雙層地質結構堤基對堤防崩岸的影響分析

趙道雙 葉根苗

(1. 鎮(zhèn)江市工程勘測設計研究院有限公司, 江蘇 鎮(zhèn)江 212003;2. 南京市江北新區(qū)生態(tài)環(huán)境和水務局, 江蘇 南京 211899)

堤防崩岸主要是由于河道水流沖刷侵蝕岸坡基 底, 使堤防岸坡土體失去穩(wěn)定支撐發(fā)生的坍塌現(xiàn)象。崩岸成因復雜, 與河勢走向、 水動力條件、 水文與工程地質條件等有關, 是內(nèi)外諸因素綜合所致。 鑒于長江揚中河段指南村窩崩段土層雙層地質結構特點, 本文從土層性質和抗沖刷性方面進行了分析, 以期對崩岸發(fā)生的機理進行探究。

1 概 況

揚中市四面環(huán)江, 為江中沙洲, 屬長江沖積平原, 地勢低平, 海拔一般為3.0 ~4.5m, 相對高度1m 左右, 全境由西北向東南微傾。 堤岸由第四系全新統(tǒng)(Q4) 的軟弱黏性土及砂性土組成。

揚中市三茅街道指南村附近發(fā)生窩崩險情, 窩塘中間區(qū)域較為平緩, 底高程一般在- 20 ~ - 30m(1985 國家高程基準, 下同), 共坍失主江堤440m、江岸線540m, 坍失最大進深190m、 面積9.73hm2,涉及房屋9 棟, 窩塘內(nèi)共計坍塌158 萬m2, 2017—2020 年對該岸段的整治已經(jīng)累計花費達4 億元[1-2]。江堤坍塌險情見圖1。

圖1 指南村崩岸坍塌實況

2 崩岸段水文、 地質條件

2.1 水文條件

長江揚中河段從五峰山至九圩港, 主流長54km。主江段由上過渡段、 嘶馬彎道、 下過渡段、 潛洲順直段、 匯流段五小段組成, 距河口約274km, 屬感潮河段。 河段上游三江營水位站量測的年內(nèi)潮位分布見表1[3]: 年內(nèi)長江高水位一般出現(xiàn)在7、 8、 9 月份, 低水位出現(xiàn)在1、 2、 12 月份。

表1 長江潮流界下游(鎮(zhèn)江—揚州河口段) 多年月均潮位統(tǒng)計 單位: m

2.2 地基土分布

江堤崩岸段地基各土層剖面分布見圖2, 主要物理力學性質見表2、 表3 和圖3。

圖3 半對數(shù)坐標粒徑級配曲線

表3 砂土顆粒分析

圖2 崩岸段工程地質剖面

表2 崩岸段堤基土層主要物理力學性質

3 堤基雙層地質結構

由河流動力學可知, 長江河流主槽為流水輸沙主流線的主要通道, 流速大。 隨著水流動力軸線的側向移動, 懸移質中的粗顆粒泥沙在流速減少區(qū)淤積下來, 形成沖積物的河床相[4]。 當高水位漫灘后, 過水斷面變大, 流速降低, 較細顆粒泥沙向主槽兩側河床沉積, 淤土經(jīng)過壓實歷史固結, 形成上部以黏性土為主的細顆粒物河漫灘相和下部較粗顆粒河床相的二元地質結構地層, 這也是長江下游岸坡沖積形成的典型的二元地質結構類型。 依據(jù)堤防工程勘察規(guī)范: 堤防崩岸段堤基地質結構為雙層地質結構類型。

長江揚中河段指南村堤防崩岸段堤基地層也是典型的長江沖積形成的二元結構特征沉積物, 上部主要由②、 ③、 ④層粉質壤土夾砂壤土、 薄層砂土等組成, 滲透性較差, 抗剪強度低, 厚度約10m; 下部以⑤、 ⑥、 ⑦、 ⑧、 ⑨層砂土類為主, 以粉細砂為主,滲透性好, 覆蓋層厚度大于80m。

4 河段抗沖刷性分析

4.1 河道沙土特性

如上所述, 指南村發(fā)生崩岸河道岸坡河漫灘相為軟弱黏性土層, 河床相為粉細砂土。 河漫灘相主要為②層粉質壤土, ③、 ④層輕(中) 粉質壤土, 夾砂壤土、 粉砂薄層, 有層理, 局部互層, 抗剪強度低,c=8 ~10kPa,φ=10 ~15 度; 液性指數(shù)IL＞1, 多呈流塑狀態(tài), 顆粒細, 試驗測得③層黏性土粒徑的中值粒徑d50平均值為0.022mm。 河漫灘相沉積層抗沖抗?jié)B穩(wěn)定性差, 當河床岸坡沖刷坡度變大時, 極易發(fā)生滑坡、 坍塌等工程地質險情。

河床相主要為⑤、 ⑥、 ⑦、 ⑧層粉細砂, 不均勻系數(shù)Cu=d60/d10=2 ~5, 級配差, 顆粒較均勻, 為均勻砂土; 砂土平均砂粒含量 ( ＞0.075mm) 大于80%, 黏粒含量小于5%, 粒徑的中值粒徑d50=0.12~0.15mm, 易于發(fā)生沖刷現(xiàn)象。

