南夾江裁灣工程地質(zhì)問題分析

李建勇,顧少娟,周習軍

(長江巖土工程總公司(武漢),湖北武漢 430010)

南夾江裁灣工程地質(zhì)問題分析

李建勇,顧少娟,周習軍

(長江巖土工程總公司(武漢),湖北武漢 430010)

南夾江為長江銅陵河段的一條汊河,現(xiàn)河道為一 “幾”字形河道,阻水嚴重,岸坡多處發(fā)生崩塌。裁灣工程擬將原來的“幾”字形河道裁灣取直,使河道順直,減輕防洪壓力。工程區(qū)分布有厚覆蓋層,厚度60 m左右,巖性主要為粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)壤土、砂壤土、細砂和礫石等,存在攔河壩端頭抗沖刷、滲漏與滲透破壞、飽和砂土震動液化和地基沉降變形等工程地質(zhì)問題。

南夾江;裁灣取直;地質(zhì)問題

0 引言

長江銅陵河段位于長江下游安徽省境內(nèi),上起羊山磯,下迄荻港鎮(zhèn),河道全長59.9 km,為長江中下游干流重點治理河段之一。銅陵河段是典型的鵝頭型分汊河道,河道形態(tài)復雜。南夾江為銅陵河段內(nèi)的一條汊河,全長24 km,是歷史上該段大江左移后遺留下來的古河道。河道呈“幾”字型,阻水嚴重。因河道沖刷,河床高程大幅降低,致使岸坡變陡,深泓近岸,汊道內(nèi)多處岸段崩坍,防洪壓力大。經(jīng)研究,擬采用裁灣取直方案綜合治理。

裁灣取直工程將南夾江阻水最嚴重的夾江“幾”字形彎曲段裁掉,重新開挖河道。裁彎段起點位于老觀圩錢灣,終點位于老觀圩金興,兩端與原河道平順銜接,主要建(構)筑物有上游攔河壩、下游攔河壩、新開河道及兩岸堤防等。本文重點分析此工程存在的主要地質(zhì)問題,對河道治理方案制定具有重要的工程意義。

1 基本工程地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

銅陵河段上下游為窄深的單一河道,中間為寬放的雙汊和鵝頭型多汊河道。從上到下分別有老洲、成德洲、章家洲、鐵錨洲、太白洲、太陽洲等沙洲,汊道中除成德洲左右汊較寬外,其他幾條汊道(夾江)相對較小。銅陵河段兩岸分別處于兩個不同地貌單元,左岸除上游段為丘陵區(qū)外,主要為長江沖積—巢湖湖積平原區(qū),區(qū)內(nèi)地形開闊平坦,沿江而下地勢由高漸低。右岸為皖南山區(qū)北麓山前沿江平原帶,其間新溝以上為丘陵,河漫灘狹窄,沿江斷續(xù)分布有巖石磯群;新溝以下地勢平坦,沿江而下地勢由高漸低。

南夾江河道屬汀家洲右汊(支汊),為“幾”字型河道,從章家洲洲頭、新溝開始,自西向東流入工程區(qū),至新興閘開始流向逐漸轉(zhuǎn)向北東,至錢灣流向轉(zhuǎn)為向北。流至文沙洲后流向開始轉(zhuǎn)為向東,隨后轉(zhuǎn)向南,至全興后流向又轉(zhuǎn)向東,直到與長江主流匯合(見圖1)。南夾江左岸全部為江心洲,分別流經(jīng)了章家洲、文沙洲和紫沙洲,此三江心洲現(xiàn)已連在一起,地形平坦開闊。右岸進口段(約2 km)河漫灘較窄,寬度在500 m左右,后緣為低矮丘陵,山頂與江邊灘面高差15～25 m;其它段為長江沖積平原,河灘很寬,地形平坦。

圖1 南夾江裁灣工程示意圖Fig.1 Map about cut-off project ofNanjiajiang

1.2 地層巖性

工程區(qū)地層主要為第三系和第四系地層。第三系巖性主要為砂礫巖、粉砂巖、疏松砂巖(半成巖)、泥巖和少量頁巖。第四系地層主要為全新統(tǒng)沖積層(a lQ4),巖性主要有礫石、礫砂、中粗砂、細砂、砂壤土、粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)粘土等。

