武汉市龙王庙险段汉口岸堤防工程地质问题及防治措施

武汉市龙王庙险段汉口岸堤防地质问题及防治措施 武汉市龙王庙险段汉口岸堤防工程地质问 题及防治措施 第23卷第5期 2009年l0月 资源环境与工程 ResourcesEnvironment&Engineering VoI.23.No.5 Oct.,2009 武汉市龙王庙险段 汉口岸堤防工程地质问题及防治措施 黄孝泉,卢华锋,潘玉珍,刘承新,李余 (长江三峡勘测研究院有限公司,湖北武汉430074) 摘要:洪水期大江大河的城市堤防一旦失稳溃E/',将酿成极大的灾害,准确查明堤防存在的工程地质问 题及险情发生的原因,是设计选择合理有效治理措施的关键.阐明武汉市龙王庙险段汉口岸堤防的工程地 质条件和问题,提出具体的处理建议,设计部门据此放弃了原设计,采纳了地质专家提出的处理措施, 实践证明效果良好.现在,该段堤防工程已成为武汉市一道靓丽的风景. 关键词:龙王庙险段;水流冲刷;渗透破坏;改善水流;固脚护坡;排水减压 中图分类号:TV871.2文献标识码:A文章编号:1671—1211(2009)05—0640—05 0引言1基本地质条件 武汉市龙王庙险段位于汉江与长江交汇处汉口 岸集家嘴一王家巷码头段,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.1998年洪水期间, 军民全力防守,才使汉口免遭灭顶之灾.洪水退 后,长江三峡勘测研究院经过勘察,访问并查阅历 年该段堤防出现的各类险情后,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 Fig.1ThelocationoftheLongwangmiaounstalebankalong theHa~iangRiverinWuhancity 1.1河岸地形特征 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T程, 由戗堤,防水墙,驳岸平台,驳岸墙及护坡组成(见图 2).防水墙由砼浇筑而成,高3,5m,顶面高程29.90 m(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 图2龙王庙险段防洪工程横剖面示意图 Fig.2Thecr0sssectionoftheLongwangmiaounstable bankfloodcontrolproject 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.. 由图1知,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 收稿日期:2009—08—15;改回日期:2009—09—08 作者简介:黄孝泉(1966一),男,高级工程师,水文地质专业,从事工程地质及水文地质的勘察科研工作.E—mail:hxiaoquan@163.corn 第5期黄孝泉等:武汉市龙王庙险段汉口岸堤防工程地质问题及防治措施641 每年l0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.1998年1O月实测的水下地形成果表明, 该段河床冲刷坑坑底高程一5.00,一l2.00m,顺江展 布长50,160m(见图1). 1.2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. 1.2.1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%一45%,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. 1.2.2河流冲积层 主要包括粉质粘土,重粉质壤土,砂壤土夹重粉质 壤土,砂壤土.粉质粘土为浅黄色,岩性较均一,粘性 强,呈可塑状.重粉质壤土呈浅灰或浅褐色,可见云母 粉粒,呈软塑状一可塑状,岩性不均一,层理面上多夹 有1mm左右厚的砂壤土.砂壤土夹重粉质壤土呈浅 灰或浅褐色,偶见木屑,砂粒多为粉砂,岩性不均一,在 层面上多夹有1mm左右厚的重粉质壤土,局部偶见1 m左右厚呈透镜体状的重粉质壤土,呈稍密一中密状. 砂壤土呈浅灰微带绿色,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厚的重粉质壤土夹于水平层面上.砂壤 土下有约0.3m厚的砂卵石,卵石大小3,5cm. 1.3水文地质 1.3.1地下水类型 地下水主要为潜水,局部有上层滞水.砂壤土及 砂壤土夹重粉质壤土层为主要的含水层,地下潜水多 储于其中,粉质粘土和重粉质壤土则为相对隔水层. 洪水期,回填土中亦含有潜水,枯水期则局部含上层 滞水. 1.3.2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. 1.3.3各土层透水性 人工回填土多结构松散,故多中等透水,值一般 为1.8×10,,1.23X10,cm/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,值 >1cm/s;粉质粘土透水性极微,K值<10一cm/s;重 粉质壤土微透水,值为10,,10,cm/s;砂壤土夹 重粉质壤土层,受重粉质壤土含量的影响,值在7.4 ×i0一,1.77X10cm/s范围内,为中等透水一弱透 水层;砂壤土K值在1.25×10,,1.06X10cm/s范 围内,为中等透水层. 1.3.4各土体渗透破坏特征 室内试验结果表明,回填土层的渗透破坏形式为 管涌一流土型,而冲积形成的粉质粘土,重粉质壤土, 砂壤土夹重粉质壤土和砂壤土的破坏形式皆为流土 型.各土体的渗透破坏临界比降试验结果和地质建议 允许比降见表1. 表1各土层渗透试验成果统计表 Table1Theresultsofthepermeabilitytest 注:考虑到该段堤防为特别重要的工程,根据相关规范,地质建议的 允许比降为l临界比降最小值的1:2.5[. 