長江中游簰洲灣-武穴段岸坡穩(wěn)定性評價

何 軍，梁 川，肖 攀，陳 剛，彭 軻，鄒安權(quán)

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，湖北武漢430205；2.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，湖北武漢430034）

長江中游簰洲灣-武穴段岸坡穩(wěn)定性評價

何 軍，梁 川2，肖 攀1，陳 剛2，彭 軻1，鄒安權(quán)2

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，湖北武漢430205；2.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，湖北武漢430034）

長江中游岸坡崩塌是制約沿岸工程建設(shè)的主要環(huán)境地質(zhì)問題。本文以長江中游重點開發(fā)岸段簰洲灣-武穴為研究對象，分析影響岸坡穩(wěn)定的主要因素，通過對場地工程地質(zhì)條件、地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度、岸線沖淤程度、河道形態(tài)特征等指標的綜合分析，運用層次分析法，對簰洲灣-武穴段岸坡的穩(wěn)定性進行評價。結(jié)果表明工作區(qū)岸坡以土質(zhì)岸坡為主，左岸穩(wěn)定、較穩(wěn)定和不穩(wěn)定岸坡長度大致相當，右岸絕大部分為穩(wěn)定岸線。岸坡穩(wěn)定的區(qū)域場地工程地質(zhì)條件良好，地勢平坦、開闊，河道順直，地質(zhì)災(zāi)害不發(fā)育，不穩(wěn)定的區(qū)段河道彎曲、岸線沖淤嚴重。

長江中游；簰洲灣-武穴；岸坡穩(wěn)定性評價

長江中游作為長江經(jīng)濟帶的中間力量，發(fā)揮著承上啟下的作用，在長江經(jīng)濟帶的發(fā)展規(guī)劃中占有重大地位。武漢-黃石段又是長江中游沿岸重點開發(fā)的岸段，未來幾年內(nèi)將規(guī)劃修建眾多的過江大橋、港口碼頭、工業(yè)園、交通樞紐等重大工程。由于特殊的地質(zhì)環(huán)境條件，岸坡崩塌為長江中游沿岸一種主要的地質(zhì)災(zāi)害，時有發(fā)生，局部地段十分嚴重。三峽水庫蓄水運用后，引起河床發(fā)生沿程沖刷[1]，受近岸河床沖刷下切的影響，上荊江河岸高度增加，岸坡變陡，導致河岸穩(wěn)定性降低，使得局部河段崩岸過程更為頻繁[2]。長江中游岸坡崩塌主要集中在荊州-洪湖等縣市，荊江段是岸崩的主要地段，是前人對長江中游岸坡崩塌的主要研究區(qū)，關(guān)注的重點為河岸的崩塌機理及其影響因素，建立了河岸在不同時期（枯水期、高水期和退水期）的崩塌計算模式，分析了不同時期的河岸穩(wěn)定性并對不同條件下的河岸穩(wěn)定性進行了計算[2-8]，研究區(qū)內(nèi)崩岸的長度達29.52 km[9]，其中，長江肖家洲至潘家灣段和居字號段是省內(nèi)長江崩岸著名險段。由于岸坡的穩(wěn)定性與岸坡的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、河道形態(tài)等息息相關(guān)，不同岸段崩岸的影響因素不同。因此本文以簰洲灣-武穴岸段為例，通過對工作區(qū)地質(zhì)環(huán)境的深入研究，分析影響岸坡穩(wěn)定的主要因素，建立層次分析法對岸線地質(zhì)環(huán)境適宜性進行評價，為長江河道整治、港口碼頭等沿江工程建設(shè)具有重要的指導意義。

1 工作區(qū)概況

本次評價工作的范圍包括長江中游簰洲灣-武穴沿岸段南北兩岸外推1.5 km的陸域，局部擴大到5-25 km。其中左岸自烏魚洲至李英郭家鋪，長約330 km；右岸西自永興洲東至黃沙，全長285 km。

長江中游簰洲灣-武穴沿岸段地處江漢平原東部，地貌形態(tài)為堆積平原，地勢為東高西低，南高北低。沿江地區(qū)一般除少部分低山丘陵外，絕大部分為高河漫灘，地勢平坦開闊，兩岸地形東高西低。長江北岸由階地組成的平原、崗地為主體以及少量丘陵；南岸階地不完整，多為裸露的基巖組成的低山丘陵和壟崗相間[10]。沿線分布有長江大堤，堤頂高程26-35 m，堤外一般為寬約100-500 m的灘地，高程15-26 m，堤外近大堤50 m地段為護堤防護林。