第三系(R):為一套河流相紅色碎屑沉積巖系,巖性差異較大,地表未出露,埋藏于第四系覆蓋層下,埋深不等,在南夾江入口段埋藏較淺,埋深一般20～30 m。其它工程部位埋藏深度在60 m左右。鉆孔揭露厚度>29 m。

第四系(Q):全新統(tǒng)沖積層(alQ4)。上部為灰黃、黃褐色粘性土層,厚度較小;下部為灰黑色細砂、粉細砂、中粗砂夾灰褐色粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)粘土等,厚度一般20～40 m;底部為礫石層,厚度5～10 m。

1.3 地質(zhì)構造

工程區(qū)位于揚子準地臺東北部(江南斷裂以北)下?lián)P子臺坳中部的馬鞍山—貴池隆褶帶中部。近場區(qū)的新構造運動主要是中生代構造運動的后繼和發(fā)展,總體來說是一個以間歇性升降交替為主的地區(qū),同時又具有斷裂和掀斜運動的特征。

近場區(qū)斷裂構造規(guī)模較小,主要為北西、北北西向,次為北東、北東東向,且多分布于長江南岸的基巖出露區(qū),工程區(qū)被較厚的第四系覆蓋層覆蓋,未發(fā)現(xiàn)有斷裂構造穿越。

工程區(qū)近場區(qū)內(nèi)無歷史破壞地震記載,小震分布稀疏,中、強地震發(fā)生次數(shù)較少。工程區(qū)地震動峰值加速度位于0.10g與0.05g的交界位置,經(jīng)核定,工程地震基本烈度為Ⅶ度,地震動峰值加速度取0.10g[1]。

1.4 水文地質(zhì)條件

工程區(qū)地下水主要為孔隙潛水和承壓水,局部存在上層滯水。

孔隙潛水主要賦存于低漫灘、高漫灘的砂壤土、粉質(zhì)壤土及粉細砂層中,地下水位埋深1～3 m。在洪水期主要受大氣降水與江水的補給,向下部孔隙承壓含水層及同一含水層遠離河岸方向運移,地下水位略低于江水位。在枯水期,受大氣降水及同一含水層外圍地下水的補給,向下部含水層及南夾江河床運移排泄,地下水位略高于江水位。

承壓水主要賦存于上部發(fā)育有相對隔水層的砂層和礫石層中,具中等—強透水性,汛期江水位高于其相對隔水層的底板而微具承壓性。除低漫灘部位因含水層出露地表受大氣降水補給外,離南夾江較遠的平原和高漫灘部位的含水層在洪水期,受江水補給。

2 攔河壩工程存在的主要地質(zhì)問題

2.1 攔河壩區(qū)工程地質(zhì)條件

上游攔河壩左岸起于章家洲圩堤,左岸河灘寬110～130 m,地形平緩,近堤處地面比遠堤處地面稍高。河床寬約270 m,深泓位于中部,左側水下地形較平緩,水深較淺,中部河床平緩,右側水下地形坡度較陡,坡度在1∶4左右。右岸河灘地形平緩,近年一直在緩慢崩退,右岸終點為老觀圩堤。

下游攔河壩右岸(現(xiàn)河道)起點老觀圩堤,河灘寬150～270 m,地形平緩,岸坡較陡,坡度在20°左右,最陡處達30°。河床寬約350 m,深泓位于右側,左側水下地形較平緩,水深較淺,右側水下地形坡度較陡,坡度在15°左右。左岸河灘較窄,灘面寬40～70 m,地形平緩,岸坡較為平緩,坡度10°左右,終點為胥壩圩堤。

