雅魯藏布江堤防主要工程地質(zhì)問(wèn)題

劉海峰, 易　鳴, 巫玉皇, 白咸勇

(1.長(zhǎng)江巖土工程總公司(武漢),湖北 武漢　430010; 2.長(zhǎng)江委 網(wǎng)絡(luò)與信息中心水利發(fā)展研究所,湖北 武漢　430010; 3.國(guó)務(wù)院 南水北調(diào)工程建設(shè)委員會(huì)辦公室 建管司，北京　100038)

1　概述

雅魯藏布江流域地處西藏高原南部的喜馬拉雅山與岡底斯山—念青唐古拉山之間的藏南谷地,雅魯藏布江中游河道長(zhǎng)度1 293 km,流經(jīng)日喀則、拉薩、山南、林芝三地區(qū)一市。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)查勘,雅魯藏布江中游防護(hù)河段總長(zhǎng)度約142.637 km,工程級(jí)別大部分為四級(jí),防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。雅魯藏布江流域面積較大,洪峰流量也較大,洪水發(fā)生頻率高。目前沿江除部分縣城達(dá)標(biāo)建設(shè)防洪設(shè)施外,其他段基本為當(dāng)?shù)厝罕娏x務(wù)投勞所修筑堤防或處于無(wú)防護(hù)狀態(tài)。目前主要存在著防洪工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低、河岸侵蝕嚴(yán)重等問(wèn)題。洪水常引起堤防漫潰、河岸坍塌等災(zāi)害。

雅江堤防堤基多為砂性土與砂礫石組成的二元結(jié)構(gòu),多數(shù)堤防也由砂礫石填筑而成,這是違背現(xiàn)代水壩設(shè)計(jì)原則的,而且絕大多數(shù)堤防都沒(méi)有采取基礎(chǔ)處理措施。這類堤防堤基滲漏是問(wèn)題的一方面,更重要的是由于砂性土的臨界比降較低,容易在近堤和淺部發(fā)生滲透破壞,造成潰口性險(xiǎn)情。而雅江堤防是西藏地區(qū)極為典型的堤防形式,研究此類堤防的主要工程地質(zhì)問(wèn)題,對(duì)西藏地區(qū)的水利建設(shè)有著重大工程意義。

根據(jù)堤防工程地質(zhì)勘察結(jié)果和對(duì)汛期險(xiǎn)情分析,雅江堤防存在凍融侵蝕、堤身變形破壞、堤基抗沖刷損壞、堤基滲透破壞、砂土液化、岸坡穩(wěn)定等工程地質(zhì)問(wèn)題。

2　雅江堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)分類

雅江堤防的主要工程地質(zhì)問(wèn)題多和堤基結(jié)構(gòu)有關(guān)。本文類比于《堤防工程地質(zhì)勘察規(guī)程》(SL188-2005)[1]相關(guān)規(guī)定,將雅江堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)分為均一結(jié)構(gòu)、二元結(jié)構(gòu)和多層結(jié)構(gòu)。考慮到雅江堤防多以2～6 m高為主,堤內(nèi)外水頭差多<6 m,而在二元結(jié)構(gòu)地層中黏性土厚度<2 m,少黏性土厚度<4 m,考慮黏性土和少黏性土的滲透性差異,將二元結(jié)構(gòu)堤基又分為上薄黏土層下砂性土和上少粘性土層下部砂礫卵石層2個(gè)亞類(表1)。

3　工程地質(zhì)問(wèn)題

3.1　凍融侵蝕

凍融侵蝕是高寒地區(qū)由于溫度的變化,導(dǎo)致土體或巖石中的水分發(fā)生相變,體積發(fā)生變化,以及由于土壤或巖石不同礦物的差異脹縮,造成了土體或巖石的機(jī)械破壞,被破壞的土體或巖塊在重力等作用下被搬運(yùn)、遷移、堆積的整個(gè)過(guò)程。凍融侵蝕多發(fā)生在高緯度、高海拔、氣候寒冷的區(qū)域,是除水蝕和風(fēng)蝕之外的第三大土壤侵蝕類型。

