堤防加固地质勘探认识

九龙江是福建省境内第二大河流,位于福建省西南部,主河道长285km,流域面积14741km2。九龙江中下游地区(漳州)现有防洪堤长为207•2km,始建于20世纪五六十年代,基本为土堤。受制于当时的财力和物力,目前部分防洪堤防洪标准低,部分堤防未封闭,堤身单薄、散浸、填筑质量差,堤基渗漏、管涌,堤脚冲刷严重。随着“海西”建设步伐加快,工业化、城市化、乡镇城镇化迅速发展,重要经济开发区的规模不断扩大,九龙江中下游地区的防洪排涝工程已无法满足社会经济发展的需要。近几年,随着国家加大水利工程建设投资,漳州地区堤防工程除险加固工作也正在分期分批进行。

1工程地质测绘及调查的重要性

堤防勘察工作的布置要符合勘察阶段深度的要求,遵循先准备后布置,先重点后一般,先建筑物后堤身、堤基的原则。在充分收集已有勘察资料和堤防历年险情的基础上,将工程地质条件较差的堤段和历年险情较多的堤段作为重点优先布置,同时考虑穿堤建筑物。因此,在堤防工程勘察工作量布置前应先进行工程地质测绘及调查,查明工程区的地形地貌特征及其成因类型、微地貌单元及堤线附近的塘、潭、坑、沟、渠及水井等的性状、位置、分布范围,分析其对堤基渗漏、稳定的影响;调查堤身、堤基病害险情,包括堤身滑坡、开裂、塌陷、浸散、漏水洞,堤基渗漏、渗透破坏(管涌、流土),以及其他各种病险情和不良地质现象的分布位置、范围、特征、险情成因及护坡护岸工程现状和堤外滩宽度、决口扇、古河道等情况。只有先进行工程地质测绘及调查,查明堤防区的地形地貌特征、基本地质情况及病险害分布情况后,才能有针对性地、合理地进行勘察工作量布置。目前有些勘察单位未进行工程地质测绘及调查,未充分掌握堤防工程的基本地质情况及病险情,盲目按《堤防工程地质勘察规程》(SL188—2005)(以下简称《规程》)中有关剖面间距及钻孔孔距的规定,于图纸上等间距地进行纵剖面钻孔布置及横剖面布置;结果花费了不少勘察工作量,而堤防工程的病险情却未能分析查明;提交的勘察报告中的钻孔资料、数据不能如实地反映堤防工程存在的病险情、隐患,报告提交主管部门审查后不能通过,需返工补充勘察,事倍功半。

2堤身填土勘察方法

作为“地质体”的堤基土层,是在地质历史时期或近代,在内、外营力作用下形成的土体。其工程特性受成因类型、矿物组成、颗粒组成、土体结构、含水状态和固结作用等因素的控制,具有较强的规律性。而堤身土体是线形的“工程体”,由人工填筑而成,其质量优劣受填筑土料、设计标准、施工方法等因素的控制和影响。因此,堤身填土质量具有极大的随机性。而堤身中发现的施工杂物、透水夹层、生物洞穴等的分布,其随机性就更大了。此类随机性的工程隐患问题,用常规的地质勘察手段往往难以查明。因此,《规程》6•0•2指出:“堤身勘察宜坚持地面调查、物探和勘探相结合的原则”。堤身历年险情是堤身填土最直观的表现,堤身的缺陷往往通过险情而暴露无遗。因此,堤身勘察应以地面调查和物探为主,辅以少量的勘探,这样既节省经费,又快捷便利。也就是说,堤身勘察首先应通过现场工程地质测绘及调查,了解堤防工程地段的地形地貌特征、微地貌单元和周边地质环境,堤身填土的物质组成、密实程度、渗透性能,堤身现状及历史险情,加固处理措施等。再通过工程物探(主要有地质雷达、高密度电法、地震探测等)了解堤身疏松透水夹层、生物洞穴等隐患的具体分布,并结合必要的勘探手段,取岩心观测、进行原位测试(主要有标准贯入试验、动力触探试验、静力触探试验、十字板剪切试验、注水试验、抽水试验、压水试验等)和取原状(或扰动)土样进行室内土工试验(包括颗粒分析、物理性试验、渗透试验及力学性试验)。通过三者的有机结合,能够有效、准确的查明堤防工程堤身填土的质量及隐患分布,以便对堤防工程堤身状况给予恰当、充分的评价,并提供合理的地质参数,为堤防的除险加固设计服务。