上、下游攔河壩區(qū)地層主要為第四系全新統(tǒng)沖積層(alQ4),巖性主要有礫石、礫砂、中粗砂、粉細砂、砂壤土、粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)粘土等。第四系沖積層上部為灰黃—黃褐色粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)粘土和少量砂壤土,分布于左右岸河灘,厚度3～7 m。下部為灰褐—灰黑色的粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)壤土、砂壤土、粉細砂、中粗砂、礫砂及礫石層,厚度較大。上游攔河壩區(qū)覆蓋層厚達57～74 m,主要為粉細砂和礫石,其它巖性厚度較小,分布范圍較小,且多以夾層或透鏡體形式出現(xiàn)。下游攔河壩區(qū)覆蓋層厚49～58 m,頂部為粘性土層,厚度3.5～5.8 m,中間為砂壤土或粉細砂夾粉質(zhì)壤土透鏡體,厚30～45 m,底部為礫砂或礫石層,厚8～16 m。

2.2 攔河壩工程存在的主要地質(zhì)問題

2.2.1 端頭抗沖刷問題

攔河壩河床均為粉細砂層,比重2.67～2.69,干密度1.51～1.81 g/cm3,天然抗剪強度指標C值5～11 kPa,φ值32°～34°,抗沖刷能力很差。兩岸岸坡土體主要為粉質(zhì)壤土、砂壤土和粉細砂,粉質(zhì)壤土比重2.70～2.72,干密度1.37～1.53 g/cm3,孔隙比0.770～0.982,多呈可塑狀,少量呈軟塑狀,天然抗剪強度指標C值15～24 kPa,φ值13°～17°;砂壤土比重2.69～2.70,干密度1.49～1.57 g/cm3,天然抗剪強度指標C值11～18 kPa,φ值32°～35°,抗沖刷能力也很差。攔河壩端頭處,在水流沖刷掏蝕作用下,下部粉細砂、砂壤土被沖走,上部岸坡不穩(wěn)而形成崩塌,危及大壩工程安全,存在端頭抗沖刷問題。

2.2.2 滲漏與滲透破壞問題

各壩址區(qū)分布有厚層粉細砂、中粗砂和礫石層。其中上游攔河壩粉細砂層厚24.0～32.3 m,滲透系數(shù)1.6×10-3～2.6×10-3cm/s,具中等透水性,礫石層厚24.0～27.3 m,具極強透水性。下游攔河壩表層分布有一層粉質(zhì)壤土,但分布不連續(xù),不能起到隔水作用,粉細砂層厚16.2～36.7 m,具中等透水性,礫石層厚24.0～27.3 m,具極強透水性。在工程運行期間,壩兩側存在水位差,水將通過壩基和兩岸堤防地基發(fā)生滲漏;在施工期,江水將通過透水層向基坑滲漏,存在滲漏與滲透變形問題。

2.2.3 飽和砂土震動液化問題

本工程地震基本烈度為Ⅶ度,地震動峰值加速度為0.10g。各壩址區(qū)廣泛分布有第四系全新統(tǒng)砂壤土及粉細砂層,除高漫灘部位埋深3～15 m外,部分低漫灘及河床部位直接出露地表。其砂粒含量>30%,粘粒含量<16%,工程正常運行時,砂壤土、粉細砂層處于飽和狀態(tài),按照《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487—2008)的地震液化判定方法,在Ⅶ度地震作用下,初判該砂性土層可能存在砂土震動液化問題。現(xiàn)采用規(guī)范推薦的標準貫入和相對密度兩種方法進行復判。

根據(jù)規(guī)范所示的標準貫入試驗判別方法,取基準值N0=6,通過計算求出Ncr(液化判別標貫擊數(shù)臨界值)和N63.5(校正后的標準貫入錘擊數(shù)),當N63.5

攔河壩工程區(qū)砂壤土及粉細砂層相對密度Dr=53%～89%,據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(G B50487—2008),在地震烈度為Ⅶ度,地震動峰值加速度為0.10g時,飽和無粘性土的液化臨界相對密度D rcr為70%,當無粘性土相對密度<70%時,為可能液化土。因此,工程區(qū)部分砂性土層可能存在液化。

