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[论文] 论河港的环境岩土工程

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发表于 2011-10-27 07:49 | 显示全部楼层 |阅读模式
论河港的环境岩土工程
1.安徽省交通勘察设计院,安徽 合肥 2300112.安徽工程勘察院,安徽 合肥 230011
要:本文简要介绍了环境岩土工程的概念及其研究意义,从大环境和小环境两个方面分析了河港工程建设中的环境岩土工程,并探讨了河港环境岩土工程的研究思路和方法。
关键词:河港;大环境岩土工程;小环境岩土工程
中图分类号:             文献标识码:B        文章编号:
Environmental Geotechnics of Harbor
WANG Jian-feng1,ZUO Dun-nan1,LIU Quan-sheng2
(1. Anhui Province Survey and Design Institute for Port & Water,Hefei 230011,China;
2. Anhui Province Engineering Survey InstituteHefei 230011,China)
Abstract: The article briefly introduces conceptions and significances of environmental geotechnics,analyzes environmental geotechnics of Harbor,s engineering constructions  from  macroenvironmental geotechnics and  microenvironmental geotechnics two aspects,and disusses mentality and methods of studying environmental geotechnics.
Key word: harbor; macroenvironmental geotechnics; microenvironmental geotechnics
1  前言
随着我国经济建设的不断发展、国家经济实力的逐渐增强和居民生活水平的逐步提高,人们对环境的要求也越来越高,我国目前面临严峻的环境保护与治理工作。作为国民经济建设重要组成部分的河港工程建设中引发的一系列的环境保护与治理工作也日益受到人们的关注,而对河港环境岩土工程的研究将得到社会的支持,也是社会发展的需要。
2  环境岩土工程的概念及其研究意义
环境岩土工程是岩土工程与环境科学密切结合的一门新兴学科,是研究应用岩土工程的概念、技术和方法进行环境保护与治理的学科。环境岩土工程研究的内容大致可以分为两大类:第一类称为大环境岩土工程,即国内通常称之的地质灾害防治工程,主要指用岩土工程的方法抵御由于自然地质作用引起的环境破坏,例如抗滑坡、泥石流、洪水、地震等工程;第二类称为小环境岩土工程,又可分为两小类,第一小类为由人类生活、生产活动引起的环境岩土工程;第二小类为由人类工程活动引起的环境岩土工程,例如打桩时挤土、振动、噪音的处理、深基坑开挖时降水引起的边坡位移的处理工程等。从学科性质上说,环境岩土工程既是提供理论基础的学科,又是直接改造客观世界的工程技术。
目前政府官员和公众一般理解和重视的环境问题,仅是指“环境污染(大气、水、固体废物、噪音等污染)问题和生态环境破坏问题”。而这些仅是狭义环境问题的概念。自然环境不仅包括上述狭义的环境,而且包括地质(岩土)环境。作为地球表层圈的动态系统,地质(岩土)环境十分活跃,因为随着人类社会的发展,工程建设规模越来越大,或一些以前认为不适宜进行工程建设的场地作为了工程建设场地,灾害的防治以及人类生产、生活、工程活动对地质(岩土)环境的扰动及其影响已超出污染的范畴,所以有必要从环境保护的高度,将地质灾害、人类生产、生活、工程活动引起的“环境岩土工程”与“污染和生态破坏”等价起来,作为人类面临的两类环境问题,对之进行系统的研究并进行保护与治理。这对深化环境问题的认识、加强环境保护与治理、推动环境科学的发展和促进我国经济平稳较快持续发展都有重要意义。