長江河床及兩岸主要為第四系松散沉積物覆蓋，地表沉積物一般具二元結(jié)構(gòu)。表層為粉質(zhì)粘土、粉土，透水性微弱，滲透系數(shù)一般為1×l0-5～1×l0-6cm/s；底層為砂、砂礫石層，滲透系數(shù)一般為1×l0-2～1×10-3cm/s，兩層滲透系數(shù)差異較大[9]。當?shù)乇硭坏陀诘叵滤粫r，地下水滲透壓力對堤身穩(wěn)定起剪切破壞作用，易引起河岸的滑坡、塌岸。一般發(fā)生在洪水迅速回落或長江枯水期。研究區(qū)岸線底部基巖以白堊-古近系和上泥盆統(tǒng)五通組、志留系下統(tǒng)構(gòu)成，巖性主要為砂巖、砂礫巖、石英砂巖、泥巖為主，部分河段分布有碳酸鹽巖、巖漿巖和砂巖，局部零星出露。地下水主要為松散巖類孔隙水，碳酸鹽巖類裂隙巖溶水和少量零星分布的基巖裂隙水。

岸坡崩塌是區(qū)內(nèi)的主要環(huán)境地質(zhì)問題，主要分布于嘉魚縣簰洲灣、天興洲和青山一帶、鄂州市的巴鋪鄭家灣、浠水縣的戴家洲、黃石青山湖、蘄春縣的官窯鎮(zhèn)以及大冶市的富池口等地（圖1），其中簰洲灣一帶是研究區(qū)內(nèi)岸坡崩塌高發(fā)區(qū)，1998年發(fā)生潰口地點即為簰洲灣的魏家碼頭。

圖1 崩岸分布圖Fig.1 Location ofthe collapsed bank

2 岸坡穩(wěn)定性影響因素

長江中游岸坡穩(wěn)定影響因素眾多，其崩塌失穩(wěn)的機理較為復雜。岸坡的穩(wěn)定性與岸坡的巖土體結(jié)構(gòu)類型及地下水滲流等內(nèi)在因素有關(guān)，同時還受到河道形態(tài)、水流動力影響的岸線沖淤變化等外在因素影響，人類工程建設(shè)只是岸坡失穩(wěn)的導火索?，F(xiàn)場調(diào)查和已有研究表明，江河崩岸的主要影響因素包括岸坡工程地質(zhì)條件、地質(zhì)災(zāi)害、岸線沖淤程度、河道地形以及人類活動等方面[11]。

2.1 工程地質(zhì)條件

岸坡工程地質(zhì)特征是影響岸坡穩(wěn)定性的首要指標，岸坡巖性組合特征、巖體結(jié)構(gòu)類型往往構(gòu)成了岸坡的基本地質(zhì)結(jié)構(gòu)模式，并且組合類型通常決定了岸坡的穩(wěn)定狀況及主要變形破壞方式和規(guī)模。根據(jù)巖性組合特征及巖體結(jié)構(gòu)組合可將長江中下游分為土質(zhì)岸坡、砂質(zhì)岸坡、砂土復合型岸坡以及巖質(zhì)岸坡（圖2）。

主要影響岸線穩(wěn)定性的工程地質(zhì)條件包括岸坡結(jié)構(gòu)類型、坡面形態(tài)以及有無膨脹土和液化砂土。一般來說巖質(zhì)和硬質(zhì)粘土（Q2、Q3的老粘土等）組成的岸坡抗沖擊能力強，穩(wěn)定性較好[12]。研究區(qū)內(nèi)的砂、土質(zhì)岸坡一般都具有上細下粗的二元結(jié)構(gòu)，上部粘土層較厚，下部砂層頂板一般低于枯水位且厚度較大，最易起動和分散搬運，抗沖性能很差，在高陡的岸坡，坡腳隨流水的侵蝕首先出現(xiàn)弧形裂縫，然后整塊土體沿弧形向下滑挫，最后形成崩窩。崩岸河段岸坡土體呈現(xiàn)細沙或沙土相間，當沙土在外界因素的作用下，沙土顆粒間超靜孔隙水壓力驟然增加，使土體顆粒之間的有效應(yīng)力迅速減小直至失去顆粒間摩擦阻力，此時沙土就會出現(xiàn)類似液體一樣的流動。因而，一部分學者的觀點是沙土液化導致了崩岸[11]。軟土具觸變性、流變性及高壓縮性，極易產(chǎn)生振動液化而導致崩岸。膨脹土易產(chǎn)生“倒八字”型裂縫，嚴重可導致岸坡失穩(wěn)。

