第七届工程地质大会论文6

1、长江中下游重点堤岸稳定性分析刘世凯 唐小兵武汉理工大学430063430011刘红星孙 云志水利部长江勘测技术研究所摘要：长江堤防安全的稳定性是国家领导人一直很关注的大事。本文介绍了长江中下游重点堤 岸典型堤段（黄冈段）的地质背景，包括地理位置及水文气象、地形地貌及河势特征、地质构 造及地层岩性、水文地质及堤岸物质组成等，对该典型堤段进行了稳定性分析。通过对不同条件下的土体稳定性计算与分析，表明堤岸土体在涨水和水位维持时期的稳定 性要比天然状态时高，而在水位快速下降时，稳定性则迅速降低，此时，堤岸易产生滑坡。对于堤岸土体力学特性而言，弹性模量、泊松比和质量密度3个参数中，对稳定性影响最灵敏的是

2、质量密度，次为泊松比，而弹性模量不敏感。对强度指标c、值而言，通常认为破坏面内摩擦角对安全系数的影响要比凝聚力C大得多。实际上，这是有条件的，即在深层滑坡的情况下，上述论点可成立，而对于浅层滑坡而言，凝聚力C对安全系数的影响则明显增加。反过来说，当滑动面倾角一定时，对浅层滑坡问题，凝聚力c的数值通常比较小，而对深层滑坡问题，凝聚力 c的数值则往往比较大。由此提醒，在浅层滑坡滑面土体的物理力学参数实验 获取时，应对凝聚力 C给予更多关注。关键词：长江堤防重点堤岸稳定性分析1. 引言1998年长江洪水对长江中下游堤防工程是一个严峻的考验，这是一次提高整个长江堤防防洪能力的良好机遇。为此，国务院有关

3、领导十分重视，提出了长江中下游重要堤防实施防渗、抛石护岸、涵闸加固等一系列的隐蔽工程建设，投入大量资金，花大力气，一定要治理好长江 堤防，确保亿万人民生命财产安全，为人类造福。对长江中下游河段不稳定堤岸岸坡变形破坏 的原因进行系统的调查研究，弄清堤岸失稳的机理是非常重要的。正是为此目的，我们选取了 湖北省黄冈市北永堤段进行了系统研究（简称黄冈段）。黄冈长江干堤位于长江中游下段左岸（长江北岸），上起团凤县金锣港，下至武穴市马口镇，全长135km。每年洪水期，该段时有险情发生。1998年特大洪水期间，该堤段的散花以下河段超历史最高洪水位，散花以上河段居历史第二高洪水位，共出现大小险情221处。因此

4、,研究此段堤岸的稳定性具有典型代表性。2. 区域环境地质长江中下游干流从宜昌至出海口，长1893km，河床比降小，区间流域面积80 xi04km2。中下游干流及其支流水系两侧地形地势总体较低，为我国三大地势阶梯的第三个阶梯。黄冈堤段地处长江中游，大地构造为扬子准地台中东部，属淮阳地质和江南古陆之间的条状构造单元。奠定长江中游河谷格局最显著的构造运动为燕山运动，使侏罗系以前地层产生褶 皱和断裂，其构造线方向在九江以西以近东西向为主。喜山运动产生了断块和差异性升降，形 成一系列隆起和拗陷，长江河谷基本上沿构造单元的分界及主要构造线方向发育。长江中游河道地台基底出露较少，古生界地层以碳酸岩及碎屑岩为

5、主，中生界地层下部以 碳酸岩为主，上部以碎屑岩为主，多分布在长江中游一带的低山丘陵区，局部地段还有燕山期 的陆相火山岩系。第四系地层在长江干流两岸平原、湖区广布，大部分为河湖相沉积。长江中游河段地貌形态以堆积平原、低山丘陵、河流阶地及河床洲滩为主。河道多为砂土 质岸坡，岩质岸坡较少，河床物质以细砂为主。长江中游位于秦岭褶皱系淮阳隆起大别山隆褶束的南部边缘。根据国家地震局2001年中国地震动参数(GIB18306-2001 )确定该区地震峰值加速度为0.5g，对应的地震基本烈度小于或等于W度。3. 黄冈堤段地质环境3.1地理及水文气象黄冈长江干堤位于团凤 武穴河段长江左岸，由巴河、浠水、蕲水三条

6、支流将大堤自上而 下分为黄州、北永、茅山、赤东等四大堤段，其堤外岸坡多有崩岸发生，见图1。北力*津1.戈烬3.鲍找人民收府SE堆1.理缢人诧建解驻堪5.多麻图1黄岗长江干堤段位置示意图大堤保护区总面积1520km 2,分属团凤、黄州、浠水、蕲春、武穴等五个县、市、区。区内有耕地面积 75.8万亩，人口 108万人，是湖北省重点产粮、棉基地；并有106和318国道、沪蓉高速公路及京九铁路等交通干线穿越本区。该区堤防工程始建于洪武一年，经过400余年的延续修建，至清代同治年间才基本形成。解放以后，对大堤多次进行了加高培厚和并垸，才演变成现今江堤。根据其地理位置及大气环流的季节变化，长江中游及研究区