3港口环境岩土工程
环境岩土工程自20世纪80年代以来得到了迅速发展,而河港环境岩土工程的研究起步较晚。以前在港口规划选址、港口岸坡稳定性方面作了一些有关领域的研究,但其研究的深度和广度有待进一步提高,尤其是在应用河港环境岩土工程的概念、技术和方法分析与评价河港因人类生产及工程活动引起的环境保护与治理等方面尚未作过比较系统的总结。进入21世纪以来,我国港口的工程建设处于大发展时期,河港工程建设对环境的影响越来越明显,因此对河港环境岩土工程进行探讨具有一定的现实意义。
3.1 河港大环境岩土工程
河流的空间跨度很大,以长江为例,其可航河道在3000公里以上。河港因其所处地域的不同,具有不同的地质(岩土)环境:从地形地貌上看,上游河港大多背靠中低山丘,后方陆域场区狭窄,码头区系冲刷强烈的砾卵石河漫滩及岩质河床;中下游河港多以阶地或河漫滩为陆域,以平缓宽阔的河床为码头区,在河漫滩的背后常见古河道遗迹和低洼沼泽地形。河港的岩土特性一般表现为上游基岩裸露,覆盖层厚度起伏较大,码头区常见卵石漂石和粗粒砂土,陆域场区以年代较老的粘性土和粗粒砂土为主;中下游基岩埋藏较深,第四系全新统土层较厚,尤以赋存较厚的软土层和细粒砂土为特点。上游河港区域地质构造普遍比较发育,地壳相对上升,新构造运动比较显现;中下游河港多为隐伏构造,地壳运动相对均衡与稳定。上游河港地下水埋藏较深,对场区建筑影响较小,中下游河港地下水普遍较浅,动态变化较大,它对港区工程影响较大,常出现流砂、管涌现象,在吹填砂土地区尤为明显。此外,在一些河流中下游常见一些隐伏岩溶地形,它对码头桩基的设计与施工影响很大,在几米间距的范围内基岩面落差达十余米。河港正是由于这些复杂的地质(岩土)环境的存在,引发了一系列大环境岩土工程。
3.1.1 滑坡引起的环境岩土工程
河流上游流域在长期的发展演化过程中往往形成了许许多多间歇性的古滑坡、纵横交错的冲沟以及河水冲刷的陡峻岸坡,这些地质(岩土)环境往往在一定的条件作用下形成(或者复活)滑坡;中下游河流在枯水季节,由于河水变化,组成岸坡的软土层天然容重明显增大,而软土层中孔隙水排泄不畅,容易形成软土滑坡。对滑坡的防治,常用的工程类别有支挡、减载、加固和排水工程等。
3.1.2 泥石流引起的环境岩土工程
在河流的上游,由于暴雨山洪的冲蚀作用,常在岸边斜坡地带形成松散的冲洪积物堆积区,从而诱发泥石流。这种情况在黄河上游尤为常见,黄河上游水土流失现象相当严重,向源侵蚀的冲沟常切割到下部基岩,大量的黄土层在暴雨的冲蚀下以泥石流的方式输入沟谷,在沟底形成开阔的松散堆积谷地,随着堆积物的增多,在又一次暴雨季节期间常常酿成大规模的泥石流的产生。对泥石流的防治工程,常见的有拦截、疏导和防护工程。
3.1.3 崩岸引起的环境岩土工程
依动力作用特征,崩岸形式有流水冲蚀崩岸、地下水渗流变形崩岸和风浪洗蚀崩岸三大类型。河流崩岸主要发生在洪峰过后的河水回落与次年洪水前之间的平、枯水期。原因是高洪水期河水的侧压力和浮力对岸坡起到保护作用,而低水位期地下水的渗透变形作用对崩岸生成和发展起到诱导和加剧作用。解决崩岸的岩土工程措施,常见的有在水下抛石、水上(枯水期)砌石护岸或在上游一定距离处修筑挑流矶头,将主流线挑向河流中心等。
3.1.4 河流淤积引起的环境岩土工程
在河港的建设与使用过程中,港池与航道的淤积是影响港口使用寿命和建设费用的重要因素之一。在河流凸岸和河水分流带,由于河水回流作用,泥沙淤积比较明显,使主航道逐渐变迁,因此而影响码头的正常使用,淤积严重的地方常常使码头停止作业,甚至使水码头变为旱码头。另外,河道淤积严重,会加剧洪水灾害,导致河港区地下水位不断上升,土体有效应力降低,从而产生液化和震陷现象加剧、地基承载力降低等一系列岩土问题。解决淤积的岩土工程措施,常用的是经常对港池和航道进行疏浚。
3.1.5 流土、管涌引起的环境岩土工程