4.2 泥沙起動條件

河面泥沙受水流作用, 由靜止轉入運動的現(xiàn)象為泥沙的起動, 相應的臨界流速稱為起動流速(UC)。當河流實際流速超過起動流速時, 就會發(fā)生沖刷作用。

研究表明[5-7]: 在河岸發(fā)生崩坍過程中, 松散砂土與黏性土的運動特點和起動機理是不同的, 對于組成松散均勻的泥沙, 重力起主要作用, 當流速高于起動流速時, 顆粒才會被沖起; 對于黏性土, 黏結力、靜電引力與膠結作用起主要作用, 水流脈動應力對黏性土有振動和掀起的作用, 瞬間脈壓一般很大。 黏性土受沖時, 一般為結構性破壞, 呈粒團或塊狀式掀起。

泥沙起動流速計算, 對于黏性泥沙與均勻非黏性較粗顆粒泥沙分別選用張瑞瑾公式、 沙莫夫公式[8]:

式中ρs——顆粒密度, 2.65g/cm3;

ρ——水密度, 1.0g/cm3;

g——重力加速度, 9.8m/s2;

h——水深, m;

d——粒徑, m。

計算結果見表4。

表4 黏性土與砂土起動流速計算結果單位: m/s

由表4 可知: 黏性土的起動流速比砂土的起動流速大2 ~4 倍, 隨著水深而變大。 砂土的起動流速小,易于發(fā)生起動輸移沖刷, 抗沖刷能力差; 黏性土起動流速較大, 不易發(fā)生起動輸移沖刷, 但軟土抗剪強度低, 在高強度水動力沖擊下, 會發(fā)生塊狀結構性破壞。 當下部砂土發(fā)生沖刷破壞時, 河床下切, 造成岸坡變陡, 會引起岸坡崩塌、 滑坡等不良地質現(xiàn)象, 從而引起崩岸的發(fā)生。

指南村堤防崩岸段位于長江主汊揚中主島太平洲左緣, 江面寬約2.0km 左右, 在嘶馬彎道太平洲頭下游約9km 處, 受上游嘶馬彎道水流影響, 水流結構復雜, 主流線方向偏向主汊右岸, 河床為均勻非黏性砂土, 起動流速小, 沖刷寬度深度加大, 長江深泓向主汊右岸堤岸偏移。 根據(jù)指南村窩崩發(fā)生后斷面測量資料[9]: 河道斷面最深點靠近太平洲左緣, 距離岸邊約400m, 最深點接近-55m 高程。 因此水流水動力強度大, 造成深泓逼岸, 這是崩岸發(fā)生的主要因素。 但由于岸坡地層的二元結構特征, 砂土起動流速小, 極易引起沙土運移, 深泓向下深切, 造成岸坡變陡; 黏性土雖起動流速較大, 但軟弱土抗剪強度低, 岸坡不穩(wěn)定, 也是誘發(fā)崩岸發(fā)生的主要內(nèi)因之一。

5 工程措施

雙層結構堤基易于發(fā)生崩岸地質災害, 從地質特點方面應采取必要的工程措施, 最常用的方法如下:

a. 定時加強水下地形的變化監(jiān)測, 準確掌握岸側邊坡的沖刷變化情況, 當水流沖刷使岸坡變大時,及時對堤基穩(wěn)定性進行分析計算, 以防患于未然, 阻止險情的發(fā)生。

b. 雙層結構地質特征地層的砂性土抗沖刷能力弱, 對易發(fā)生崩岸險情段應采取工程措施進行加固。雙層結構堤基應根據(jù)堤岸段的工程地質及水文等因素綜合分析, 確定易發(fā)生崩岸險情范圍, 結合場地實際工程情況, 采取設置順壩或丁壩等措施調(diào)整水流流向, 減緩水流對堤岸的沖刷; 采取拋石護岸工程措施, 加固堤基, 增強堤基的抗沖刷能力。

6 結 語

長江崩岸成因十分復雜, 與河勢走向、 水動力條件、 水文與工程地質條件等諸因素有關, 是多種內(nèi)外因素綜合所致。 長江揚中河段指南村崩岸段岸坡地層沉積物呈二元結構特征, 堤基地質結構類型為雙層結構, 上部細顆粒軟弱黏性土起動流速是下部粉細砂起動流速的2 ~4 倍, 粉細砂起動流速小, 極易發(fā)生顆粒運移, 抗沖刷能力差; 軟弱黏土層起動流速較大,抗沖刷能力較強; 不易發(fā)生顆粒運移, 但其抗剪強度低, 抗穩(wěn)定能力差, 當下部粉細砂受沖刷時, 引起河床下切、 岸坡變陡、 岸坡崩塌、 滑坡等不良地質現(xiàn)象, 從而引起崩岸。 堤基雙層結構特征會加劇堤防崩岸的發(fā)生, 也是崩岸發(fā)生的主要內(nèi)因, 針對軟土區(qū)雙層結構特征地基應采取順壩或丁壩、 拋石護岸等工程措施進行護岸加固, 制止或減少土層的沖刷流失, 以確保堤防的安全穩(wěn)定。 ■