7、段均为亚热带季风气候。夏季盛行偏南风，暖湿气流、天气炎热、多暴雨；冬季盛行偏北风，天气寒冷，且干燥少雨。年平均气温18C左右，每年 78月最高温度可达 40 C以上；每年12月最低气温为 0 C以下。长江 中游及研究区内的降水，平均年降水量为1100mm左右，暴雨区年降水量可达2000mm ;皖南及鄂东南暴雨区，暴雨期日降水量均值在130200mm。区内57月多阴雨天气，降水频繁，降水量大，温度高，湿度大，风力弱，此时正值江南梅子黄熟季节，故称梅雨。研究区内长江水位最高值21.63m，最低为10.60m，其变化过程曲线见图2。长江多年平均流量为24735m 3/s（武穴站），历史最大洪峰流量达

8、75700m 3/s，最枯流量为 5520m 3/s。图2 黄岗干堤段 2000年9月2001年7月长江水位变化曲线3.2地形地貌及河势特征研究区内主要为河漫滩相波状平原及少量零星分布的剥蚀残山、残丘，地势北西高，东地低。地面咼程1522m ,丘顶咼程一般 5080m ;最咼达120m。区内湖塘密布，一般咼程 810m。研究堤段距堤内脚约20500m断续分布有剥蚀残山或残丘，外滩宽一般2060m，少数宽达100200m，堤内水塘众多。长江总体流向为北西至南东，蜿蜒曲折。江面一般宽度10002000m，洲滩较发育，河势弯曲不平直。其中，戴家洲正处在浠水河口，洲长8km，宽2km，主要组成物质多为

9、细砂或亚粘土。研究区段内举水、巴水、浠水、蕲水四条支流分别于团凤镇、巴河镇、兰溪镇及蕲州镇附 近依次注入长江，其间距 2030km，河面宽 200300m，漫滩发育，总体水流是自北向南流入 长江，见图1。3.3地质构造及地层岩性研究区位于大别山隆褶束的南部边缘，据区域地质资料记载，麻城团凤断裂为第四纪活动断裂，它们均有地震活动记载，但震级不高。区内出露地层主要为第四系，基岩在外围有零星出露。在此重点论述第四系地层。第四系全新统下段冲积物（alQ41）：上部厚约 816m，主要为深灰、黄灰色粘土、粉质粘土、粉质壤土、间夹少量淤泥；下部为黄灰色中、细砂，部分为含砾粗砂。第四系全新统上段冲积物（al

10、Q42）：全区均有分布，为漫滩物质，一般具多层结构。上部厚约820m,为褐黄色粉质壤土、粉质粘土并有粉细砂透镜体，局部夹少量淤泥质土或淤泥；下 部为褐黄色粉细砂、中砂。第四系残积物（elQ）:为综红、综黄色粉质壤土、粉质粘土及粘土，厚约612m。第四系人工堆积物（rQ）：为素填土，主要为粉质壤土、粉质粘土以及粉细砂、碎石角砾混合土。多填筑于堤身及堤内外平台，厚度分布：平台为12m，堤身57m，典型断面结构见图3。HHD4工程地质横剖面示意图（桩号171+677）元月地即9 99年元冃堆农（b） HYH4工程地质横剖面示意图（桩号168+983）图3典型断面工程地质横剖面示意图3.4水文地质由大

11、气降水补给， 向江、区内地表水丰富，地下水则以第四系松散堆积物中的孔隙水为主，河排泄，洪水期则由江水补给。-4-3砂壤土、粉细砂具有中等透水性。渗透系数分别为i >10 cm/s和i >10 cm/s;粘土、粉质粘土渗透系数分别为i >0-7cm/s,和i >0-6cm/s，属极弱透水性或弱透水性。4. 堤岸稳定性分析4.1堤岸物质组成及稳定状态该河段岩质岸坡、硬土质岸坡和松散堆积物岸坡三种类型均有分布，其中护岸工程堤段长 23.286km岸坡土体可分为两类结构；一类为单一粘性土结构，由粘土、粉质粘土、粉质壤土等 组成，长3.221km、占13.83% ;另一类为多层结

