南夹江裁湾工程地质问题分析

李建勇,顾少娟,周习军

(长江岩土工程总公司(武汉),湖北武汉 430010)

南夹江裁湾工程地质问题分析

李建勇,顾少娟,周习军

(长江岩土工程总公司(武汉),湖北武汉 430010)

南夹江为长江铜陵河段的一条汊河,现河道为一 “几”字形河道,阻水严重,岸坡多处发生崩塌。裁湾工程拟将原来的“几”字形河道裁湾取直,使河道顺直,减轻防洪压力。工程区分布有厚覆盖层,厚度60 m左右,岩性主要为粉质粘土、粉质壤土、砂壤土、细砂和砾石等,存在拦河坝端头抗冲刷、渗漏与渗透破坏、饱和砂土震动液化和地基沉降变形等工程地质问题。

南夹江;裁湾取直;地质问题

0 引言

长江铜陵河段位于长江下游安徽省境内,上起羊山矶,下迄荻港镇,河道全长59.9 km,为长江中下游干流重点治理河段之一。铜陵河段是典型的鹅头型分汊河道,河道形态复杂。南夹江为铜陵河段内的一条汊河,全长24 km,是历史上该段大江左移后遗留下来的古河道。河道呈“几”字型,阻水严重。因河道冲刷,河床高程大幅降低,致使岸坡变陡,深泓近岸,汊道内多处岸段崩坍,防洪压力大。经研究,拟采用裁湾取直方案综合治理。

裁湾取直工程将南夹江阻水最严重的夹江“几”字形弯曲段裁掉,重新开挖河道。裁弯段起点位于老观圩钱湾,终点位于老观圩金兴,两端与原河道平顺衔接,主要建(构)筑物有上游拦河坝、下游拦河坝、新开河道及两岸堤防等。本文重点分析此工程存在的主要地质问题,对河道治理方案制定具有重要的工程意义。

1 基本工程地质条件

1.1 地形地貌

铜陵河段上下游为窄深的单一河道,中间为宽放的双汊和鹅头型多汊河道。从上到下分别有老洲、成德洲、章家洲、铁锚洲、太白洲、太阳洲等沙洲,汊道中除成德洲左右汊较宽外,其他几条汊道(夹江)相对较小。铜陵河段两岸分别处于两个不同地貌单元,左岸除上游段为丘陵区外,主要为长江冲积—巢湖湖积平原区,区内地形开阔平坦,沿江而下地势由高渐低。右岸为皖南山区北麓山前沿江平原带,其间新沟以上为丘陵,河漫滩狭窄,沿江断续分布有岩石矶群;新沟以下地势平坦,沿江而下地势由高渐低。

南夹江河道属汀家洲右汊(支汊),为“几”字型河道,从章家洲洲头、新沟开始,自西向东流入工程区,至新兴闸开始流向逐渐转向北东,至钱湾流向转为向北。流至文沙洲后流向开始转为向东,随后转向南,至全兴后流向又转向东,直到与长江主流汇合(见图1)。南夹江左岸全部为江心洲,分别流经了章家洲、文沙洲和紫沙洲,此三江心洲现已连在一起,地形平坦开阔。右岸进口段(约2 km)河漫滩较窄,宽度在500 m左右,后缘为低矮丘陵,山顶与江边滩面高差15～25 m;其它段为长江冲积平原,河滩很宽,地形平坦。

图1 南夹江裁湾工程示意图Fig.1 Map about cut-off project ofNanjiajiang

1.2 地层岩性

工程区地层主要为第三系和第四系地层。第三系岩性主要为砂砾岩、粉砂岩、疏松砂岩(半成岩)、泥岩和少量页岩。第四系地层主要为全新统冲积层(a lQ4),岩性主要有砾石、砾砂、中粗砂、细砂、砂壤土、粉质壤土、粉质粘土等。

第三系(R):为一套河流相红色碎屑沉积岩系,岩性差异较大,地表未出露,埋藏于第四系覆盖层下,埋深不等,在南夹江入口段埋藏较浅,埋深一般20～30 m。其它工程部位埋藏深度在60 m左右。钻孔揭露厚度>29 m。

第四系(Q):全新统冲积层(alQ4)。上部为灰黄、黄褐色粘性土层,厚度较小;下部为灰黑色细砂、粉细砂、中粗砂夹灰褐色粉质壤土、粉质粘土等,厚度一般20～40 m;底部为砾石层,厚度5～10 m。

