堤防工程地质评价方法

堤防工程地质评价方法5.1堤基工程地质评价这里的堤基是指土堤的堤基。绝大多数情况下，堤基以各种成因类型的第四系松散层为主，土体的形成时代、成因类型、分布规律、物质组成以及性状等的变化十分复杂，其渗透性差异极大。所以查明堤基的地质结构，特别是渗透性大土体以及工程地质性质差的特殊土等在堤基下的分布情况和厚度，是进行堤基工程地质评价的重要依据。堤基地质结构分类堤基的地质结构是决定堤防工程地质条件的主要因素，通过堤基地质结构分类，能分辨出哪些地质结构类可能存在什么样的工程地质问题，是需要进行堤基处理的；哪些可能不存在什么样的工程地质问题，工程地质条件较好，是不需要处理的。对堤基地质结构的合理分类，是进行堤防工程地质评价的基础。规范附录C给出了堤基地质结构分类的标准，划分出单一结构、双层结构和多层结构三类，并在此基础上进一步划分出若干亚类。在进行堤基地质结构分类时，有几点需注意：其一，进行分类的堤基厚度：“宜根据勘探深度范围内岩石、粘性土、粗粒土和特殊土的分布与组合关系分类”。对于控制性深孔超出一般性钻孔的孔深部分，可不参与堤基地质结构分类。其二，当堤基分布有基岩时，可不考虑岩石的类型，把各类岩石统一划为基岩。但对埋深小、渗透性大的基岩要特别注意。其三，巨粒土和含巨粒的土、粗粒土宜按国标（GBJ145—90）定名，细粒土宜按三角坐标法定名。按三角坐标定名的渗透性较强的砂壤土宜按粗粒土对待。其四，“堤基地质结构亚类可根据各地实际地质条件，结合当地实践经验划分。”规范“表堤基地质结构分类表”中，对亚类的划分给与了充分的自由度。这是因为不同地方，组成堤基的物质及其组合关系千差万别，很难统一标准。堤基地质结构亚类的划分需重点突出堤基中透水性的地层、会带来主要工程地质问题的地层（如砂性土、特殊土层等）是否存在及其空间分布，这一点反映出来了，堤基地质结构分类的目的就达到了。规范的条文说明中例举了湖北省洪湖分蓄洪区堤基地质结构中亚类的划分。这里再介绍一下长江中下游堤防、黄河下游堤防堤基地质结构分类，以便于大家的理解。1)长江中下游堤防堤基地质结构分类根据堤基土层结构、表层粘性土的厚度等，将长江中下游堤防堤基划分为三个结构类型和五个亚类，见表5.1-1。表5.1-1长江中下游堤防堤基地质结构分类表类结构特征亚类主要成因单一结构类（Ⅰ）堤基主要由一类土体组成。按性状可分为两个亚类。堤基由粘土、粉质粘土组成，抗渗条件好或较好，堤岸耐冲、稳定。单一粘性土类（Ⅰ1）较稳定的江湖水势条件下，相对静水环境成因。堤基为砂性土，厚度不等，或上部粘性土小于2m，抗渗条件差，易崩岸，是汛期的险工险段。单一砂性土类（Ⅰ2）古河道、并岸古砂洲、溃口扇等河势变化的动水环境成因。双层结构类（Ⅱ）上部有较厚的粘性土或砂土；下部为砂性土或粘性土。根据上部粘性土层的厚度及砂层分布，可分为三个亚类。上部粘性土层厚度一般2－5m，下部砂层厚，堤岸抗冲性及堤基抗渗性能较差，汛期易出险。上薄层粘性土、下砂土双层结构亚类（Ⅱ1）漫滩、河流阶地冲积成因。上部粘性土层厚度大于5m，下部砂层厚度大。在粘性土无破坏情况下，抗渗性好。上厚层粘性土、下砂土双层结构亚类（Ⅱ2）上部砂性土厚度小于15m，下部粘性土厚度大，堤岸抗冲性差，堤基抗渗性能差，是险工险段。上砂性土、下粘性土双层结构亚类（Ⅱ3）古河道、并岸古砂洲、溃口扇等河势变化的动水环境成因。多层结构类（Ⅲ）由厚度一般小于2m的粘土、粉质粘土、壤土、砂壤土或砂砾石呈互层或夹层透镜状组成的复杂结构堤基，抗渗性能取决于表层粘性土的厚薄及砂壤土、砂砾石层的水力联系性，江岸易冲刷。江湖变迁，动、静水环境反复交替的复杂成因。2)黄河下游堤防堤基地质结构分类

