工程環(huán)境地質(zhì)分析論文
時間:2022-06-30 09:04:00
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1998年全國流域性的特大洪水,損失是慘重的。大洪水給人們以大警示,因而在汛后的很短時間內(nèi),國家投入了大量人力物力進行堤防工程建設(shè)。堤防工程建設(shè)的主要內(nèi)容是對那些達不到防洪標(biāo)準(zhǔn)和汛期出現(xiàn)險情的堤防進行整險加固。堤防出險主要是堤基滲透破壞、江河水流沖刷產(chǎn)生崩岸、堤基軟弱產(chǎn)生沉降變形破壞、堤身散浸或脫皮滑坡等;一些堤防的防洪標(biāo)準(zhǔn)不夠,出現(xiàn)子堤擋水或漫堤潰堤等險情。1998年汛期的堤防工程,可謂是八方告急呼救,到處險象環(huán)生。所有出險問題中,與地質(zhì)有直接關(guān)系且隱蔽性最強、危險性最大的是堤基的滲透破壞,牽動全國的九江潰口就是堤基滲透破壞引起的。針對這些情況,在進行工程設(shè)計時,采取的主要措施是提高堤防的防洪標(biāo)準(zhǔn),對已出險的堤段進行必要的加固,例如對易崩岸部位進行拋石護坡,標(biāo)準(zhǔn)不夠的進行加高加固,對堤身滲漏采取錐探灌漿,而對堤基的滲透破壞則除了采取加長加厚鋪蓋外,比較普遍的是對堤基采取垂直防滲措施。堤防工程建設(shè)與地質(zhì)環(huán)境有著十分密切的關(guān)系,地質(zhì)環(huán)境可以影響堤防建設(shè),堤防工程也會反作用于地質(zhì)環(huán)境,帶來新的環(huán)境地質(zhì)問題。
1堤防工程與地質(zhì)環(huán)境的關(guān)系
堤防工程是為了抵御洪、潮水給人類正常活動以及生存環(huán)境帶來的自然災(zāi)害而修建的水利防護工程的總稱。堤防工程的主體是眾所周知的各類擋水堤、墻,而堤上的各類閘、涵、洞、管等穿堤建筑物以及堤防維護、搶險所需的交通和通訊設(shè)施等等,則應(yīng)歸為堤防工程的附屬工程或附屬建筑物。
1.1堤防工程的特點
(1)線路長,分布范圍廣。據(jù)統(tǒng)計,我國已建堤防總長20余萬公里,尚有若干堤防工程正在規(guī)劃和建設(shè)之中,主要分布在各大江大河的干、支流上和各湖泊周圍及沿海一帶。
(2)堤防工程的主體主要是線性水工建筑物,其它附屬建筑物則另當(dāng)別論。
(3)堤防工程的主體—大堤,多為階段性(或臨時性)擋水建筑物,建筑物高度在數(shù)米至十余米之間,并不象大壩一樣是長年擋水的數(shù)十米至數(shù)百米高的集中式樞紐建筑物。
(4)堤防工程的主要附屬建筑物之一是支流(溝)與主流匯合口附近的擋水閘,這種閘往往具有雙向擋水的性質(zhì),這與大壩的受力條件是有區(qū)別的。
(5)堤防工程有嚴(yán)格的等級標(biāo)準(zhǔn),對于特別重要的一級堤防,例如保護江漢平原的荊江大堤,是不允許潰堤的;而一般性的河灘圍堤,在超過設(shè)計洪水時則只好放棄。但是對于大壩而言,基本上是不允許垮壩的,在勘測設(shè)計施工運行的全過程中,均采取十分謹(jǐn)慎的運作策略。
1.2堤防工程所處的地質(zhì)環(huán)境
