作者简介:谢 辉,男,长江水利委员会设计院三峡勘测研究院,工程师。
文章编号:1001-4179(2006)09-0093-02
长江干堤护岸工程施工影响岸坡稳定因素分析
谢 辉 喻可忠
(长江水利委员会三峡勘测研究院,湖北宜昌443002)
摘要:长江干堤护岸工程施工中最主要的工程地质问题是岸坡稳定问题。影响岸坡稳定的因素有内因和外因两方面。岸坡的物质组成、形态和岸坡结构等是内因,它们决定岸坡变化破坏的类型、范围、程度。而江水的冲刷、水位的涨落、地下水渗透是岸坡破坏的外因。通过在洪湖长江干堤护岸工程的施工地质工作实践,调查和了解了岸坡的各种地质结构,对造成岸坡失稳的原因进行了分析,对在施工中出现的岸坡渗透变形、崩塌等问题进行了研究并提出了处理措施,达到了较好的效果。
关 键 词:岸坡地质结构;地下水;岸坡渗透变形;崩塌机制;处理措施;洪湖长江干堤中图分类号:TV871.1 文献标识码:A
洪湖长江干堤位于长江中游北岸,上至螺山(桩号531+550),下至胡家湾(398+000),全长133.55k m,直接保护江汉平原和武汉市的安全,是长江中下游防洪体系的重要组成部分。该段长江干堤是由民堤经历年加培而成,由于历史及施工质量等多种原因,造成堤身质量较差。1998年大洪水期间,仅洪湖长江干堤就发生险情576处,尤其是崩岸险情不断发展,严重威胁长江干堤的安全,国家于2001~2003年度对该段江堤进行了整险加固工程。
本文分析了岸坡地质结构、地下水、水流条件等因素对岸坡稳定产生的影响,提出了影响岸坡稳定的内、外因素及产生破坏的机制,并在施工中提出了各项处理措施,达到了较好的效果。
1 地质概况
洪湖长江干堤位于江汉冲积平原的中部、洪湖长江河道北岸,为长江的高漫滩,区内地势平坦开阔,外滩宽一般100~200m,少量50~100m,局部无外滩(<50m);外滩地面高程25~28m,堤内22~26m,堤顶高程31~33m 。大堤相对高度7~9m,地势具有西南高、东北低,沿江高、腹部低,堤外高、堤内低的特征。该段河床江中分布有较多江心洲,为较顺直的分叉型河段,流向为北东向,河床平均宽1379m,平均水深12.3m,深泓最深达-16m,部分段逼近岸边。
1.1 地层岩性
护岸工程堤段分布的地层除堤身为人工填土外,其余出露的均为第四系全新统河流冲积物(aIQ 4),岩相变化大,总厚度大于30m,具双层结构。上部为黄褐、灰褐色粉质粘土、粉质壤土、壤土、粘土,部分夹灰色、青灰色砂壤土、粉细砂条带或薄层,上部土层一般呈软塑 可塑状,见微倾河床的微细层理,厚一般5~10m,最厚大于20m;其中:砂壤土、粉细砂单层厚一般5~20cm,连续性一般较差,以条带状或透镜体形式出现,延伸长10~100m,砂壤土和粉细砂呈松散状,且均有渗水现象。下部为青
灰、灰色、灰黄色细砂层,呈中密状,顶面呈波状起伏,在坡脚时
有出露,厚度大于5m,未见底。
1.2 水文地质
根据地下水的埋藏条件和含水岩组的特征,地下水可分为孔隙潜水和孔隙承压水两种类型。
孔隙潜水主要分布于全新统上部粘性土及所夹的砂壤土及粉细砂中,含水层的岩性、富水性及其空间分布变化较大,一般厚度4~7m,具有弱 中等透水性,它们主要分布在低漫滩以上的斜坡,含水层厚度一般在10~50cm 之间,地下水主要受大气降水及地表水入渗的影响。枯水期地下水补给江水,地下水沿砂壤土、粉细砂等透水层中渗出,以散浸或泉水的形式向河水排泄,水量不甚丰富;洪水期江水补给地下水。
孔隙承压水主要分布于全新统下部的细砂层中,含水层厚几十米,含水丰富,具中等透水性。细砂层主要出露在低漫滩及其以下部位,地下水与江水之间存在密切的水力联系,地下水位随江水的涨落而起伏,并具承压性。洪水期江水补给地下水,枯水期地下水补给江水。
2 岸坡工程地质特征
2.1 岸坡地质结构