针对黄河下游堤防的特点，将堤基的地层结构划分为4个大类、9个小类，见图5.1-1。单层结构类包括单层砂性土结构和单层粘性土结构两类。单层砂性土结构（图5.1-1，1a）。堤基为厚层或较厚层的砂性土，存在渗水和渗透变形问题。遇强震时，有发生液化的可能。单层粘性土结构（图5.1-1，1b）。堤基为粘性土或者堤基的上部为厚层的粘性土，一般工程地质条件较好，但当其中分布有湖相、海相及沼泽相淤泥及淤泥质土时，容易产生不均匀沉降及滑动变形。图5.1-1黄河大堤的地基地层结构类型示意图图5.1-1黄河大堤的地基地层结构类型示意图双层结构类包括双层结构2a（上部为厚度小于3m的粘性土，其下为砂性土）、双层结构2b（上部为厚度大于3m的粘性土，其下为砂性土）两类。当发生洪水时，对于双层结构的地基，若上部粘性土层厚度小于3m，容易被承压水顶破而发生渗透变形；若上部粘性土层大于3m，则地基一般比较稳定，但尚需注意堤内坡脚附近是否存在坑塘、水沟及取土坑等，因为这些部位粘性土层的厚度往往小于3m，有发生渗透变形的可能。多层结构类包括多层结构3a（以砂性土为主）、多层结构3b（以粘性土为主）和多层结构3c（含秸科、树枝、木桩、块石及土的老口门）三类。多层结构3a。堤基为相间分布的粘性土和砂性土，砂层分布较多，或者堤基的上部为薄的砂层。存在渗水及渗透变形问题。多层结构3b。堤基为相间分布的粘性土和砂性土，以粘性土为主，砂性土很薄且埋藏较深。存在沉降及滑动变形问题。多层结构3c。鉴于老口门堤基填料物质复杂，其工程地质问题也较复杂，有渗水及渗透变形问题，有时也有不均匀沉降及滑动等问题。黄土类土结构类黄河两岸广泛分布有黄土、黄土类土，有黄土类土组成的堤基包括两种类型。黄土类土4a。堤基为上更新世黄土类砂壤土及黄土类壤土。存在黄土类土的湿陷性问题。上覆粘性土的黄土类土4b。堤基上部为全新世的冲积粘性土，下部为黄土类土。这类堤基的黄土类土，具弱湿陷性，在冲积的粘性土中如含有砂壤土及轻、中壤土时，还有轻微的渗水问题，在遇强震时有液化的可能性。5.1.2堤基工程地质评价1)堤基工程地质评价与勘察阶段相适应规划阶段，只针对新建堤防进行评价。本阶段一般不布置勘探工作，主要是通过现场查勘、调查、访问和收集已有资料来了解对确定堤防方案影响比较大的地形、地质问题。由于掌握资料的深度有限，主要从地形、地貌和宏观的地质条件等方面进行评价，一般只要求了解堤基工程地质条件、可能存在的工程地质问题。可行性研究阶段，对于新建堤防，要求“对选定线路主要工程地质问题进行初步评价，并对堤线工程地质条件进行初步的分段评价”，提出处理的初步建议。本阶段已进行了一定的勘探、试验工作，对地基的地质结构也有了一定的认识，工程地质评价需综合分析工程沿线地形、地貌、地质结构、土岩物理力学性质等因素，分段进行评价。分段首先依据的是地貌，再依据地质结构进行细分。对于已建堤防，在上述内容的基础上，还需考虑拟加固堤段堤基险情隐患类型、分布位置，出险和抢险情况，临时加固措施及效果的初步分析等因素。初步设计阶段，对于新建堤防，则要求对堤基工程地质条件进行详细分段评价，并对存在的工程地质问题进行必要的分析计算，提出处理措施的建议；对于已建堤防，同样是应结合对堤基险情隐患的调查和分析，开展上述工作。