12、构，为粘性土与砂性土呈互层或透镜状夹层， 共7段，长20.065km、占86.17%，护岸段岸坡结构类型及所占比例见表1。该段为岸坡崩塌、滑坡的多发堤段，据统计，共发生崩岸17处。研究区内的北永堤段主要是人工堤，其组成物质为粉质壤土、粉质粘土，其次为砂壤土、 粉细砂及碎石角砾混合土。该段共发生塌滑6处，长10.1km。表1黄冈干堤护岸段岸坡土体结构分类及所占比例统计表类型结构特征堤段桩号段长(km)类长(km)百分比单一粘性土结构岸坡为粘土、粉质粘土、162+911166+8383.2213.22113.8粉质壤土与基岩106+160108+2602.100144+150146+1001.95

13、0岸坡为粘性土与砂性土160+150162+6272.477多层结构167+196169+6342.43820.06586.2呈互层或夹层透镜状170+350174+9004.550176+500181+5005.000231+900233+4501.5504.2稳定性分析在研究区段内，不同条件下的某典型土体稳定性分析计算结果见表2。表2稳定性分析成果表序号弹性模量MPa泊松比质量密度kg/m3凝聚力KPa内摩擦角（°水压力安全系数备注上表面滑面13.00.40200017.210.0无无1.17823.00.40200017.28.84无无1.10633.00.40200015.0

14、8.84无无1.03343.00.40200013.08.84无无0.96753.00.40200017.28.84水位21m水位19m1.688涨水过程63.00.40200017.28.84水位21m水位21m1.532水位维持73.00.40200017.28.84水位17m水位21m0.940退洪过程83.00.40200017.28.84水位16m水位21m0.873退洪过程93.00.40200017.28.84水位10m水位16m1.014退洪过程103.00.40180017.28.84无无1.170用于与序 号2的计 算结果比较1130.00.40200017.28.84无无

15、1.106123.00.10200017.28.84无无1.104表2中，序号14表示天然状态条件，序号5为涨水过程（体现为滑面水位低于滑体表面水位），序号6为水位维持过程，而序号79则为退洪过程。从序号2及59可知，土体在涨水和水位维持时期的稳定性安全系数要比天然状态时的高得多（假设物理力学参数不变），而在水位快速下降时，稳定安全系数则迅速降低，此时，滑坡容易发生。比较表2中序号2及1012，可以看到滑体的弹性模量、泊松比和质量密度3个参数中，对稳定性安全系数影响最大的是质量密度，其次是泊松比，而弹性模量最不敏感。5. 结论通过对研究区段内堤岸滑坡体稳定性分析计算及研究可知，在所给土体物理力

16、学参数条件下，天然状态下稳定的土体，在江水涨水过程中仍将保持稳定状态，而且稳定性安全系数有较大提高；在江水位维持不变且物理力学参数不变的条件下，滑体将保持稳定状态，且稳定性安全系数也有较大提高；在江水迅速下降时，稳定性安全系数大大降低，滑坡可能发生。通常，人们认为破坏面内摩擦角0对安全系数的影响要比凝聚力c对安全系数的影响要大 得多。实际上，这是有条件的，即在深层滑坡的情况下，上述结论成立，而对于浅层的滑坡问题，凝聚力 c对安全系数的影响则明显增加。在c和相同的条件下，浅层滑体要比深层滑体的安全系数大，或者说，当滑动面倾角一定时，对浅层滑坡问题，凝聚力c的数值通常比较小,而对深层滑坡问题，凝聚

17、力c的数值则往往比较大，这一点，理论分析和有限元分析均可证实，也可从表2中质量密度改变的这一角度验证。由此提醒我们，在浅层滑坡滑面土的物理力学参 数实验获取时，应对凝聚力c给予更多的关注。参考文献1武汉理工大学、长江勘测技术研究所，长江干堤重点堤岸失稳计算机仿真系统“CJDAFZS2001.10Stability analysis of embankment in the middle and lower reaches ofAbstract:Yan gtze River1 1 2 2Liu ShikaiTang Xiaob ingLiu HongxingSun Yun zhi(1 Wuhan

18、 Uni versity of Techn ology, Wuhan 430063, Chi na)(2 Yan gtze River In stitute of Geotech ni que and Survey, Wuhan 430011, Chi na)The security and stability of Yan gtze River emba nkme nt isan importa nt matter that hasbee n paid close atte nti on to by n atio nal leader. I n this paper the geologic

19、 con diti on of represe ntative dyke in the middle and lower reaches of Yangtze River is introduced, which includes geographical position, hydrometeorology, topography and physiognomy, geological structure, stratum lithology and dyke matter and so on. The stability an alysis of the dyke is discussed

20、.Numerical examples show that dyke is steadier the days of river water level rising or keeping than the days of the dyke being nature. The safety factor of embankment stability drop suddenly when the water level falls rapidly, and Iandslide will happen in all probability.Of all the parameters of elastic modulus, Poisson '