荆江航道整治工程存在的地质问题及处理措施

唐建东，李建勇，郭伟，顾少娟

(中国建筑西南勘察设计研究院有限公司，四川成都 610081)

1 前言

荆江河段上起湖北枝城下迄湖南洞庭湖口的城陵矶，流经湖北省的宜都、枝江、松滋、江陵、沙市、公安、石首、监利及湖南省的华容、岳阳等市县，全长347.2 km，以藕池口为界分上、下荆江，其中上荆江171.7 km，下荆江 175.5 km。荆江河段航道开阔，水深适宜，长年通航，上至重庆、下至武汉、上海，为沟通长江上中下游极其重要的交通大动脉。

荆江是长江出三峡后的一段平原河流，贯穿于江汉平原与洞庭湖平原之间，河道多弯汊。三峡工程已于2003年6月蓄水运用，由于水库的调蓄，进入长江中下游河道的水沙过程发生明显改变，主要表现为:枯水流量增加，中水流量历时加长，洪峰削减，流量变幅减小，水流含沙量明显减少。水沙条件的改变，造成中下游河道发生自上而下的长时间、长距离的沿程冲刷，尤其是迎流顶冲段的冲刷将更加剧烈，并引起河道河势相应的调整。荆江河段受其影响较早，河道冲刷幅度较大，局部河段河势调整较为剧烈，并导致主流顶冲部位发生变化，可能致使原有的护岸工程淤废或破坏，引起新的崩岸发生，同时河床冲深，河床演变剧烈，洲滩变迁频繁，航槽极不稳定，碍航情况频发。

为根本改善荆江河段的航道条件，实现2020年达到 3.5 m×150 m×1000 m的一级航道目标，需对枝江－江口河段、沙市河段、斗湖堤水道、周天河段、藕池口水道、碾子湾水道、莱家铺水道、窑监～大马洲河段、铁铺～熊家洲河段等9个河段进行整治(如图1所示)，以达到平顺水流、稳定河势及航道的目的。采取的整治工程措施主要有高滩守护、护滩(底)、坝体、护岸加固、填槽和水下整平。

2 基本工程地质条件

2.1 地形地貌

荆江是长江出三峡后的一段平原河流，贯穿于江汉平原与洞庭湖平原之间，河道多弯汊。枝城－沙市段长江总体以自西向东流向为主，沙市以下至藕池口长江主体流向为南偏东。藕池口至监利长江主体流向为东偏北，监利至城陵矶长江主体流向为东偏南。河弯多发育有江心洲，形态窄长，一般顺水流方向长 3 km～4 km，宽 0.5 km～1.5 km。

上荆江河段为微弯分汊河段，由6个弯道段及弯道间的顺直过渡段组成，弯道内多有江心洲滩。两岸地貌单元属江汉平原区的西部，地势上西高东低。河宽一般 1 km～2 km，水深最深达 55 m。江堤外滩宽度变化较大，宽度一般 50 m～200 m，部分宽度达500 m～1 600 m，局部无外滩。宽外滩处分布鱼塘、水渠，一般塘(渠)深 2.0 m，水深 1.0 m。下荆江河段为蜿蜒性河段，有多个江心洲顺列江中。两岸地貌单元属长江及洞庭湖冲积平原，地势平缓，仅有少量低矮孤山和山丘岗地，其余均为河流冲积平原，地势上略呈西高东低。

荆江河段两岸河网纵横，湖泊密布，右岸主要河流有松滋河、虎渡河、藕池河、调弦河，分长江水入洞庭湖;左岸较大河流为沮漳河，在下百里洲江堤与学堂洲民堤之间汇入长江。

2.2 地层岩性

工程区的主要地层有第四系全新统冲积层(Qal4)和人工堆积层(Qml)，上荆江分布有上更新统冲洪积层(Qal+pl3)。

(1)人工堆积层(Qml)

按堆积物的成分可分为杂填土与素填土两类。

①杂填土:呈杂色，主要分布于城镇区带，为粉质粘土夹碎砖头、碎石、煤灰及生活垃圾，厚度一般 1 m～2 m，最厚 6.2 m，结构松散，土质不均匀。

②素填土:主要分布于堤身及其两侧，堤身填筑土厚度一般 8 m～12 m，以粉质粘土为主，少量粉土，粉细砂与粘土团块，密实程度不均一。

(2)第四系全新统冲积层(Qal4)