2分段综合工程地质条件及工程地质 问题 根据土体结构和渗透性等工程地质及水文地质条 件的差异,龙王庙险段以ZK7钻孔为界,分为龙王庙 码头上游段(下简称汉江段)和下游段(下简称长江 段),各段典型地质横剖面见图3和图4. 2.1汉江段 2.1.1综合工程地质条件 (1)驳岸墙内侧?堤身土为人工填筑土,总 厚一般为6,9m,最厚l2.63m,最薄处4.7m.底面高 程17.0o,l9.00m. 642资源环境与工程2009.年 Iu 田1圜2豳3囡4囫5囫6囹7 图3龙王庙险段汉江段堤防工程地质横剖面图 Fig.3Thegeologicalprofileofthefloodcontrolprojectatthe LongwangmiaounstablebankalongtheHanjiangRiver 1.混凝土;2.碎块石杂填土;3.杂填土;4护坡碎块石; 5.粉质粘土;6.重粉质壤土;7.砂壤土. 3O 20 g 10追 嫩 掘 0 一 l0 图4龙王庙险段长江段堤防工程地质横剖面图 Fig.4Thegeologicalprofileofthefloodcontrolprojectatthe LongwangmiaounstablebankalongtheYangtzeRiver I.混凝土;2.碎块石杂填土;3.杂填土;4.护坡碎块石;5.重粉质 壤土;6.砂壤土. 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,渗透系数一般为1.86× 10,,1.23×10,cm/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,值>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. ?堤基土堤基土体结构自上而下分为三层,第 一 层少部分为粉质粘土,大部分为重粉质壤土,第二, 三层土体分别为砂壤土夹重粉质壤土和砂壤土.粉质 粘土厚4,8m,其顶面高程17.00,22.00111,底面高 程1O.00,l4.00111,岩性较均一,呈可塑状,压缩系数 0.16,0.566MPa,,一般为0.2,0.3MPa'.,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.(有效应力C,为16kPa,26.0.),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,cm/s,安全允许比降 大,为0.8. 重粉质壤土厚2,4m,其顶,底面高程为l2.00— 16.00in和8.00—12.00in,该层土体有时直接与堤身 土接触,有时在其与堤身土之间有2—4In厚夹有极薄 层重粉质壤土的砂壤土.重粉质壤土部分呈软塑状, 部分呈可塑状,压缩系数最大0.37MPa,,最小0.145 MPa,,具中等压缩性,其内聚力为15kPa,内摩擦角 为24.(有效应力C,为13kPa,27.5.),允许承载力 标准值为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l8,25kPa.重粉质 壤土具微透水性,渗透系数为l0..,10数量级,安全 允许比降大,为0.72. 堤基土中部土体为砂壤土夹重粉质壤土,总体厚 一 般8,12nl,底面高程0,4.00m,岩性不均一,结构 稍密一中密,压缩系数一般为0.1,0.2MPa,,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150 kPa,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,,1.77×10,cm/s.其安全允许比降 为0.3. 堤基下部土体为砂壤土,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...,具中 等一低压缩性,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,,1.06x 10一,其安全允许比降为0.6. (2)驳岸墙外侧为河床岸坡,该段自驳岸墙往 河床约30in范围内岸坡相对较陡,坡角l5.左右,高程 10.00,20.00m,往外有一个宽约15m的小平台,高 程12.00m左右. 紧邻小平台距驳岸墙80113左右有冲刷形成的深 坑,呈椭圆状,顺江展布长约50m,坑底面高程一4.00 ,一 10.00m,坑顶高程12.00m左右,靠近平台一侧 坑坡坡角达21.. 该段堤身土体为二层,上部一般为护坡碎块石,厚 第5期黄孝泉等:武汉市龙王庙险段汉口岸堤防工程地质问题及防治措施643 2,4m,下部为碎块石杂填土或杂填土,厚4—6m,堤 身底部呈5.一10.的坡角倾向河床. 堤基土体亦分二层,上部为厚8,12m的砂壤土 夹重粉质壤土,下部为25m左右厚的砂壤土. 2.1.2工程地质问题 该段驳岸墙外侧即河床岸坡坡角较陡,因水流冲 刷形成的距驳岸墙80m左右的冲刷深坑可能造成岸 坡坍塌,危及堤身和堤基的稳定. 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,影响堤身的稳定J. 堤基冲积层中的粉质粘土和重粉质壤土,其透水 性差,洪水期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,但洪水 回落后也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,影响堤 基的稳定. 2.2长江段 2.2.1综合工程地质条件 (1)驳岸墙内侧?堤身土为人工填筑土,总 厚10,13m,最厚14.53m,最薄处9.22m.底面高程 一 般为l3.00—16.O0m,往岸坡变低. ?堤基土为冲积层,从上至下可分为三层,即 重粉质壤土,砂壤土夹重粉质壤土和砂壤土.重粉质 壤土一般厚0.1,0.4m,局部可达2m左右,但往上, 下游和岸坡延伸不连续,皆呈透镜体状尖灭.砂壤土 夹重粉质壤土厚lO一12m.其下伏为砂壤土,厚约 25m. 长江段各冲积土层的性状与汉江段基本一致,该 段一钻孔揭露的基岩面高程为一23.81m. (2)驳岸墙外侧为河床岸坡,坡角为20.,25.. 