表1　雅魯藏布江堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)分類

雅江堤防位于素有“世界屋脊”之稱的青藏高原。這里海拔高,氣溫低,日、年氣溫溫差較大的氣候特點(diǎn)使得該區(qū)凍融交替頻繁,為凍融侵蝕的發(fā)生、發(fā)展創(chuàng)造了條件,使凍融侵蝕成為了該區(qū)最主要的土壤侵蝕類型之一,也成為了該區(qū)所面臨的主要生態(tài)環(huán)境問(wèn)題之一。

工程區(qū)凍融侵蝕區(qū)分布具有以下特點(diǎn):①凍融侵蝕區(qū)分布面積廣;②雅江南北凍融侵蝕區(qū)分布差異明顯,雅江以北分布范圍廣,雅江以南范圍小;③地區(qū)分布差異明顯,凍融侵蝕區(qū)集中在日喀則地區(qū),根據(jù)資料,日喀則地區(qū)最大凍土深度為67 cm,拉薩及山南地區(qū)26 cm,林芝地區(qū)14 cm。

凍融侵蝕可嚴(yán)重破壞侵蝕區(qū)地表環(huán)境,不但使堤防凍脹凍裂,而且在熱融過(guò)程中使堤防出現(xiàn)沉陷與滑塌,同時(shí)反復(fù)凍融過(guò)程使地表破碎、裸露、干燥化過(guò)程加快,進(jìn)而造成堤身土體酥軟化、松散化,導(dǎo)致堤身密實(shí)度下降,使其滲透性增大,抗沖刷能力進(jìn)一步下降;也導(dǎo)致堤基表層及岸坡崩解破碎進(jìn)程加快,地表植被退化,土體滲透性增大,而加速堤基的土體的變形與破壞[2]。

3.2　堤身變形破壞

雅江堤防目前除部分縣城達(dá)標(biāo)建設(shè)防洪設(shè)施外,其他段基本為當(dāng)?shù)厝罕娏x務(wù)投勞所修筑堤防。目前主要存在著防洪工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低;填筑材料多樣,堤身填筑材料不均勻性顯著;填筑時(shí)多未進(jìn)行碾壓,導(dǎo)致堤身密實(shí)度較低。加之西藏地區(qū)物理風(fēng)化較快,人為破壞嚴(yán)重,許多堤防出現(xiàn)開裂、不均勻變形，甚至局部出現(xiàn)堤身變形滑動(dòng)。

3.3　堤基抗沖刷損壞

雅魯藏布江堤防主要位于里孜至米林縣派鄉(xiāng)的中游段,河流海拔高程在4 530～2 880 m,河道長(zhǎng)1 293 km,落差1 520 m,平均比降1.28‰。該段河谷寬窄相間,水面寬多在200～400 m,最寬可達(dá)4 km。雅江洪水季節(jié)性較強(qiáng),6-9月過(guò)水量占到全年流量的一半左右。這導(dǎo)致雅江堤防洪水期內(nèi)部分堤基沖刷損壞嚴(yán)重。

沖刷損壞段主要分布在堤外灘寬度<20 m,隨著江水位漲落,部分堤外灘寬度較窄,江水頂沖或側(cè)蝕嚴(yán)重,導(dǎo)致堤基表層薄黏性土或少黏性土沖刷流失,下部砂卵石層細(xì)顆粒流失,進(jìn)而使砂卵石發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)或輕微移動(dòng)而導(dǎo)致堤身變形、損毀;而隨著頂沖和側(cè)蝕效果的加劇,部分堤基砂卵石直接被沖走,導(dǎo)致堤身快速潰口、坍塌,從而造成大量突發(fā)性洪水災(zāi)害。

3.4　堤基滲透及滲透破壞問(wèn)題

雅江堤防堤基以砂性土為主,局部覆蓋有薄黏性土或者少黏性土。不管是Ⅰ3、Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3、Ⅲ類堤基都會(huì)發(fā)生滲透,而且容易產(chǎn)生滲透破壞。