进行工程地质评价时，可将同类型的堤段归并在一起作出评价，也可按堤防里程桩号分段进行评价。堤基工程地质评价不能仅限于对堤基工程地质结构和土岩体的物理力学性质的评价。虽然堤基工程地质结构、土岩体的物理力学性质是决定堤防工程地质条件的主要因素，但某一堤段存在什么样的工程地质问题还受到其它因素的影响。如同样是上薄层粘性土、下砂土双层结构亚类（Ⅱ1）的堤段，在外滩很宽的情况下，它存在渗透问题的可能性就比窄外滩的要小得多。所以在评价时，应综合考虑堤内外的地形地貌条件及其演化过程、历史险情、人类活动等多个因素，而不能仅限于堤基的地质结构和土岩体的物理力学性质。2)除对工程地质条件评价外，应着重于堤基主要工程地质问题的评价。这些问题包括：渗流稳定问题、抗滑稳定问题、变形问题和冲刷问题。渗流稳定问题评价，主要根据堤基地质结构、透水性及临界比降，判定土的渗透变形的类型，结合堤防断面，计算求得渗流场内的水头、压力、坡降、渗流量等水力要素，进行渗流稳定性分析与评价，提出防渗、排渗或渗控措施的建议。抗滑稳定问题、变形问题和冲刷问题评价，可根据堤基边界条件、地质结构与土的类型和特殊土（包括：中、高塑性粘土、淤泥质土、淤泥、膨胀土、有机土、泥炭等）、砂性土的分布状况，进行初步评价。特殊土影响抗滑和变形稳定性，砂性土则需注意冲刷稳定性。对存在问题的堤段则需选择代表性断面进行抗滑稳定和沉降量的计算；冲刷稳定性评价需计算冲刷深度，必要时需通过模型试验验证，确定冲刷深度和抗冲刷的工程措施。规程《附录E堤基和堤岸工程地质条件分类》中，列出了堤基工程地质条件评价要考虑的因素。在长江中、下游堤防加固勘察中，总结了堤基工程地质条件的综合分类与评价，见表5.1－2，供大家参考。表5.1－2长江中下游堤防堤基工程地质分类综合评价表类型分段因素工程地质问题及处理建议综合评价堤基地质结构与性状堤外滩宽度堤内外渊塘(坑)的分布汛期险情Ⅰ上覆粘性土层均一，厚度大于10m，基本无淤泥质土和砂层；下部为砂。无工程地质问题，不需进行处理。工程地质条件好。Ⅱ上覆粘性土层厚5～10m，夹少量薄层砂或淤泥质土；下部为砂。外滩较宽，宽度在500～100m。有渊塘分布，但深度较浅，局部较深。险情较少，局部有崩岸。局部有冲刷稳定问题，可结合河道整治，进行必要的护岸。工程地质条件较好。Ⅲ上覆粘性土层厚2～5m，夹有粉细砂薄层，淤泥质土或杂填土；下部为砂。外滩较窄，宽度在100～50m。较多渊塘，有的较深，已破坏了上覆粘性土层。险情较多，局部崩岸严重。有渗透变形、抗滑稳定、变形稳定以及冲刷稳定问题，需选取代表性断面，进行计算分析，针对存在的问题，采取相应的工程措施。工程地质条件较差。Ⅳ上覆粘性土层厚度小于2m或无，为粉细砂或性状差的淤泥质土，或有较厚的杂填土；下部，部份有粘性土。外滩窄，宽度小于50m或无外滩。众多渊塘，且距堤脚近险情多，崩岸严重存在渗透稳定，抗滑稳定、变形稳定及冲刷稳定问题。需进行计算分析，采取相应的工程措施，进行处理。工程地质条件差5.2防洪墙的工程地质评价受城市发展、城区场地的限制，城市内一般多修建防洪墙来抵御洪水或海潮。根据建筑材料的不同，防洪墙可分为钢筋混凝土防洪墙、混凝土防洪墙和浆砌石防洪墙等几类，前者墙体高度可达6～8m，其中地表以上高3～6m，地表以下2～3m；后两者则多在墙的高度不大时采用，且多数建造时间比较久远。根据防洪墙断面型式的不同，又可分为重力式和扶壁式防洪墙。