1、湖北堤防工程堤基土层结构和主要地质问题上传湖北堤防工程堤基土层结构和主要地质问题(上传)湖北堤防工程堤基土层结构和主要地质问题陈汉宝 王继红(湖北省水利水电勘测设计院，武汉,430070)摘要 本文论述了湖北堤防工程现状和堤基土层结构，存在的主要地质问题是堤身隐患、渗透变形、堤基沉降变形与滑坡、崩岸等，并提出了相应防治措施。关键词 堤防工程 堤基结构 地质问题 防治措施0 引 言 湖北省地处长江中游，地势为三面高、中间低、向南敞开的不完整盆地，西北和西南为山地，东南为丘陵地区，中部是水网纵横的江汉平原，是全国著名粮、棉、油产地。 湖北省境内有大小河流1190多条，迂回曲折汇入长江，构成向心状水
2、系。大小湖泊1000多个，星罗棋布，素称“千湖之省、鱼米之乡”。省会武汉是京广铁路和长江两大交通枢纽会合部，有“九省通衢”之誉。1998年长江发生了继1954年以来的又一次全流域性组合型大洪水，虽经艰苦努力保住了长江干堤，但也付出了很大的代价。那么湖北的堤防形势是怎样的呢?1 湖北堤防概况 长江在湖北省横贯东西1060km，汉江由西北向东南与长江交汇，绵延858km，在此形成一条巨大的“洪水走廊”。由于长江上游巨大的洪水来量远远超过中游河道的泄洪能力，造成我省洪涝灾害频繁，全省50.2%的人口，51.5%的耕地，全省农业产值的88%，工业产值的78%及主要城市、交通枢纽都受到汛期洪水的威协，因
3、此防汛成为湖北天大的事。历史上为抵御洪水危害，我省修建了长达1万多公里的各类堤防，是长江流域各省中最长的。然而堤防的防御能力偏低(指堤顶高程)，多年来虽经加固，仅达到抵御1015年一遇的洪水标准，运用分蓄洪区也只能提高到2040年一遇标准。而且堤防基础地质条件十分复杂，汛期常发生各种险情，形势十分严峻，每年不得不投入大量人力物力进行防汛抢险。2 堤基地质条件 湖北堤防工程是建于江汉平原的长江、汉江两岸及河湖岸边的挡水建筑物，堤身以土体为主，堤基为第四系河流冲积、湖积物，堤基土层结构一般为二元结构，即上部为粘性土层，下部为粉细砂及砂卵石层，基岩埋深达40120m。2.1 堤基土层结构 堤基土层结
4、构根据砂层埋藏分布条件划分下列几种类型： (1)单透水层地基：表层为粘性土，下为砂层，又根据表土层厚度分为：表土层薄的(厚度5m，不稳定，易发生管涌，图11)；表土层较厚的(厚度5m，稳定或较稳定，图12)。 图1堤基土层结构示意图 (2)双透水层地基：表土层下有一层埋藏较浅的薄砂层，其下为较稳定的粘性土层，再下面为深厚砂层或砂砾石层(图13)。 (3)浅砂层表露：堤身直接建在浅砂层之上(图14)，这类地基最易发生渗透变形，如汉江遥堤王家营。 (4)软基：堤防建在河湖淤泥或淤泥质土之上(图15)，承载力低，易发生沉降变形与滑坡，如黄梅八一大堤。 此外，还可根据堤外滩地宽窄(入渗条件)及堤后渊塘