1.3 地质构造

工程区位于扬子准地台东北部(江南断裂以北)下扬子台坳中部的马鞍山—贵池隆褶带中部。近场区的新构造运动主要是中生代构造运动的后继和发展,总体来说是一个以间歇性升降交替为主的地区,同时又具有断裂和掀斜运动的特征。

近场区断裂构造规模较小,主要为北西、北北西向,次为北东、北东东向,且多分布于长江南岸的基岩出露区,工程区被较厚的第四系覆盖层覆盖,未发现有断裂构造穿越。

工程区近场区内无历史破坏地震记载,小震分布稀疏,中、强地震发生次数较少。工程区地震动峰值加速度位于0.10g与0.05g的交界位置,经核定,工程地震基本烈度为Ⅶ度,地震动峰值加速度取0.10g[1]。

1.4 水文地质条件

工程区地下水主要为孔隙潜水和承压水,局部存在上层滞水。

孔隙潜水主要赋存于低漫滩、高漫滩的砂壤土、粉质壤土及粉细砂层中,地下水位埋深1～3 m。在洪水期主要受大气降水与江水的补给,向下部孔隙承压含水层及同一含水层远离河岸方向运移,地下水位略低于江水位。在枯水期,受大气降水及同一含水层外围地下水的补给,向下部含水层及南夹江河床运移排泄,地下水位略高于江水位。

承压水主要赋存于上部发育有相对隔水层的砂层和砾石层中,具中等—强透水性,汛期江水位高于其相对隔水层的底板而微具承压性。除低漫滩部位因含水层出露地表受大气降水补给外,离南夹江较远的平原和高漫滩部位的含水层在洪水期,受江水补给。

2 拦河坝工程存在的主要地质问题

2.1 拦河坝区工程地质条件

上游拦河坝左岸起于章家洲圩堤,左岸河滩宽110～130 m,地形平缓,近堤处地面比远堤处地面稍高。河床宽约270 m,深泓位于中部,左侧水下地形较平缓,水深较浅,中部河床平缓,右侧水下地形坡度较陡,坡度在1∶4左右。右岸河滩地形平缓,近年一直在缓慢崩退,右岸终点为老观圩堤。

下游拦河坝右岸(现河道)起点老观圩堤,河滩宽150～270 m,地形平缓,岸坡较陡,坡度在20°左右,最陡处达30°。河床宽约350 m,深泓位于右侧,左侧水下地形较平缓,水深较浅,右侧水下地形坡度较陡,坡度在15°左右。左岸河滩较窄,滩面宽40～70 m,地形平缓,岸坡较为平缓,坡度10°左右,终点为胥坝圩堤。

上、下游拦河坝区地层主要为第四系全新统冲积层(alQ4),岩性主要有砾石、砾砂、中粗砂、粉细砂、砂壤土、粉质壤土、粉质粘土等。第四系冲积层上部为灰黄—黄褐色粉质壤土、粉质粘土和少量砂壤土,分布于左右岸河滩,厚度3～7 m。下部为灰褐—灰黑色的粉质粘土、粉质壤土、砂壤土、粉细砂、中粗砂、砾砂及砾石层,厚度较大。上游拦河坝区覆盖层厚达57～74 m,主要为粉细砂和砾石,其它岩性厚度较小,分布范围较小,且多以夹层或透镜体形式出现。下游拦河坝区覆盖层厚49～58 m,顶部为粘性土层,厚度3.5～5.8 m,中间为砂壤土或粉细砂夹粉质壤土透镜体,厚30～45 m,底部为砾砂或砾石层,厚8～16 m。

2.2 拦河坝工程存在的主要地质问题

2.2.1 端头抗冲刷问题

拦河坝河床均为粉细砂层,比重2.67～2.69,干密度1.51～1.81 g/cm3,天然抗剪强度指标C值5～11 kPa,φ值32°～34°,抗冲刷能力很差。两岸岸坡土体主要为粉质壤土、砂壤土和粉细砂,粉质壤土比重2.70～2.72,干密度1.37～1.53 g/cm3,孔隙比0.770～0.982,多呈可塑状,少量呈软塑状,天然抗剪强度指标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,天然抗剪强度指标C值11～18 kPa,φ值32°～35°,抗冲刷能力也很差。拦河坝端头处,在水流冲刷掏蚀作用下,下部粉细砂、砂壤土被冲走,上部岸坡不稳而形成崩塌,危及大坝工程安全,存在端头抗冲刷问题。