堤防工程所處的地質(zhì)環(huán)境多為江河沖洪積平原區(qū),地層以第四系沖積、洪積、湖積相為主;堤防工程的地基大多座落在此類沉積相的漫灘和一級階地之上;也有一些堤防工程是在岸邊崗地丘陵區(qū),但不多見;還有一些城市的堤防工程是建在人工填土(雜填土、素填土)之上,例如武漢城區(qū)的部分堤防工程。
就某一地區(qū)或某一河段的堤防工程而言,其所處的地質(zhì)環(huán)境相對比較簡單;從全國范圍內(nèi)的堤防工程來論,其地質(zhì)環(huán)境則相對較為復(fù)雜。長江中下游與黃河中下游的地質(zhì)環(huán)境顯然是不同的;南方河流與北方河流的地質(zhì)環(huán)境也有區(qū)別;湖泊、海堤的地質(zhì)環(huán)境與江河漫灘更是相差甚遠。
堤防工程所處地質(zhì)環(huán)境的一個重要特征是,水文地質(zhì)條件較為簡單,地下水的補排關(guān)系較為明確。江河湖岸地層中的地下水(松散沉積物中的孔隙水,二元結(jié)構(gòu)地層中的承壓水)與江河湖水之間的水力聯(lián)系十分密切,互為階段性的補排關(guān)系。堤防工程所處的江河湖岸既是堤內(nèi)地下水的排泄邊界,又是江河湖水位較高時補給堤內(nèi)地下水的補給邊界。這種邊界條件一旦改變,實際上就是地質(zhì)環(huán)境的改變,這是我們應(yīng)該認真思考的。
1.3堤防工程與地質(zhì)環(huán)境的關(guān)系
堤防工程的特點決定了堤防工程對地質(zhì)環(huán)境有較強的適應(yīng)性,工程雖然規(guī)模巨大,線性工程跨越了不同的工程地質(zhì)單元,地質(zhì)環(huán)境差異較大,但在相同的地質(zhì)環(huán)境和工程地質(zhì)單元上,工程地質(zhì)條件則相對較為簡單,工程地質(zhì)問題也相對較為明確。如果不從環(huán)境地質(zhì)的角度來考慮,單從工程建筑物本身的角度來看,堤防工程并不復(fù)雜。
堤防工程所處的地質(zhì)環(huán)境是客觀存在的現(xiàn)實,由于堤防工程的修建,或者說堤防工程措施的實施,對客觀地質(zhì)環(huán)境的改變是毋庸置疑的。改變了客觀地質(zhì)環(huán)境,會帶來什么樣的環(huán)境地質(zhì)問題,這是我們地質(zhì)師需要認真思考和研究的。忽略了堤防工程的環(huán)境地質(zhì)問題,人類社會肯定要受到大自然的懲罰。
2堤防工程帶來的環(huán)境地質(zhì)問題
堤防工程的三大主要工程地質(zhì)問題:堤基土層在滲流作用下的滲透破壞、堤基為軟土層存在穩(wěn)定問題、岸坡受水流沖刷側(cè)蝕產(chǎn)生崩塌破壞影響大堤安全。針對此三大工程地質(zhì)問題需要采取相應(yīng)的工程處理措施。如果工程處理措施不當(dāng)或?qū)Φ刭|(zhì)環(huán)境的分析不夠,就可能帶來新的環(huán)境地質(zhì)問題。
2.1堤基垂直防滲阻斷地下水的正常排泄引起的環(huán)境地質(zhì)問題
堤基表層為砂性土,或砂性土埋藏較淺,或表層粘性土較薄的二元結(jié)構(gòu)地層,在外江水位高于堤內(nèi)側(cè)地面高程時均將不同程度地存在堤基滲漏問題(實際上,只要外江水位高于堤內(nèi)地下水位時,滲漏就已經(jīng)發(fā)生了)。堤基滲漏并不可怕,對堤基穩(wěn)定影響最大的是滲透破壞。當(dāng)滲透水流坡降大于堤基土體的臨界水力坡降時,滲透破壞就會發(fā)生。工程上對于滲透破壞一般采用鋪蓋(增加上伏粘性土層的厚度,也有延長滲徑的意思)、堤內(nèi)側(cè)設(shè)排水減壓井、淺基截滲墻和垂直防滲帷幕。前三種方法是堤基防滲的傳統(tǒng)工程處理措施,較為適用,多年來的實踐證明效果也是較好的。而最后一種即垂直防滲則是1998大洪水后普遍被提及和宣傳的一種以往很少用于堤防工程(多用于大壩壩基)的防滲措施。
