中俄黑龍江大橋地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征

成勝權(quán)

(黑龍江省公路勘察設(shè)計(jì)院,哈爾濱 150080)

中俄合建黑河——布拉戈維申斯克(俄羅斯)黑龍江公路大橋(以下簡(jiǎn)稱(chēng)黑龍江公路大橋),地處歐亞大通道的咽喉要塞,在此建設(shè)黑龍江公路大橋,將開(kāi)辟?lài)?guó)際運(yùn)輸通道。

黑龍江公路大橋位于黑河市東南約7 km的長(zhǎng)發(fā)屯與俄方卡尼庫(kù)爾干村之間的河道上。主橋全長(zhǎng)1085.8 m,引橋全長(zhǎng) 204.8 m,引道全長(zhǎng) 6200 m,為合資共建項(xiàng)目。

1 地貌特征

黑龍江大橋所在區(qū)域位于黑龍江的中、上游,地貌部位處于烏云結(jié)亞盆地邊緣與小興安嶺的過(guò)渡地帶。地形平坦開(kāi)闊,河道蜿蜒曲折,牛軛湖及古河道較為發(fā)育,第四系巖相變化較大,地下水、地表水水力聯(lián)系密切(表1)。

2 地質(zhì)災(zāi)害的影響因素及發(fā)育規(guī)律

2.1 凍土凍脹凍融及軟土觸變凍土凍脹凍融及軟土觸變?yōu)暮捌湫纬蓹C(jī)制

研究區(qū)屬季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū),季節(jié)性?xún)鐾林饕鞘芗竟?jié)影響,呈周期性?xún)鼋Y(jié)融化。冬季地基土凍脹,夏季融化沉陷,多年周而復(fù)始地循環(huán),對(duì)基礎(chǔ)的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。每年9月末10月初開(kāi)始凍結(jié),翌年6月末或7月上旬全部融化。區(qū)內(nèi)季節(jié)性?xún)鐾潦职l(fā)育,該區(qū)標(biāo)準(zhǔn)凍深為2.5 m,凍土的凍融現(xiàn)象十分普遍。其原因是由于負(fù)溫度的作用,產(chǎn)生水分遷移現(xiàn)象,冬季開(kāi)始土層由上向下凍結(jié),聚凍層下部的水分在結(jié)晶力和滲透壓力差(吸引力)的綜合作用下,以薄膜水和毛細(xì)作用的移動(dòng)方式不斷向上聚積,聚積層增厚,并發(fā)展成多層次,凍結(jié)時(shí)土體增大、土層隆起,造成地面凍脹、開(kāi)裂,春融季節(jié)隨著氣溫的回升,地基土逐漸解凍,水分滯留在上部,使土層飽和和軟化,強(qiáng)度降低而產(chǎn)生融陷現(xiàn)象,從而導(dǎo)致建筑物基礎(chǔ)開(kāi)裂變形。據(jù)大橋勘察資料,橋位區(qū)域第3層粉質(zhì)黏土,棕褐色,硬塑性,局部夾1～10 cm粉砂夾層,從凍脹程度看,這一地層為強(qiáng)凍脹層,其物理特征:天然含水率21%～33%,密度1.76～2.00 g/cm3,液性指數(shù)0～0.64。

軟土即粉質(zhì)黏土及淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。根據(jù)勘查資料及實(shí)地調(diào)查,區(qū)內(nèi)二公河河谷兩側(cè)地表巖性主要為粉質(zhì)黏土,厚度1～2.5 m;在古河道和沼澤濕地中,也廣泛發(fā)育有淤泥質(zhì)軟土層,兩者均具高壓縮性,軟塑——可塑狀態(tài),且承載力極低,使橋梁引道地基穩(wěn)定性減弱。

表1 地貌分區(qū)表Table1 Physiognomy classification

研究區(qū)為季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū),由于季節(jié)性?xún)鐾恋膬鼋Y(jié)融化,土體產(chǎn)生凍脹融陷,在橋梁及道路施工過(guò)程中,如施工方法不當(dāng)(排水不當(dāng)、基礎(chǔ)下臥深度不夠),均可加劇凍脹融陷災(zāi)害而破壞基礎(chǔ)的穩(wěn)定性[1]。該災(zāi)害在引道280 m的土體堤壩處發(fā)生的可能性較大。因該壩體為土壩,存在季節(jié)性土體凍脹,而易使壩體凍裂、變形,破壞壩基、壩體[2]。

