漢口龍王廟險段堤基滲透破壞形式分析及防治措施

劉承新 房艷國 柳曉春

(長江三峽勘測研究院有限公司 武漢 430074)

1 前言

漢口龍王廟險段位于漢江與長江交匯處漢口岸集家咀至王家巷碼頭段,處于漢江匯入長江的口門河段 (圖1),全長1080m。該處岸坡陡峻,堤內居民密集,每年汛期,險情不斷。經過專門地質勘察,查清了該段堤防的工程地質問題和險情原因,提出了合理的綜合整治措施。

圖1 武漢市龍王廟險段位置示意圖

2 基本地質條件

2.1 地形特征

該段堤防原為漢江、長江的一級階地,后期人工改造后地勢平坦。綜合整治以前,沿岸修筑有防洪工程,由戧堤、防水墻、駁岸平臺、駁岸墻及護坡組成 (見圖2)。防水墻由混凝土澆筑而成,高3～5m,頂面高程 29.90m(為黃海高程,下同)。駁岸平臺高程一般為24.88～26.49m,防洪工程內側為沿江大道,路面高程為25.19～26.40m。

該段漢江河口寬 200m,多年平均水位12.27m,無漫灘,岸坡坡角 15°～25°,局部達39°。

圖2 龍王廟險段橫剖面示意圖

漢口岸河岸呈凸向河床的弧形狀,處于漢江出口彎道的頂沖段,在岸坡遭受側向沖刷的同時,河床底部亦遭到沖刷。加上特殊的水文氣象條件,即每年10月份長江處于落水期,水位較低時,漢江則秋季洪水來臨,導致水位落差大,洪水流速快,河床遭沖刷嚴重,雖每年拋投大量的防洪塊石,但局部河床仍有深槽形成。勘測期間實測的水下地形成果表明,該段河床沖刷坑坑底高程-5.00～-12.00m,順江展布長50～160m(見圖1)。

2.2 地層巖性

堤段廣布第四系人工回填層和河流沖積層,下伏志留系泥巖,灰綠色,呈強風化狀,埋深大。

2.2.1 人工回填層

主要包括碎塊石雜填土、雜填土和護坡碎塊石層,各土層碎塊石含量分別為25%～45%、5%～10%和40%左右。顏色混雜,成份復雜,主要由砂壤土、重粉質壤土、粉質粘土及少量淤泥與磚瓦、水泥碎塊和煤渣等組成。人工回填層皆結構松散。

2.2.2 河流沖積層

主要包括粉質粘土、粉土及粉砂。粉質粘土為淺黃色,巖性較均一,粘性強,呈可塑狀;粉土呈淺灰或淺褐色,偶見木屑,砂粒多為粉砂,巖性不均一,局部偶見1m左右厚呈透鏡體狀的粘性土層,呈稍密～中密狀;粉砂呈淺灰微帶綠色,偶見木屑,細砂含量高,偶見中砂,粘粒含量較少,巖性較均一,水平層理較發育,偶見1～2mm厚的粘性土夾于水平層面上。粉砂層下有約0.3m厚的砂卵石,卵石大小3～5cm。

2.3 水文地質

2.2.1 地下水類型

地下水主要為潛水,局部有上層滯水。粉砂層為主要的含水層,地下潛水多儲于其中,粉質粘土和粉土則為相對隔水層。洪水期,回填土中亦含有潛水,枯水期則局部含上層滯水。

2.2.2 地下水動態

大氣降水為該段地下水的主要補給源,洪水期,江水補給地下水,枯水期,地下水則向江河排泄。勘察期間,發現龍王廟碼頭上游段的上層滯水位和地下水位皆較下游段高。

2.2.3 各土層透水性

人工回填土多結構松散,故多中等透水,K值一般為1.8×10-3～1.23×10-4cm/s,局部碎塊石雜填土結構極松散,見有米粒大小的空洞,為極強透水,K值大于1cm/s;粉質粘土透水性極微,K值＜10-6cm/s;粉土層K值在7.4×10-4～1.77×10-5cm/s范圍內,為中等透水～弱透水層;粉砂層K值在1.25×10-3～1.06×10-4cm/s范圍內,為中等透水層。

3 各土層結構及特性

3.1 堤身土

為人工填筑土,總厚一般為 6～9m,最厚12.63m,最薄處4.7m。底面高程17.00～19.00m。

堤身土體結構松散,組成成分與結構極不均一,下部粘性土含量較多,具可塑性,局部呈流塑狀,性狀差,其內聚力為8kPa,內摩擦角17°,允許承載力標準值為90kPa,樁端承載力標準值為100～200kPa,樁周極限摩阻力8～13kPa。

