双层地质结构堤基对堤防崩岸的影响分析

赵道双 叶根苗

(1. 镇江市工程勘测设计研究院有限公司, 江苏 镇江 212003;2. 南京市江北新区生态环境和水务局, 江苏 南京 211899)

堤防崩岸主要是由于河道水流冲刷侵蚀岸坡基 底, 使堤防岸坡土体失去稳定支撑发生的坍塌现象。崩岸成因复杂, 与河势走向、 水动力条件、 水文与工程地质条件等有关, 是内外诸因素综合所致。 鉴于长江扬中河段指南村窝崩段土层双层地质结构特点, 本文从土层性质和抗冲刷性方面进行了分析, 以期对崩岸发生的机理进行探究。

1 概 况

扬中市四面环江, 为江中沙洲, 属长江冲积平原, 地势低平, 海拔一般为3.0 ~4.5m, 相对高度1m 左右, 全境由西北向东南微倾。 堤岸由第四系全新统(Q4) 的软弱黏性土及砂性土组成。

扬中市三茅街道指南村附近发生窝崩险情, 窝塘中间区域较为平缓, 底高程一般在- 20 ~ - 30m(1985 国家高程基准, 下同), 共坍失主江堤440m、江岸线540m, 坍失最大进深190m、 面积9.73hm2,涉及房屋9 栋, 窝塘内共计坍塌158 万m2, 2017—2020 年对该岸段的整治已经累计花费达4 亿元[1-2]。江堤坍塌险情见图1。

图1 指南村崩岸坍塌实况

2 崩岸段水文、 地质条件

2.1 水文条件

长江扬中河段从五峰山至九圩港, 主流长54km。主江段由上过渡段、 嘶马弯道、 下过渡段、 潜洲顺直段、 汇流段五小段组成, 距河口约274km, 属感潮河段。 河段上游三江营水位站量测的年内潮位分布见表1[3]: 年内长江高水位一般出现在7、 8、 9 月份, 低水位出现在1、 2、 12 月份。

表1 长江潮流界下游(镇江—扬州河口段) 多年月均潮位统计 单位: m

2.2 地基土分布

江堤崩岸段地基各土层剖面分布见图2, 主要物理力学性质见表2、 表3 和图3。

图3 半对数坐标粒径级配曲线

表3 砂土颗粒分析

图2 崩岸段工程地质剖面

表2 崩岸段堤基土层主要物理力学性质

3 堤基双层地质结构

由河流动力学可知, 长江河流主槽为流水输沙主流线的主要通道, 流速大。 随着水流动力轴线的侧向移动, 悬移质中的粗颗粒泥沙在流速减少区淤积下来, 形成冲积物的河床相[4]。 当高水位漫滩后, 过水断面变大, 流速降低, 较细颗粒泥沙向主槽两侧河床沉积, 淤土经过压实历史固结, 形成上部以黏性土为主的细颗粒物河漫滩相和下部较粗颗粒河床相的二元地质结构地层, 这也是长江下游岸坡冲积形成的典型的二元地质结构类型。 依据堤防工程勘察规范: 堤防崩岸段堤基地质结构为双层地质结构类型。

长江扬中河段指南村堤防崩岸段堤基地层也是典型的长江冲积形成的二元结构特征沉积物, 上部主要由②、 ③、 ④层粉质壤土夹砂壤土、 薄层砂土等组成, 渗透性较差, 抗剪强度低, 厚度约10m; 下部以⑤、 ⑥、 ⑦、 ⑧、 ⑨层砂土类为主, 以粉细砂为主,渗透性好, 覆盖层厚度大于80m。

4 河段抗冲刷性分析

4.1 河道沙土特性

如上所述, 指南村发生崩岸河道岸坡河漫滩相为软弱黏性土层, 河床相为粉细砂土。 河漫滩相主要为②层粉质壤土, ③、 ④层轻(中) 粉质壤土, 夹砂壤土、 粉砂薄层, 有层理, 局部互层, 抗剪强度低,c=8 ~10kPa,φ=10 ~15 度; 液性指数IL＞1, 多呈流塑状态, 颗粒细, 试验测得③层黏性土粒径的中值粒径d50平均值为0.022mm。 河漫滩相沉积层抗冲抗渗稳定性差, 当河床岸坡冲刷坡度变大时, 极易发生滑坡、 坍塌等工程地质险情。

河床相主要为⑤、 ⑥、 ⑦、 ⑧层粉细砂, 不均匀系数Cu=d60/d10=2 ~5, 级配差, 颗粒较均匀, 为均匀砂土; 砂土平均砂粒含量 ( ＞0.075mm) 大于80%, 黏粒含量小于5%, 粒径的中值粒径d50=0.12~0.15mm, 易于发生冲刷现象。