主要为粉质粘土、淤泥质粉质粘土及粉细砂层。

①粉质粘土:全河段分布，上部褐黄色，一般呈可塑～软塑状，局部可见白色螺壳，少量见褐色斑点，夹粉土及粉细砂薄层，具有水平微层理结构;下部粉质粘土呈灰色，一般呈软塑状，局部为近流塑状，夹大量粉细砂薄层，具近水平微层理结构。另外，枝江～江口河段部分粉质粘土呈灰绿色、青灰色及褐黄色，以灰绿色为主，局部含灰白色高岭石团块及铁锰质结核，呈可塑至硬塑状，切面呈光滑镜面。

②淤泥质粉质粘土:青灰、灰黑色，呈流塑状，见腐殖质，切面呈蜂窝状，具轻微腥臭味。主要分布于各河段较宽广洲滩地段，表层褐黄色粘性土层之下，粉细砂层之上。

③粉细砂:灰黄、浅灰、青灰，自上而下密实度逐渐增大，局部含有机质。分布于各河段表层粘性土之下及河床。

(3)上更新统冲洪积层(Qal－pl3)

砂卵石层:卵石含量约 30%，粒径一般 1 cm～6 cm，大者 8 cm～10 cm，砾石含量约10%，卵砾石成分主要为灰岩，少量白云岩、砂岩、石英岩，磨圆度较好，多呈亚圆形，充填以砂质，主要为灰黄、灰绿色、灰色中细砂。沿岸坡一带砂卵石层顶面从上游向下游方向逐渐降低，枝江～江口段砂卵石顶面高程 21.6 cm～31.6 m，沙市城区段顶面高程 13.9 m～16.9 m，斗湖堤河段顶面高程 6.1 m～9.5 m。

2.3 地质构造

荆江河段位于晚元古代扬子旋回末形成的一级构造单元扬子准地台的两湖(江汉盆地与洞庭湖盆地)断拗二级构造单元内。在地质历史过程中，主要经历了晋宁期、燕山期、喜山期三期强烈的构造运动。自第三纪以来，地壳运动以整体升降运动为主，渐趋稳定，差异活动减弱。区内第四系地貌的发育，地层的沉积、河湖的演变受控于新构造运动。

工程区属汉水地震带江汉洞庭地震小区，地震活动水平相对较弱。其中NNE向的沙湖～湘阴断裂带具有多期活动性。据记载，沿该断裂带曾发生过3.5～5.5级地震6次，在临湘的江南一带于1976年6月1日与8月1日分别发生过2.8及2.3级有感地震。新构造运动以继承性沉降为主，区内第四系及地貌的发育与河湖演变皆受此控制。根据《中国地震动参数区划图》(GB18306－2001)，工程区50年超越概率10%地震动峰值加速度为 0.05 g，相应的地震基本烈度为Ⅵ度。

2.4 水文地质条件

地下水根据其赋存特征和埋藏条件可划分为孔隙潜水和季节性承压水，主要赋存于第四系松散砂层中。孔隙潜水主要埋藏于上部的第四系砂性土层中，受大气降水与地表水的补给，随季节变化与地表水呈互补关系，枯水期地下水向江、渠排泄，洪水期接受江河水补给。工程区地下水排泄通畅，地下水位主要受江水制约，随江水升降而变化;滩顶上层滞水埋藏较浅，一般在地表以下 0.5 m～2.5 m，水位多受地表水塘、沟渠控制。

季节性承压水埋藏于第四系粘性土层之下的砂性土层中，与江水相通，承压水头的大小随补给区江水位的变化而变化。枯水期，河水位降低，地下水向河床方向运移，并排泄于河床之中;洪水期，河水位抬高，地下水沿透水层向远离河床方向运移，补给地下水［1］。