2.2.2 渗漏与渗透破坏问题

各坝址区分布有厚层粉细砂、中粗砂和砾石层。其中上游拦河坝粉细砂层厚24.0～32.3 m,渗透系数1.6×10-3～2.6×10-3cm/s,具中等透水性,砾石层厚24.0～27.3 m,具极强透水性。下游拦河坝表层分布有一层粉质壤土,但分布不连续,不能起到隔水作用,粉细砂层厚16.2～36.7 m,具中等透水性,砾石层厚24.0～27.3 m,具极强透水性。在工程运行期间,坝两侧存在水位差,水将通过坝基和两岸堤防地基发生渗漏;在施工期,江水将通过透水层向基坑渗漏,存在渗漏与渗透变形问题。

2.2.3 饱和砂土震动液化问题

本工程地震基本烈度为Ⅶ度,地震动峰值加速度为0.10g。各坝址区广泛分布有第四系全新统砂壤土及粉细砂层,除高漫滩部位埋深3～15 m外,部分低漫滩及河床部位直接出露地表。其砂粒含量>30%,粘粒含量<16%,工程正常运行时,砂壤土、粉细砂层处于饱和状态,按照《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487—2008)的地震液化判定方法,在Ⅶ度地震作用下,初判该砂性土层可能存在砂土震动液化问题。现采用规范推荐的标准贯入和相对密度两种方法进行复判。

根据规范所示的标准贯入试验判别方法,取基准值N0=6,通过计算求出Ncr(液化判别标贯击数临界值)和N63.5(校正后的标准贯入锤击数),当N63.5

拦河坝工程区砂壤土及粉细砂层相对密度Dr=53%～89%,据《水利水电工程地质勘察规范》(G B50487—2008),在地震烈度为Ⅶ度,地震动峰值加速度为0.10g时,饱和无粘性土的液化临界相对密度D rcr为70%,当无粘性土相对密度<70%时,为可能液化土。因此,工程区部分砂性土层可能存在液化。

通过上述两种方法判别,拦河坝工程区砂壤土及粉细砂层处于饱和状态,在Ⅶ度地震条件下,存在液化可能,拦河坝工程存在饱和砂土液化问题。

2.2.4 地基沉降变形问题

拦河坝址区全新统上部(alQ42)粉质壤土孔隙比0.89～0.93、压缩系数0.53～0.60,粉质粘土孔隙比0.78～0.92、压缩系数0.48～0.56,全新统下部粉质粘土孔隙比1.01～1.06、压缩系数0.57～0.74,粉质壤土孔隙比0.89～0.91、压缩系数0.47～0.49。拦河坝坝址区全新统上部(alQ42)粉质壤土、粉质粘土及全新统下部(alQ41)粉质粘土层,压缩系数普遍大于或接近0.5,具高压缩性。此类土层具有强度低、压缩量大等特征,且该土体分布不连续、不稳定,其厚度、岩性等各处差异大,此类坝段地基存在不均匀沉陷及长期蠕变等问题[2]。

3 新开河道及两岸堤防工程存在的主要地质问题

3.1 新开河道及两岸堤防工程区工程地质条件

新开河道及两岸堤防位于沿江平原区的老观圩内,地形平坦,地势开阔。

工程区分布的主要地层为第四系全新统冲积层(a lQ4),岩性主要有砾石、砾砂、中粗砂、粉细砂、砂壤土、粉质壤土、粉质粘土等。下伏基岩为第三系(R)泥岩和少量粉砂岩和疏松砂岩,埋深在60 m左右。第四系全新统冲积层(alQ4):共分两层,全新统上部为灰黄—黄褐色粉质壤土、粉质粘土和砂壤土,分布于整个工程区地表层,厚度1.5～7.0 m;全新统下部(alQ4