3已建堤防除险加固的勘察深度

关于已建堤防除险加固勘察的地质勘察深度,《规程》中有明确的规定,但在实际勘察过程中发现,部分规定可操作性较差。

1)堤防工程地质勘察勘探剖面间距及孔距问题。关于纵剖面钻孔间距,《规程》5•3•2指出:“堤防勘探纵剖面宜沿堤防中心线或防渗轴线、减压井轴线布置。可行性研究阶段钻孔间距宜为500~1000m,初步设计阶段宜为100~500m,险情多发、地质条件复杂或防洪墙段应适当加密钻孔。”已建堤防除险加固工程地质勘察的勘察精度应达到初步设计阶段的要求,因此其纵剖面钻孔孔距宜为100~500m,这点比较好把握。关于横剖面间距,《规程》5•3•3指出:“横剖面间距宜为堤防中心线纵剖面上钻孔间距的2~4倍,险情多发段、地质条件复杂段应适当加密横剖面,每一工程地质单元应至少有一条横剖面。”并规定在渊、潭、塘、沟、渠等微地貌变化较大的地段,堤防险情段,物探异常位置,拟扒口分洪段,小型涵闸闸址处应布置横剖面。关于横剖面钻孔孔距,《规程》5•3•3指出:“横剖面上宜布置3~6孔:堤防中心线1孔、堤外1~2孔、堤内1~3孔,孔距宜为20~200m。”笔者认为,在漳州地区,漳州平原是福建省最大的冲积—海积平原,其为冲洪积物与海积物交互沉积,地层往往复杂多变,特别是河流分叉段、河口段,上部多为粉质粘土、砂及淤泥呈韵律沉积,其地层厚度、层位复杂多变,横剖面孔距20~200m跨度偏大,实际勘察布置勘探孔时孔距不好把握。根据多年的勘察经验,漳州地区横剖面孔距宜控制在20~100m范围内比较适宜,孔距超过100m则地层不易控制。而根据已建堤防险情调查结果,绝大多数堤防堤基渗漏、管涌、流土等险情的发生,一般多分布于堤内坡堤脚至堤内30~100m范围,或分布于堤内近堤脚处的坑、塘、沟、渠等薄弱地段,因此20~100m的孔距既可控制住地层变化,查明堤基地层分布,又不会增加勘探工作量,是比较合理的孔距。至于局部堤基渗透变形破坏较远的地段可结合地面调查结果适当增加勘探孔。

2)堤防工程地质勘察钻孔孔深问题。《规程》5•3•9指出:“堤防钻孔宜为堤身高度的1•5~2•0倍(不包括已建堤防堤顶孔的堤身段),当相对透水层或软土层较厚时,孔深应适当加深并能满足渗流与稳定分析要求。”由于勘察时具体设计需要计算渗流和稳定的孔深不太确定,因此,具体钻孔需钻多深也难以确定。鉴于漳州地区上部土层一般分布有较深厚的砂类土、卵砾石等强透水性地层,间或分布有粉质粘土或淤泥软土层(部分地段淤泥层厚度较大),而砂、卵砾石层下伏一般为坡残积层或风化岩层。因此,建议在孔深不是很大的情况下(一般为堤基以下2•0倍的堤身高度)宜钻至坡残积层或风化岩层,这样进行渗流与稳定分析计算剖面的地层结构较完整。若砂、卵砾石层厚度较大,当孔深达2•0~3•0倍的堤身高度时尚未揭穿强透水层,则可考虑提前终孔。需要指出的是:漳州地区现有防洪堤高度一般不是很大,少则3~5m,多则5~10m,若防洪堤高度较低时,根据堤身高度来控制勘探孔深是不太合理的,这时应采用满足渗流与稳定分析要求来控制孔深,即孔深需适当加深或进入相对隔水层。

4堤基工程地质分类的意义

堤基工程地质评价是整个勘察工作的最终目的,是设计人员采取处理措施的主要依据之一,因此堤基工程地质评价应与工程紧密结合,考虑的主要因素应是堤基处理设计中考虑的因素。无论堤基的工程地质条件有多复杂,其主要工程地质问题都是明确的,归纳起来主要有:堤基的抗滑稳定、抗渗稳定、抗震稳定及特殊土引起的问题4大类。以主要工程地质问题为主线,《规程》将堤基工程地质条件分为4大类:A类(工程地质条件良好)、B类(工程地质条件较好)、C类(工程地质条件较差)、D类(工程地质条件差)。具体勘察时,应根据已建堤防工程堤基存在的主要工程地质问题类型及严重程度、历史险情等,进行合理的工程地质条件分类(段)。对于堤基工程地质条件分类为C类和D类的,是勘察的重点,应根据具体情况加密勘探点;B类次之,按《规程》要求进行常规性勘探即可;A类则可少布勘探点。对于设计而言,C类和D类堤基必须考虑工程措施;B类堤基应视具体情况而定;A类堤基则不需采取工程措施。

5结语

近几年,随着国民经济的发展及国家加大水利工程建设投资,漳州地区堤防工程除险加固工作也正在分期分批进行,已建堤防工程除险加固勘察既有共性,又有地方性特点。工程地质测绘及调查与堤身填土勘察方法具有共性,而已建堤防除险加固的勘察深度问题则具有地方性特点,需根据本地区的地质情况合理地选择勘探点数量、孔距及孔深,目的是做到既能查明堤身险情和隐患分布及堤基工程地质条件,又节省勘探工作量。而堤基工程地质分类则是指导工程勘测设计的基础性工作。