3 存在的主要工程地质问题

(1)高滩(岸坡)守护段岸坡稳定问题

高滩(岸坡)守护工程共有16段，分布于沙市河段腊林洲中部、周天河段天星洲左缘等部位，合计段长41.216 km。岸坡高度 12 m～15 m，土体主要为第四系全新统粉质粘土和粉细砂，尤其是全新统下部的粉质粘土层，土质软弱。其天然抗剪强度指标 C值:12 kPa～16 kPa，φ 值:5°～14°，饱和固结快剪强度指标C 值:16 kPa～23 kPa，φ 值:15°～18°，岸坡土体在重力及动水压力作用下，会沿不特定层面发生滑移、崩塌，存在边坡稳定问题。

(2)护岸工程施工过程中的流砂问题

护岸工程施工过程中，需要对岸坡进行削坡整平处理。岸坡土体多为上粘性土下砂性土的双层结构或粘性土、砂性土体组合的多层结构，粘性土虽具有一定的水稳性，但土体中多夹薄层粉细砂层，水平层理发育，具有一定的渗透性。低水位时，岸坡土体中的地下水沿粉细砂夹层流出，产生潜蚀或管涌破坏，进而造成岸坡坍塌、局部沉降等问题。另外，部分岸坡由结构单一的粉细砂组成，水稳性较差。在施工过程中，由于上覆土体开挖，土压力减小，土体内的地下水会向开挖后的坡面渗透，在地下水渗流过程中，携带细砂颗粒，从而在坡面及脚槽基坑内产生流砂工程地质问题，进而危及整个岸坡的稳定。

(3)岸坡淤泥质土的流变(触变)问题

在铁铺～熊家洲河段盐船套高滩守护工程中，岸坡浅层土体分布有一定厚度的淤泥质土，抗剪强度指标 C 值:10 kPa～13 kPa，φ 值:4°～6°，强度低、压缩性高、稳定性差。在岸坡坡体及脚槽施工时，淤泥质土易发生流变，造成坡体变形或脚槽坍塌，不利于施工。

(4)护滩(底)及坝体地基冲刷问题

航道整治工程除高滩(岸坡)守护段外，其他如护滩(底)及坝体等均位于水上，基础多置于松散状的粉细砂之上，粉细砂层自上而下密实度呈逐渐增大。由于浅层粉细砂较松散，抗冲刷能力差，易被水流冲蚀，从而对坝体地基产生破坏，存在地基抗冲稳定问题。

4 影响工程地质问题的因素

(1)影响高滩(岸坡)守护段岸坡稳定的因素

岸坡的形态、地质结构等是控制岸坡变形破坏的内在因素，它们基本决定了岸坡变形破坏的范围和特征;近岸水流条件(流速、含沙量、冲刷方向等)、地下水渗流(水位涨落)、风浪及人类活动等是诱发岸坡变形破坏的外部因素。

工程区内沿线岸坡高度变化不大，但坡度的陡缓对岸坡的稳定影响较明显，岸坡越陡，其稳定性越差。坡角小于15°的平缓岸坡，失稳的可能性较小;而坡角15°～25°者，一般岸坡能基本稳定;坡角大于25°者，在自然状态下，易失稳。

粘性土较砂性土抗冲刷能力稍强，一般而言，抗冲刷能力由强至弱的顺序为:粘土、粉质粘土、粉细砂，淤泥质土属软土，抗冲刷能力差。由此决定了单一地质结构岸坡抗冲性能较强，岸坡整体稳定条件较好;上粘性土下砂性土的二元结构岸坡坡脚一般易被河水冲蚀而掏空，崩岸规模一般较大;而多层地质结构岸坡一般因其中部或下部砂性土易被河水冲蚀而掏空，最终导致上部土体失稳崩塌。此外，局部岸坡分布有强度较低的淤泥质粉质粘土，其抗冲性能及自稳能力较差，对岸坡稳定极为不利。