2.2 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度

研究區(qū)長江沿岸主要的地質(zhì)災(zāi)害為管涌、巖溶塌陷以及軟土變形。研究區(qū)岸坡下部的砂層密實度較低，透水性較強，較易形成滲流，由于滲流對岸坡失穩(wěn)的影響相當大。如岸坡中存在薄弱層，滲流會導致土體沿薄弱層產(chǎn)生滑動而形成管涌進而導致崩岸。1998年大洪水期間發(fā)生的簰洲灣魏家碼頭堤防潰決與崩岸現(xiàn)象就是由于管涌所造成的。

區(qū)內(nèi)長江堤防管涌險情一般發(fā)生在汛期，主要集中于鸚鵡洲及天興洲堤防段。巖溶塌陷主要分布于長江一級階地的青菱鄉(xiāng)毛坦港、白沙洲大道、江夏區(qū)金水辦事處等地。塌陷區(qū)均位于長江濱江沉積區(qū)，上部為具河流相二元結(jié)構(gòu)的第四系松散堆積物，下為粉細砂、中粗砂。下伏基巖為灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r，巖溶發(fā)育。岸坡范圍內(nèi)的軟土主要分布于沿岸的沖湖積、湖積低平原區(qū)一級階地、漫灘及河心洲。土體結(jié)構(gòu)為粉質(zhì)黏土-淤泥質(zhì)土或淤泥質(zhì)土與粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂互層-粉細砂-砂礫石組合，洲、灘為淤泥質(zhì)土、粉土、粉砂組合[9]。

圖2 岸坡類型分布圖Fig.2 Distribution ofbank slope classification

2.3 岸線沖淤程度與河道形態(tài)

長江中游的水流的沖刷作用、彎道環(huán)流及回流決定了岸線的沖淤變化，不同巖土體以及不同的水力條件對岸線的沖淤程度差異較大。淤積岸坡泥沙在坡角堆積，岸線相對較為穩(wěn)定；沖刷岸坡在水流的沖刷作用下，水流淘刷岸坡坡腳，局部深槽鍥入，導致岸坡水下坡度變陡，岸坡高度和坡度超過穩(wěn)定限值后就會發(fā)生崩塌。根據(jù)長江中下游崩岸段資料對崩岸影響因素進行排序，其中排在首位的是縱向水流沖刷[12]。沖刷岸線多分布在河流凹岸受沖頂之處，水深線密集、岸坡坡度較陡的岸區(qū)。淤積岸線多分布于邊灘發(fā)育、岸坡較緩的岸區(qū)。大量事實表明崩岸現(xiàn)象多發(fā)生在受水流劇烈沖刷的河岸，長江中下游80%以上的崩岸發(fā)生在彎道頂點或迎流頂沖點。河道形態(tài)是岸線穩(wěn)定性的一個重要指標，一般在順直、微彎的單一或雙分汊河段和沿岸有堅硬山體分布的岸區(qū)，岸線比較穩(wěn)定，河道彎曲較大的岸坡易受到水流的侵蝕而發(fā)生崩塌。

以區(qū)內(nèi)的天興洲為例，上部8-11 m為粉質(zhì)粘土，中間夾4-5 m的粉細砂，下部為厚度大于30 m的松散砂土，抗沖性能很差，坡腳極易被水流侵蝕沖刷，容易形成穩(wěn)定性差的陡岸高坡。另外，粉質(zhì)粘土中的粉細砂密實度低、透水性較強，易形成入河方向的連續(xù)大比降滲流，進一步?jīng)_刷坡面和淘刷坡腳。另一方面，1988年以來，天興洲洲頭沖刷后退，洲尾淤積下延[13]。洲頭不斷縮短的同時，洲的南岸也出現(xiàn)多次崩塌，洲尾則出現(xiàn)泥沙的淤積，天興洲天然的巖土結(jié)構(gòu)和岸線的沖刷和淤積共同導致了洲體南岸岸坡崩塌。

3 評價方法

本次通過對場地工程地質(zhì)條件、地災(zāi)危險程度、岸線沖淤程度、河道形態(tài)特征等指標的綜合分析，運用層次分析法（AHP）建立評價體系，對長江中游簰洲灣-武穴沿岸岸線穩(wěn)定性進行評價。本次穩(wěn)定性評價單元以河道形態(tài)變化分段，每段內(nèi)5 km劃分一個評分單元，共分123個評價單元，左岸66個，右岸57個。