4.2 泥沙起动条件

河面泥沙受水流作用, 由静止转入运动的现象为泥沙的起动, 相应的临界流速称为起动流速(UC)。当河流实际流速超过起动流速时, 就会发生冲刷作用。

研究表明[5-7]: 在河岸发生崩坍过程中, 松散砂土与黏性土的运动特点和起动机理是不同的, 对于组成松散均匀的泥沙, 重力起主要作用, 当流速高于起动流速时, 颗粒才会被冲起; 对于黏性土, 黏结力、静电引力与胶结作用起主要作用, 水流脉动应力对黏性土有振动和掀起的作用, 瞬间脉压一般很大。 黏性土受冲时, 一般为结构性破坏, 呈粒团或块状式掀起。

泥沙起动流速计算, 对于黏性泥沙与均匀非黏性较粗颗粒泥沙分别选用张瑞瑾公式、 沙莫夫公式[8]:

式中ρs——颗粒密度, 2.65g/cm3;

ρ——水密度, 1.0g/cm3;

g——重力加速度, 9.8m/s2;

h——水深, m;

d——粒径, m。

计算结果见表4。

表4 黏性土与砂土起动流速计算结果单位: m/s

由表4 可知: 黏性土的起动流速比砂土的起动流速大2 ~4 倍, 随着水深而变大。 砂土的起动流速小,易于发生起动输移冲刷, 抗冲刷能力差; 黏性土起动流速较大, 不易发生起动输移冲刷, 但软土抗剪强度低, 在高强度水动力冲击下, 会发生块状结构性破坏。 当下部砂土发生冲刷破坏时, 河床下切, 造成岸坡变陡, 会引起岸坡崩塌、 滑坡等不良地质现象, 从而引起崩岸的发生。

指南村堤防崩岸段位于长江主汊扬中主岛太平洲左缘, 江面宽约2.0km 左右, 在嘶马弯道太平洲头下游约9km 处, 受上游嘶马弯道水流影响, 水流结构复杂, 主流线方向偏向主汊右岸, 河床为均匀非黏性砂土, 起动流速小, 冲刷宽度深度加大, 长江深泓向主汊右岸堤岸偏移。 根据指南村窝崩发生后断面测量资料[9]: 河道断面最深点靠近太平洲左缘, 距离岸边约400m, 最深点接近-55m 高程。 因此水流水动力强度大, 造成深泓逼岸, 这是崩岸发生的主要因素。 但由于岸坡地层的二元结构特征, 砂土起动流速小, 极易引起沙土运移, 深泓向下深切, 造成岸坡变陡; 黏性土虽起动流速较大, 但软弱土抗剪强度低, 岸坡不稳定, 也是诱发崩岸发生的主要内因之一。

5 工程措施

双层结构堤基易于发生崩岸地质灾害, 从地质特点方面应采取必要的工程措施, 最常用的方法如下:

a. 定时加强水下地形的变化监测, 准确掌握岸侧边坡的冲刷变化情况, 当水流冲刷使岸坡变大时,及时对堤基稳定性进行分析计算, 以防患于未然, 阻止险情的发生。

b. 双层结构地质特征地层的砂性土抗冲刷能力弱, 对易发生崩岸险情段应采取工程措施进行加固。双层结构堤基应根据堤岸段的工程地质及水文等因素综合分析, 确定易发生崩岸险情范围, 结合场地实际工程情况, 采取设置顺坝或丁坝等措施调整水流流向, 减缓水流对堤岸的冲刷; 采取抛石护岸工程措施, 加固堤基, 增强堤基的抗冲刷能力。

6 结 语

长江崩岸成因十分复杂, 与河势走向、 水动力条件、 水文与工程地质条件等诸因素有关, 是多种内外因素综合所致。 长江扬中河段指南村崩岸段岸坡地层沉积物呈二元结构特征, 堤基地质结构类型为双层结构, 上部细颗粒软弱黏性土起动流速是下部粉细砂起动流速的2 ~4 倍, 粉细砂起动流速小, 极易发生颗粒运移, 抗冲刷能力差; 软弱黏土层起动流速较大,抗冲刷能力较强; 不易发生颗粒运移, 但其抗剪强度低, 抗稳定能力差, 当下部粉细砂受冲刷时, 引起河床下切、 岸坡变陡、 岸坡崩塌、 滑坡等不良地质现象, 从而引起崩岸。 堤基双层结构特征会加剧堤防崩岸的发生, 也是崩岸发生的主要内因, 针对软土区双层结构特征地基应采取顺坝或丁坝、 抛石护岸等工程措施进行护岸加固, 制止或减少土层的冲刷流失, 以确保堤防的安全稳定。 ■