荊江航道整治工程存在的地質問題及處理措施

唐建東，李建勇，郭偉，顧少娟

(中國建筑西南勘察設計研究院有限公司，四川成都 610081)

1 前言

荊江河段上起湖北枝城下迄湖南洞庭湖口的城陵磯，流經湖北省的宜都、枝江、松滋、江陵、沙市、公安、石首、監利及湖南省的華容、岳陽等市縣，全長347.2 km，以藕池口為界分上、下荊江，其中上荊江171.7 km，下荊江 175.5 km。荊江河段航道開闊，水深適宜，長年通航，上至重慶、下至武漢、上海，為溝通長江上中下游極其重要的交通大動脈。

荊江是長江出三峽后的一段平原河流，貫穿于江漢平原與洞庭湖平原之間，河道多彎汊。三峽工程已于2003年6月蓄水運用，由于水庫的調蓄，進入長江中下游河道的水沙過程發生明顯改變，主要表現為:枯水流量增加，中水流量歷時加長，洪峰削減，流量變幅減小，水流含沙量明顯減少。水沙條件的改變，造成中下游河道發生自上而下的長時間、長距離的沿程沖刷，尤其是迎流頂沖段的沖刷將更加劇烈，并引起河道河勢相應的調整。荊江河段受其影響較早，河道沖刷幅度較大，局部河段河勢調整較為劇烈，并導致主流頂沖部位發生變化，可能致使原有的護岸工程淤廢或破壞，引起新的崩岸發生，同時河床沖深，河床演變劇烈，洲灘變遷頻繁，航槽極不穩定，礙航情況頻發。

為根本改善荊江河段的航道條件，實現2020年達到 3.5 m×150 m×1000 m的一級航道目標，需對枝江－江口河段、沙市河段、斗湖堤水道、周天河段、藕池口水道、碾子灣水道、萊家鋪水道、窯監～大馬洲河段、鐵鋪～熊家洲河段等9個河段進行整治(如圖1所示)，以達到平順水流、穩定河勢及航道的目的。采取的整治工程措施主要有高灘守護、護灘(底)、壩體、護岸加固、填槽和水下整平。

2 基本工程地質條件

2.1 地形地貌

荊江是長江出三峽后的一段平原河流，貫穿于江漢平原與洞庭湖平原之間，河道多彎汊。枝城－沙市段長江總體以自西向東流向為主，沙市以下至藕池口長江主體流向為南偏東。藕池口至監利長江主體流向為東偏北，監利至城陵磯長江主體流向為東偏南。河彎多發育有江心洲，形態窄長，一般順水流方向長 3 km～4 km，寬 0.5 km～1.5 km。

上荊江河段為微彎分汊河段，由6個彎道段及彎道間的順直過渡段組成，彎道內多有江心洲灘。兩岸地貌單元屬江漢平原區的西部，地勢上西高東低。河寬一般 1 km～2 km，水深最深達 55 m。江堤外灘寬度變化較大，寬度一般 50 m～200 m，部分寬度達500 m～1 600 m，局部無外灘。寬外灘處分布魚塘、水渠，一般塘(渠)深 2.0 m，水深 1.0 m。下荊江河段為蜿蜒性河段，有多個江心洲順列江中。兩岸地貌單元屬長江及洞庭湖沖積平原，地勢平緩，僅有少量低矮孤山和山丘崗地，其余均為河流沖積平原，地勢上略呈西高東低。

荊江河段兩岸河網縱橫，湖泊密布，右岸主要河流有松滋河、虎渡河、藕池河、調弦河，分長江水入洞庭湖;左岸較大河流為沮漳河，在下百里洲江堤與學堂洲民堤之間匯入長江。

2.2 地層巖性

工程區的主要地層有第四系全新統沖積層(Qal4)和人工堆積層(Qml)，上荊江分布有上更新統沖洪積層(Qal+pl3)。

(1)人工堆積層(Qml)

按堆積物的成分可分為雜填土與素填土兩類。

①雜填土:呈雜色，主要分布于城鎮區帶，為粉質粘土夾碎磚頭、碎石、煤灰及生活垃圾，厚度一般 1 m～2 m，最厚 6.2 m，結構松散，土質不均勻。

②素填土:主要分布于堤身及其兩側，堤身填筑土厚度一般 8 m～12 m，以粉質粘土為主，少量粉土，粉細砂與粘土團塊，密實程度不均一。

(2)第四系全新統沖積層(Qal4)