1)分上、下两层,上部为灰褐粉质粘土、粉质壤土夹砂壤土,厚3.2～11.0 m,下部为灰褐—灰黑色的砂壤土、粉细砂层,厚度较大,夹少量灰褐色粉质壤土透镜体。

3.2 新开河道及两岸堤防工程存在的主要地质问题

3.2.1 边坡稳定与抗冲刷问题

新河道开挖后,两岸边坡高达13 m,岸坡土体主要为第四系全新统(a lQ4)粉质壤土、粉质粘土和砂壤土,尤其是全新统下部(alQ41)的粉质粘土层,土质很软,抗剪强度天然抗剪强度指标C值12～16 kPa,φ值5°～14°,饱和固结快剪强度指标C值16～23 kPa,φ值15°～18°,存在边坡稳定问题。

新河道左岸为迎流顶冲段,汛期水流快,冲刷强烈,岸坡土体中的粉质壤土和砂壤土,抗冲刷能力较差,在水流冲刷作用下,岸线后退,形成崩岸,危及堤防安全,存在抗冲刷问题。

3.2.2 渗漏与渗透破坏问题

洪水期间外河水位高于堤内地面时,在渗透压力的作用下,堤外水体将通过砂性土等相对透水层向堤内渗漏,从而出现散浸、流土及管涌等现象,引起堤基渗漏与渗透变形。

渗漏与渗透变形主要发生在“浅埋砂层堤基”,即堤基上部分布有粉细砂、砂壤土等较强透水层,或上部粘性土盖层厚度较小,且堤内有沟塘揭穿的堤段。该类砂性土层渗透系数在7.0×10-4～1.7×10-3cm/s之间,具中等透水性,为汛期洪水向堤内入渗提供了直接通道。新开河道堤外滩较窄,渗径较短,在高水位时通过粉细砂、砂壤土层向堤内渗透并溢出地表,形成散浸或集中管涌,堤基存在渗漏与渗透破坏问题。

3.2.3 饱和砂土震动液化问题

工程区地震基本烈度为Ⅶ度,与拦河坝工程相似,新开河道两岸堤防堤基分布有厚层的砂性土,该类土层多处于地下水位以下,处于饱和状态。采用标准贯入试验法判别,工程正常运行时,两岸堤防砂性土部分会发生液化,液化深度在地面以下15 m范围内,其液化指数为1.82～13.84,液化等级为轻微—中等。根据室内试验成果,新开河道两岸堤防工程区砂壤土及粉细砂层相对密度D r=57%～91%,工程区部分砂性土层存在液化可能。因此判定新开河道两岸堤防工程堤基砂性土存在液化可能,工程存在饱和砂土液化问题。

3.2.4 沉降变形问题

新开河道两岸堤防堤基主要由全新统地层组成,全新统上部(alQ42)粉质壤土承载力标准值120～130 kPa、粉质粘土100～110 kPa,全新统下部粉质粘土承载力标准值90～100 kPa、粉质壤土120～130 kPa,各类土层的承载力均偏低。全新统上部(a lQ4

2)粉质壤土、粉质粘土及全新统下部(alQ41)粉质粘土层,压缩系数普遍大于或接近0.5,具中等—高压缩性,尤其是全新统下部粉质粘土层,孔隙比大、压缩性高,对堤基沉降影响很大,工程存在堤基沉降变形问题。

4 结语

(1)南夹江裁湾工程主要包括上、下拦河坝和新开河道及两岸堤防,工程区地层主要为第四系全新统冲积层,土层强度低,抗冲刷能力差,地质条件较差。

(2)拦河坝工程存在的主要地质问题有:端头抗冲刷问题、渗漏与渗透破坏问题、饱和砂土震动液化问题、地基沉降变形问题。

(3)新开河道及两岸堤防工程存在的主要地质问题有:边坡稳定与抗冲刷问题、渗漏与渗透破坏问题、饱和砂土震动液化问题和堤基沉降变形问题。

[1] 长江勘测规划设计研究有限责任公司.长江铜陵河段南夹江综合治理工程可行性研究工程地质勘察报告[R].武汉:长江勘测规划设计研究有限责任公司,2010.

[2] 李茂华,陈又华,舒华波,等.南水北调中线引江济汉工程地质条件分析[J].人民长江,2007(9):38-39.

(责任编辑:潘 潇)

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“几”shape and with the problems of resisting water seriously,breaking avalanche disaster arround the bank.The cut-off project will modify the“几”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,工程师,工程地质与水文地质专业,从事水利水电工程地质勘察工作。E-mail:qkyljr@sina.com