2.2 水土流失災(zāi)害及其形成機(jī)制

產(chǎn)生水土流失的原因有自然因素和人為因素。自然因素主要包括降水、地形、植被、土壤、風(fēng)力等;人為因素是指人們不合理的資源開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)及建設(shè)活動(dòng)。研究區(qū)雖然位于河谷平原區(qū)及沖洪積扇地區(qū),與低山丘陵區(qū)較近,該區(qū)地形平坦開(kāi)闊,水土流失主要表現(xiàn)在重力侵蝕和風(fēng)蝕。在江岸一側(cè),在水的重力作用下,岸邊巖土體沖刷嚴(yán)重,導(dǎo)致土地資源不斷沖刷而逐漸減少;在一級(jí)階地前緣及沖洪積扇地帶,受地形等因素影響,在降雨的作用下,地表徑流較快,水土流失較重。加之低山丘陵區(qū)對(duì)地表植被保護(hù)不夠,使大量的森林被砍伐破壞、過(guò)火燒毀,造成地表植被減少,大量的表土被席卷帶入支流匯入黑龍江,使地表土地貧脊,養(yǎng)分降低,加劇水土流失。

隨著土地利用率的提高,河谷平原區(qū)也多被墾植為農(nóng)田,雖一年一作,但生長(zhǎng)期短,致使地表植被覆蓋率下降,水土流失加劇。本區(qū)水土流失主要分布于一級(jí)階地前緣、沖洪積扇等地,如沿二公河兩側(cè)水土流失較嚴(yán)重。人為的挖砂取土,已形成大小不等、形狀不同的取土坑,并給當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境帶來(lái)一定的影響。在施工中應(yīng)提高對(duì)環(huán)境的保護(hù)意識(shí),盡量減小對(duì)周?chē)h(huán)境的影響和破壞,是可以把地質(zhì)環(huán)境的影響程度降到最低。

2.3 江岸侵蝕塌岸災(zāi)害及其形成機(jī)制

江岸侵蝕塌岸災(zāi)害是在自然地理因素、地質(zhì)因素及人為因素的綜合影響下形成的,特別是土岸,在上述3種因素的影響下,更易形成塌岸災(zāi)害,現(xiàn)分別敘述如下:

2.3.1 自然地理因素

自然地理因素主要包括地球自轉(zhuǎn)形成的科氏力的影響、河流對(duì)岸邊的侵蝕作用、風(fēng)浪的侵蝕作用、暴雨侵蝕作用及凍融作用的影響。

由于地球自轉(zhuǎn)的影響,地球上運(yùn)動(dòng)的物體,受到一種加速度的作用,使它運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這種加速度稱(chēng)為科氏力加速度,由其產(chǎn)生的慣性力,稱(chēng)為科氏力?？剖狭σ鹇菪鞯膹?qiáng)度,與彎道水流離心力相比可以是同一數(shù)量級(jí)的。如黑龍江江段,表現(xiàn)的很明顯。

由此可見(jiàn),科氏力也能極大地影響河流的側(cè)蝕作用。

河流具有侵蝕、搬運(yùn)和堆積作用,河流動(dòng)能的大小與流量和流速的平方成正比,即流量流速越大,河流的動(dòng)能也越大,其侵蝕搬運(yùn)能力也越強(qiáng)。所以汛期洪水對(duì)江岸的侵蝕塌岸最為強(qiáng)烈。

河流侵蝕作用的方向,可分為下蝕作用和側(cè)蝕作用兩種。河流的側(cè)蝕作用是產(chǎn)生塌岸的主要外營(yíng)力。側(cè)蝕作用產(chǎn)生的原因,主要是河道彎曲處產(chǎn)生的橫向環(huán)流引起的。橫向環(huán)流在凹岸順坡向下流動(dòng),不斷對(duì)凹岸進(jìn)行沖蝕和磨蝕,掏空岸坡的下部,上部巖土體失去支撐而塌岸。