河流由于其特殊的位置,地基土体往往承受较大的水头,在渗透力作用下,土体易发生流土和管涌现象。流土破坏的危害性很大,因为流土破坏一旦发生,它是土体的整体破坏、流土通道会迅速向上游或横向延伸,一旦抢救不及时或措施不得当,就有造成土体结构破坏、引发溃岸(堤)灾难的发生。管涌破坏并不会直接造成土体结构破坏,但是管涌型土发生管涌破坏,管涌通道贯通上游后,若渗流坡降继续增大,管涌型土也会发生流土破坏。解决流土、管涌的岩土工程措施,常用换层、加高陪厚土层、灌浆、混凝土面层防护等。
3.1.6砂土液化引起的环境岩土工程
河流中下游两岸往往赋存较厚层松散~中密状态的饱和砂土或粉土,且覆盖层较薄及地下水埋深较浅。这在地震作用下易发生液化。砂土液化是地震引起的最显著的震害形式之一,通常伴随大规模的宏观震害,地面显著沉陷、岸坡迅速滑移、地裂和喷水冒砂等,使工程场地地基失效,导致港口人们生命财产的巨大损失。对砂土液化进行判别和岩土工程处理是河港环境岩土工程的重要组成部分。
3.2河港小环境岩土工程
3.2.1河港人类生产、生活活动引起的环境岩土工程
长期以来,大多数岩土工程项目设计都是视荷载条件而定,而忽略了控制所有土木工程结构总体稳定性的岩土环境因素。分析在变化的环境下的岩土体的性能,考虑有害物质对岩土体的危害程度,进而评价河港及码头的岩土体的稳定性,是河港环境岩土工程的重要任务。
20世纪80年代以来,我国许多内河受到工业和城市生活排污水的污染,导致河流流域地表水和地下水的恶化,其危害性不仅直接威胁人们的身体健康,而且威胁到河流两岸的建(构)筑物,而河港首当其中。各种环境条件下的各类岩土体常常发生许多早期破坏和渐进破坏,这些破坏不仅仅是由荷载因素而引起的,还与其他因素,如化学的、物理化学的和微生物的因素有关,而污染的地表水和地下水对河港岩土体的破坏和处理是河港环境岩土工程亟待解决的重大课题之一。
除了由上游工业、农业和城市生活污水对河港岩土体造成影响外,河港本身生活、生产活动产生的废弃物污染也成了重大问题,如河港在装卸货物的过程中有害物质渗漏渗入港口地基土中;堆积的散货下雨时一些可溶物质随雨水渗入地下;河港的生活垃圾的贮存、处理和管理也是问题。
3.2.2河港人类工程活动引起的环境岩土工程
21世纪以来,经济的快速增长对水运的要求激增和河港基础设施相对落后的矛盾日益加剧,河港基础设施需要不断更新和改善。目前我国河港的工程建设进入了大发展时期,在河港特别是在大型河港的建设中,大开挖、打桩、施工降水、强夯、注浆、各种施工方法的土性改良、回填等,都对河港周围土体稳定性造成重大影响。由于施工扰动,影响到周围土体工程性质的变化,如土的应力状态和应力路径的改变,密实度和孔隙比的变化,土体抗剪强度的降低和提高以及土体变形特性的改变,等等。长期以来人们利用传统的土力学理论和方法,以天然状态的原状土为研究对象,进行有关物理力学特性的研究,并将其结果直接用于上述受施工扰动影响的土体强度、变形和稳定性问题,显然不符合由施工过程所引起的周围土体的应力状态改变、结构的变化、土体的变形、失稳和破坏的发展过程,从而造成许多岩土工程的失稳和破坏,给工程建设和周围环境带来很大危害。例如,岸坡滑坡事故,主要原因之一是对受施工扰动引起周围土体性质的改变和在施工中结构与土体介质的变形、失稳、破坏的发展过程认识不足,或者虽对此有所认识,但没有更好的理论和方法去解决而引起的。因而在确保工程自身安全的同时,如何顾及周围土体介质和构筑物的稳定,已经引起人们的重视。这些问题属于河港环境岩土工程的范畴。
3.2.2.1开挖岸坡的环境岩土工程
河港开挖边坡主要有三个方面的原因:一为场区填土石方所用;二为建筑材料之故;三为拓展港区场地争取发展空间。边坡的开挖改变了岩土的边界条件,随着对处于相对平衡状态的边坡进行开挖,常使之变为非安全地带,在某些构造裂隙发育、结构面组合有利于边坡产生滑动的坡脚开挖土石方,常产生塌方,形成规模不等的滑坡或诱发“死滑坡”的复活。
3.2.2.2打桩的环境岩土工程
