航道整治岸坡坍岸区的形成条件及机制

2022-06-30唐正涛胡冬冬陆雨晨

水运工程 2022年5期

唐正涛，胡冬冬，陆雨晨，肖翔

(长江航道规划设计研究院，长江航道勘察设计院(武汉)有限公司，湖北武汉 430040)

在航道岸坡稳定性分析中，降雨和江水位变化是十分重要的因素，在长江中上游地区雨季滑坡数量占全年滑坡总数的87%以上[1-3]。水位下降时，岸坡内水位线的变化滞后于岸坡外水位的变化；水位上升时，土体密度增加，饱和度也同时增加，导致土体抗剪强度降低。大多数学者认为这是造成岸坡失稳破坏的主要原因[4-8]。土质岸坡失稳按照运动形式可分为推移式和牵引式[9]，推移式滑坡是上部岩土层滑动挤压下部产生变形，滑动速度较快，滑体表面波状起伏，多见于有堆积物分布的斜坡地段[10]；牵引式滑坡主要特征为下部先滑使上部失去支撑而变形滑动，一般速度较慢，多呈上小下大的塔式外貌，横向张性裂隙发育，表面多呈阶梯状或陡坎状，常形成沼泽地[11]。本文针对某航道整治工程岸坡的已坍岸区开展了地质勘察，有针对性地布置了勘探孔，从水文条件、地层分布组成、岩土体物理力学性质等方面进行形成条件和形成机制分析，查明了滑移原因，能够为岸坡坍岸区整治提供治理思路和方案依据。

1 坍岸区特征与勘探点布置方案

1.1 坍岸区特征

坍岸区坡顶高程约27.3 m，坡脚水边高程为14.2 m，高差13.1 m，总体坡度约11°。坍岸区平面范围沿航道方向，上下游长约153 m，坡顶至坡脚水平距离约60 m，平面呈圈椅状，坍岸区平面见图1。坍滑体厚度5.0～6.0 m、前后缘一般2.0～3.0 m，约2.3万m3。地层依次为第四系全新统人工堆积层、冲积层。

图1 坍岸区平面

1.2 坍岸区勘探点布置方案

为查明并比较分析坍岸区域内外的地质及水文等条件，以便于坍岸区的成因条件及机制分析研究，在坍岸区域内针对坍岸区横向布置2个钻孔SMS1和SMS2，在坍岸区后缘坡顶布置1个钻孔SMS3，在坍岸区域外靠下游侧布置1个钻孔SMS4。这样以SMS3、SMS2及前期钻孔JH33形成1条坍岸区纵向剖面，以SMS2、SMS1、SMS4形成1条坍岸区横向剖面。勘探点平面布置见图1。

2 坍岸区岩土层物质组成及物理力学性质

根据勘察揭露，在坍岸区范围附近的岩土层分为5个单元层，自上而下分别为①1杂填土(Qml)、①2素填土(Qml)、②粉质黏土(Q4al)、③粉细砂(Q4al)和③T1粉质黏土(Q4al)，其中③T1层为③粉细砂(Q4al)中的夹层，在钻孔SMS1、SMS2中有揭露。坍岸区纵向地质剖面见图2。

图2 坍岸区纵向地质剖面

2.1 原位测试分析

按土层统一统计坍岸区内钻孔SMS1、SMS2、SMS3的标准贯入试验击数平均值，按土层单独统计坍岸区外钻孔SMS4的标贯击数平均值，见表1。可以看出，坍岸区外①2素填土和②粉质黏土两个土层中的标贯击数比坍岸区内同样两个土层中的标贯击数有所偏高。

表1 标准贯入击数

2.2 室内土工试验分析

统一统计坍岸区内钻孔SMS1、SMS2、SMS3的②粉质黏土层的含水率、直接快剪指标，单独统计坍岸区外钻孔SMS4的②粉质黏土层的含水率、直接快剪指标平均值，见表2。