主要為粉質粘土、淤泥質粉質粘土及粉細砂層。

①粉質粘土:全河段分布，上部褐黃色，一般呈可塑～軟塑狀，局部可見白色螺殼，少量見褐色斑點，夾粉土及粉細砂薄層，具有水平微層理結構;下部粉質粘土呈灰色，一般呈軟塑狀，局部為近流塑狀，夾大量粉細砂薄層，具近水平微層理結構。另外，枝江～江口河段部分粉質粘土呈灰綠色、青灰色及褐黃色，以灰綠色為主，局部含灰白色高嶺石團塊及鐵錳質結核，呈可塑至硬塑狀，切面呈光滑鏡面。

②淤泥質粉質粘土:青灰、灰黑色，呈流塑狀，見腐殖質，切面呈蜂窩狀，具輕微腥臭味。主要分布于各河段較寬廣洲灘地段，表層褐黃色粘性土層之下，粉細砂層之上。

③粉細砂:灰黃、淺灰、青灰，自上而下密實度逐漸增大，局部含有機質。分布于各河段表層粘性土之下及河床。

(3)上更新統沖洪積層(Qal－pl3)

砂卵石層:卵石含量約 30%，粒徑一般 1 cm～6 cm，大者 8 cm～10 cm，礫石含量約10%，卵礫石成分主要為灰巖，少量白云巖、砂巖、石英巖，磨圓度較好，多呈亞圓形，充填以砂質，主要為灰黃、灰綠色、灰色中細砂。沿岸坡一帶砂卵石層頂面從上游向下游方向逐漸降低，枝江～江口段砂卵石頂面高程 21.6 cm～31.6 m，沙市城區段頂面高程 13.9 m～16.9 m，斗湖堤河段頂面高程 6.1 m～9.5 m。

2.3 地質構造

荊江河段位于晚元古代揚子旋回末形成的一級構造單元揚子準地臺的兩湖(江漢盆地與洞庭湖盆地)斷拗二級構造單元內。在地質歷史過程中，主要經歷了晉寧期、燕山期、喜山期三期強烈的構造運動。自第三紀以來，地殼運動以整體升降運動為主，漸趨穩定，差異活動減弱。區內第四系地貌的發育，地層的沉積、河湖的演變受控于新構造運動。

工程區屬漢水地震帶江漢洞庭地震小區，地震活動水平相對較弱。其中NNE向的沙湖～湘陰斷裂帶具有多期活動性。據記載，沿該斷裂帶曾發生過3.5～5.5級地震6次，在臨湘的江南一帶于1976年6月1日與8月1日分別發生過2.8及2.3級有感地震。新構造運動以繼承性沉降為主，區內第四系及地貌的發育與河湖演變皆受此控制。根據《中國地震動參數區劃圖》(GB18306－2001)，工程區50年超越概率10%地震動峰值加速度為 0.05 g，相應的地震基本烈度為Ⅵ度。

2.4 水文地質條件

地下水根據其賦存特征和埋藏條件可劃分為孔隙潛水和季節性承壓水，主要賦存于第四系松散砂層中。孔隙潛水主要埋藏于上部的第四系砂性土層中，受大氣降水與地表水的補給，隨季節變化與地表水呈互補關系，枯水期地下水向江、渠排泄，洪水期接受江河水補給。工程區地下水排泄通暢，地下水位主要受江水制約，隨江水升降而變化;灘頂上層滯水埋藏較淺，一般在地表以下 0.5 m～2.5 m，水位多受地表水塘、溝渠控制。

季節性承壓水埋藏于第四系粘性土層之下的砂性土層中，與江水相通，承壓水頭的大小隨補給區江水位的變化而變化。枯水期，河水位降低，地下水向河床方向運移，并排泄于河床之中;洪水期，河水位抬高，地下水沿透水層向遠離河床方向運移，補給地下水［1］。