洪湖长江干堤岸坡均由第四系松散堆积的砂性土和粘性土组成,岸坡地质结构主要有两种类型,即以粘性土为主的单一结构或上粘下砂的双层结构,这两种类型的地质结构在岸坡相间分布。单一结构与双层结构的主要区别在坡脚及以下均为粘性土。双层结构的岸坡坡体一般为粘性土夹砂性土薄层或条带,部分坡体全为粘性土;坡脚及以下部分为粉细砂层。
2.2 土的物理力学性质
根据 洪湖长江干堤2001~2002年度护岸加固工程补充地质勘察报告!的试验资料,各类土的物理力学指标如下:粘土或
第37卷第9期人 民 长 江Vol.37,No.92006年9月
Yangtze River Sep., 2006
表1 各类土的物理力学指标建议值
土的名称压缩模量
Es MPa
压缩系数
a1-2 MPa-1
凝聚力
C kPa
内摩擦角
(∀)
粘土 粉质粘土 2.81~3.200.56~0.6518.0~20.012.1~14.0
壤土 粉质壤土 2.96~3.800.35~0.458.0~12.016.7~20.0砂壤土 4.87~5.500.29~0.33 6.0~9.023.8~25.0
3 影响岸坡稳定的因素分析
长江干堤护岸工程施工中最主要的工程地质问题是岸坡稳定问题。影响岸坡稳定的因素有内因和外因两个方面。岸坡的物质组成、形态和岸坡结构等是影响岸坡稳定的内因,它们决定岸坡变形破坏的类型、范围、程度。而江水的冲刷、水位的涨落、地下水的渗透是岸坡变形破坏的外因。
在物质组成中,粘性土的抗冲刷能力高于砂性土,粘粒含量越高,抗冲刷能力越强。在洪湖长江干堤岸坡均为第四系松散堆积的土质岸坡,坡体以粉质壤土、粉质粘土为主;其次为少量壤土、砂壤土、粉细砂,抗冲刷能力较差。
不同的岸坡结构具有不同的岸坡稳定性和抗冲刷能力。洪湖长江干堤岸坡结构主要有两种:#以粘性土为主的单一结构;∃上土下砂的双层结构。在坡体和坡脚脚槽基础全为粘性土的单一结构岸坡,其抗冲刷能力较强,稳定性最好。双层结构根据坡体各土层组合情况又可分为以下两种:#脚槽基础为粘性土,坡体为粘性土夹砂性土,抗冲刷能力和岸坡稳定性次之;∃坡体为粘性土夹砂性土,脚槽基础为砂性土,抗冲刷能力最弱,岸坡稳定性最差。各类土质中,沉积年代久远,结构紧密的土体抗冲刷能力强,岸坡稳定性也较好。从坡形上讲,坡角较缓的岸坡比陡岸坡稳定性要好。
水流条件是影响岸坡稳定的主要外因,受水流长期迎流顶冲,深泓逼岸的岸坡地段,岸坡坡脚容易淘蚀,造成坡面临空,崩岸失稳。当地下水补给江水时,地下水沿砂性土向外渗透,并带走砂粒,在坡面容易引起下伏土体饱水软化,产生鼓包、土溜、滑移等现象。
4 施工中出现的工程地质问题及现场处理
护岸工程中出现的影响岸坡稳定的主要不良地质问题有: #渗透变形问题;∃崩岸问题。现对各主要不良地质问题的成因及处理措施分述如下:
4.1 渗透变形问题及处理措施
在岸坡中含砂性土的地层结构有两种形式:#岸坡为粉质壤土、粉质粘土夹粉细砂条带或透镜体;∃部分岸坡段下伏细砂顶板在坡脚附近出露。
岸坡土层中普遍分布为粘性土夹粉细砂条带,条带一般厚5~20cm,部分厚30~50cm。由于粉质壤土、粉质粘土为相对隔水层,粉细砂为透水层,地下水沿粉细砂层集中渗出,并带出砂粒。有的坡面由于下伏粘性土层相对不透水,排水不畅使土体产生软、液化,使坡面形成鼓包、土溜及浅层滑移等不良现象,严重影响了岸坡的稳定。在洪水期,土体长期受水浸泡,使土体饱水及软化,一旦水位快速下降,由于动水压力及地下水集中从细砂层中排出,带出大量砂粒,造成坡体塌陷。
鉴于以上原因,在施工中将已产生或容易产生流土的土体进行了置换。在实施过程中,先将已软、泥化及扰动过的土体进行挖除,用10cm的碎石做垫层,其上用干砌石平铺,并辅以导滤沟。通过碎、块石置换和加密导滤沟的措施,坡体稳定性大为改观,提高了工程施工质量。在粉细砂呈极薄层或线状出露(厚2~5cm)的坡面,采用增设导滤沟的方式,将渗水导出。
在部分岸段的脚槽基础有厚度大于3m细砂层,未见底。细砂层成分均一,结构较松散,地下水集中从该层流出,带出大量砂粒,形成流沙,造成上部粘性土的塌陷,将脚槽及枯水平台冲出大小不一的冲坑对这类边坡的处理,在施工中采用了在底部用砂卵石做反滤层,上部用块石平铺的方法,阻止了细砂层的进一步流失,提高了岸坡稳定性。