河港的改造和建设中,打桩是最普遍的施工方法。打桩施工会对周围土体产生扰动,如不加以研究和进行有效控制,会引发环境岩土工程问题,如港区大面积的地基沉陷。由于河港的地下水位普遍受河水位变化的影响,在靠近河边松软土层赋存的地段进行打桩施工时,常因地下水位的变化而引起大面积的地基沉陷,更有甚者还引起码头岸坡土体大面积向河心滑移变形。产生这种现象的原因有三方面:其一是打桩振动引起松散砂土的液化;其二是地下水位的下降使土层容重骤然增大,地基土在打桩振动力作用下产生瞬时的固结沉降;其三是施工附加荷载作用。
3.2.2.3港池与航道疏浚的环境岩土工程
在河港的建设与运营中,港池与航道的疏浚是经常性要做的工作,它改变了港池和航道的地形及水深条件,其所带来的影响有三个方面:一是水下地形坡降增大,构成水下边坡。在软土区易产生向槽内的水平塑流和回淤,甚至形成水下滑坡;二是由于水下地面滩槽水深比的改变,港区自然淤积在局部地段增大,但随着疏浚面积的扩大,淤积强度会趋于稳定;三是由于港池水深加大,使原地基土的应力释放,长期强度降低,致使某些重力式码头发生开裂和不均匀沉降。
3.2.2.4 填土处理的环境岩土工程
在上游河港,比较发育纵横交错的冲沟,这些冲沟常被各种成分混杂的垃圾、碎砖块、煤渣等杂填土所掩埋而成为港区建设中不利的岩土工程因素。在我国长江下游及沿海一带的河港区,常见吹填砂土,它是由水力冲填泥沙而形成的填土,其性质为成分的不均匀性、低强度和易产生潜蚀与流砂。港池和航道疏浚工作中被清理出来的淤泥、淤泥质土、有机质土和生活废弃物,也是河港建设中的特殊岩土工程因素。对于这些填土的处理,可以考虑采用碱液注浆、压密注浆、粉喷桩加固、强夯等办法,对其进行处理。
4河港环境岩土工程的研究思路和方法
河港环境岩土工程是环境岩土工程的重要组成部分。河港环境岩土工程的研究可以借鉴国内外已有的环境岩土工程的研究成果进行分析、引用并有所创新。国内外已有的环境岩土工程研究理论主要有分析各种环境下土的性状的颗粒能量场理论。该理论认为,颗粒能量场由颗粒、颗粒体系和能量场三个要素构成,有五种基本的能量场,即机械能场、热能场、电能场、磁能场和放射能场。不同的能量场受不同的自然规律所支配,不同的环境岩土工程问题则受控于不同的能量场。因此要用不同的方法进行分析和评价。该理论主要是针对岩土工程中传统土力学的不足而提出的,适用于解决与土有关的环境岩土工程问题。
环境岩土工程问题研究的本质和核心是预测。预测是一种环境质量分析过程,因此建立正确的预测模型是关键。这种预测模型体系是由定性的理论分析和由环境岩土条件概化建立的物理模型和数学模型共同组成,在评价的过程中采用多因素综合模型和引入社会经济因素,使河港环境岩土工程能够得到更明确的认识。在研究过程中可以应用岩土测试新技术,如扫描电子显微镜、土工离心模型试验、探地雷达技术等。另外,实践证明,生产单位和高校、科研单位的联合是非常好的研究方式。
5  结语
今后河港的工程建设应顺应人们对环境概念认识的改变这一变化,在建设的前期就开展环境岩土工程研究工作,即在河港的岩土工程勘察中运用环境岩土工程的观点和方法进行工作,在(预)可行性研究中运用环境岩土工程的观点和方法做好环境影响评价工作,识别和预测河港工程建设活动对环境产生的影响,并解释和传播影响信息,制定出减轻不利影响的对策,从而达到河港工程建设与环境之间的协调发展。
参考文献
1 胡中雄,李向约,方晓阳.环境岩土工程学概论[J].岩土工程学报.1990121):98-108
2 罗国煜,储同庆.关于两类环境问题的研究[J].工程地质学报,199534):19-24
3 李永盛,高广运. 首届环境岩土工程学术交流会论文集:环境岩土工程理论与实践 [M].上海:同济大学出版社,2002
4 蔡伟英.略谈港口环境工程地质的问题[J].港工勘察,1992135-42
5 方晓阳.21世纪环境岩土工程展望[J].岩土工程学报,2000221):1-11
作者简介:王剑锋(1972-),男,高级工程师,注册土木工程师(岩土),主要从事交通工程的勘察、设计工作。
    址:合肥市合裕路1098 安徽省交通勘察设计院勘察处 230011

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