有的城市的防洪墙还在外侧设有驳岸、内侧建有戗台。此外，由于防洪墙断面尺寸小，墙体挡水时，墙基渗径较短，有的防洪墙在其内、外侧的地表铺设有一定宽度和厚度的粘土隔渗层。（如图5—2.1、图5—2.2）。图5-2.1南京市长江某堤段城市防洪墙断面图图5-2.2武汉市重力式混凝土防洪墙断面图（单位：m）防洪墙的工程地质评价与土堤地基的类似，但是由于城市防洪工程的重要性，防洪墙轴线上勘探孔的密度往往大于土堤，对地基地质结构的划分和工程地质分段也比土堤的更细。此外，由于防洪墙结构的和所处地理位置的特殊性，其工程地质评价中也存在一些需要特别注意的地方。许多河段防洪墙墙基表层分布有杂填土，有时厚度可以超过10m，这是防洪墙与一般土堤工程地质条件中差异较大的一点，由于是人类活动的产物，杂填土无论是空间分布、物质组成还是水文地质、工程地质性质方面，都无规律可循。例如武汉市的武昌市区堤段防洪墙墙基上部杂填土最厚可达14m，主要由粘性土夹碎块石、砖块、煤渣和建筑垃圾组成。这些杂填土具不均一性，主要表现在密实度差异大，标贯击数大的可达13击，小的只有1击。土体的渗透性变化也大，渗透系数自3×10-7～1×10-3cm/s不等，局部因有架空现象而具强透水性。有的河段墙基回填的素填土为具中～高压缩性的淤泥质粘土或淤泥质粉质粘土。所以在进行防洪墙工程地质评价时，应充分认识到防洪墙的工程特点（断面尺寸小、墙基渗径较短）、地形特点（外滩窄或直接临水）、地基特点（分布有杂填土、淤泥质土等），对于已建防洪墙的加固，还应考虑历史险情隐患的情况。评价时，可参照土堤堤基地质结构的分类原则，对墙基进行分类，再分段进行工程地质评价。进行防洪墙工程地质评价时，应重点对下列主要工程地质问题进行分析评价：

1)渗透稳定问题主要是由于防洪墙断面尺寸小、渗径短，江、河、潮水可通过墙基浅部渗透性较大的土层或沿墙体与地基的接触面入渗，在墙后形成渗水、散浸甚至管涌等险情。例如1998年汛期，武汉市市区防洪墙内墙脚、墙内混凝土路面接缝处有多处渗水和散浸。对于此类问题可根据实际情况，进行水平或垂直防渗处理。2)不均匀沉降问题主要是墙基中分布有人工填筑土或淤泥质粘性土，这些土体或本身就具有成分不均一、结构松散的特点，或与其他土体性状差异较大，地基承载力偏低，加之江河水涨落，引起墙基土体有效应力发生调整和变化，从而产生不均匀沉降。对于此类问题可根据土体的分布情况，合理设置变形缝，或扩大墙基尺寸、改变墙基型式等方法来解决。3)抗滑、抗倾稳定问题一般重力式防洪墙和墙后设有戗台的防洪墙抗滑、抗倾稳定性较好。但是有的防洪墙或因墙体埋置深度过浅或墙基持力层为淤泥质粘性土，性状差、强度低、墙基与持力层间摩擦系数偏小，在高水位江、河、潮水的侧向推力等外力的作用下，存在抗滑或抗倾稳定问题。确定墙体是否存在抗滑、抗倾稳定问题，应进行专门的计算。5.3穿堤涵闸的工程地质评价穿堤涵闸简介穿堤涵闸的建设是随着沿江滨湖（海）地区筑堤围垸修建海塘而发展起来的，主要作用是防洪、排涝和灌溉，有的还兼有航运、交通、过鱼的作用。涵闸的建设历史十分久远，早在宋代，长江流域就有兴建堤闸之举，经过一千多年工程的实践，建闸技术已日趋完善，涵闸规模也由小型发展到中、大型，并逐步采用钢筋混凝土结构、钢木闸门和自动起闭设备。涵闸工程在保证工业发展、农业丰收、保护人民生命财产安全等方面发挥了重要作用。各流域内穿堤涵闸不仅数量繁多，规模、结构型式差异也很大。