本工程岸坡土层多具二元结构，上部为粘性土，下部为砂性土，一般以砂性土为主，故岸坡土体整体抗冲能力较弱，且由于下部砂性土易被淘刷临空，一旦形成崩岸，一般规模较大。

近岸水流条件是影响岸坡稳定性的重要因素，也是决定性因素之一。一般主泓离岸坡较近，则江水对岸坡侧蚀作用相对较强，尤其是岸线内凹的迎流顶冲地段易受到江水强烈冲刷，岸坡坡脚易形成深泓，而引起较严重的崩岸;主泓离岸坡较远，则江水对岸坡侧蚀作用相对较弱，岸坡稳定性相对较好。近岸水流条件及冲刷强度与河势变化关系密切。

(2)影响护岸工程施工中管涌、流砂问题的因素

土体在受水浸泡饱和时，土粒中亲水胶体颗粒吸水膨胀使土粒的密度减小，当在动水压力的作用下，动水压力超过土粒的重力时，土粒产生悬浮流动，即形成流沙。因此，护岸工程由于坡面开挖，上覆土体减少，在地下水向坡面及基坑内渗流时，会产生较大的动水压力，从而产生流沙现象。

岸坡地质结构也是产生管涌、流砂问题的一个重要因素。岸坡为二元结构或多层结构时，地下水通过砂层向外排泄，从而产生动水压力，携带细砂颗粒向坡面或基坑内涌出，从而产生流沙、管涌现象。土层中粉细砂层的厚度也是一个重要影响因素，当粉细砂厚度大于 250 mm时，因粉砂层的渗透系数远大于其他土层，地下水从粉砂夹层中横向流出，从而携带细砂颗粒向坡面或基坑内运移。反之，若粉细砂夹层厚度小于250 mm时，则难以形成流砂现象。

(3)影响岸坡淤泥质土流变(触变)的因素

荆江河段在下荆江部分岸坡分布有淤泥质土，影响淤泥质土流变(触变)的因素主要是淤泥质土的物理力学性质，淤泥质土的含水量高、孔隙比大、抗剪强度低，边坡稳定性差。另一方面，淤泥质土的厚度也是一个很重要的影响因素，厚度越大，其排水条件差，越易发生流变，厚度小，则不易发生。地质结构也是影响淤泥质土流变(触变)的一个因素，若淤泥质土层下面均为砂性土层，则基排水条件好，易固结，流变相对较弱，若上下均为粘性土，排水条件差，则强度增强慢，更易于发生流变。

(4)影响护滩(底)及坝体地基耐冲刷问题的因素

护滩(底)和坝体地基多为粉细砂层，粉细砂层呈松散状，基本无凝聚力，抗冲刷能力很差。影响地基稳定的因素主要为水流流速、流向和粉细砂颗粒比重。粉细砂颗粒比重一般为2.65，因此影响护滩(底)及坝体地基的主要为水流的流速和流向。根据国内外有关泥砂抗冲(起动)流速的计算公式Vc=kd1/3h1/6［2］计算，场区砂层在水深 1 m、5 m、10 m时的抗冲(起动)流速分别为0.75 m/s～1.0 m/s、1.0 m/s～1.3 m/s、1.3 m/s～1.6 m/s。国内有关规范规定粒径在0.05 mm～0.25 mm的粉细砂设计允许不冲流速在水深 1 m、 3 m 时 分 别 为 0.21 m/s～0.32 m/s、0.26 m/s～0.40 m/s。抗冲(起动)流速和允许不冲流速均较低，属于易冲刷地层。

5 处理工程地质问题的方法

(1)高滩(岸坡)守护段岸坡稳定问题处理方法

高滩守护基本采用护岸工程进行治理，护岸工程一般有直立式、斜坡式和混合式等几种型式，为了更有利于岸坡稳定，采用斜坡式护岸。

斜坡式护岸包括陆上护坡和水下护脚两部分。水上护坡包括枯水平台、脚槽、陆上护坡、排水沟、截水沟等。水下护脚是护岸工程稳定的关键，可采用沉排护底和抛石压重防护，从枯水平台向外沉排后抛石镇脚，对于较陡的岸坡，先按 1∶2.5的坡比抛石补坡，然后再平抛一定硬度和一定宽度的块石进行镇脚。在护坡工程边缘加大抛石量，进行抛石备填防护。

