趙道雙 葉根苗

(1. 鎮(zhèn)江市工程勘測(cè)設(shè)計(jì)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(wù)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(fù)雜, 與河勢(shì)走向、 水動(dòng)力條件、 水文與工程地質(zhì)條件等有關(guān), 是內(nèi)外諸因素綜合所致。 鑒于長(zhǎng)江揚(yáng)中河段指南村窩崩段土層雙層地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn), 本文從土層性質(zhì)和抗沖刷性方面進(jìn)行了分析, 以期對(duì)崩岸發(fā)生的機(jī)理進(jìn)行探究。

1 概 況

揚(yáng)中市四面環(huán)江, 為江中沙洲, 屬長(zhǎng)江沖積平原, 地勢(shì)低平, 海拔一般為3.0 ~4.5m, 相對(duì)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(yáng)中市三茅街道指南村附近發(fā)生窩崩險(xiǎn)情, 窩塘中間區(qū)域較為平緩, 底高程一般在- 20 ~ - 30m(1985 國(guó)家高程基準(zhǔn), 下同), 共坍失主江堤440m、江岸線540m, 坍失最大進(jìn)深190m、 面積9.73hm2,涉及房屋9 棟, 窩塘內(nèi)共計(jì)坍塌158 萬(wàn)m2, 2017—2020 年對(duì)該岸段的整治已經(jīng)累計(jì)花費(fèi)達(dá)4 億元[1-2]。江堤坍塌險(xiǎn)情見(jiàn)圖1。

圖1 指南村崩岸坍塌實(shí)況

2 崩岸段水文、 地質(zhì)條件

2.1 水文條件

長(zhǎng)江揚(yáng)中河段從五峰山至九圩港, 主流長(zhǎng)54km。主江段由上過(guò)渡段、 嘶馬彎道、 下過(guò)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(yíng)水位站量測(cè)的年內(nèi)潮位分布見(jiàn)表1[3]: 年內(nèi)長(zhǎng)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(zhǎng)江潮流界下游(鎮(zhèn)江—揚(yáng)州河口段) 多年月均潮位統(tǒng)計(jì) 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(jiàn)圖2, 主要物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表2、 表3 和圖3。

圖3 半對(duì)數(shù)坐標(biāo)粒徑級(jí)配曲線

表3 砂土顆粒分析

圖2 崩岸段工程地質(zhì)剖面

表2 崩岸段堤基土層主要物理力學(xué)性質(zhì)

3 堤基雙層地質(zhì)結(jié)構(gòu)

由河流動(dòng)力學(xué)可知, 長(zhǎng)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(dòng)力軸線的側(cè)向移動(dòng), 懸移質(zhì)中的粗顆粒泥沙在流速減少區(qū)淤積下來(lái), 形成沖積物的河床相[4]。 當(dāng)高水位漫灘后, 過(guò)水?dāng)嗝孀兇? 流速降低, 較細(xì)顆粒泥沙向主槽兩側(cè)河床沉積, 淤土經(jīng)過(guò)壓實(shí)歷史固結(jié), 形成上部以黏性土為主的細(xì)顆粒物河漫灘相和下部較粗顆粒河床相的二元地質(zhì)結(jié)構(gòu)地層, 這也是長(zhǎng)江下游岸坡沖積形成的典型的二元地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型。 依據(jù)堤防工程勘察規(guī)范: 堤防崩岸段堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)為雙層地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型。

長(zhǎng)江揚(yáng)中河段指南村堤防崩岸段堤基地層也是典型的長(zhǎng)江沖積形成的二元結(jié)構(gòu)特征沉積物, 上部主要由②、 ③、 ④層粉質(zhì)壤土夾砂壤土、 薄層砂土等組成, 滲透性較差, 抗剪強(qiáng)度低, 厚度約10m; 下部以⑤、 ⑥、 ⑦、 ⑧、 ⑨層砂土類為主, 以粉細(xì)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(xì)砂土。 河漫灘相主要為②層粉質(zhì)壤土, ③、 ④層輕(中) 粉質(zhì)壤土, 夾砂壤土、 粉砂薄層, 有層理, 局部互層, 抗剪強(qiáng)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(xì), 試驗(yàn)測(cè)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(dāng)河床岸坡沖刷坡度變大時(shí), 極易發(fā)生滑坡、 坍塌等工程地質(zhì)險(xiǎn)情。

河床相主要為⑤、 ⑥、 ⑦、 ⑧層粉細(xì)砂, 不均勻系數(shù)Cu=d60/d10=2 ~5, 級(jí)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(dòng)條件

