荆南四河堤防加固工程地质问题分析

雷世兵，吴 勇

（1.长江岩土工程总公司（武汉），武汉 430010；2.荆州巿长江河道管理局，湖北 荆州 434100）

1 工程概况

湖北省洞庭湖区四河系指长江荆江河段南岸的松滋河、虎渡河、藕池河、调弦河，地处长江荆江河段与洞庭湖之间，是长江向洞庭湖分流的重要水系。荆南地区河网交错，水系复杂。每当洪水季节，北受长江上游巨大的洪水威胁，南遭洞庭湖洪水的顶托，四面临水，历史上洪涝灾害频繁。

四河两岸堤防是洞庭湖防洪体系的重要组成部分，始建于明、清年间，以后在围圩垦殖的基础上连圩而成。建国以后，人民政府大力开展了堤防建设，经逐年加高培厚，整险加固，目前堤防抗御洪水的能力已有较大程度的提高，基本形成了较为完整的堤防体系。但由于四河堤防仍存在防洪标准低、堤身填筑质量较差、堤基工程地质条件较复杂，沿线穿堤建筑物多且年久失修等方面原因，每年汛期险情不断，对人民生命、财产安全和工农业发展构成威胁。为此，对堤防的加固是十分必要的和极为迫切的。

四河堤防加固工程总的建设范围为：长江荆江南岸的松滋河（包括松东河、松西河、苏支河、洈水河、庙河、新河）、虎渡河、藕池河、调弦河、涴里隔堤等在湖北省境内的主要河道以及部分串河和支流河道堤防。堤防总长为706.03km，其中松滋河400.63km（包括松西河152.19km、松东河181.27 km、洈水河36.81km、苏支河11.43km、庙河8.42km、新河10.51km），虎渡河183.59km，藕池河94.51km，调弦河10.07km、涴市扩大分洪区的涴里隔堤17.23 km；需重建、加固接长的涵闸124座。

工程建设项目包括：堤身加高培厚、堤基防渗处理、堤身锥探灌浆、护岸固脚、涵闸处理等。

2 地质条件

测区位于洞庭坳陷与汉水坳陷接壤的华容隆起上，新构造运动以继承性沉降为主，接受了巨厚的内陆河湖相堆积。根据2001年1／400万《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001），工程区地震动峰值加速度为0.05g（相应地震基本烈度为Ⅵ度），地震动反应谱特征周期为0.35s。

区内地貌形态以冲积平原为主，地势开阔平坦，地面高程由北西40.0～41.0m，往南东至湖北、湖南两省交界处缓降至28.0～32.0m。松滋市区—南海镇，以及公安县孟溪垸、甘家厂、黄山头、团山一带，有岗地或丘陵分布，高程一般40～74m，多呈孤丘状，黄山头为区内的最高点，丘顶高程263.6m。

区内出露地层主要为第四系上更新统冲洪积层（al＋plQ3）、全新统冲积层（alQ4）和人工堆积层（r Q）。黄山头一带出露中元古界五强溪组（Ptb-nw）基岩，岩性为紫褐色长石石英砂岩，微风化～新鲜状。

根据区内土层结构及土层的赋水特征，含水层可划分为两种类型。

（1）孔隙潜水含水层：由表层或浅层的砂壤土、粉细砂组成，厚度变化大，分布不稳定，其厚度一般2～15m，渗透系数一般1.10×10－4～1.29×10－2cm／s，具中等—强透水性。潜水埋深一般0.5～4m，水位随季节变化明显。

（2）孔隙承压含水层：由第四系上更新统（al＋plQ3）下部的粉细砂及砾卵石组成，其孔隙大，透水性好，渗透系数2.4×10－4～1.27×10－2cm／s，具中等—强透水性。该含水层揭露厚度10m，其顶板埋深16～20m，低于枯水期河水位，地下水具承压性质，承压水头随河、湖水位变化而异。