在驳岸墙外侧约90m处有一呈椭圆形大冲刷坑,顺江 展布长约160m,底面高程一12.O0m,坑坡坡角一般 35.左右. 该段堤身人工填筑土体厚8,12m,底面以5.左 右的倾角倾向河床. 堤基土体有二层,上部为厚约4,8In的砂壤土夹 重粉质壤土,下部为砂壤土. 2.2.2工程地质问题 该段驳岸墙外侧即岸坡皆为斜坡,一般为20., 25.,因水流冲刷形成的一个大冲刷坑极可能造成岸坡 崩塌,严重威胁着堤身和堤基的稳定. 堤身土结构松散,性状差,强度低,渗透变形临界 比降小,局部已存在因渗透破坏形成的管涌通道. 堤基土冲积层主要为砂壤土夹重粉质壤土,其透 水性弱一中等,内水外渗较快,即在洪水位退落后,内 侧地下水位下降较快,相对于汉江段,对岸坡渗透破坏 影响较小,但当洪水位上涨高于内侧街面时,则会在堤 内侧很快产生渗水,漏水,甚至冒水等险情,对岸坡稳 定亦不利. 3渗透破坏表现形式差异性分析 龙王庙码头汉江段和长江段堤身的土体结构不 同,其渗透破坏表现的形式亦有差异. 图3为汉江段典型地质横剖面图,从图中可看出, 回填土下伏有相对隔水,较连续的重粉质壤土或粉质 粘土.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,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. 图4为长江段典型地质横剖面图,从图中可看出, 回填土下的重粉质壤土很薄,且不连续,当洪水上涨 时,外水内渗应相对较快,而洪水回落后,内水外渗亦 较快,堤内水位下降速度应较大,相对于汉江段,在同 一 时间里,该段堤内水位就会相对高一些,前述实际情 况即是如此. 汉江段和长江段堤身土体结构的上述差异性在渗 透破坏的表现上应有所不同:当洪水位高于堤内侧路 面时,最先出现渗水,漏水险情的应为长江段,滞后一 定时间后,汉江段才出现上述险情;而在枯水期江水回 落后,汉江段更易产生因渗透破坏而造成的岸坡脱落, 这是由于该段地下水位下降较慢,内水外渗水力坡度 相对较大,且持续时间相对较长而形成的.实际发生 的险情也是如此:资料记载,1996年7月16日,当武汉 关水位涨到25.21rfl时,长江段堤内道路,人行道及闸 口闸墩边等出现多处渗水,而汉江段无此险情;两天 后,水位涨到26.09m时,漏水严重的三处水流形成水 柱,直到7月22日,当武汉关水位涨到26.57m时,汉 江段路面才开始大面积冒水,并产生宽达1,10em的 大量裂缝. 1951年冬季,垃圾码头一龙王庙码头(即江汉段) 河岸发生脱坡,而长江段没有此类险情记载. 由此可见,龙王庙险段堤身和堤基存在渗透破坏 问题,渗透破坏的主要土层为表部的人工填筑土,特别 是碎块石含量高的杂填土危险性更大.而长江段和汉 江段具有不同的渗透破坏特征. 资源环境与工程 4结论 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,以尽量 减少江水对两岸的冲刷可能造成的影响堤基和堤身即 整个岸坡稳定的问题. (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即在街面一侧(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,设计调整了治理方案,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.1999年武汉市龙王庙险段综 合整治工程竣工,治理措施效果良好. 参考文献: [1]GB50287---99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[M].北京:中国水利水电出版 社.2004. EngineeringGeologicalProblemsandPreventionMeasuresoftheHankouBank ofLongwangmiaoDangerousSectioninWuhan HUANGXiaoquan,LUHuafeng,PANYuzhen,LIUChengxin,LIYu (ThreeGorgesSurveyandResearchInstituteCo.,Ltd.,Wuhan,Hubei430074) Abstract:Duringthefloodseasons,thestabilityoftheLongwangmiaobankattheHanjiangRiverMouthwheretheriver downintotheYangtzeriverisaprominentproblemforfloodcontro1.Iftheslopeofthebankfailures,floodwillthreatthe safetyofWuhancity.ThepaperdescribesthegeologicalconditionsandthegeologicalproblemsattheLongwangmiao dangeroussectionandprovidesreasonablesuggestionsfordesigningeffectivesupportcontrolmeasuresinthebasisofthe geologicalconditions.Andthedesignersgaveofftheformerdesignconceptandadoptedthenewprojectcontrolmeasures tosupporttheslopeofthebankaccordingthegeologist'Ssuggestion.Nowthisfloodcontrolprojecthasalreadybecomea beautifullandscapeinWuhan. Keywords:Longwangmiaodangeroussection;flowscour;seepagefailure;improvingflowdirection;strengtheningthe slopefoot;drainoffwaterandreducepressure