風(fēng)浪在江岸的侵蝕和堆積過(guò)程中都起著重要的作用。它通過(guò)沖刷、研磨作用,使江岸逐漸后退。風(fēng)浪對(duì)土體江岸的侵蝕塌岸是迅速和明顯的。對(duì)巖體江岸也有一定的侵蝕作用,尤其是節(jié)理裂隙發(fā)育和層狀巖體的江岸,風(fēng)浪侵蝕作用強(qiáng)烈。

暴雨主要發(fā)生在7～8月,持續(xù)時(shí)間2～3 d。此時(shí)間季節(jié)性?xún)鐾寥咳诨?土體江岸強(qiáng)度降低,有利于暴雨的侵蝕塌岸作用順利進(jìn)行。

凍土冬季凍結(jié),夏季融化,凍結(jié)與融化是有季節(jié)性的,土的凍結(jié)過(guò)程,不單是土體原有水分的凍結(jié),還有尚不凍結(jié)的土層中水向凍結(jié)土層遷移而凍結(jié)。下部未凍結(jié)土層中水在毛細(xì)作用下,向上部?jī)鼋Y(jié)層不斷遷移而富集,并凍結(jié)成冰。黑龍江中、上游段地處中緯度區(qū),土體上部主要由粉砂、粉土及粉質(zhì)黏土組成,天然含水率較高,具有強(qiáng)凍脹性,因此,由于反復(fù)的凍結(jié)融化作用,使土體產(chǎn)生凍脹變形,發(fā)生崩解塌岸,使江岸遭到破壞。

2.3.2 地質(zhì)因素

地質(zhì)因素對(duì)塌岸的影響主要表現(xiàn)在新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、江岸巖土體類(lèi)型及地下水作用3種類(lèi)型。

通常把發(fā)生在新第三紀(jì)和第四紀(jì)地殼運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。由于新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是出現(xiàn)在地質(zhì)發(fā)展歷史的最新階段,所以新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的結(jié)果就直接表現(xiàn)在現(xiàn)代地形上。地殼振蕩運(yùn)動(dòng)可以引起河流的變遷,徑流狀況的變化以及侵蝕強(qiáng)度的變化。構(gòu)造與侵蝕相互作用的結(jié)果基本上取決于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的速度、侵蝕的強(qiáng)度以及巖土體的抗侵蝕能力。

黑龍江河谷區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)侵蝕塌岸作用也較強(qiáng)烈,山區(qū)以間歇性上升為主,河流下蝕作用強(qiáng)烈,沉積、側(cè)蝕塌岸作用較弱。加之江岸上部土體結(jié)構(gòu)松散,分選差,可見(jiàn)厚度＞8.6 m,承載力特征值100 kPa,在江水的侵蝕下極易發(fā)生塌岸。

地下水對(duì)塌岸的影響主要是地下水的機(jī)械潛蝕作用,潛蝕是指在地下水流的長(zhǎng)期作用下,產(chǎn)生巖土體中細(xì)小顆粒的位移和掏空現(xiàn)象。黑龍江上游土體江岸的結(jié)構(gòu)為:上部為粉砂、細(xì)砂、粉土、粉質(zhì)黏土,厚度1.0～8.7 m;下部為圓礫或礫砂,厚度＞8.6 m。此層為主要含水層,地下水補(bǔ)、徑、排條件好,循環(huán)交替強(qiáng)烈,地下水位變幅較大,因此,引起土體江岸的塌岸現(xiàn)象。

2.3.3 人為因素

人為因素主要表現(xiàn)在植被破壞、亂開(kāi)耕地、亂挖濫采黏土、砂石、船行波的影響等。

由于人類(lèi)的亂砍亂伐,開(kāi)荒種地,使沿江植被嚴(yán)重破壞,尤其是土體江岸的植被破壞更為嚴(yán)重,取而代之的是耕作植被。致使生態(tài)平衡失調(diào),環(huán)境質(zhì)量下降,抵御自然災(zāi)害的能力減弱,塌岸速度加快,國(guó)土流失嚴(yán)重。黑龍江沿岸地帶均被開(kāi)墾為耕地,甚至防洪堤內(nèi)近岸地帶,也開(kāi)墾為耕地。造成天然植被覆蓋率下降,使原為土體的江岸,更降低了其整體護(hù)岸能力,從而加速了塌岸的速度和規(guī)模;亂挖濫采黏土、砂石,特別是沿江岸亂采濫挖砂石,尤其是近岸地帶及靠近堤壩的地方由于亂采濫挖砂石,已造成嚴(yán)重的塌岸災(zāi)害。