地下水主要靠大气降水和湖水补给，洪水期还接受江、河水的补给；地下水以枯水期直接向河床排泄为主。

3 堤防状况

由于堤防修筑年代已久，现有堤身是在民垸堤的基础上，逐年加高培厚形成，历史上曾发生多次溃口，每年汛期堤身散浸，清（浑）水漏洞等险情不断。堤身填筑土呈可塑状态为主，多具中等压缩性，已基本完成了固结变形，一般不会产生大的沉陷。但由于堤身填筑土成分不均，局部夹有砂壤土或粉细砂，结构较疏松，具中等透水性，局部堤段堤身尚有白蚁等生物洞穴分布，汛期易产生散浸、脱坡等险情。堤身填土压实度绝大多数小于0.92，堤身填土压实度平均值仅0.87，堤身填筑质量较差，堤身土结构及其物理、力学性质与渗透性均具不均匀性。

堤基上部一般由全新统（alQ4）冲积层组成，其中绝大部份为全新统下段（al Q41）地层，少数为全新统上段（alQ42）地层。土体成份主要为黏土、粉质黏土、粉质壤土、壤土、砂壤土、粉细砂，其中局部见有含淤泥质黏土。堤基的下部为上更新统（al＋pl Q3）地层，一般具二元结构，上部为黏土、粉质黏土，局部见有粉质壤土，下部为粉细砂和砂砾石层。

从反映堤基抗渗透变形能力的角度，堤基地质结构类型可依据堤基上部黏性土层的厚度来划分。结合工程区堤基土体的具体发育情况，堤基地质结构可以分为以下3大类6小类，见表1。

表1 堤基地质结构分类表

4 主要工程地质问题

荆南四河堤防主要的工程地质问题是岸坡稳定、渗透变形、不均匀沉降和基坑边坡稳定问题。

4.1 岸坡稳定

（1）岸坡地质结构

据组成岸坡的物质空间分布以及在水流作用下岸坡的持稳能力，可以将工程区崩岸段岸坡的地质结构分为以下四类：

Ⅰ类：岸坡由单一的黏性土组成或主要由黏性土组成，其中的砂性土含量少。该类结构的岸坡稳定性相对较好。

Ⅱ类：岸坡的下部由黏性土组成，无砂性土或砂性土含量少，上部主要由砂性土组成。该类结构的岸坡稳定性次之。

Ⅲ类：岸坡的下部主要由砂性土组成，上部主要由黏性土组成。该类结构的岸坡所占比例最大，一般岸坡较陡，岸坡稳定性差。

Ⅳ类：岸坡主要由砂性土组成，黏性土含量少。该类结构的岸坡稳定性差。

（2）岸坡稳定现状

四河两岸堤外多为无滩或窄外滩，受河势影响，部分堤段岸坡迎流顶冲、深泓逼近，水流对岸坡的侧蚀、掏蚀作用较强烈，形成崩岸等破坏现象。历年来对岸坡大多已采取块石护岸、抛石镇脚，或汛期挂柳防浪等措施，但因处理不彻底，部分岸段目前仍存在坡脚被掏蚀、坡面下沉或崩岸等现象。

（3）岸坡稳定分析

岸坡失稳破坏主要发生在迎流顶冲、深泓逼岸段，其中尤以砂性土岸坡处更为突出，由于水流对岸坡的侧蚀、掏蚀作用较强烈，以致造成岸坡坡陡脚虚，加之汛期洪水涨落频繁，岸坡在地下水动水压力作用下产生崩岸现象。

岸坡的稳定性主要由受河势控制的水力条件决定，其次与岸坡地质结构以及地下水活动状态等因素有关。在进行岸坡稳定计算时不但应充分考虑到岸坡土体在汛期所受到的地表水及地下水的各种作用，还更要充分考虑到岸坡土体在汛后枯水季节所受到的来自堤内地下水的作用。不同地质条件下稳定岸坡坡比建议值见表2。

表2 不同地质条件下稳定岸坡坡比建议值表

4.2 渗透变形

（1）堤基渗透变形

据调查统计，历年来汛期松滋河、虎渡河及藕池河两岸堤基多次发生管涌险情、水井冒水，表明堤段堤基存在不同程度的渗透变形问题。

为了解分析堤基土体的渗流特征，本次共布渗流分析断面11个，并取原状土样进行了室内渗透破坏试验，试验结果见表3。根据渗透破坏试验成果，堤基土的渗透破坏型式主要为流土和局部流土。堤基土体渗透允许比降建议值见表4。

