汉口龙王庙险段堤基渗透破坏形式分析及防治措施

刘承新 房艳国 柳晓春

(长江三峡勘测研究院有限公司 武汉 430074)

1 前言

汉口龙王庙险段位于汉江与长江交汇处汉口岸集家咀至王家巷码头段,处于汉江汇入长江的口门河段 (图1),全长1080m。该处岸坡陡峻,堤内居民密集,每年汛期,险情不断。经过专门地质勘察,查清了该段堤防的工程地质问题和险情原因,提出了合理的综合整治措施。

图1 武汉市龙王庙险段位置示意图

2 基本地质条件

2.1 地形特征

该段堤防原为汉江、长江的一级阶地,后期人工改造后地势平坦。综合整治以前,沿岸修筑有防洪工程,由戗堤、防水墙、驳岸平台、驳岸墙及护坡组成 (见图2)。防水墙由混凝土浇筑而成,高3～5m,顶面高程 29.90m(为黄海高程,下同)。驳岸平台高程一般为24.88～26.49m,防洪工程内侧为沿江大道,路面高程为25.19～26.40m。

该段汉江河口宽 200m,多年平均水位12.27m,无漫滩,岸坡坡角 15°～25°,局部达39°。

图2 龙王庙险段横剖面示意图

汉口岸河岸呈凸向河床的弧形状,处于汉江出口弯道的顶冲段,在岸坡遭受侧向冲刷的同时,河床底部亦遭到冲刷。加上特殊的水文气象条件,即每年10月份长江处于落水期,水位较低时,汉江则秋季洪水来临,导致水位落差大,洪水流速快,河床遭冲刷严重,虽每年抛投大量的防洪块石,但局部河床仍有深槽形成。勘测期间实测的水下地形成果表明,该段河床冲刷坑坑底高程-5.00～-12.00m,顺江展布长50～160m(见图1)。

2.2 地层岩性

堤段广布第四系人工回填层和河流冲积层,下伏志留系泥岩,灰绿色,呈强风化状,埋深大。

2.2.1 人工回填层

主要包括碎块石杂填土、杂填土和护坡碎块石层,各土层碎块石含量分别为25%～45%、5%～10%和40%左右。颜色混杂,成份复杂,主要由砂壤土、重粉质壤土、粉质粘土及少量淤泥与砖瓦、水泥碎块和煤渣等组成。人工回填层皆结构松散。

2.2.2 河流冲积层

主要包括粉质粘土、粉土及粉砂。粉质粘土为浅黄色,岩性较均一,粘性强,呈可塑状;粉土呈浅灰或浅褐色,偶见木屑,砂粒多为粉砂,岩性不均一,局部偶见1m左右厚呈透镜体状的粘性土层,呈稍密～中密状;粉砂呈浅灰微带绿色,偶见木屑,细砂含量高,偶见中砂,粘粒含量较少,岩性较均一,水平层理较发育,偶见1～2mm厚的粘性土夹于水平层面上。粉砂层下有约0.3m厚的砂卵石,卵石大小3～5cm。

2.3 水文地质

2.2.1 地下水类型

地下水主要为潜水,局部有上层滞水。粉砂层为主要的含水层,地下潜水多储于其中,粉质粘土和粉土则为相对隔水层。洪水期,回填土中亦含有潜水,枯水期则局部含上层滞水。

2.2.2 地下水动态

大气降水为该段地下水的主要补给源,洪水期,江水补给地下水,枯水期,地下水则向江河排泄。勘察期间,发现龙王庙码头上游段的上层滞水位和地下水位皆较下游段高。

2.2.3 各土层透水性

人工回填土多结构松散,故多中等透水,K值一般为1.8×10-3～1.23×10-4cm/s,局部碎块石杂填土结构极松散,见有米粒大小的空洞,为极强透水,K值大于1cm/s;粉质粘土透水性极微,K值＜10-6cm/s;粉土层K值在7.4×10-4～1.77×10-5cm/s范围内,为中等透水～弱透水层;粉砂层K值在1.25×10-3～1.06×10-4cm/s范围内,为中等透水层。

3 各土层结构及特性

3.1 堤身土

为人工填筑土,总厚一般为 6～9m,最厚12.63m,最薄处4.7m。底面高程17.00～19.00m。

堤身土体结构松散,组成成分与结构极不均一,下部粘性土含量较多,具可塑性,局部呈流塑状,性状差,其内聚力为8kPa,内摩擦角17°,允许承载力标准值为90kPa,桩端承载力标准值为100～200kPa,桩周极限摩阻力8～13kPa。

