工程环境地质分析论文

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1998年全国流域性的特大洪水，损失是惨重的。大洪水给人们以大警示，因而在汛后的很短时间内，国家投入了大量人力物力进行堤防工程建设。堤防工程建设的主要内容是对那些达不到防洪标准和汛期出现险情的堤防进行整险加固。堤防出险主要是堤基渗透破坏、江河水流冲刷产生崩岸、堤基软弱产生沉降变形破坏、堤身散浸或脱皮滑坡等；一些堤防的防洪标准不够，出现子堤挡水或漫堤溃堤等险情。1998年汛期的堤防工程，可谓是八方告急呼救，到处险象环生。所有出险问题中，与地质有直接关系且隐蔽性最强、危险性最大的是堤基的渗透破坏，牵动全国的九江溃口就是堤基渗透破坏引起的。针对这些情况，在进行工程设计时，采取的主要措施是提高堤防的防洪标准，对已出险的堤段进行必要的加固，例如对易崩岸部位进行抛石护坡，标准不够的进行加高加固，对堤身渗漏采取锥探灌浆，而对堤基的渗透破坏则除了采取加长加厚铺盖外，比较普遍的是对堤基采取垂直防渗措施。堤防工程建设与地质环境有着十分密切的关系，地质环境可以影响堤防建设，堤防工程也会反作用于地质环境，带来新的环境地质问题。

1堤防工程与地质环境的关系

堤防工程是为了抵御洪、潮水给人类正常活动以及生存环境带来的自然灾害而修建的水利防护工程的总称。堤防工程的主体是众所周知的各类挡水堤、墙，而堤上的各类闸、涵、洞、管等穿堤建筑物以及堤防维护、抢险所需的交通和通讯设施等等，则应归为堤防工程的附属工程或附属建筑物。

1.1堤防工程的特点

(1)线路长，分布范围广。据统计，我国已建堤防总长20余万公里，尚有若干堤防工程正在规划和建设之中，主要分布在各大江大河的干、支流上和各湖泊周围及沿海一带。

(2)堤防工程的主体主要是线性水工建筑物，其它附属建筑物则另当别论。

(3)堤防工程的主体—大堤，多为阶段性(或临时性)挡水建筑物，建筑物高度在数米至十余米之间，并不象大坝一样是长年挡水的数十米至数百米高的集中式枢纽建筑物。

(4)堤防工程的主要附属建筑物之一是支流(沟)与主流汇合口附近的挡水闸，这种闸往往具有双向挡水的性质，这与大坝的受力条件是有区别的。

(5)堤防工程有严格的等级标准，对于特别重要的一级堤防，例如保护江汉平原的荆江大堤，是不允许溃堤的；而一般性的河滩围堤，在超过设计洪水时则只好放弃。但是对于大坝而言，基本上是不允许垮坝的，在勘测设计施工运行的全过程中，均采取十分谨慎的运作策略。

1.2堤防工程所处的地质环境

堤防工程所处的地质环境多为江河冲洪积平原区，地层以第四系冲积、洪积、湖积相为主；堤防工程的地基大多座落在此类沉积相的漫滩和一级阶地之上；也有一些堤防工程是在岸边岗地丘陵区，但不多见；还有一些城市的堤防工程是建在人工填土(杂填土、素填土)之上，例如武汉城区的部分堤防工程。

就某一地区或某一河段的堤防工程而言，其所处的地质环境相对比较简单；从全国范围内的堤防工程来论，其地质环境则相对较为复杂。长江中下游与黄河中下游的地质环境显然是不同的；南方河流与北方河流的地质环境也有区别；湖泊、海堤的地质环境与江河漫滩更是相差甚远。

堤防工程所处地质环境的一个重要特征是，水文地质条件较为简单，地下水的补排关系较为明确。江河湖岸地层中的地下水(松散沉积物中的孔隙水，二元结构地层中的承压水)与江河湖水之间的水力联系十分密切，互为阶段性的补排关系。堤防工程所处的江河湖岸既是堤内地下水的排泄边界，又是江河湖水位较高时补给堤内地下水的补给边界。这种边界条件一旦改变，实际上就是地质环境的改变，这是我们应该认真思考的。

1.3堤防工程与地质环境的关系

堤防工程的特点决定了堤防工程对地质环境有较强的适应性，工程虽然规模巨大，线性工程跨越了不同的工程地质单元，地质环境差异较大，但在相同的地质环境和工程地质单元上，工程地质条件则相对较为简单，工程地质问题也相对较为明确。如果不从环境地质的角度来考虑，单从工程建筑物本身的角度来看，堤防工程并不复杂。