堤身土總體透水性好,滲透系數K一般為1.86×10-3～1.23×10-4cm/s,特別是碎塊石雜填土和護坡碎塊石,結構多極松散,局部可見米粒大小的空洞,透水性極強,K值大于1cm/s。試驗表明,由于回填土極不均一,其臨界比降變化大,為0.7～4.07,碎塊石間的細粒易被潛蝕,形成管涌通道,參照室內試驗成果,建議安全允許比降為0.28。

3.2 堤基土

堤基土體結構自上而下分為粉質粘土、粉土、粉砂三層。

上部粉質粘土厚4～8m,其頂面高程17.00～22.00m,底面高程10.00～14.00m,巖性較均一,呈可塑狀,壓縮系數0.16～0.566MPa-1,一般為0.2～0.3MPa-1,多具中等壓縮性,局部具高壓縮性,其內聚力為16kPa,內摩擦角為20°,允許承載力標準值150kPa,地下水位以下樁端承載力標準值160kPa,樁周極限摩阻力標準值為20～30kPa。粉質粘土極微透水,滲透系數＜10-6cm/s,安全允許比降大,為0.8。

中部粉土厚一般 8～12m,底面高程 0～4.00m,巖性不均一,結構稍密～中密,壓縮系數一般為0.1～0.2MPa-1,具中等壓縮性,內聚力5kPa,內摩擦角 27°,允許承載力標準值為140kPa,地下水位以下樁端承載力標準值150kPa,樁周極限摩阻力標準值15～25kPa。夾薄層重粉質壤土的砂壤土總體上屬弱透水層,滲透系數一般為7.4×10-4～1.77×10-5cm/s。其安全允許比降為0.3。

下部粉砂呈灰綠色,細顆粒含量較多,局部達60%～70%,愈往下,顆粒多變粗。巖性較均一,其結構中密,壓縮系數0.06～0.12MPa-1,具中等～低壓縮性,內聚力為0,內摩擦角為30°,允許承載力標準值為180kPa,地下水位以下樁端承載力標準值300kPa,樁周極限摩阻力標準值20～30kPa。該土體屬中等透水層,滲透系數一般為1.25×10-3～1.06×10-4,其安全允許比降為0.6。

4 各土體滲透破壞形式分析

圖3為龍王廟險段堤基典型地質橫剖面圖,從圖中可看出,回填土下伏有相對隔水、較連續的粉土或粉質粘土。

圖3 龍王廟險段堤防典型工程地質橫剖面圖

堤身土體結構皆松散,性狀差,強度低。地表附近上部碎塊石回填土極松散,滲透臨界坡降小,易造成管涌一流土型滲透破壞。

表1 各土層滲透試驗成果統計表

堤基沖積層中的粉質粘土和粉土,其透水性差,當洪水上漲時,該土層對外水內滲具有一定的阻滯作用,同時降低外水內滲壓力,可以部分阻滯外水內滲,使防水墻內側在洪水初期出現滲水、漏水險情的時間略有滯后;當江水回落時,亦由于該層的透水性差,內水往外滲透速度相對較慢,該段地下水位下降亦較慢,影響內水外滲的速度,使該段內側地下水保持較高水位,對堤基岸坡產生較大的滲透壓力,影響岸坡的穩定。

各土體的滲透破壞試驗結果見表1。室內試驗結果表明,回填土層的滲透破壞形式為管涌-流土型,而沖積形成的粉質粘土、粉土、粉砂的破壞形式皆為流土型。

5 防治措施

根據前述龍王廟險段工程地質及水文地質條件,提出了以下綜合處理措施:

1)建議采取措施使主流歸槽,水流順暢,使龍王廟險段整治有一個良好的外部環境。

2)建議在前緣坡腳實施抗滑樁,并且樁端深入到完整穩定的基巖內為宜。另外坡底拋填塊石防沖鎮腳、上部護坡也是有效的治理措施。

3)為防止岸坡及江堤產生滲漏和滲透破壞,應設置防滲墻,防滲墻的下限應完全截斷透水性強的堤身回填土層。

4)可視情況在岸坡堤防內側(特別是漢江段)設置溝(井)抽排減壓的措施,減小作用于岸坡的地下水外滲壓力,避免滲透破壞造成岸坡坍塌問題。

根據地質工程師的建議,設計調整了方案,將原來初設時的土錨方案全部改為抗滑樁,另外還采取了修整岸坡形態,改善水流條件和鉸排鏈鎮腳護坡及防滲等綜合整治措施。

1 GB50487-2008水利水電工程地質勘察規范[S].

2 李廣誠.堤防工程地質勘察與評價[M].北京:中國水利水電出版社,2004

3 白永年等著.中國堤壩防滲加固新技術[M].中國水利水電出版社,2001年11月

4 唐益群,施偉華,張先林.關于流土和管涌的試驗研究和理論分析[J].上海地質,2003年第1期