据统计，仅淮河流域就有各类涵闸5000多座，其中大中型的约600座；长江流域内流量大于100m3/s的涵闸也有187座之多。就规模而言，小的涵闸只有一孔，宽度1m左右，流量也不足10m3/s，大的涵闸则有数十个孔，单孔宽度可达23.6m，最大流量为8000m3/s（如荆江分洪区的北闸）。涵闸多采用钢筋混凝土、浆砌条石、圬工等结构，其建筑型式主要有以下几种：开敞式：采用露顶闸门，多数为分洪闸和节制闸。某些设有胸墙的开敞式闸，闸墩上布置了公路桥或工作桥。箱涵：闸室结构为矩形箱体，闸身埋置在堤身中，闸孔中的水流可以是有压流。拱涵：闸室顶板为拱结构，闸身埋置在堤身中，闸孔中的水流可以是有压流。双层闸：闸室为上下两层，深孔为箱涵。这种布置型式可以减小闸门的高度，调节流量和水位也比较灵活方便。此外，涵闸一般设有消力池、消力槛、护坦板及海漫等消能工程，少数涵闸还建有船闸、鱼道等通航、过鱼建筑物。工程地质条件评价(1)涵闸工程地质条件评价要与勘察阶段和涵闸的规模相对应。规划阶段，除非是大中型涵闸，一般不进行工程地质条件的评价。则在查明闸址工程地质条件的基础上，进行较为详细的评价。可研和初设阶段的评价，一般是每座涵闸单独进行。对于已建涵闸，还要结合险情隐患情况进行评价。涵闸规模的不同，勘察工作的布置差异很大，小型涵闸一般仅布置一条勘探剖面；大中型涵闸往往按照《水利水电工程地质勘察规范》、《中小型水利水电工程地质勘察规范》的要求来布置勘察工作。由于工作要求上的差异和对地基要求的不同，不同规模涵闸的工程地质条件评价也不一样。小型涵闸一般较为简单，大中型涵闸则需要分建筑物部位进行评价。(2)进行闸基地质结构类型的划分，是工程地质条件评价的基础。由于穿堤涵闸修建在沿江、滨湖（海）地区，闸基以第四系松散堆积层为主，仅少数涵闸修建在基岩上或部分修筑在基岩上。第四系松散堆积层地基地质结构的划分主要有以下几类：1)单一结构又可细分为单一粘性土结构和单一砂性土结构两类。单一粘性土结构类：闸底板以下地层主要为全新统粘土、粉质粘土、粉质壤土、壤土等粘性土，有些地区有淤泥质粘性土或夹薄层砂性土，少数闸址处为上、中更新统粘土。单一砂性土结构类：闸底板以下地层主要为全新统粉细砂、砂壤土等砂性土。2)层状结构闸底板以下地层由数层粘性土（粘土、粉质粘土、粉质壤土、壤土等）和砂性土（砂壤土、砂、壤土与粉细砂互层、砂砾石等）组成，有些地区有淤泥质粘性土分布。根据闸底板下第一层土层的性状，又可细分为：上厚粘性土层状结构（上部粘性土厚度≥5m）、上薄粘性土层状结构（上部粘性土厚度2～5m）、上砂性土层状结构（上部为砂性土或粘性土厚度≤2m）。第四系土体，特别是全新统的粘性土具有抗剪强度低、承载力低、压缩性高的特点；砂性土则渗透系数较大，地基条件一般较差。结构划分清楚后，可以较好地判断存在的主要工程地质问题，作出较合理的工程地质评价。少数涵闸（特别是一些大型涵闸）修建在基岩或部分修建在基岩上，此类涵闸附近多有基岩小山或岗地出露。已建涵闸中，作为地基的岩石，其时代、岩性、断裂和裂隙等构造形迹的发育程度极不相同，使得岩石的性状差异很大。一般来说，微新岩石可以满足涵闸对地基的要求，但是如果岩石中断裂和裂隙发育且胶结差，或风化强烈，则地基的强度、抗渗性等指标会大大降低，从而直接影响涵闸的安全运行。(3)进行工程地质评价时，要注意对主要工程地质问题的分析研究。