一般說來,江河湖海是區(qū)域性地表水和地下水的最低排泄基準(zhǔn)面,由于堤防工程的興建,地表水將只能通過閘、泵等穿堤建筑物排出堤外;在沒有進行堤基垂直防滲的情況下,地下水仍然能按照區(qū)域性地下水的總體流向,通過最短路徑排向江河湖海中。顯然,當(dāng)實施了一定范圍內(nèi)的連續(xù)性垂直防滲措施后,天然狀態(tài)下的地下水滲流場被人類工程活動改變了,水文地質(zhì)條件發(fā)生了一定程度的變化,有些地方可能發(fā)生了根本性的變化,地下水的排泄通道被阻斷了,它的出路在哪里?地下水沒有了出路,實際上是地質(zhì)環(huán)境的改變,新的環(huán)境地質(zhì)問題將隨之產(chǎn)生。
如果大范圍截斷了地下水的排泄通道,地下水位被雍高之后,或于地表低洼處出溢,形成水塘直接以蒸發(fā)形式與大氣層進行平衡交換;或選擇更大范圍的區(qū)域性的排泄途徑向更遠的排泄基準(zhǔn)面運移。但是無論地下水以何種方式尋找出路,已經(jīng)雍高了的地下水位,使得土地發(fā)生沼澤化或鹽堿化,對農(nóng)作物、建筑物、人類生存環(huán)境的影響將勢在必然。地下水位雍高致使水流不暢,出現(xiàn)水的礦化度升高,水中微生物數(shù)量增多,導(dǎo)致水質(zhì)惡化;由于地下水位的升高,使得建筑物地基,尤其是土基中的含水量增高,甚至達到飽和,使原本能夠滿足建筑物要求的土基的物理力學(xué)指標(biāo)降低,導(dǎo)致建筑物發(fā)生沉降或不均勻沉降,出現(xiàn)失穩(wěn)或開裂。特別是對于一些靠山臨水的地區(qū)(如江西景德鎮(zhèn)、臨川、上饒等城市),大氣降水的相當(dāng)一部分滲入植被覆蓋良好的地下,通過山前沖積平原二元結(jié)構(gòu)的水平徑流區(qū),于河谷岸邊排入天然河道。實施了封閉式的垂直防滲之后,使得這些原來每年僅受數(shù)日洪水威脅的城市將全年都在水中浸泡渡日。這種情況決不是聳人聽聞,據(jù)反映,有些地方已經(jīng)出現(xiàn)了地下水位上升帶來的一系列問題,這是地質(zhì)師們不該掉以輕心。
2.2堤基垂直防滲阻斷江河湖水正常補給地下水引起的環(huán)境地質(zhì)問題
垂直防滲除了截斷地下水排泄通道帶來一系列環(huán)境地質(zhì)問題之外,由于江河湖岸又是附近區(qū)域地下水的補給邊界,沒有了大范圍的地表水的補給,同樣會打破地質(zhì)環(huán)境的平衡,仍然會引起新的另一類的環(huán)境地質(zhì)問題。歸結(jié)起來主要有:
(1)地下水主要靠江河湖水集中補給的一些地區(qū),當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)用水除了靠提或引取江河水之外,另一主要來源是開采地下水。由于截斷了河水向地下水的補給通道,地下水失去了江河湖這一直接補給源,形成只采不補的惡性環(huán)境,必然導(dǎo)致地下水位的下降,影響地下水的正常開采與利用。城市區(qū)的地下水位下降后,有可能引起建筑物基礎(chǔ)應(yīng)力條件的改變,出現(xiàn)建筑物失穩(wěn),地面裂縫和局部塌陷的情況。城區(qū)地下水與江河湖水失去互相補排關(guān)系之后,地下水不能與外系統(tǒng)構(gòu)成循環(huán),必然導(dǎo)致水質(zhì)惡化,新的環(huán)境水文地質(zhì)問題由此而生。
