时夹薄层粉砂，下部多为粉、细砂层。在武陟县境内，堤线靠青风岭南部边缘，堤基上部为上更新统（Q3）灰黄色的厚层黄土类砂壤土及壤土，含零星的钙质结核，下部为砂层。过青风岭后，黄土类土的上部被第四纪全新世（Q4）的冲积壤土及砂壤土所覆盖，地层结构类型属4a及4b类型。该段大堤的临河面，有一明显的河流侵蚀面，其北部为厚层的黄土类土或粘性土；南部则为近代河漫滩相的粉细砂及砂壤土。

武陟境内的余会到方陵大堤背河属黄河、沁河河间洼地，地表水与地下水排泄不畅，形成背河积水沼泽化地带。沁河河床堆积物上部主要为粉细砂及砂壤土，向下变为中砂层。过沁河后在高河漫滩的前缘生产堤（华坡堤）的南侧临河面为一侵蚀面，其北侧厚层的粘性土层和南侧的粉细砂层相接触。可能为黄河改道溯源侵蚀及再淤积而形成的。

白马泉、御坝及共产主义渠等地的地层属双层结构：上部为较薄的壤土、粘土及砂壤土，下部为厚层的粉细砂及中砂层，特别是在白马泉—御坝堤段内，背河低洼，粘性土层多由于稻田排水沟需要而挖薄，厚度小于3m，地下水溢出地表，历史上长期为沼泽化地带，是大堤的薄弱段。1958年8月大洪水时，在背河稻田沟内，曾经发生比较严重的渗透变形。后经放淤，背河增加了2～3m厚的盖重，而且黄河又向南摆动，远离左岸大堤，昔日的沼泽地带现已变成良田。

在南菜园、柳园、张寨一带，粘性土较多，属粘性土单层结构。在上、下大王庙、赵石、篦张等老口门的背河及辛庄闸基等地，砂层分布较多，渗水也较严重。已经勘探查明的老口门荆隆宫，历史上曾决口数次，老口门宽达1250m，其内充填了大量的秸料、树枝等物，属于多层结构中有复杂填料的类型。曹岗附近岩性变化很大，有砂壤土及壤土等粘性土单层结构地基，也有双层结构的地基。背河地势低洼，临背河高差可达10m，有大片积水及沼泽化现象。

左岸临黄堤中段。在长垣县大车集，上部为薄的壤土、粘土层，下部为厚层粉砂，地层属双层结构类型。其东约40km无勘探资料。该段在1933年曾决口30多处，背河地面砂土及砂壤土分布较多，但口门规模不大，无严重渗水现象。渠村闸基主要为粘性土层，分布有容易沉降变形的软土层。向东有单层结构的粘性土类型，也有双层及多层结构类型，张庄闸基分布有淤泥质粘土，还有裂隙粘土。

左岸临黄堤下段。进入山东境内，粘性土分布较多，如陶城铺、范坡、曹家圈、李家岸等地，地层均属单层结构的粘性土地层，其次为双层及多层结构的地层。已经勘探查明的老口门有阴河及纸房。阴河口门宽约250m，纸房口门较小，地层均属具有复杂填料的多层结构类型。

在滨州以下，进入冲海积平原区，地层多为双层结构，其中还夹有海相淤泥质软土，含贝壳碎片。在河口北大堤的堤基内多为新近淤积的砂土，夹海相淤泥质软土，其抗震性能较差。

（2）右岸临黄堤的地层结构。右岸临黄堤上段。西接南邙山头，属冲积平原区，在保合寨附近，堤基为双层结构类型，上部为壤土及砂壤土，下部为厚层粉细砂及中砂层。该段已勘探的老口门较多，如铁牛大王庙、花园口、申庄、石桥、九堡、高村等，均属具有复杂填料的多层结构地基。其中花园口老口门，宽达1460m，目前探查的深度尚不够，只到块石的顶部。在杨桥、黑岗口、南北庄等地，主要为单层结构砂性土类型；在万滩、柳园口等地，主要为双层结构类型。山东境内的康屯、苏泗庄、苏阁、赵庄等地为单层结构粘性土类型；阎潭、高村、东濮桥等地为多层结构类型。康屯等地，因主要为弱透水的砂壤土，所以存在渗水及渗透变形等问题。

冲、湖积平原区的国那里、林辛、十里铺一带的地层均为单层结构粘性土类型，层中普遍分布有灰黑色湖相淤泥质的粘性土，因此不均匀沉降变形是该段的主要工程地质问题。

右岸临黄堤下段。堤线从济南宋庄开始，向北绕过济南市转向北东。从济南到泺口为山前冲积平原，第四系上更新统（Q3）的地层分布较高，一般埋深小于15m。下部有时有洪积的砂砾石层（如牛角峪）。该段的岩性主要为壤土、砂壤土及粘土等，为多层地层结构。在牛角峪、北店子、杨庄、刘七沟、盖家沟、胡家岸及马扎子等地主要为单层结构粘性土类型。在老徐庄、王家梨、土城子、张桥、胡楼等地为多层结构类型。小鲁庄、泺口、刘春家等地为双层结构类型。济南以西为玉符河和黄河交汇处，该段背河形成渗流集中区，使西张、常棋屯、刘七沟一带背河渗水严重，甚至还出现局部渗透变形的现象。

河口三角洲地区的地层结构类型以多层结构为主，如王旺庄及章丘屋子等地。双层结构次之，如曹店、十八户等地。地层中普遍夹有海相淤泥质的土层，其抗震性能差，易产生不均匀沉降。