中俄黑龙江大桥地质灾害发育特征

2010-07-06成胜权

黑龙江大学工程学报 2010年2期

关键词：冻土黑龙江黏土

成胜权

(黑龙江省公路勘察设计院,哈尔滨 150080)

中俄合建黑河——布拉戈维申斯克(俄罗斯)黑龙江公路大桥(以下简称黑龙江公路大桥),地处欧亚大通道的咽喉要塞,在此建设黑龙江公路大桥,将开辟国际运输通道。

黑龙江公路大桥位于黑河市东南约7 km的长发屯与俄方卡尼库尔干村之间的河道上。主桥全长1085.8 m,引桥全长 204.8 m,引道全长 6200 m,为合资共建项目。

1 地貌特征

黑龙江大桥所在区域位于黑龙江的中、上游,地貌部位处于乌云结亚盆地边缘与小兴安岭的过渡地带。地形平坦开阔,河道蜿蜒曲折,牛轭湖及古河道较为发育,第四系岩相变化较大,地下水、地表水水力联系密切(表1)。

2 地质灾害的影响因素及发育规律

2.1 冻土冻胀冻融及软土触变冻土冻胀冻融及软土触变灾害及其形成机制

研究区属季节性冻土区,季节性冻土主要是受季节影响,呈周期性冻结融化。冬季地基土冻胀,夏季融化沉陷,多年周而复始地循环,对基础的稳定性产生不利影响。每年9月末10月初开始冻结,翌年6月末或7月上旬全部融化。区内季节性冻土十分发育,该区标准冻深为2.5 m,冻土的冻融现象十分普遍。其原因是由于负温度的作用,产生水分迁移现象,冬季开始土层由上向下冻结,聚冻层下部的水分在结晶力和渗透压力差(吸引力)的综合作用下,以薄膜水和毛细作用的移动方式不断向上聚积,聚积层增厚,并发展成多层次,冻结时土体增大、土层隆起,造成地面冻胀、开裂,春融季节随着气温的回升,地基土逐渐解冻,水分滞留在上部,使土层饱和和软化,强度降低而产生融陷现象,从而导致建筑物基础开裂变形。据大桥勘察资料,桥位区域第3层粉质黏土,棕褐色,硬塑性,局部夹1～10 cm粉砂夹层,从冻胀程度看,这一地层为强冻胀层,其物理特征:天然含水率21%～33%,密度1.76～2.00 g/cm3,液性指数0～0.64。

软土即粉质黏土及淤泥质粉质黏土。根据勘查资料及实地调查,区内二公河河谷两侧地表岩性主要为粉质黏土,厚度1～2.5 m;在古河道和沼泽湿地中,也广泛发育有淤泥质软土层,两者均具高压缩性,软塑——可塑状态,且承载力极低,使桥梁引道地基稳定性减弱。

表1 地貌分区表Table1 Physiognomy classification

研究区为季节性冻土区,由于季节性冻土的冻结融化,土体产生冻胀融陷,在桥梁及道路施工过程中,如施工方法不当(排水不当、基础下卧深度不够),均可加剧冻胀融陷灾害而破坏基础的稳定性[1]。该灾害在引道280 m的土体堤坝处发生的可能性较大。因该坝体为土坝,存在季节性土体冻胀,而易使坝体冻裂、变形,破坏坝基、坝体[2]。

2.2 水土流失灾害及其形成机制

产生水土流失的原因有自然因素和人为因素。自然因素主要包括降水、地形、植被、土壤、风力等;人为因素是指人们不合理的资源开发、生产及建设活动。研究区虽然位于河谷平原区及冲洪积扇地区,与低山丘陵区较近,该区地形平坦开阔,水土流失主要表现在重力侵蚀和风蚀。在江岸一侧,在水的重力作用下,岸边岩土体冲刷严重,导致土地资源不断冲刷而逐渐减少;在一级阶地前缘及冲洪积扇地带,受地形等因素影响,在降雨的作用下,地表径流较快,水土流失较重。加之低山丘陵区对地表植被保护不够,使大量的森林被砍伐破坏、过火烧毁,造成地表植被减少,大量的表土被席卷带入支流汇入黑龙江,使地表土地贫脊,养分降低,加剧水土流失。

随着土地利用率的提高,河谷平原区也多被垦植为农田,虽一年一作,但生长期短,致使地表植被覆盖率下降,水土流失加剧。本区水土流失主要分布于一级阶地前缘、冲洪积扇等地,如沿二公河两侧水土流失较严重。人为的挖砂取土,已形成大小不等、形状不同的取土坑,并给当地的生态环境带来一定的影响。在施工中应提高对环境的保护意识,尽量减小对周围环境的影响和破坏,是可以把地质环境的影响程度降到最低。

2.3 江岸侵蚀塌岸灾害及其形成机制

江岸侵蚀塌岸灾害是在自然地理因素、地质因素及人为因素的综合影响下形成的,特别是土岸,在上述3种因素的影响下,更易形成塌岸灾害,现分别叙述如下:

2.3.1 自然地理因素

自然地理因素主要包括地球自转形成的科氏力的影响、河流对岸边的侵蚀作用、风浪的侵蚀作用、暴雨侵蚀作用及冻融作用的影响。

由于地球自转的影响,地球上运动的物体,受到一种加速度的作用,使它运动方向发生偏转。这种加速度称为科氏力加速度,由其产生的惯性力,称为科氏力。科氏力引起螺旋流的强度,与弯道水流离心力相比可以是同一数量级的。如黑龙江江段,表现的很明显。