表3 堤基土体渗透破坏试验成果表

表4 堤基土体渗透允许比降建议值

堤基渗透变形主要与堤基地质结构、堤外滩宽度及堤内渊塘、冲坑分布等条件有关。根据勘察结果，堤基渗透变形具有以下特征：

①堤基为砂壤土或粉细砂，堤外无滩或窄外滩（外滩宽度小于50m，下同），堤内黏性土盖层厚度一般小于2m。汛期高水位时，河水通过砂壤土或粉细砂层向堤内渗透，致使堤基产生管涌、清（浑）水洞及散浸等险情。

②堤基上部为粉质壤土、粉质黏土，厚度一般小于5m，水平微层理发育，层理面上附有极薄层粉细砂和砂壤土。下部为砂壤土、粉细砂，具弱—中等透水性。堤外无滩或窄外滩，局部有较宽外滩。由于堤内沟渠、渊塘和水井等深切，使上覆黏性土层变薄，甚至揭露下部的砂壤土及粉细砂层，或有历史溃口形成的冲潭。汛期高水位时，河水通过下部砂壤土和粉细砂层向堤内渗透，产生大面积散浸、管涌和清（浑）水洞。

③堤基土为粉质壤土、粉质黏土和黏土，无明显砂层分布。但土体属新近河流冲积层，结构疏松且水平层理发育，层理中夹有极薄的粉细砂层，一般厚仅数毫米至数厘米之间。汛期高水位时，河水会沿黏性土中的层理面向堤内渗透逸出，主要表现为散浸，局部地段粉细砂层稍厚则表现为散浸集中，薄弱地段甚至产生管涌。例如松滋西河左岸的71＋580m处，99年汛期，堤后距堤脚80m有2处有清水流出。

（2）涵闸渗透变形

涵闸渗透变形主要是由于涵闸地基浅部或表层分布有渗透性较大的土层，汛期在闸前后较大水头差的作用下，产生渗漏、散浸、管涌等渗透变形，从而威胁涵闸的安全。土基中，表层黏性土的厚度决定了地基抗渗性的好坏。一般来讲，闸基为单一砂性土层结构、上薄黏性土层（厚度小于5m）结构、上砂性土层结构的，易产生渗透变形；单一黏性土层结构，上厚黏性土层（厚度大于5m）结构的闸基则很少产生渗透变形现象。

此外，涵闸修建过程中如清基不彻底，易产生基础与地基、两侧土堤接触面的渗漏。施工期间应注意清基彻底，并做好施工期间的临时排水及防渗措施。

4.3 不均匀沉降

不均匀沉降主要是由于闸基浅部分布有软弱地层或建筑物基础跨越强度、性状差异较大的地层而引起的。

涵闸基础一般为全新统下段（alQ41）地层，其中部分涵闸的直接持力层或其下部附近为淤泥质黏土、黏土和粉质黏土，淤泥质黏土压缩系数0.76～1.16MPa－1，黏土压缩系数0.40～0.66MPa－1，粉质黏土压缩系数0.39～0.60MPa－1。这些土体一般具高压缩性，尤其是含淤泥质黏土可压缩性高，其承载力标准值仅80～100kPa。含高压缩性土体的闸基在闸体不均匀荷载或基础高压缩性土体分布不均匀的条件下易于产生不均匀沉降变形问题，导致闸体的变形开裂。例如，松西河右岸桩号94＋160处的杨家垱闸，闸基的直接持力层为含淤泥质黏土，厚0.7～1.5m，具高压缩性，主要由此导致闸体最大不均匀沉降量达14cm，洞身裂缝14条。建议采用水泥灌浆等措施处理。

5 结 语

岸坡稳定、渗透变形、不均匀沉降问题是工程区堤防普遍存在的严重影响堤防安全运行的重大问题。对岸坡稳定问题，一般崩岸险段建议进行抛石治理；对堤外无滩、河泫迫近堤身的崩岸险段建议进行块石或混凝土护坡＋枯水位以下抛石镇脚的治理，此外在滩地建议营造防浪林，抑制风浪对岸坡及堤身的冲刷。对渗透变形问题，应根椐堤基状况结合考虑近年来的险情，因地制宜，采取堤外防渗铺盖、垂直防渗、堤内压渗盖重等防渗措施进行处理。穿堤涵闸基础的不均沉降变形问题应结合涵闸的改、移建进行处理。工程区堤防还存在堤身脱坡、部分堤段堤基存在生物（白蚁等）破坏等问题，对这些问题也应采取针对性的措施进行处理。