涵闸存在的工程地质问题归结起来，主要为以下几类：1)抗滑稳定问题对于土基，主要是由于建筑物与地基土间的摩擦力偏小或由于闸室建基面高于闸后地面而产生的浅层或深层滑动。如荆江分洪区的南闸，该闸横跨虎渡河，为荆江分洪工程的节制闸，共设32孔泄洪闸，总宽336m，闸基地层为上更新统冲洪积粘土。闸底板高程32.8m，基础过浅，混凝土仅厚1.5m，下游消力池最低高程为26.6m，闸室下游侧形成临空面，在建筑物挡水的情况下，闸室有向下游滑动的可能性。对于岩基，则主要是由于建筑物与岩石间摩擦力偏小或岩体中存在对滑动有利的软弱结构面（如层面、裂隙、断层等）组合而形成的浅层或深层滑动。如长江上的樊口大闸，该闸位于湖北省鄂州市新长港上，由水闸、船闸和土坝等组成，其中水闸为开敞式闸型，共11孔，排水流量1050m3/s。水闸8#～11#孔的地基为志留系灰绿色页岩夹少量砂岩，页岩软弱、强度低，且建基面下3.6m～6m的页岩呈强风化状，砼与页岩的摩擦系数仅为0.45。经计算，闸室抗滑稳定安全系数为0.903，加阻滑板后也仅为0.9795，不能满足抗滑稳定的要求。此类问题可以通过地基处理或调整基础型式等方法解决。2)不均匀沉降问题主要是由于地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。如樊口大闸的土坝及翼墙部位，土坝连接着水闸和粑铺大堤，长35m，高18m，目前坝体、护墙均已产生沉陷、开裂和位移，共发现14处变形点，最大下沉量为20cm，最大裂缝宽度为5cm，最大水平位移为6.5cm；翼墙位于1号闸墩上、下游侧，长20～30m，高5～20m，据观察，翼墙最大下沉量3cm，最大水平位移16.5cm，裂缝最大宽度5cm。土坝及翼墙部分坐落在含有机质粘土层上，该土层厚3.8～12.9m，孔隙比0.651～0.775，压缩系数0.17～0.43MPa-1，承载力标准值105kPa，由于强度低，并具中等压缩性，在荷载的作用下易产生压缩变形，土坝及翼墙的沉陷、开裂和位移均与该层有关。又如牛皮坳闸，该闸位于湖北省蕲州镇北的长河上，为混凝土底板条石墩块石拱涵结构，闸室长20m，宽27.6m，共7孔。由于闸址处长河左岸为老港道，分布有较厚的第四系粘土层，闸室地基由左到右依次为全新统粘土、白垩系和第三系强风化粉砂岩、弱风化粉砂岩及微新粉砂岩，各类土、岩的物理力学性质差异较大。其中全新统粘土孔隙比1.044，压缩系数0.69MPa-1；弱风化粉砂岩干、湿抗压强度分别为1.65MPa和0.24MPa，软化系数0.15；微新粉砂岩干、湿抗压强度分别为14.37～21.42MPa和7.10～10.59MPa，软化系数0.49～0.6。在上部荷载的作用下，由于土、岩性状上的差异，地基存在不均匀沉降问题。水闸已因此而产生变形和裂缝。此类问题可以通过地基处理或合理设置沉降缝来解决。3)渗漏与渗透稳定问题主要是由于涵闸地基浅部或表层分布有渗透性较大的土、岩层，汛期在闸前后较大水头差的作用下，产生渗漏或散浸、管涌等渗透变形，从而威胁涵闸的安全。此类问题是涵闸工程较常见的工程地质问题之一。土基中，表层粘性土层的厚度决定了地基抗渗性的好坏。一般来讲，闸址处地基为单一砂性土结构、上薄粘性土层状结构（上部粘性土厚度2～5m）或上砂性土层状结构（上部为砂性土厚度＜2m)的，易产生渗透变形；单一粘性土结构、上厚粘性土层状结构（上部粘性土厚度≥5m）地基则很少产生渗透变形现象。虽然有的涵闸在闸底板下建有截渗墙等渗控工程来改善渗流条件，但大多数