河面泥沙受水流作用, 由靜止轉(zhuǎn)入運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象為泥沙的起動(dòng), 相應(yīng)的臨界流速稱為起動(dòng)流速(UC)。當(dāng)河流實(shí)際流速超過(guò)起動(dòng)流速時(shí), 就會(huì)發(fā)生沖刷作用。

研究表明[5-7]: 在河岸發(fā)生崩坍過(guò)程中, 松散砂土與黏性土的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和起動(dòng)機(jī)理是不同的, 對(duì)于組成松散均勻的泥沙, 重力起主要作用, 當(dāng)流速高于起動(dòng)流速時(shí), 顆粒才會(huì)被沖起; 對(duì)于黏性土, 黏結(jié)力、靜電引力與膠結(jié)作用起主要作用, 水流脈動(dòng)應(yīng)力對(duì)黏性土有振動(dòng)和掀起的作用, 瞬間脈壓一般很大。 黏性土受沖時(shí), 一般為結(jié)構(gòu)性破壞, 呈粒團(tuán)或塊狀式掀起。

泥沙起動(dòng)流速計(jì)算, 對(duì)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(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 黏性土與砂土起動(dòng)流速計(jì)算結(jié)果單位: m/s

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

指南村堤防崩岸段位于長(zhǎng)江主汊揚(yáng)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(jié)構(gòu)復(fù)雜, 主流線方向偏向主汊右岸, 河床為均勻非黏性砂土, 起動(dòng)流速小, 沖刷寬度深度加大, 長(zhǎng)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(cè)量資料[9]: 河道斷面最深點(diǎn)靠近太平洲左緣, 距離岸邊約400m, 最深點(diǎn)接近-55m 高程。 因此水流水動(dòng)力強(qiáng)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(jié)構(gòu)特征, 砂土起動(dòng)流速小, 極易引起沙土運(yùn)移, 深泓向下深切, 造成岸坡變陡; 黏性土雖起動(dòng)流速較大, 但軟弱土抗剪強(qiáng)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(jié)構(gòu)堤基易于發(fā)生崩岸地質(zhì)災(zāi)害, 從地質(zhì)特點(diǎn)方面應(yīng)采取必要的工程措施, 最常用的方法如下:

a. 定時(shí)加強(qiáng)水下地形的變化監(jiān)測(cè), 準(zhǔn)確掌握岸側(cè)邊坡的沖刷變化情況, 當(dāng)水流沖刷使岸坡變大時(shí),及時(shí)對(duì)堤基穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算, 以防患于未然, 阻止險(xiǎn)情的發(fā)生。

b. 雙層結(jié)構(gòu)地質(zhì)特征地層的砂性土抗沖刷能力弱, 對(duì)易發(fā)生崩岸險(xiǎn)情段應(yīng)采取工程措施進(jìn)行加固。雙層結(jié)構(gòu)堤基應(yīng)根據(jù)堤岸段的工程地質(zhì)及水文等因素綜合分析, 確定易發(fā)生崩岸險(xiǎn)情范圍, 結(jié)合場(chǎng)地實(shí)際工程情況, 采取設(shè)置順壩或丁壩等措施調(diào)整水流流向, 減緩水流對(duì)堤岸的沖刷; 采取拋石護(hù)岸工程措施, 加固堤基, 增強(qiáng)堤基的抗沖刷能力。

6 結(jié) 語(yǔ)

長(zhǎng)江崩岸成因十分復(fù)雜, 與河勢(shì)走向、 水動(dòng)力條件、 水文與工程地質(zhì)條件等諸因素有關(guān), 是多種內(nèi)外因素綜合所致。 長(zhǎng)江揚(yáng)中河段指南村崩岸段岸坡地層沉積物呈二元結(jié)構(gòu)特征, 堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型為雙層結(jié)構(gòu), 上部細(xì)顆粒軟弱黏性土起動(dòng)流速是下部粉細(xì)砂起動(dòng)流速的2 ~4 倍, 粉細(xì)砂起動(dòng)流速小, 極易發(fā)生顆粒運(yùn)移, 抗沖刷能力差; 軟弱黏土層起動(dòng)流速較大,抗沖刷能力較強(qiáng); 不易發(fā)生顆粒運(yùn)移, 但其抗剪強(qiáng)度低, 抗穩(wěn)定能力差, 當(dāng)下部粉細(xì)砂受沖刷時(shí), 引起河床下切、 岸坡變陡、 岸坡崩塌、 滑坡等不良地質(zhì)現(xiàn)象, 從而引起崩岸。 堤基雙層結(jié)構(gòu)特征會(huì)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(duì)軟土區(qū)雙層結(jié)構(gòu)特征地基應(yīng)采取順壩或丁壩、 拋石護(hù)岸等工程措施進(jìn)行護(hù)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。 ■