表2 ②粉质黏土层的含水率、直接快剪指标

可以看出，坍岸区内钻孔SMS1、SMS2、SMS3的②粉质黏土层的含水率比坍岸区外钻孔SMS4的②粉质黏土层的含水率偏高，SMS1、SMS2、SMS3的②粉质黏土层的直接快剪指标比SMS4的②粉质黏土层的直接快剪指标偏低。根据勘察中的原位测试及室内试验成果，分析得出各岩土层物理力学指标建议值，见表3。

表3 各岩土层物理力学指标建议值

3 坍岸形成条件分析

3.1 岩土性质条件

坍岸区江水位浮动范围及以上岸坡土层为①1杂填土、①2素填土等松散土层，在土体自重作用下，易产生蠕动变形，不利于岸坡稳定。

3.2 地形地貌条件

坍岸区地形总体呈前缓后陡形态，中前部综合坡角11°，单级岸坡坡度14°～18°，后缘填土形成陡坡约33°，局部60°左右，高约3.5 m，在后缘重力作用下对坡体的变形破坏创造了有利条件。

3.3 气候条件

坍岸发生前20余天基本一直有降雨天气，降雨量较大，雨水入渗后会加速岸坡内部土体特性的改变，加速地下水循环和水力联系，易于引起土体蠕动变形。

3.4 坍岸区地下水位偏高

钻孔SMS1、SMS2、SMS3位于坍岸区内，SMS4位于坍岸区外。根据对钻孔的地下水位观测，SMS1中稳定水位比江水位高8.19 m、比坍岸区外SMS4中稳定水位高4.12 m，SMS2中稳定水位比江水位高7.75 m、比坍岸区外SMS4中稳定水位高3.69 m，SMS3中稳定水位比江水位高11.96 m。由此可见，坍岸区内地下水位较江水位及坍岸区外地下水位均高出很多，并已经接近于地表(图3、4)，水力梯度较大。江水位为场区地表和地下水最低排泄基准面，地表水、地下水由坡表和松散层(杂填土及素填土)向江中排泄，降低了土体的强度，导致岸坡的变形破坏。地下水位过高降低了坍岸区内土体的强度及坍岸区滑动带的抗滑力，进而影响坍岸区岸坡的稳定性。

图3 坍岸区内、外钻孔水位相对高差(单位：m)

图4 坍岸区内钻孔水位与江水位相对高差(单位：m)

3.5 坍岸区坡顶道路后方的地表过长积水

据调查，坍岸区坡顶道路后方的空地及水沟里积水时间长，且地势高，空地及水沟里的地表水入渗可能向坍岸区内渗流，引起坍岸区内地下水位抬升。

3.6 坍岸区后缘坡顶重载问题

在坍岸区后缘坡顶有一条临时道路，经常会有重载卡车、混凝土罐车等经过，加大了坍岸区后缘的动荷载，增加了坍岸区土体的下滑力，不利于坍岸区的稳定。

4 坍岸形成机制

1)护岸工程完成后，河床坡脚进行了抛石处理，高程23 m以下进行护岸治理，综合坡度约11°，高程23 m以上为自然岸坡，坡度较陡，形成早期的前缓后陡地形。

2)受强降雨影响，后缘积水严重，岸坡地下水位大幅度抬升，岸坡土层从上至下依次为①1杂填土、①2素填土、②粉质黏土，②粉质黏土为相对隔水层，地下水下渗深度有限，大部分从①1杂填土、①2素填土层内渗出排入江中，从而改变了土的性能，降低了土体强度。

3)强降雨后，受地表水、地下水的影响，在土体自重及外部荷载影响下，后缘出现拉裂缝，岸坡产生蠕动变形。

4)蠕动变形后，地表仍有积水，地下水仍处于高位，未能得到及时疏排，岸坡出现大量拉裂缝，逐渐形成了坍岸。

5)根据上述土层性状分析，①1杂填土属中等透水、①2素填土属弱透水，土层性状较差；②粉质黏土属微-不透水层，软可塑状，土层性状一般。根据钻孔揭露，结合岸坡地形形态、土层性状及分布特征综合分析，坍岸变形是在①1杂填土、①2素填土内，①2素填土底面大概率为坍岸变形底部边界即滑移面，下部②粉质黏土浅部土层可能受上部牵引作用稍有变化。