(2)护岸工程施工过程中的流砂处理方法

流砂问题的处理，主要是反滤，防止细砂颗粒流失而危及岸坡稳定，采用的处理方法是自脚槽至坡顶，全坡面铺设一层厚 10 cm～20 cm的中砂反滤层，形成一个沿坡面的排水通道，而细砂颗粒又可以被中砂反滤层阻止不会随水流而流出。另外在反滤层上铺设新型反滤结构—排水垫。排水垫是由经过特殊挤压形成“M”型的纵向全断面排水通道的三维聚丙烯网垫与两层针刺并经热处理的无纺土工布通过热粘合作用形成的反滤、排水、保护的三维排水垫。该排水垫两边由抗紫外线稳定的针刺并经过热处理的无纺土工布材料组成，提供了极好的分离砂层和垂直过滤功能，可有效防止砂土流失。同时，中间的三维聚丙烯网垫在不同方向上形成了 6 mm～20 mm高的排水通道，可保证排水通道畅通无阻。

(3)岸坡淤泥质土流变(触变)的处理措施

针对岸坡淤泥质土的处理，一般采用换填、盲沟排水的处理方法。对于土质较好部位，采用开挖盲沟，沟内用碎石回填，盲沟间距一般 10 m左右，盲沟尺寸一般深 50 cm，宽 40 cm。对土质较差部位，加密排水盲沟，间距加密至 5 m，增加地下水排水通道;增大盲沟尺寸，宽度增大至底宽 80 cm，顶宽 100 cm，深100 cm，增加盲沟的单宽排水量。对于已严重扰动的淤泥质土，土体结构已破坏，性状很差的部位，则采用挖除用砂或碎石置换处理。在进行完盲沟排水或换填后，再铺设砂垫层和排水垫进行表层排水反滤。

(4)护滩(底)及坝体地基冲刷防护

对于护滩带工程，首先根据研究成果，调整护滩带间距，既可维持所保护滩体的一定规模，又可以减少护滩带之间的冲刷强度，调整护滩带与水流方向的交角，适当增设勾头，以控制工程的局部冲刷，增强护滩带的整体导流效果和构筑物的稳定。

对于筑坝工程，首先坝体结构采用堆石坝这种透水结构，以减小对水流的阻碍，避免引起局部流速显著增大。在坝体基底，布置护底带工程，护底带范围除坝底范围外，向外扩展一定的宽度，扩展宽度一般上下游各 50 m～100 m。护底带采用系砼块软体排进行护底，外侧预留变形区采用联销埠软体排进行加强，并在边缘采用增加抛石厚度并设置备填石的方式进行结构加强处理。

6 结语

(1)长江中游荆江河段航道整治工程主要采取高滩守护、护滩(底)、坝体、护岸加固、填槽和水下整平等措施。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)荆江河段航道整治工程存在高滩(岸坡)守护段岸坡稳定、护岸工程施工过程中的流砂问题、岸坡淤泥质土的流变(触变)和护滩(底)及坝体地基冲刷等工程地质问题。

(3)高滩(岸坡)守护工程采用斜坡式护岸，加强水下镇脚措施，确保岸坡稳定;针对流砂问题，先自脚槽至坡顶，全坡面铺设一层中砂反滤层，再在其上铺设排水垫反滤;岸坡淤泥质土的采用盲沟排水或换填处理，再在上部铺高反滤砂层和排水垫;护滩(底)及坝体底部采用系砼块软体排进行护底，在边缘增加抛石加强。

［1］陈锦标，陈佩燕，李全林等.中国地震目录数据库［M］.地震，2011.

［2］中国地震局.中国地震动参数区划图［S］.中国标准出版社，2001.

［3］中国建筑西南勘察设计研究院有限公司.长江中游荆江河段航道整治工程初步设计阶段工程地质勘察报告［R］.武汉.中国建筑西南勘察设计研究院有限公司，2013.

［4］蒋中明，王为，冯树荣等.应力状态下含黏粗粒土渗透变形特性试验研究［J］.岩土工程学报，2014(1)，P103.

［5］何文社，方铎，杨具瑞等.泥沙起动流速研究［J］.2002，P1.

［6］长江航道规划设计研究院.长江中游荆江河段航道整治工程初步设计报告［R］.武汉:长江航道规划设计研究院，2013.