工程環境地質分析論文

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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，國家投入了大量人力物力進行堤防工程建設。堤防工程建設的主要內容是對那些達不到防洪標準和汛期出現險情的堤防進行整險加固。堤防出險主要是堤基滲透破壞、江河水流沖刷產生崩岸、堤基軟弱產生沉降變形破壞、堤身散浸或脫皮滑坡等；一些堤防的防洪標準不夠，出現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，到處險象環生。所有出險問題中，與地質有直接關系且隱蔽性最強、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，在進行工程設計時，采取的主要措施是提高堤防的防洪標準，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，標準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。堤防工程建設與地質環境有著十分密切的關系，地質環境可以影響堤防建設，堤防工程也會反作用于地質環境，帶來新的環境地質問題。

1堤防工程與地質環境的關系

堤防工程是為了抵御洪、潮水給人類正常活動以及生存環境帶來的自然災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施等等，則應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。據統計，我國已建堤防總長20余萬公里，尚有若干堤防工程正在規劃和建設之中，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，建筑物高度在數米至十余米之間，并不象大壩一樣是長年擋水的數十米至數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，這與大壩的受力條件是有區別的。

(5)堤防工程有嚴格的等級標準，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，在勘測設計施工運行的全過程中，均采取十分謹慎的運作策略。

1.2堤防工程所處的地質環境

堤防工程所處的地質環境多為江河沖洪積平原區，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，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，例如武漢城區的部分堤防工程。

就某一地區或某一河段的堤防工程而言，其所處的地質環境相對比較簡單；從全國范圍內的堤防工程來論，其地質環境則相對較為復雜。長江中下游與黃河中下游的地質環境顯然是不同的；南方河流與北方河流的地質環境也有區別；湖泊、海堤的地質環境與江河漫灘更是相差甚遠。

堤防工程所處地質環境的一個重要特征是，水文地質條件較為簡單，地下水的補排關系較為明確。江河湖岸地層中的地下水(松散沉積物中的孔隙水，二元結構地層中的承壓水)與江河湖水之間的水力聯系十分密切，互為階段性的補排關系。堤防工程所處的江河湖岸既是堤內地下水的排泄邊界，又是江河湖水位較高時補給堤內地下水的補給邊界。這種邊界條件一旦改變，實際上就是地質環境的改變，這是我們應該認真思考的。

1.3堤防工程與地質環境的關系

堤防工程的特點決定了堤防工程對地質環境有較強的適應性，工程雖然規模巨大，線性工程跨越了不同的工程地質單元，地質環境差異較大，但在相同的地質環境和工程地質單元上，工程地質條件則相對較為簡單，工程地質問題也相對較為明確。如果不從環境地質的角度來考慮，單從工程建筑物本身的角度來看，堤防工程并不復雜。

堤防工程所處的地質環境是客觀存在的現實，由于堤防工程的修建，或者說堤防工程措施的實施，對客觀地質環境的改變是毋庸置疑的。改變了客觀地質環境，會帶來什么樣的環境地質問題，這是我們地質師需要認真思考和研究的。忽略了堤防工程的環境地質問題，人類社會肯定要受到大自然的懲罰。

2堤防工程帶來的環境地質問題

堤防工程的三大主要工程地質問題：堤基土層在滲流作用下的滲透破壞、堤基為軟土層存在穩定問題、岸坡受水流沖刷側蝕產生崩塌破壞影響大堤安全。針對此三大工程地質問題需要采取相應的工程處理措施。如果工程處理措施不當或對地質環境的分析不夠，就可能帶來新的環境地質問題。

2.1堤基垂直防滲阻斷地下水的正常排泄引起的環境地質問題

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構地層，在外江水位高于堤內側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地下水位時，滲漏就已經發生了)。堤基滲漏并不可怕，對堤基穩定影響最大的是滲透破壞。當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)、堤內側設排水減壓井、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，江河湖海是區域性地表水和地下水的最低排泄基準面，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，當實施了一定范圍內的連續性垂直防滲措施后，天然狀態下的地下水滲流場被人類工程活動改變了，水文地質條件發生了一定程度的變化，有些地方可能發生了根本性的變化，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，實際上是地質環境的改變，新的環境地質問題將隨之產生。