3.1 評價因子選取

根據(jù)前面的論述，影響長江岸線穩(wěn)定性的地質(zhì)環(huán)境適宜性的因素較多，在對長江中游沿岸地質(zhì)環(huán)境特征深入分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)指標體系的層次關(guān)系，本文選取了地質(zhì)條件和水文條件兩個評價要素，進一步選取了工程地質(zhì)條件、地災(zāi)危險程度、岸線沖淤程度、河道形態(tài)特征等4個評價因子，構(gòu)建了層次分析模型。

在計算評價中，除了采用評價單元多因子加權(quán)指數(shù)法外，也局部考慮了效益系數(shù)λ，單元評價值f由下式計算確定：

式中：λ為效益系數(shù)，具體數(shù)值根據(jù)某一類建設(shè)用地類型的否定性因素賦予相應(yīng)的大小。如無地質(zhì)災(zāi)害時，取1.0；工程使用期限內(nèi)有潛在地質(zhì)災(zāi)害時，取0.5，而當有嚴重地質(zhì)災(zāi)害時取0.1，如有活斷層出露的區(qū)域，則視為地質(zhì)災(zāi)害嚴重區(qū)。Xij為第i指標的基本分值；Cij為第i指標的權(quán)重值。

3.2 評價因子定量分級與指標權(quán)重

表1 評價因子定量分級標準Table 1 Quantitative grading standard of evaluation indexes

評價因子確定后，對研究區(qū)的地質(zhì)環(huán)境進行綜合分析，并根據(jù)各評價因子對地質(zhì)環(huán)境適宜性的影響程度，將其劃分為多個等級（表1），并賦予不同的分值，分值越大越有利于岸線穩(wěn)定。

本文采用層次分析法確定評價指標的權(quán)重[14]。首先根據(jù)同一層次的指標對上一層次的某因素而言的重要性，進行兩兩比較建立判斷矩陣。根據(jù)構(gòu)建的判斷矩陣，求取判斷矩陣的最大特征根及其對應(yīng)的特征向量，再將求得的特征向量進行歸一化處理，歸一化處理后的向量就是權(quán)重向量，即各評價指標的權(quán)重組成的向量，最后進行一致性檢驗。層次分析法計算的各評價因子的權(quán)重如表2所示。

表2 評價因子的權(quán)重Table 2 Weight of evaluation indexes

4 岸線穩(wěn)定性評價

通過計算各評價單元的評價值，按評價單元各指標的情況確定等級和數(shù)值，對單因子評價分值加權(quán)計算綜合分值并以此排序分級，將研究區(qū)岸線分為不穩(wěn)定岸線，較穩(wěn)定岸線和穩(wěn)定岸線。綜合評分小于50的單元為不穩(wěn)定岸線，50-60為較穩(wěn)定岸線，大于60為穩(wěn)定岸線。根據(jù)計算結(jié)果，左岸穩(wěn)定岸線105 km，右岸為170 km，分別占本岸岸線資源總量的31.82%和59.65%。具體穩(wěn)定性評價結(jié)果如圖3所示。

圖3 岸線穩(wěn)定性評價圖Fig.3 Stabilityevaluation ofbank slope

工作區(qū)內(nèi)左岸穩(wěn)定岸線主要分布于漢南-軍山水廠、江堤鄉(xiāng)-江岸區(qū)、雙柳-團風、黃州-巴河鎮(zhèn)、官窯鎮(zhèn)-武穴一帶。右岸穩(wěn)定岸線主要分布于金口、青山-鸚鵡洲長江大橋、華容-鄂州、黃顙口等岸段。這些區(qū)域岸線場地工程地質(zhì)條件良好，地勢平坦、開闊，河道順直，無地災(zāi)危險。工作區(qū)內(nèi)不穩(wěn)定岸線主要分布于簰洲灣彎道附近，天興洲、團風縣汊道、鄂州、黃石港區(qū)等岸段，這些區(qū)段河道彎曲、岸線沖淤嚴重，對岸線開發(fā)利用造成阻礙，急需整治河道。

5 結(jié)論

長江中游簰洲灣-武穴段岸坡穩(wěn)定性的主要影響因素歸納為場地工程地質(zhì)條件、地災(zāi)危險程度、岸線沖淤程度、河道形態(tài)特征等。左岸穩(wěn)定、較穩(wěn)定和不穩(wěn)定岸線大致相當，右岸絕大部分為穩(wěn)定岸線。岸線穩(wěn)定的區(qū)域場地工程地質(zhì)條件良好，地勢平坦、開闊，河道順直，無地災(zāi)危險，不穩(wěn)定的區(qū)段河道彎曲、岸線沖淤嚴重，對岸線開發(fā)利用造成阻礙，急需整治河道。

參考文獻：

[1]朱玲玲,張為,葛華.三峽水庫蓄水后荊江典型分汊河段演變機理及發(fā)展趨勢研究[J].水力發(fā)電學報,2011,30(5): 106-113.