船行波的影響,其侵蝕作用類(lèi)似于風(fēng)浪的侵蝕,對(duì)江岸也產(chǎn)生沖刷掏蝕而產(chǎn)生塌岸,尤其是在高水位期行駛時(shí),其航速越快,所形成的船行波就越來(lái)越大,對(duì)土體江岸產(chǎn)生的侵蝕也更為強(qiáng)烈,加速了江岸的塌岸速度。

綜上所述,黑龍江塌岸地質(zhì)災(zāi)害是在特定的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造及氣候水文條件下產(chǎn)生的。其影響因素是多方面的,但不外乎是自然因素和人為因素兩大類(lèi)。這些因素相互影響,相互作用,聯(lián)系極其密切。在自然因素中,有的因素是要經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)期才能顯現(xiàn)出來(lái)的,如新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響,有的因素是相對(duì)穩(wěn)定的因素,如巖土體結(jié)構(gòu)、科氏力、重力作用等;有的因素是呈周期性變化的,如河流侵蝕、暴雨沖刷、凍融作用、風(fēng)浪作用、地下水作用等。周期性因素是影響塌岸的主要因素,但最主要的影響因素是河流的侵蝕作用,尤其是高水位期河流的侵蝕作用。相對(duì)穩(wěn)定的因素是影響塌岸的基本因素,其中最基本的因素是科氏力和江岸的巖土體結(jié)構(gòu)。黑龍江由于受水流、冰凌、風(fēng)浪沖刷及人類(lèi)活動(dòng)影響,造成河道塌岸,如順直微彎型河段,深泓線靠近江岸一側(cè)產(chǎn)生侵蝕,但一般強(qiáng)度較小;凹岸江段沖刷嚴(yán)重,特別是彎頂以下段侵蝕強(qiáng)度大,而且豐水期比枯水期嚴(yán)重,黑河——嘉蔭段平均塌岸5～8 m/a。年久的塌岸造成河道變遷,最終將危害沿江各類(lèi)工程建設(shè)。

3 建議措施

1)在工程施工中應(yīng)當(dāng)注意保護(hù)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境,盡量減少因施工對(duì)地表植被的破壞范圍與程度,在引道、引橋兩側(cè)種植防護(hù)林帶,有利于吸收、阻擋風(fēng)沙,美化環(huán)境,同時(shí)應(yīng)防止因就地挖土、路基基礎(chǔ)水泥混凝土的灌注而破壞凍土的穩(wěn)定性及地表水體與地下水體的污染。

2)區(qū)內(nèi)水土流失災(zāi)害較嚴(yán)重,在施工過(guò)程中及工程建成后,對(duì)引橋、引道兩側(cè)水土流失、挖掘土方后的裸露地面要盡快恢復(fù)原始狀態(tài),因此,在施工中及工程完成后都應(yīng)注重水土保持工作。

3)本項(xiàng)目沿線地質(zhì)地貌條件較復(fù)雜,地形起伏相對(duì)較大,在公路、橋梁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)報(bào)告中所指出的地質(zhì)災(zāi)害引起重視,采取合理有效的防治措施,以達(dá)到防治災(zāi)害、減少損失、保證工程質(zhì)量的目的。

[1]周平根,唐 燦,王思敬,等.人類(lèi)活動(dòng)與誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害[J].科學(xué)對(duì)社會(huì)的影響,1998,(1):14-19.

[2]馬寅生,張業(yè)成.地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的理論與方法[J].地質(zhì)力學(xué)學(xué)報(bào),2004,10(1):7-18.

[3]王得楷.建設(shè)用地地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估技術(shù)探討[J].地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),2002,(4):94-98.

[4]國(guó)土資源部地質(zhì)環(huán)境司.地質(zhì)災(zāi)害防治條例[M].北京:中國(guó)大地出版社,2004.