由此可见,科氏力也能极大地影响河流的侧蚀作用。

河流具有侵蚀、搬运和堆积作用,河流动能的大小与流量和流速的平方成正比,即流量流速越大,河流的动能也越大,其侵蚀搬运能力也越强。所以汛期洪水对江岸的侵蚀塌岸最为强烈。

河流侵蚀作用的方向,可分为下蚀作用和侧蚀作用两种。河流的侧蚀作用是产生塌岸的主要外营力。侧蚀作用产生的原因,主要是河道弯曲处产生的横向环流引起的。横向环流在凹岸顺坡向下流动,不断对凹岸进行冲蚀和磨蚀,掏空岸坡的下部,上部岩土体失去支撑而塌岸。

风浪在江岸的侵蚀和堆积过程中都起着重要的作用。它通过冲刷、研磨作用,使江岸逐渐后退。风浪对土体江岸的侵蚀塌岸是迅速和明显的。对岩体江岸也有一定的侵蚀作用,尤其是节理裂隙发育和层状岩体的江岸,风浪侵蚀作用强烈。

暴雨主要发生在7～8月,持续时间2～3 d。此时间季节性冻土全部融化,土体江岸强度降低,有利于暴雨的侵蚀塌岸作用顺利进行。

冻土冬季冻结,夏季融化,冻结与融化是有季节性的,土的冻结过程,不单是土体原有水分的冻结,还有尚不冻结的土层中水向冻结土层迁移而冻结。下部未冻结土层中水在毛细作用下,向上部冻结层不断迁移而富集,并冻结成冰。黑龙江中、上游段地处中纬度区,土体上部主要由粉砂、粉土及粉质黏土组成,天然含水率较高,具有强冻胀性,因此,由于反复的冻结融化作用,使土体产生冻胀变形,发生崩解塌岸,使江岸遭到破坏。

2.3.2 地质因素

地质因素对塌岸的影响主要表现在新构造运动、江岸岩土体类型及地下水作用3种类型。

通常把发生在新第三纪和第四纪地壳运动称为新构造运动。由于新构造运动是出现在地质发展历史的最新阶段,所以新构造运动的结果就直接表现在现代地形上。地壳振荡运动可以引起河流的变迁,径流状况的变化以及侵蚀强度的变化。构造与侵蚀相互作用的结果基本上取决于构造运动的速度、侵蚀的强度以及岩土体的抗侵蚀能力。

黑龙江河谷区新构造运动对侵蚀塌岸作用也较强烈,山区以间歇性上升为主,河流下蚀作用强烈,沉积、侧蚀塌岸作用较弱。加之江岸上部土体结构松散,分选差,可见厚度＞8.6 m,承载力特征值100 kPa,在江水的侵蚀下极易发生塌岸。

地下水对塌岸的影响主要是地下水的机械潜蚀作用,潜蚀是指在地下水流的长期作用下,产生岩土体中细小颗粒的位移和掏空现象。黑龙江上游土体江岸的结构为:上部为粉砂、细砂、粉土、粉质黏土,厚度1.0～8.7 m;下部为圆砾或砾砂,厚度＞8.6 m。此层为主要含水层,地下水补、径、排条件好,循环交替强烈,地下水位变幅较大,因此,引起土体江岸的塌岸现象。

2.3.3 人为因素

人为因素主要表现在植被破坏、乱开耕地、乱挖滥采黏土、砂石、船行波的影响等。

由于人类的乱砍乱伐,开荒种地,使沿江植被严重破坏,尤其是土体江岸的植被破坏更为严重,取而代之的是耕作植被。致使生态平衡失调,环境质量下降,抵御自然灾害的能力减弱,塌岸速度加快,国土流失严重。黑龙江沿岸地带均被开垦为耕地,甚至防洪堤内近岸地带,也开垦为耕地。造成天然植被覆盖率下降,使原为土体的江岸,更降低了其整体护岸能力,从而加速了塌岸的速度和规模;乱挖滥采黏土、砂石,特别是沿江岸乱采滥挖砂石,尤其是近岸地带及靠近堤坝的地方由于乱采滥挖砂石,已造成严重的塌岸灾害。

船行波的影响,其侵蚀作用类似于风浪的侵蚀,对江岸也产生冲刷掏蚀而产生塌岸,尤其是在高水位期行驶时,其航速越快,所形成的船行波就越来越大,对土体江岸产生的侵蚀也更为强烈,加速了江岸的塌岸速度。

综上所述,黑龙江塌岸地质灾害是在特定的地形地貌、地质构造及气候水文条件下产生的。其影响因素是多方面的,但不外乎是自然因素和人为因素两大类。这些因素相互影响,相互作用,联系极其密切。在自然因素中,有的因素是要经过漫长的地质时期才能显现出来的,如新构造运动的影响,有的因素是相对稳定的因素,如岩土体结构、科氏力、重力作用等;有的因素是呈周期性变化的,如河流侵蚀、暴雨冲刷、冻融作用、风浪作用、地下水作用等。周期性因素是影响塌岸的主要因素,但最主要的影响因素是河流的侵蚀作用,尤其是高水位期河流的侵蚀作用。相对稳定的因素是影响塌岸的基本因素,其中最基本的因素是科氏力和江岸的岩土体结构。黑龙江由于受水流、冰凌、风浪冲刷及人类活动影响,造成河道塌岸,如顺直微弯型河段,深泓线靠近江岸一侧产生侵蚀,但一般强度较小;凹岸江段冲刷严重,特别是弯顶以下段侵蚀强度大,而且丰水期比枯水期严重,黑河——嘉荫段平均塌岸5～8 m/a。年久的塌岸造成河道变迁,最终将危害沿江各类工程建设。