5、分布(排泄条件)组合成不同类型。2.2 水文地质条件 地下水分孔隙潜水和孔隙承压水，与地表水体(江、河、湖、渠)水力联系密切，枯水期地下水流向江水，洪水期地表水补给地下水，在临江堤段地下水与江水涨落几乎同步。根据勘察和试验研究，砂卵石层渗透系数为i10-2cm/s，砂层约为i10-3cm/s，粉土类约为i10-3i10-4cm/s，粉质粘土约为i10-5cm/s。3 主要地质问题及防治措施 我省堤防的修建历史悠久，系由历代零星堤垸和若干分散堤段逐步连接发展而成，而且战线长，在修筑时没有选择堤基，既不清基，又很少作工程处理，堤基地质条件复杂，存在的主要地质问题是：堤身隐患、渗透变形、沉降变形及滑
6、坡、崩岸等。3.1 堤身隐患 堤身隐患分二类，一类是生物洞穴如白蚁洞、鼠洞、獾洞、蛇洞等；二类是埋于堤身的碎石、砖渣、矿渣等杂填土。此外，历年来堤防多次加高培厚，接头较多，碾压不实，且填筑土料就地取材，土料含砂质，透水性强，构成了堤身隐患。这是造成汛期堤防出现散浸和漏洞的主要原因。散浸是指汛期江水渗透穿过堤身，在堤内坡下部或坡脚渗出，堤坡湿润发软，形成浸润水流。这种险情十分普遍，许多重要干堤散浸长度占总长的75%以上。对严重的散浸必须妥善处理，否则会造成堤身内脱坡等更大险情。漏洞指堤内坡或坡脚出现冒水孔，有的有明显的进口和出口，分清水漏洞和浑水漏洞。散浸和漏洞的防治措施：在汛期，抢险的原则是堤
7、外坡阻水入渗、堤内坡排水导渗，降低浸润线，稳定堤身。方法是：对轻微散浸一般不处理，观察其变化；较严重的应开导渗明沟或导滤沟；对大面积严重散浸，堤身土饱和(软化)而影响稳定的，除开沟导滤外，还应做粘土外帮或堤内透水压浸台。漏洞抢险也是采用堤外粘土外帮堵漏，堤内围井导滤，井中采用三级配，即用粗砂、瓜米石、卵石分层填筑，保护出水口使之出清水。 汛后对堤身隐患治理措施主要是锥探灌粘土浆，填充空洞，这种措施对处理白蚁非常有效。重点堤段采用抽槽回填、或翻筑，清除杂填土。3.2 渗透变形 渗透变形主要发生在砂基础堤段，汛期由于大堤两侧水位差大，使堤基的渗流坡降加大，当超过堤基土体的临界水力坡降时，则使堤基土
8、体的组成和结构发生改变或破坏。常见的渗透变形形式有管涌、流土、接触冲刷和接触流失等四类。我省堤防砂基础多为粉细砂，渗透变形最常见的是流土，俗称管涌、翻砂鼓水。它是因地下水顶穿表土层而带出大量砂土，使堤基结构破坏，继而堤身下沉出现裂缝。这种险情汛期也十分普遍，在堤防诸多险情中，以“管涌”险情对堤防安全威协最大。它险象平常、变化突然、范围较大、毁灭性强，严重时可造成堤防溃决。 1998年8月1号，我省簰洲湾堤防溃口就是因为堤基产生大面积渗透变形造成的。事故发生在位于武汉市上游约30km的嘉鱼县簰洲湾长江干堤外围民垸，8月1日晚7时许，合镇乡中堡村堤段(桩号36+500)，距离堤脚40m处发生大面积
9、突发性“管涌”，虽经守堤人员奋力抢险，但终因险象环生，堵不胜堵，此处100多米堤段突然坍塌。约当晚8时30分，堤身开始下沉，瞬间出现溃口，江水汹涌而进，而且缺口不断撕大，就连沉船堵口也宣告失败。事后人们发现溃口处长达760m，在堤后冲成14.88104m2的大坑，最深达30.3m，淹没土地158km2，受灾人口5.7万人，退水后大面积农田被砂土覆盖，损失惨重。 渗透变形险情多出现在堤内坡脚以外的低洼地带(如渊塘、沟渠、沼泽边)，距堤脚50100m处密集，最远可达1500m。汛期不论远近都必须果断迅速的予以处理。抢险方法：一般险情可在孔口做导滤堆；严重的翻砂鼓水应做围井导滤；有的严重大面积发生的