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形式與大氣層進行平衡交換；或選擇更大范圍的區域性的排泄途徑向更遠的排泄基準面運移。但是無論地下水以何種方式尋找出路，已經雍高了的地下水位，使得土地發生沼澤化或鹽堿化，對農作物、建筑物、人類生存環境的影響將勢在必然。地下水位雍高致使水流不暢，出現水的礦化度升高，水中微生物數量增多，導致水質惡化；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指標降低，導致建筑物發生沉降或不均勻沉降，出現失穩或開裂。特別是對于一些靠山臨水的地區(如江西景德鎮、臨川、上饒等城市)，大氣降水的相當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構的水平徑流區，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，據反映，有些地方已經出現了地下水位上升帶來的一系列問題，這是地質師們不該掉以輕心。

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境地質問題

垂直防滲除了截斷地下水排泄通道帶來一系列環境地質問題之外，由于江河湖岸又是附近區域地下水的補給邊界，沒有了大范圍的地表水的補給，同樣會打破地質環境的平衡，仍然會引起新的另一類的環境地質問題。歸結起來主要有：

(1)地下水主要靠江河湖水集中補給的一些地區，當地工農業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境，必然導致地下水位的下降，影響地下水的正常開采與利用。城市區的地下水位下降后，有可能引起建筑物基礎應力條件的改變，出現建筑物失穩，地面裂縫和局部塌陷的情況。城區地下水與江河湖水失去互相補排關系之后，地下水不能與外系統構成循環，必然導致水質惡化，新的環境水文地質問題由此而生。

(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下巨大的地下調節和分蓄洪水庫，江河水位當然要升高了。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，而實際上防洪標準又沒有提高。可以說這是一種典型的人為的自作自受，人類自身的作繭自縛，自然生態環境的惡性循環。

堤基汛期滲透破壞與垂直防滲后引起的環境地質問題，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，爭取做到防止滲透破壞取得較好的效果，又不至于引起嚴重的環境地質問題。

2.3開采筑堤建材引起的環境地質問題

堤防工程大多是采用當地材料筑堤，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境地質問題。

(1)取土點在堤基附近，不在堤基安全保護區以外。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環境，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以外，但由于堤防附近并沒有料場，不得不將農田作為料場，開采時未留下保護層，其結果是雖然保住了堤防，但也會造成大片農田被破壞，而且不易復耕，可能產生土地砂化，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，造成新的地質災害。

(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，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，沒有環境保護意識而造成的，雖然人們已經注意到此類問題，但由于各地情況不同，這種現象在一段時間內還會長期存在，應該繼續予以關注。

2.4堤防工程可能引起的其它環境地質問題

汛期堤內低洼淵塘常常發生險情，且早期不易被及時發現，當發生冒泡噴水時也不易準確判斷其滲漏性質，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，堤內淵塘一般按規范要求應進行填平處理，以確保堤腳一定范圍內不產生險情隱患。然而，所有淵塘填平之后，也堵塞了地下水的排瀉出口，會給堤內帶來什么樣的環境地質問題，還有待研究，并需要時間和實踐去檢驗。

3關于避免堤防工程引起環境地質問題的原則

為了保護堤防，也為了使自然環境不被人為的破壞，在加固或新建堤防時，首先要有環境意識，這是方案擬定和正確決策的基礎。各類堤防工程方案在實施過程中，應注意幾個原則：

(1)對需加固的堤防應盡量利用天然鋪蓋或加長加厚鋪蓋，堤后設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，可根據實際地質條件適當考慮垂直防滲措施，但決不可以在大范圍內對全堤線進行大規模垂直防滲，即使局部堤段采取了垂直防滲，也應認真研究由此而引起的環境地質問題，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，應在取土時對取土深度科學地確定，留有一定厚度的可植層以備復耕。

(3)河道內取料應盡量在主河槽內，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)開挖塊石料應盡量少破壞表層植被，開采棄渣料應有固定的堆放場地。

4結語

堤防工程的建設，不同程度地改變和破壞了自然環境，某些后果可能比堤毀更為嚴重，而且不易恢復。有些問題需要在一定的時間后才能顯現出來，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境地質問題將是長期深遠的，必須引起我們的足夠重視。

本文所論述的地質環境破壞情況僅為昭示環境保護的重要性。堤防的安全事關重大，不容輕視。我們所希望的是在加固或修筑堤防時，應該有環境保護意識。眾所周知，由于江河流域上游植被的破壞，水土流失嚴重，河水含砂量增加，導致中下游河道淤積，一些河流正在朝著懸河的方向發展，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境的威協日益嚴重，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。人類與洪水戰斗的宏偉目標應該賦以新的內涵，提出代表人類智慧的新思路。現在和今后長期要做的工作是加強全民的環保意識，以維護整個大環境系統為目標，以保護區域環境為目的，研究出臺相應的方針政策。就目前而言，國務院出臺的“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。