堤身土总体透水性好,渗透系数K一般为1.86×10-3～1.23×10-4cm/s,特别是碎块石杂填土和护坡碎块石,结构多极松散,局部可见米粒大小的空洞,透水性极强,K值大于1cm/s。试验表明,由于回填土极不均一,其临界比降变化大,为0.7～4.07,碎块石间的细粒易被潜蚀,形成管涌通道,参照室内试验成果,建议安全允许比降为0.28。

3.2 堤基土

堤基土体结构自上而下分为粉质粘土、粉土、粉砂三层。

上部粉质粘土厚4～8m,其顶面高程17.00～22.00m,底面高程10.00～14.00m,岩性较均一,呈可塑状,压缩系数0.16～0.566MPa-1,一般为0.2～0.3MPa-1,多具中等压缩性,局部具高压缩性,其内聚力为16kPa,内摩擦角为20°,允许承载力标准值150kPa,地下水位以下桩端承载力标准值160kPa,桩周极限摩阻力标准值为20～30kPa。粉质粘土极微透水,渗透系数＜10-6cm/s,安全允许比降大,为0.8。

中部粉土厚一般 8～12m,底面高程 0～4.00m,岩性不均一,结构稍密～中密,压缩系数一般为0.1～0.2MPa-1,具中等压缩性,内聚力5kPa,内摩擦角 27°,允许承载力标准值为140kPa,地下水位以下桩端承载力标准值150kPa,桩周极限摩阻力标准值15～25kPa。夹薄层重粉质壤土的砂壤土总体上属弱透水层,渗透系数一般为7.4×10-4～1.77×10-5cm/s。其安全允许比降为0.3。

下部粉砂呈灰绿色,细颗粒含量较多,局部达60%～70%,愈往下,颗粒多变粗。岩性较均一,其结构中密,压缩系数0.06～0.12MPa-1,具中等～低压缩性,内聚力为0,内摩擦角为30°,允许承载力标准值为180kPa,地下水位以下桩端承载力标准值300kPa,桩周极限摩阻力标准值20～30kPa。该土体属中等透水层,渗透系数一般为1.25×10-3～1.06×10-4,其安全允许比降为0.6。

4 各土体渗透破坏形式分析

图3为龙王庙险段堤基典型地质横剖面图,从图中可看出,回填土下伏有相对隔水、较连续的粉土或粉质粘土。

图3 龙王庙险段堤防典型工程地质横剖面图

堤身土体结构皆松散,性状差,强度低。地表附近上部碎块石回填土极松散,渗透临界坡降小,易造成管涌一流土型渗透破坏。

表1 各土层渗透试验成果统计表

堤基冲积层中的粉质粘土和粉土,其透水性差,当洪水上涨时,该土层对外水内渗具有一定的阻滞作用,同时降低外水内渗压力,可以部分阻滞外水内渗,使防水墙内侧在洪水初期出现渗水、漏水险情的时间略有滞后;当江水回落时,亦由于该层的透水性差,内水往外渗透速度相对较慢,该段地下水位下降亦较慢,影响内水外渗的速度,使该段内侧地下水保持较高水位,对堤基岸坡产生较大的渗透压力,影响岸坡的稳定。

各土体的渗透破坏试验结果见表1。室内试验结果表明,回填土层的渗透破坏形式为管涌-流土型,而冲积形成的粉质粘土、粉土、粉砂的破坏形式皆为流土型。

5 防治措施

根据前述龙王庙险段工程地质及水文地质条件,提出了以下综合处理措施:

1)建议采取措施使主流归槽,水流顺畅,使龙王庙险段整治有一个良好的外部环境。

2)建议在前缘坡脚实施抗滑桩,并且桩端深入到完整稳定的基岩内为宜。另外坡底抛填块石防冲镇脚、上部护坡也是有效的治理措施。

3)为防止岸坡及江堤产生渗漏和渗透破坏,应设置防渗墙,防渗墙的下限应完全截断透水性强的堤身回填土层。

4)可视情况在岸坡堤防内侧(特别是汉江段)设置沟(井)抽排减压的措施,减小作用于岸坡的地下水外渗压力,避免渗透破坏造成岸坡坍塌问题。

根据地质工程师的建议,设计调整了方案,将原来初设时的土锚方案全部改为抗滑桩,另外还采取了修整岸坡形态,改善水流条件和铰排链镇脚护坡及防渗等综合整治措施。

1 GB50487-2008水利水电工程地质勘察规范[S].

2 李广诚.堤防工程地质勘察与评价[M].北京:中国水利水电出版社,2004

3 白永年等著.中国堤坝防渗加固新技术[M].中国水利水电出版社,2001年11月

4 唐益群,施伟华,张先林.关于流土和管涌的试验研究和理论分析[J].上海地质,2003年第1期