[2]鄧珊珊,夏軍強,李潔，周美蓉.河道內(nèi)水位變化對上荊江河段岸坡穩(wěn)定性影響分析 [J].水利學報,2015,46(7): 844-852.

[3]宗全利,夏軍強,許全喜,鄧春艷.上荊江河段河岸土體組成分析及岸坡穩(wěn)定性計算[J].水力發(fā)電學報,2014,33(2): 168-178.

[4]夏軍強,宗全利,許全喜,鄧春艷.下荊江二元結(jié)構(gòu)河岸土體特性及崩岸機理[J].水科學進展,2013,24(6):810-820.

[5]汪紅英,陳正兵.三峽工程運用后上荊江典型河段岸坡穩(wěn)定性分析[J].人民長江,2015,46(23):6-9.

[6]余文疇.長江中下游河道崩岸機理中的河床邊界條件[J].長江科學院院報,2008,25(1):8-11.

[7]別必雄,徐衛(wèi)亞,謝守益,蔣晗.長江宜都河段茶店崩岸機理與防治研究[J].工程地質(zhì)學報,2000,8(3):272-276.

[8]俎全磊,劉帥,陳剛.宜都市長江與清江岸坡穩(wěn)定性評價[J].資源環(huán)境與工程,2016,30(2):198-201.

[9]梁川,陳剛,李彧磊，等.長江中游沿岸簰洲灣-武穴沿岸段地質(zhì)環(huán)境工程建設(shè)適宜性評價報告[R].武漢:湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,2017:25-27.

[10]田望學,毛新武,何仁亮,李雄偉,胡萬強,江天風,黃建軍.武漢地區(qū)1∶5萬區(qū)調(diào)第四系研究進展[J].華南地質(zhì)與礦產(chǎn),2011,27(4):286-290.

[11]張幸農(nóng),蔣傳豐,陳長英,應(yīng)強.江河崩岸的影響因素分析[J].河海大學學報(自然科學版),2009,37(1):36-40.

[12]岳紅艷,余文疇.層次分析法在崩岸影響研究中的應(yīng)用[A].長江護岸工程及堤防防滲工程技術(shù)經(jīng)驗交流會 (第六屆)論文匯編[C].武漢:長江科學院長江重要堤防隱蔽工程建設(shè)管理局,2001:23-30.

[13]胡春燕,楊宇,曾令木.天興洲分洪水位確定及生態(tài)建設(shè)的初步研究[J].人民長江,2009,40(16):5-7.

[14]張炳江.層次分析法及其應(yīng)用案例[M].北京:電子工業(yè)出版社,2014:10-83.

HE Jun,LIANGChuan,XIAOPan,CHENGang,PENGKe,ZOUAn-Quan

（1.Wuhan Center of China Geological Survey,Wuhan 430205,China;2.Hubei Geological Environmental Station，Wuhan，Hubei 430034）

Bank slope collapse is the main environmental geological problem for coastal engineering construction in the middle of the Yangtze River.Focused on the important shore from Paizhouwan to Wuxue,the main affected factors on stability of bank slope were analyzed,and the stability was evaluated by analytic hierarchy process based on the comprehensive analysis of the geological conditions,the susceptibility of geological disaster,erosion and accretion of the shoreline,the characteristics of river channel configuration.The results showthat the slope is mainly soil bank slope in study area.The length of stable,comparatively stable and unstable coastline is roughly equal on the left.Most of the bank slope on the right is stable.The engineering geological condition is favorable in the stable coastline where territory is flat and open,river is straight,geological disasters are not developed.The river channel is windingin unstable coastline with serious erosion and accretion.

Middle ofthe Yangtze River;Paizhouwan-Wuxue area;coastline stabilityevaluation

P642.2

A

1007-3701（2017）02-187-06

10.3969/j.issn.1007-3701.2017.02.010

2017-5-12；

2017-6-7.

中國地質(zhì)調(diào)查局項目“長江中游宜昌-荊州和武漢-黃石沿岸段1︰5萬環(huán)境地質(zhì)調(diào)查（121201009000150014）”.

何軍(1984—)男，高級工程師，主要從事環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評價工作,E-mail：05302105hj@163.com.

He J,Liang C,Xiao P,Chen G,Peng K and Zou A Q.Main affected factors and Stability Evaluation of Bank Slope From Paizhouwan to Wuxue in the Middle of Yangtze River,Southwestern Hubei Province.Geology and Mineral Resources of South China,2017,32(2):187-192.