4.2 崩岸问题及处理措施
洪湖长江干堤河段由于近年来不断实施的长江护岸工程使河势得到基本控制,总体河势处于相对稳定状态,但局部地段有所变化。部分岸段由于迎流顶冲、深泓逼岸,成为严重的冲刷岸;部分岸坡条崩、窝崩险情不断发生,严重影响了岸坡稳定。
除水流条件外,产生崩岸的地层结构分为两种。#单层结构,即岸坡以粘性土为主,主要产生窝崩;∃双层结构,即脚槽以上为粘性土,脚槽及以下为细砂层,主要产生条崩。
单层结构分布在虾子沟、杨树林等地段。由于粘性土较厚,又有较强的粘结力,当江水深泓逼岸,贴岸冲刷时,形成较陡的岸坡,达到平衡极限,岸坡后部发生拉裂缝,产生崩滑。结构较松散的粘性土在较突出的部位也会发生条带状或宽缓的弧状崩岸,如杨树林段,为深泓逼岸区,深泓距岸边10~20m,部分30 ~50m,岸坡大部为崩塌的陡坎,高8~13m。2001年11月10日及12月3日两次水下地形测量,发现深泓河床被冲刷加深2 ~5m,部分段冲刷加深达7m,该段已有宽5~12m的岸坡崩塌到水中。施工中采取水上削坡、水下增加抛石量压脚防冲等措施处理。
双层结构的岸坡发生的崩岸主要为条崩,部分窝崩。主要分布在燕窝段、叶王家边段、田家口下游段等岸段。燕窝段在枯水平台及岸坡干砌石施工接近完成时,发现枯水平台有3处坍塌、沉陷现象,坍岸长一般2~4m,宽0.5~1.5m。其后缘产生沉陷,下陷深度0.3~0.5m。前缘枯水平台平铺石滚落至江中。该护岸段向江中突出4~5m,且上游岸坡陡立,坡顶高于水面3 ~4m,岸坡结构上部为松散粘性土,下部为粉细砂。江水深泓逼岸,岸坡迎流顶冲,属强烈冲刷岸,河床淘蚀严重。下部细砂层抗冲刷能力极差,易于淘空,造成坍塌。根据上述情况,在施工中采取了在护岸段上游与自然岸坡交接处,进行水下抛石镇脚护坡,从而避免江水对护岸段侧面的直接淘刷;另一方面,在已作护岸段的枯水平台以外增加水下抛石,提高水下岸坡的稳定性。
叶王家边段以前曾作过护岸工程,坡面为干砌石护坡,到施工前护坡仅局部被破坏,但脚槽及枯水平台多处发生条崩、窝崩。产生的生要原因有:#上游宏恩矶3个矶头挑流,使水流在此折回,对该岸段造成强烈冲刷;∃深泓逼岸,低漫滩变窄,水下地形变陡;%上土下砂的不利地质结构。细砂层顶板位于
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94 人 民 长 江2006年自回归系数和自回归的阶数。所以在本系统中自回归全部取2阶。∃自回归系数与递推参数:当阶数确定之后,下一步需要确定的是自回归系数,自回归系数在递推中完成。在经过1次洪水的递推计算之后,其结果保存下来,作为下次实时递推的初值。在递推模型中,遗忘因子a取0.99。
(4)数据库、模型库和任务链分级管理,实现处理任务增减和选择的灵活性。任务链是用户提交的计算任务的一种表现形式,这种提交的任务可以是任意防洪调度方式。在计算时,将计算任务(翻译)编辑成任务链,提交计算。实现上述计算模式的前提是,对数据库(参数及实时数据等)进行标准化的、绝对的设计,在此基础上设计通用性方法库。由多个不同方法、模型等逻辑上构成系统的任务链,同时使任务链的修改灵活方便,从而提供系统运行的灵活性。
6 结语
江西省修河防洪调度系统自从2001年建成后4a间较大地提高了修水流域洪水预警、防洪调度的科学技术水平,并与江西省现有的洪水预警和决策支持系统衔接,直接为江西省防汛指挥系统和防汛指挥系统提供服务,发挥了显著的社会经济效益。
(编辑:徐诗银)
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各来水中,石鼓站洪峰流量40m3 s(12日13:00)为建站以来最大流量7550m3 s(1972年8月1日),金江街洪峰流量10400 m3 s(13日9:00)、攀枝花洪峰流量10300m3 s(13日17:00),均排历史最大流量的第3位。