3 存在的主要工程地質問題

(1)高灘(岸坡)守護段岸坡穩定問題

高灘(岸坡)守護工程共有16段，分布于沙市河段臘林洲中部、周天河段天星洲左緣等部位，合計段長41.216 km。岸坡高度 12 m～15 m，土體主要為第四系全新統粉質粘土和粉細砂，尤其是全新統下部的粉質粘土層，土質軟弱。其天然抗剪強度指標 C值:12 kPa～16 kPa，φ 值:5°～14°，飽和固結快剪強度指標C 值:16 kPa～23 kPa，φ 值:15°～18°，岸坡土體在重力及動水壓力作用下，會沿不特定層面發生滑移、崩塌，存在邊坡穩定問題。

(2)護岸工程施工過程中的流砂問題

護岸工程施工過程中，需要對岸坡進行削坡整平處理。岸坡土體多為上粘性土下砂性土的雙層結構或粘性土、砂性土體組合的多層結構，粘性土雖具有一定的水穩性，但土體中多夾薄層粉細砂層，水平層理發育，具有一定的滲透性。低水位時，岸坡土體中的地下水沿粉細砂夾層流出，產生潛蝕或管涌破壞，進而造成岸坡坍塌、局部沉降等問題。另外，部分岸坡由結構單一的粉細砂組成，水穩性較差。在施工過程中，由于上覆土體開挖，土壓力減小，土體內的地下水會向開挖后的坡面滲透，在地下水滲流過程中，攜帶細砂顆粒，從而在坡面及腳槽基坑內產生流砂工程地質問題，進而危及整個岸坡的穩定。

(3)岸坡淤泥質土的流變(觸變)問題

在鐵鋪～熊家洲河段鹽船套高灘守護工程中，岸坡淺層土體分布有一定厚度的淤泥質土，抗剪強度指標 C 值:10 kPa～13 kPa，φ 值:4°～6°，強度低、壓縮性高、穩定性差。在岸坡坡體及腳槽施工時，淤泥質土易發生流變，造成坡體變形或腳槽坍塌，不利于施工。

(4)護灘(底)及壩體地基沖刷問題

航道整治工程除高灘(岸坡)守護段外，其他如護灘(底)及壩體等均位于水上，基礎多置于松散狀的粉細砂之上，粉細砂層自上而下密實度呈逐漸增大。由于淺層粉細砂較松散，抗沖刷能力差，易被水流沖蝕，從而對壩體地基產生破壞，存在地基抗沖穩定問題。

4 影響工程地質問題的因素

(1)影響高灘(岸坡)守護段岸坡穩定的因素

岸坡的形態、地質結構等是控制岸坡變形破壞的內在因素，它們基本決定了岸坡變形破壞的范圍和特征;近岸水流條件(流速、含沙量、沖刷方向等)、地下水滲流(水位漲落)、風浪及人類活動等是誘發岸坡變形破壞的外部因素。

工程區內沿線岸坡高度變化不大，但坡度的陡緩對岸坡的穩定影響較明顯，岸坡越陡，其穩定性越差。坡角小于15°的平緩岸坡，失穩的可能性較小;而坡角15°～25°者，一般岸坡能基本穩定;坡角大于25°者，在自然狀態下，易失穩。

粘性土較砂性土抗沖刷能力稍強，一般而言，抗沖刷能力由強至弱的順序為:粘土、粉質粘土、粉細砂，淤泥質土屬軟土，抗沖刷能力差。由此決定了單一地質結構岸坡抗沖性能較強，岸坡整體穩定條件較好;上粘性土下砂性土的二元結構岸坡坡腳一般易被河水沖蝕而掏空，崩岸規模一般較大;而多層地質結構岸坡一般因其中部或下部砂性土易被河水沖蝕而掏空，最終導致上部土體失穩崩塌。此外，局部岸坡分布有強度較低的淤泥質粉質粘土，其抗沖性能及自穩能力較差，對岸坡穩定極為不利。

本工程岸坡土層多具二元結構，上部為粘性土，下部為砂性土，一般以砂性土為主，故岸坡土體整體抗沖能力較弱，且由于下部砂性土易被淘刷臨空，一旦形成崩岸，一般規模較大。

近岸水流條件是影響岸坡穩定性的重要因素，也是決定性因素之一。一般主泓離岸坡較近，則江水對岸坡側蝕作用相對較強，尤其是岸線內凹的迎流頂沖地段易受到江水強烈沖刷，岸坡坡腳易形成深泓，而引起較嚴重的崩岸;主泓離岸坡較遠，則江水對岸坡側蝕作用相對較弱，岸坡穩定性相對較好。近岸水流條件及沖刷強度與河勢變化關系密切。