10、可采取围堰蓄水反压，出口做导滤；塘边的可用半透水材料填塘。最后使管涌处“出清水不带泥砂”说明险情得到了控制，并安排坐哨监视其变化。 汛后处理措施: 对发生渗透变形的砂基堤段，首先应查明堤基地质条件和土层结构，作渗流稳定分析，然后采取相应措施。一般处理措施是： (1)对较宽外滩堤段，可采用堤外铺盖以延长渗径，降低堤后剩余水头。但对外滩很宽(如外有民垸)堤段或临江堤段此方法作用不大。 (2)对堤后剩余水头不大、地势低洼、上覆土层较薄的堤段，可采用堤后盖重压渗或挖泥船吹填，宽度以堤后100150m为宜。 (3)堤后剩余水头较大的堤段，宜采用盖重压渗与减压井导渗相结合的方案，即导压兼施(图21)。 (
11、4)对双透水层地基，或单透水层而砂层厚度小于30m，且下为不透水层(如基岩)的堤基(图22)，可采用堤外垂直截渗方案(地下防渗墙)，防渗墙深度以深入相对隔水层1.52m为宜。例如洪湖长江干堤燕窝堤段溃口性管涌险情，就是采用堤外截渗方法处理的(图23)。 图2 渗透变形处理示意图 防渗墙的施工技术方法有： (1)垂直开槽铺塑：使用专门开槽机开槽(深可达15m)，铺土工膜或塑膜防渗。 (2)高压喷射灌浆：钻孔中高压水、气喷射流切割土层，输入水泥浆凝结形成防渗墙。施工方法有摆喷、旋喷、定喷等。(3)射水法地下连续防渗墙：利用高压水射流切割地层造槽，水下浇混凝土形成防渗墙。其它还有液压抓斗成槽法、冲击
12、式钻机、回转式钻机造孔注浆法、连锁管柱法、超薄防渗墙(振动沉桩)等。处理方案是以堤坝前截渗为主，还是以堤后排水为主，值得慎重考虑。垂直截渗方案的最大优点是可以彻底根治险情，一劳永逸；但因造价较高，国家财力有限，只能用于个别重要堤段。而且有可能引起枯水期地下水向江水排泄不畅，造成冷浸田，影响农业经济。排水减压井方案造价最低，是经济而有效的措施，但减压井存在化学淤堵问题，使用寿命5年左右就慢慢失效了，必须加强管理(如定期洗井维护)。我们在实际中应用最多的是堤后盖重压渗，造价低、施工简单而有效，但土石方工程量大，还涉及居民搬迁和占用耕地等问题。 总之，处理措施应因地制宜，全面考虑、综合治理，才能取得
13、满意效果。3.3 堤基沉降变形与滑坡 堤基沉降变形主要发生在软基堤段，如黄梅县八一大堤、洪湖主隔堤。由于堤防建在河湖沉积物之上，堤基多为淤泥或淤泥质土，呈软塑流塑状态，天然孔隙比大，具有高压缩性和低抗剪强度的特征，承载力低，在上部荷载作用下，容易产生较大压缩变形，如不均匀沉陷、裂缝及滑坡等。 汛期抢险方法是：对内脱坡采用开沟导渗，严重脱坡的做透水压浸台、透水土撑、外帮截渗，若堤内有渊塘或堤基深层滑动(软基)，应在坡脚用块石镇脚，或填塘固基。汛后应在查明险情原因和地质条件的基础上，采取相应措施。对渗漏造成的内脱坡，可采用外帮截渗、锥探灌泥浆堵漏，内脱坡处恢复稳定断面并分层碾压密实。对大面积软基问