6 结语
金沙江&05.8∋洪水主要由高原雨区和中下游雨区降雨所形成的洪水叠加而成,高原雨区强度均匀、历时长、面积大,对下游洪水起垫底作用。中下游雨区是雨强较大、历时相对较短、呈多中心分布,对下游洪水起了造峰的作用。
金沙江&05.8∋洪水屏山站洪峰流量排历史第15位,仅接近5a一遇的洪水,就给金沙江中下游造成道路受淹、桥梁被毁的损失。由此可见,在加强水文监测预报基础上,合理确定道路桥梁等建筑物设计标准是十分重要的。
由于金沙江上游高原地区降雨强度较平稳,来水历时较长,有充足的时间优化上游水库调度,实现错峰。所以加强金沙江上游以及雅砻江流域的水雨情预报,同时优化二滩水库以及其他水库的蓄泄调度,可以为中下游错峰削峰,减少洪水给沿岸居民及工程建设造成的损失。
该洪水过程历时10d左右,由此次洪水过程分析可见,开展并加强7~10d的中期面雨量预报以及中期洪水预报,对金沙江中下游防洪调度、工程施工很有实际意义。
受历史、经济和地理环境的影响,目前金沙江上游所设雨量观测站较少,对上游的雨情监测十分不利,一方面,地方和流域管理部门适应西部开发的需要,在金沙江上游增设观测站点;另一方面,水文、气象和水电开发单位应加强合作,实现资料共享,提高金沙江流域水文气象观测预测水平。
目前金沙江流域干支流水库众多,特别是雅砻江二滩水库的调度对金沙江下游的影响十分显著,这对传统的水情预报手段提出了极大的挑战,如何考虑水利工程对洪水影响,做好水情预报,满足施工和防汛安全,需要水情人员不断的探索,以期得到一个较为理想的水情预报方案。
参考文献:
[1] 秦剑,琚建华,解明恩等.低纬高原天气气候.北京:气象出版社,
1997.
[2] 林三益.水文预报.北京:中国水利水电出版社,2001.
[3] R.K.林斯雷等.工程水文学.北京:水利出版社,1981.
(编辑:刘毅)
(上接第94页)
脚槽底部附近,直接受江水冲刷、淘蚀强烈;地下水沿细砂层向江中排泄,细砂层的砂粒不断流失,使上部粘土层被架空,形成条崩或窝崩。根据以上情况,在施工中对条崩、窝崩处用块石抛填,并增加水下抛石量,防止细砂层的进一步淘蚀,以达到稳定水下坡脚的目的。
洪湖长江干堤护岸工程地质条件、水流情况均较复杂,地下水渗透造成粉细砂流失引起边坡失稳;部分岸段由于河床深泓逼岸,岸坡迎流顶冲引起坍岸等一些问题。采取适当处理措施后,改善了岸坡的稳定条件,提高了岸坡的抗冲刷能力和稳定性。
5 结语
通过对洪湖长江干堤岸坡地质结构的调查和研究,得到以下成果。
(1)护岸工程堤段分布的地层除堤身为人工填土外,其余出露的均为第四系为松散的全新统河流冲积物(aIQ
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),上部主要为粘性土夹砂性土、粉细砂条带或薄层;下部为粉细砂层。
(2)地下水可分为孔隙潜水和孔隙承压水两种类型;洪水期江水补给地下水,枯水期地下水补给江水。
(3)岸坡地质结构主要有两种类型,即以粘性土为主的单一结构或上粘下砂的双层结构,这两种类型的地质结构在岸坡相间分布。
(4)影响岸坡稳定的因素有内因和外因两个方面。岸坡的物质组成、形态和岸坡结构等是影响岸坡稳定的内因,它们决定岸坡变形破坏的类型、范围、程度;而江水的冲刷、水位的涨落、地下水的渗透是岸坡变形破坏的外因。
(5)护岸工程中出现的主要不良地质问题有渗透变形问题及崩岸问题。对于渗透变形问题在施工中主要采取:#用块、卵石对泥化土体进行置换;∃增加导滤沟;%削坡减载等处理措施。对于崩岸问题在施工中主要采取:#加大水下抛石力度固脚;∃削坡减载;%将脚槽线内移等措施进行处理。经以上护岸工程措施使岸坡稳定条件得到较大改善,增强了岸坡稳定性。
(编辑:赵凤超)
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第9期杨 涛等:修河流域防洪调度系统开发若干关键技术讨论下载本文