(2)截斷了河水對地下水的補給通道后,致使正常來水量情況下河水位偏高。因為河道沒有了正常向外“滲漏”的條件,實際上是拋棄了江河兩岸天然狀態(tài)下巨大的地下調(diào)節(jié)和分蓄洪水庫,江河水位當(dāng)然要升高了。由于在相同來水量條件下河水位的升高,迫使我們不得不加高堤防,而實際上防洪標(biāo)準(zhǔn)又沒有提高??梢哉f這是一種典型的人為的自作自受,人類自身的作繭自縛,自然生態(tài)環(huán)境的惡性循環(huán)。
堤基汛期滲透破壞與垂直防滲后引起的環(huán)境地質(zhì)問題,本身就是一對矛盾。解決這樣的矛盾,處理好這樣的問題,需要各專業(yè)間的互相配合,認真論證,找出比較符合客觀實際的解決方案,爭取做到防止?jié)B透破壞取得較好的效果,又不至于引起嚴(yán)重的環(huán)境地質(zhì)問題。
2.3開采筑堤建材引起的環(huán)境地質(zhì)問題
堤防工程大多是采用當(dāng)?shù)夭牧现?,其取土原則是:就近開采,盡量不占用或少占用耕地,在堤基安全保護區(qū)范圍之外取土。但是在實施過程中情況并非如此。一種情況是承包單位并未在勘測設(shè)計單位推薦的料場取料,另一種情況是汛期搶險時只能就近取土以解急用,這就可能因主動或被動地開采筑堤料引起一些環(huán)境地質(zhì)問題。
(1)取土點在堤基附近,不在堤基安全保護區(qū)以外。由于取土,人為地破壞了天然的防滲鋪蓋,縮短了滲徑,改變了可以安全抵御洪水的天然水文地質(zhì)環(huán)境,增加了堤防出險的可能性。
(2)取土點雖然在堤基安全保護區(qū)以外,但由于堤防附近并沒有料場,不得不將農(nóng)田作為料場,開采時未留下保護層,其結(jié)果是雖然保住了堤防,但也會造成大片農(nóng)田被破壞,而且不易復(fù)耕,可能產(chǎn)生土地砂化,使本來就有限的土地人為地減少。
(3)堤防所需的塊石料大多是開山采取,采石過程中除了施工影響外,還由于人們在開采時并沒有實施多少保護措施,山上的植被受到嚴(yán)重破壞,開采的石料和棄土被任意堆放,尤其是堆放在溝谷中的棄渣在暴雨期極易引起水土流失,可能形成泥石流,造成新的地質(zhì)災(zāi)害。
(4)筑堤所需的砂礫石,基本上是從河漫灘中開采的,如果不按設(shè)計要求進行開采,可能形成河道起伏不平,糙率增大,影響河水流態(tài),從而改變河勢,造成河道變遷,引起新的問題。
以上情況均為開采天然建材時,沒有環(huán)境保護意識而造成的,雖然人們已經(jīng)注意到此類問題,但由于各地情況不同,這種現(xiàn)象在一段時間內(nèi)還會長期存在,應(yīng)該繼續(xù)予以關(guān)注。
2.4堤防工程可能引起的其它環(huán)境地質(zhì)問題