(2)影響護岸工程施工中管涌、流砂問題的因素

土體在受水浸泡飽和時，土粒中親水膠體顆粒吸水膨脹使土粒的密度減小，當在動水壓力的作用下，動水壓力超過土粒的重力時，土粒產生懸浮流動，即形成流沙。因此，護岸工程由于坡面開挖，上覆土體減少，在地下水向坡面及基坑內滲流時，會產生較大的動水壓力，從而產生流沙現象。

岸坡地質結構也是產生管涌、流砂問題的一個重要因素。岸坡為二元結構或多層結構時，地下水通過砂層向外排泄，從而產生動水壓力，攜帶細砂顆粒向坡面或基坑內涌出，從而產生流沙、管涌現象。土層中粉細砂層的厚度也是一個重要影響因素，當粉細砂厚度大于 250 mm時，因粉砂層的滲透系數遠大于其他土層，地下水從粉砂夾層中橫向流出，從而攜帶細砂顆粒向坡面或基坑內運移。反之，若粉細砂夾層厚度小于250 mm時，則難以形成流砂現象。

(3)影響岸坡淤泥質土流變(觸變)的因素

荊江河段在下荊江部分岸坡分布有淤泥質土，影響淤泥質土流變(觸變)的因素主要是淤泥質土的物理力學性質，淤泥質土的含水量高、孔隙比大、抗剪強度低，邊坡穩定性差。另一方面，淤泥質土的厚度也是一個很重要的影響因素，厚度越大，其排水條件差，越易發生流變，厚度小，則不易發生。地質結構也是影響淤泥質土流變(觸變)的一個因素，若淤泥質土層下面均為砂性土層，則基排水條件好，易固結，流變相對較弱，若上下均為粘性土，排水條件差，則強度增強慢，更易于發生流變。

(4)影響護灘(底)及壩體地基耐沖刷問題的因素

護灘(底)和壩體地基多為粉細砂層，粉細砂層呈松散狀，基本無凝聚力，抗沖刷能力很差。影響地基穩定的因素主要為水流流速、流向和粉細砂顆粒比重。粉細砂顆粒比重一般為2.65，因此影響護灘(底)及壩體地基的主要為水流的流速和流向。根據國內外有關泥砂抗沖(起動)流速的計算公式Vc=kd1/3h1/6［2］計算，場區砂層在水深 1 m、5 m、10 m時的抗沖(起動)流速分別為0.75 m/s～1.0 m/s、1.0 m/s～1.3 m/s、1.3 m/s～1.6 m/s。國內有關規范規定粒徑在0.05 mm～0.25 mm的粉細砂設計允許不沖流速在水深 1 m、 3 m 時 分 別 為 0.21 m/s～0.32 m/s、0.26 m/s～0.40 m/s。抗沖(起動)流速和允許不沖流速均較低，屬于易沖刷地層。

5 處理工程地質問題的方法

(1)高灘(岸坡)守護段岸坡穩定問題處理方法

高灘守護基本采用護岸工程進行治理，護岸工程一般有直立式、斜坡式和混合式等幾種型式，為了更有利于岸坡穩定，采用斜坡式護岸。

斜坡式護岸包括陸上護坡和水下護腳兩部分。水上護坡包括枯水平臺、腳槽、陸上護坡、排水溝、截水溝等。水下護腳是護岸工程穩定的關鍵，可采用沉排護底和拋石壓重防護，從枯水平臺向外沉排后拋石鎮腳，對于較陡的岸坡，先按 1∶2.5的坡比拋石補坡，然后再平拋一定硬度和一定寬度的塊石進行鎮腳。在護坡工程邊緣加大拋石量，進行拋石備填防護。