通過上述兩種方法判別,攔河壩工程區(qū)砂壤土及粉細砂層處于飽和狀態(tài),在Ⅶ度地震條件下,存在液化可能,攔河壩工程存在飽和砂土液化問題。

2.2.4 地基沉降變形問題

攔河壩址區(qū)全新統(tǒng)上部(alQ42)粉質(zhì)壤土孔隙比0.89～0.93、壓縮系數(shù)0.53～0.60,粉質(zhì)粘土孔隙比0.78～0.92、壓縮系數(shù)0.48～0.56,全新統(tǒng)下部粉質(zhì)粘土孔隙比1.01～1.06、壓縮系數(shù)0.57～0.74,粉質(zhì)壤土孔隙比0.89～0.91、壓縮系數(shù)0.47～0.49。攔河壩壩址區(qū)全新統(tǒng)上部(alQ42)粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)粘土及全新統(tǒng)下部(alQ41)粉質(zhì)粘土層,壓縮系數(shù)普遍大于或接近0.5,具高壓縮性。此類土層具有強度低、壓縮量大等特征,且該土體分布不連續(xù)、不穩(wěn)定,其厚度、巖性等各處差異大,此類壩段地基存在不均勻沉陷及長期蠕變等問題[2]。

3 新開河道及兩岸堤防工程存在的主要地質(zhì)問題

3.1 新開河道及兩岸堤防工程區(qū)工程地質(zhì)條件

新開河道及兩岸堤防位于沿江平原區(qū)的老觀圩內(nèi),地形平坦,地勢開闊。

工程區(qū)分布的主要地層為第四系全新統(tǒng)沖積層(a lQ4),巖性主要有礫石、礫砂、中粗砂、粉細砂、砂壤土、粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)粘土等。下伏基巖為第三系(R)泥巖和少量粉砂巖和疏松砂巖,埋深在60 m左右。第四系全新統(tǒng)沖積層(alQ4):共分兩層,全新統(tǒng)上部為灰黃—黃褐色粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)粘土和砂壤土,分布于整個工程區(qū)地表層,厚度1.5～7.0 m;全新統(tǒng)下部(alQ4

1)分上、下兩層,上部為灰褐粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)壤土夾砂壤土,厚3.2～11.0 m,下部為灰褐—灰黑色的砂壤土、粉細砂層,厚度較大,夾少量灰褐色粉質(zhì)壤土透鏡體。

3.2 新開河道及兩岸堤防工程存在的主要地質(zhì)問題

3.2.1 邊坡穩(wěn)定與抗沖刷問題

新河道開挖后,兩岸邊坡高達13 m,岸坡土體主要為第四系全新統(tǒng)(a lQ4)粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)粘土和砂壤土,尤其是全新統(tǒng)下部(alQ41)的粉質(zhì)粘土層,土質(zhì)很軟,抗剪強度天然抗剪強度指標C值12～16 kPa,φ值5°～14°,飽和固結快剪強度指標C值16～23 kPa,φ值15°～18°,存在邊坡穩(wěn)定問題。

新河道左岸為迎流頂沖段,汛期水流快,沖刷強烈,岸坡土體中的粉質(zhì)壤土和砂壤土,抗沖刷能力較差,在水流沖刷作用下,岸線后退,形成崩岸,危及堤防安全,存在抗沖刷問題。

3.2.2 滲漏與滲透破壞問題

洪水期間外河水位高于堤內(nèi)地面時,在滲透壓力的作用下,堤外水體將通過砂性土等相對透水層向堤內(nèi)滲漏,從而出現(xiàn)散浸、流土及管涌等現(xiàn)象,引起堤基滲漏與滲透變形。

滲漏與滲透變形主要發(fā)生在“淺埋砂層堤基”,即堤基上部分布有粉細砂、砂壤土等較強透水層,或上部粘性土蓋層厚度較小,且堤內(nèi)有溝塘揭穿的堤段。該類砂性土層滲透系數(shù)在7.0×10-4～1.7×10-3cm/s之間,具中等透水性,為汛期洪水向堤內(nèi)入滲提供了直接通道。新開河道堤外灘較窄,滲徑較短,在高水位時通過粉細砂、砂壤土層向堤內(nèi)滲透并溢出地表,形成散浸或集中管涌,堤基存在滲漏與滲透破壞問題。