汛期堤內(nèi)低洼淵塘常常發(fā)生險情,且早期不易被及時發(fā)現(xiàn),當(dāng)發(fā)生冒泡噴水時也不易準(zhǔn)確判斷其滲漏性質(zhì),只好按最壞險情進行搶險,增大了搶險工作量和搶險難度。為了減輕汛期搶險壓力,堤內(nèi)淵塘一般按規(guī)范要求應(yīng)進行填平處理,以確保堤腳一定范圍內(nèi)不產(chǎn)生險情隱患。然而,所有淵塘填平之后,也堵塞了地下水的排瀉出口,會給堤內(nèi)帶來什么樣的環(huán)境地質(zhì)問題,還有待研究,并需要時間和實踐去檢驗。
3關(guān)于避免堤防工程引起環(huán)境地質(zhì)問題的原則
為了保護堤防,也為了使自然環(huán)境不被人為的破壞,在加固或新建堤防時,首先要有環(huán)境意識,這是方案擬定和正確決策的基礎(chǔ)。各類堤防工程方案在實施過程中,應(yīng)注意幾個原則:
(1)對需加固的堤防應(yīng)盡量利用天然鋪蓋或加長加厚鋪蓋,堤后設(shè)置減壓井和排水溝等措施來處理滲透破壞問題;對于險工險段或砂性土堤基段,可根據(jù)實際地質(zhì)條件適當(dāng)考慮垂直防滲措施,但決不可以在大范圍內(nèi)對全堤線進行大規(guī)模垂直防滲,即使局部堤段采取了垂直防滲,也應(yīng)認真研究由此而引起的環(huán)境地質(zhì)問題,提出解決方案。
(2)對于堤防附近無料可取而必需占用耕地的,應(yīng)在取土?xí)r對取土深度科學(xué)地確定,留有一定厚度的可植層以備復(fù)耕。
(3)河道內(nèi)取料應(yīng)盡量在主河槽內(nèi),且開挖深度高差不宜過大,在河道彎曲和狹窄段不宜開采。
(4)開挖塊石料應(yīng)盡量少破壞表層植被,開采棄渣料應(yīng)有固定的堆放場地。
4結(jié)語
堤防工程的建設(shè),不同程度地改變和破壞了自然環(huán)境,某些后果可能比堤毀更為嚴(yán)重,而且不易恢復(fù)。有些問題需要在一定的時間后才能顯現(xiàn)出來,故不易引起人們的重視。就防止堤基滲透破壞的工程措施而言,垂直防滲的目的較為明確,是人們普遍看好且容易接受的方案之一,但其效果并不理想。從長江干堤除險加固工程滲流試驗結(jié)果來看,懸掛式垂直防滲降低水力坡降僅為1%~10%,且造價高。而垂直防滲帶來的一系列環(huán)境地質(zhì)問題將是長期深遠的,必須引起我們的足夠重視。
本文所論述的地質(zhì)環(huán)境破壞情況僅為昭示環(huán)境保護的重要性。堤防的安全事關(guān)重大,不容輕視。我們所希望的是在加固或修筑堤防時,應(yīng)該有環(huán)境保護意識。眾所周知,由于江河流域上游植被的破壞,水土流失嚴(yán)重,河水含砂量增加,導(dǎo)致中下游河道淤積,一些河流正在朝著懸河的方向發(fā)展,尤其是長江、黃河這兩條母親河,流域性的大洪水對人類生存環(huán)境的威協(xié)日益嚴(yán)重,相同來水量下的江河水位越來越高,僅靠被動地加高加固堤防并不能解決根本性問題。人類與洪水戰(zhàn)斗的宏偉目標(biāo)應(yīng)該賦以新的內(nèi)涵,提出代表人類智慧的新思路?,F(xiàn)在和今后長期要做的工作是加強全民的環(huán)保意識,以維護整個大環(huán)境系統(tǒng)為目標(biāo),以保護區(qū)域環(huán)境為目的,研究出臺相應(yīng)的方針政策。就目前而言,國務(wù)院出臺的“整治河道、退耕還林、退田還湖、平垸行洪”十六字方針就是最好的根治洪患的策略和大政方針。
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