(2)護岸工程施工過程中的流砂處理方法

流砂問題的處理，主要是反濾，防止細砂顆粒流失而危及岸坡穩定，采用的處理方法是自腳槽至坡頂，全坡面鋪設一層厚 10 cm～20 cm的中砂反濾層，形成一個沿坡面的排水通道，而細砂顆粒又可以被中砂反濾層阻止不會隨水流而流出。另外在反濾層上鋪設新型反濾結構—排水墊。排水墊是由經過特殊擠壓形成“M”型的縱向全斷面排水通道的三維聚丙烯網墊與兩層針刺并經熱處理的無紡土工布通過熱粘合作用形成的反濾、排水、保護的三維排水墊。該排水墊兩邊由抗紫外線穩定的針刺并經過熱處理的無紡土工布材料組成，提供了極好的分離砂層和垂直過濾功能，可有效防止砂土流失。同時，中間的三維聚丙烯網墊在不同方向上形成了 6 mm～20 mm高的排水通道，可保證排水通道暢通無阻。

(3)岸坡淤泥質土流變(觸變)的處理措施

針對岸坡淤泥質土的處理，一般采用換填、盲溝排水的處理方法。對于土質較好部位，采用開挖盲溝，溝內用碎石回填，盲溝間距一般 10 m左右，盲溝尺寸一般深 50 cm，寬 40 cm。對土質較差部位，加密排水盲溝，間距加密至 5 m，增加地下水排水通道;增大盲溝尺寸，寬度增大至底寬 80 cm，頂寬 100 cm，深100 cm，增加盲溝的單寬排水量。對于已嚴重擾動的淤泥質土，土體結構已破壞，性狀很差的部位，則采用挖除用砂或碎石置換處理。在進行完盲溝排水或換填后，再鋪設砂墊層和排水墊進行表層排水反濾。

(4)護灘(底)及壩體地基沖刷防護

對于護灘帶工程，首先根據研究成果，調整護灘帶間距，既可維持所保護灘體的一定規模，又可以減少護灘帶之間的沖刷強度，調整護灘帶與水流方向的交角，適當增設勾頭，以控制工程的局部沖刷，增強護灘帶的整體導流效果和構筑物的穩定。

對于筑壩工程，首先壩體結構采用堆石壩這種透水結構，以減小對水流的阻礙，避免引起局部流速顯著增大。在壩體基底，布置護底帶工程，護底帶范圍除壩底范圍外，向外擴展一定的寬度，擴展寬度一般上下游各 50 m～100 m。護底帶采用系砼塊軟體排進行護底，外側預留變形區采用聯銷埠軟體排進行加強，并在邊緣采用增加拋石厚度并設置備填石的方式進行結構加強處理。

6 結語

(1)長江中游荊江河段航道整治工程主要采取高灘守護、護灘(底)、壩體、護岸加固、填槽和水下整平等措施。工程區地層主要為第四系全新統沖積層，土層強度低，抗沖刷能力差，地質條件較差。

(2)荊江河段航道整治工程存在高灘(岸坡)守護段岸坡穩定、護岸工程施工過程中的流砂問題、岸坡淤泥質土的流變(觸變)和護灘(底)及壩體地基沖刷等工程地質問題。

(3)高灘(岸坡)守護工程采用斜坡式護岸，加強水下鎮腳措施，確保岸坡穩定;針對流砂問題，先自腳槽至坡頂，全坡面鋪設一層中砂反濾層，再在其上鋪設排水墊反濾;岸坡淤泥質土的采用盲溝排水或換填處理，再在上部鋪高反濾砂層和排水墊;護灘(底)及壩體底部采用系砼塊軟體排進行護底，在邊緣增加拋石加強。

［1］陳錦標，陳佩燕，李全林等.中國地震目錄數據庫［M］.地震，2011.

［2］中國地震局.中國地震動參數區劃圖［S］.中國標準出版社，2001.

［3］中國建筑西南勘察設計研究院有限公司.長江中游荊江河段航道整治工程初步設計階段工程地質勘察報告［R］.武漢.中國建筑西南勘察設計研究院有限公司，2013.

［4］蔣中明，王為，馮樹榮等.應力狀態下含黏粗粒土滲透變形特性試驗研究［J］.巖土工程學報，2014(1)，P103.

［5］何文社，方鐸，楊具瑞等.泥沙起動流速研究［J］.2002，P1.

［6］長江航道規劃設計研究院.長江中游荊江河段航道整治工程初步設計報告［R］.武漢:長江航道規劃設計研究院，2013.