(1)砂性土均一結(jié)構(gòu)堤基的滲透破壞。雅江堤基砂性土多為砂卵石,砂卵石多級(jí)配不良,而且滲透性強(qiáng),滲透臨界比降較低,雖然江內(nèi)外水頭差不是很大,但容易產(chǎn)生表層滲透破壞；滲透破壞一般出現(xiàn)在近堤腳處,由于孔隙水壓力消散較快,一般險(xiǎn)情并不嚴(yán)重。

(2)上薄層黏性土、下砂性土結(jié)構(gòu)堤基的滲透破壞。盡管有上部不透水的黏土、粉質(zhì)黏土層,但因其太薄,當(dāng)水頭差達(dá)到一定高度時(shí),而且由于不透水層的存在下部砂卵石層空隙水壓力不易消散,易將其頂穿。

(3)上少黏性土、下砂性土堤基的滲透破壞。該結(jié)構(gòu)類型堤基較砂土均一結(jié)構(gòu)堤基抗?jié)B性稍好,但是抗沖性較差,而且在層間常見(jiàn)接觸流失,更加劇滲透破壞的發(fā)生。

(4)多層結(jié)構(gòu)堤基的滲透破壞。多層結(jié)構(gòu)堤基較復(fù)雜,滲透破壞產(chǎn)生與各層的組合方式有關(guān),還和各層的物質(zhì)成分有關(guān),但雅江堤基下部多以砂卵石為主,較易產(chǎn)生滲透破壞,其所夾砂性、少黏性地層對(duì)堤基的抗?jié)B性和抗沖性影響不大[3]。

3.5　砂土液化

3.6　岸坡穩(wěn)定

照片1　羌納段岸坡崩岸

根據(jù)岸坡變形破壞機(jī)制,將工程區(qū)岸坡變形破壞劃分為侵蝕型和坍塌型兩大類型。

侵蝕型指在江(河)水、地表水及其它外營(yíng)力作用下,岸坡表面物質(zhì)逐漸被搬運(yùn)帶走,從而使岸坡坡面產(chǎn)生緩慢后退。此種類型的破壞形式一般發(fā)生凸岸和凹岸相銜接的部位和凸岸處,岸坡坡度較緩,破壞規(guī)模較小,具有緩慢性及持久性(照片2)。

照片2　朗嘎段侵蝕型岸坡

坍塌型是指岸坡坡腳在江、河水長(zhǎng)期軟化和掏蝕作用下,岸坡上部物質(zhì)失去支撐而下挫坍塌。此種類型一般發(fā)生在受河水沖刷的凹岸,岸坡坍塌后常形成陡坎,破壞規(guī)模一般較大,岸坡破壞具有突發(fā)性,特別是在洪水期間最易發(fā)生(照片3)。

照片3　孜瑪崗段坍塌型岸坡

4　結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)本次對(duì)雅江堤防系統(tǒng)的分析研究發(fā)現(xiàn),雅江堤防堤基多以砂性土為主,堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。堤身多以砂礫卵石填筑而成,填筑質(zhì)量較差。其主要存在的凍融侵蝕、堤身變形破壞、堤基抗沖刷損壞、堤基滲透破壞、砂土液化、岸坡穩(wěn)定等工程地質(zhì)問(wèn)題。其中尤以堤基抗沖刷、堤基滲透破壞和岸坡穩(wěn)定問(wèn)題最為突出,這也是西藏地區(qū)類似堤防存在的普遍現(xiàn)象。在西藏堤防建設(shè)和運(yùn)行管理過(guò)程中,應(yīng)進(jìn)一部深入分析上述相關(guān)問(wèn)題,以提高西藏堤防抗汛能力。

參考文獻(xiàn):

[1]SL 188—2005，堤防工程地質(zhì)勘察規(guī)程[S].

[2]長(zhǎng)江流域水利水電工程地質(zhì)編委會(huì).長(zhǎng)江流域水利水電工程地質(zhì)[M] 北京:中國(guó)水利水電出版社,2012.

[3]馬貴生,長(zhǎng)江中下游堤防主要工程地質(zhì)問(wèn)題[J].人民長(zhǎng)江,2001(9)：169-170.