3.2.3 飽和砂土震動液化問題

工程區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度,與攔河壩工程相似,新開河道兩岸堤防堤基分布有厚層的砂性土,該類土層多處于地下水位以下,處于飽和狀態(tài)。采用標準貫入試驗法判別,工程正常運行時,兩岸堤防砂性土部分會發(fā)生液化,液化深度在地面以下15 m范圍內(nèi),其液化指數(shù)為1.82～13.84,液化等級為輕微—中等。根據(jù)室內(nèi)試驗成果,新開河道兩岸堤防工程區(qū)砂壤土及粉細砂層相對密度D r=57%～91%,工程區(qū)部分砂性土層存在液化可能。因此判定新開河道兩岸堤防工程堤基砂性土存在液化可能,工程存在飽和砂土液化問題。

3.2.4 沉降變形問題

新開河道兩岸堤防堤基主要由全新統(tǒng)地層組成,全新統(tǒng)上部(alQ42)粉質(zhì)壤土承載力標準值120～130 kPa、粉質(zhì)粘土100～110 kPa,全新統(tǒng)下部粉質(zhì)粘土承載力標準值90～100 kPa、粉質(zhì)壤土120～130 kPa,各類土層的承載力均偏低。全新統(tǒng)上部(a lQ4

2)粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)粘土及全新統(tǒng)下部(alQ41)粉質(zhì)粘土層,壓縮系數(shù)普遍大于或接近0.5,具中等—高壓縮性,尤其是全新統(tǒng)下部粉質(zhì)粘土層,孔隙比大、壓縮性高,對堤基沉降影響很大,工程存在堤基沉降變形問題。

4 結語

(1)南夾江裁灣工程主要包括上、下攔河壩和新開河道及兩岸堤防,工程區(qū)地層主要為第四系全新統(tǒng)沖積層,土層強度低,抗沖刷能力差,地質(zhì)條件較差。

(2)攔河壩工程存在的主要地質(zhì)問題有:端頭抗沖刷問題、滲漏與滲透破壞問題、飽和砂土震動液化問題、地基沉降變形問題。

(3)新開河道及兩岸堤防工程存在的主要地質(zhì)問題有:邊坡穩(wěn)定與抗沖刷問題、滲漏與滲透破壞問題、飽和砂土震動液化問題和堤基沉降變形問題。

[1] 長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司.長江銅陵河段南夾江綜合治理工程可行性研究工程地質(zhì)勘察報告[R].武漢:長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司,2010.

[2] 李茂華,陳又華,舒華波,等.南水北調(diào)中線引江濟漢工程地質(zhì)條件分析[J].人民長江,2007(9):38-39.

(責任編輯:潘 瀟)

Analysis on Engineering Geological Problem s of Cut-off in Nanjiajiang

LIJianyong,GU Shaojuan,ZHOU Xijun
(Yangtze River Geotechnical Engineering Corporation,Wuhan,Hubei430010)

Nanjiajiang as a distributary of Tongling-Yangtze River,is a“幾”shape and with the problems of resisting water seriously,breaking avalanche disaster arround the bank.The cut-off project will modify the“幾”shape river to make watermove s moothly and relieve the pressure of preventing flood.This place distributes a 60 m thick cover layer.The lithology mainly contains silty clay,silty loam soil,sandy loam soil,fine sand,gravel and etc..Therefore,some geological problems,such as erosion,leakage and seepage destroy,liquefaction by shaking and foundation deformation exist in the project.

Nanjiajiang;cut-off;geological problems

P642.2

A

1671-1211(2010)05-0593-04

2010-07-01;改回日期:2010-09-07

李建勇(1975-),男,工程師,工程地質(zhì)與水文地質(zhì)專業(yè),從事水利水電工程地質(zhì)勘察工作。E-mail:qkyljr@sina.com