14、题应进行专门试验研究，查清土的物理力学性质，并做稳定验算。所谓“软基问题”是指由于堤基为淤泥质土，承载力低，当大堤加高培厚使荷载增加，超过其允许承载力，造成沉陷过大或堤基深层滑动。一般防治措施有： (1)通过稳定验算，放缓堤坡，增加内（外）反压平台。 (2)提高地基承载力：如沙井法、插塑板排水法，加快淤泥土排水固结。其井距、插塑板距离由试验确定。 (3)堆载予压法，先平台后堤身，分期分层填筑，并严格控制施工速率。设置观察设备(如孔隙水压力、沉降、位移)监测其沉降变形。3.4 崩岸在临江堤段，堤外无滩或只有窄滩，大堤迎流顶冲，深泓逼岸，江水环流侧向侵蚀使堤脚遭受严重掏刷，形成冲刷坑，以致岸陡脚虚
15、而崩塌，或退水期、枯水期地下水外渗，当水头差过大或渗流速度较大时，由于地下水的潜蚀或较大的动水压力作用，岸边土体随水流失、沉陷、滑挫形成崩岸，严重影响堤防安全。崩岸主要是河水侧向侵蚀作用的结果，侵蚀强度与河流的水力学因素(水位、流量、流速、含砂量等)及岸坡组成物质(砂、土或基岩)有关，岸边的地形条件(凸岸、凹岸、天然及人工节点等)及河床心滩的存在使水力学条件更加复杂，风浪作用则助长了岸崩的发展。长江干堤崩岸按其崩塌方式及规模又可分为条崩、窝崩和滑塌，这是平原区河流常见的地质灾害。湖北以长江的下荆江段崩岸最严重，年崩岸总量1.395亿m3，崩岸总长占岸线长的30%，平均每年崩宽约1030m，最大
16、达600m，堤线被迫数次退挽。治理崩岸应查明河岸地质结构，进行水下地形测量，研究河道历史演变及近期发展趋势，即河势分析。防治措施有： (1)水下抛石护岸，增加河岸抗冲能力。 在崩岸处抛石或投抛各式石块笼子固脚。水下抛石必须具有足够的数量，否则效果不佳。其护底是关键，据观测研究，护岸范围在堤脚外20m，护底水下坡达1：2即可以满足岸坡稳定要求。此外还可采用铰接式混凝土沉排(如武汉市龙王庙险段)。 (2)水上部分堤坡采用块石或混凝土予制块护坡，或草皮护坡。 (3)改造矶头驳岸。 某些历史上形成的矶头驳岸使水流紊乱形成冲刷坑，造成新的崩岸，应有计划地改造，因势利导，平顺水流。(4)在滩地和堤脚营造防
17、浪护堤林，可有效地抑制风浪对堤身的冲刷。此外还应疏浚河道，利用挖泥船疏浚，清除河道内阻水物，利用吹填土加固堤防。4 结语 长江中游的洪涝灾害是中国人民的心腹之患。我国确定的解决方针是“蓄泄兼筹，以泄为主”，“上蓄下疏，标本兼治”。在上游修建以三峡水库为骨干的防洪水库群，其中在建的三峡水库防洪库容221.5亿m3。但遇1954年型洪水，长江中下游需分蓄超额洪水500亿m3。因此，近期主要靠加固堤防，结合修建和完善分蓄洪工程及河道整治解决防洪问题。由于历史原因，加之财力有限，目前我们许多堤防未达到防洪标准，且存在许多险情隐患。98洪水给人们敲了警钟，目前我省正在开展大规模堤防建设。总结以往的经验，我们必须全面规划，分步实施。在设计整治方案前，要查明地质条件，重视勘察和试验研究，整治方案应因地制宜，综合治理，既实用，又经济，不能照搬照套，顾此失彼，这些都有深刻的教训。例如加固大堤就地取材，取土坑太近造成新的管涌险情；堤后填塘固基，影响居民用水，农民大量挖水井若反滤处理不好也留下险情隐患等。因此要把整险加固作为一项系统工程，从更大范围全面地研究问题，改善和保护地质环境，加强堤防科学管理，建设现代化的防洪工程。