堤防工程所处的地质环境是客观存在的现实，由于堤防工程的修建，或者说堤防工程措施的实施，对客观地质环境的改变是毋庸置疑的。改变了客观地质环境，会带来什么样的环境地质问题，这是我们地质师需要认真思考和研究的。忽略了堤防工程的环境地质问题，人类社会肯定要受到大自然的惩罚。

2堤防工程带来的环境地质问题

堤防工程的三大主要工程地质问题：堤基土层在渗流作用下的渗透破坏、堤基为软土层存在稳定问题、岸坡受水流冲刷侧蚀产生崩塌破坏影响大堤安全。针对此三大工程地质问题需要采取相应的工程处理措施。如果工程处理措施不当或对地质环境的分析不够，就可能带来新的环境地质问题。

2.1堤基垂直防渗阻断地下水的正常排泄引起的环境地质问题

堤基表层为砂性土，或砂性土埋藏较浅，或表层粘性土较薄的二元结构地层，在外江水位高于堤内侧地面高程时均将不同程度地存在堤基渗漏问题(实际上，只要外江水位高于堤内地下水位时，渗漏就已经发生了)。堤基渗漏并不可怕，对堤基稳定影响最大的是渗透破坏。当渗透水流坡降大于堤基土体的临界水力坡降时，渗透破坏就会发生。工程上对于渗透破坏一般采用铺盖(增加上伏粘性土层的厚度，也有延长渗径的意思)、堤内侧设排水减压井、浅基截渗墙和垂直防渗帷幕。前三种方法是堤基防渗的传统工程处理措施，较为适用，多年来的实践证明效果也是较好的。而最后一种即垂直防渗则是1998大洪水后普遍被提及和宣传的一种以往很少用于堤防工程(多用于大坝坝基)的防渗措施。

一般说来，江河湖海是区域性地表水和地下水的最低排泄基准面，由于堤防工程的兴建，地表水将只能通过闸、泵等穿堤建筑物排出堤外；在没有进行堤基垂直防渗的情况下，地下水仍然能按照区域性地下水的总体流向，通过最短路径排向江河湖海中。显然，当实施了一定范围内的连续性垂直防渗措施后，天然状态下的地下水渗流场被人类工程活动改变了，水文地质条件发生了一定程度的变化，有些地方可能发生了根本性的变化，地下水的排泄通道被阻断了，它的出路在哪里？地下水没有了出路，实际上是地质环境的改变，新的环境地质问题将随之产生。

如果大范围截断了地下水的排泄通道，地下水位被雍高之后，或于地表低洼处出溢，形成水塘直接以蒸发形式与大气层进行平衡交换；或选择更大范围的区域性的排泄途径向更远的排泄基准面运移。但是无论地下水以何种方式寻找出路，已经雍高了的地下水位，使得土地发生沼泽化或盐碱化，对农作物、建筑物、人类生存环境的影响将势在必然。地下水位雍高致使水流不畅，出现水的矿化度升高，水中微生物数量增多，导致水质恶化；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，甚至达到饱和，使原本能够满足建筑物要求的土基的物理力学指标降低，导致建筑物发生沉降或不均匀沉降，出现失稳或开裂。特别是对于一些靠山临水的地区(如江西景德镇、临川、上饶等城市)，大气降水的相当一部分渗入植被覆盖良好的地下，通过山前冲积平原二元结构的水平径流区，于河谷岸边排入天然河道。实施了封闭式的垂直防渗之后，使得这些原来每年仅受数日洪水威胁的城市将全年都在水中浸泡渡日。这种情况决不是耸人听闻，据反映，有些地方已经出现了地下水位上升带来的一系列问题，这是地质师们不该掉以轻心。

2.2堤基垂直防渗阻断江河湖水正常补给地下水引起的环境地质问题

垂直防渗除了截断地下水排泄通道带来一系列环境地质问题之外，由于江河湖岸又是附近区域地下水的补给边界，没有了大范围的地表水的补给，同样会打破地质环境的平衡，仍然会引起新的另一类的环境地质问题。归结起来主要有：

(1)地下水主要靠江河湖水集中补给的一些地区，当地工农业用水除了靠提或引取江河水之外，另一主要来源是开采地下水。由于截断了河水向地下水的补给通道，地下水失去了江河湖这一直接补给源，形成只采不补的恶性环境，必然导致地下水位的下降，影响地下水的正常开采与利用。城市区的地下水位下降后，有可能引起建筑物基础应力条件的改变，出现建筑物失稳，地面裂缝和局部塌陷的情况。城区地下水与江河湖水失去互相补排关系之后，地下水不能与外系统构成循环，必然导致水质恶化，新的环境水文地质问题由此而生。

(2)截断了河水对地下水的补给通道后，致使正常来水量情况下河水位偏高。因为河道没有了正常向外“渗漏”的条件，实际上是抛弃了江河两岸天然状态下巨大的地下调节和分蓄洪水库，江河水位当然要升高了。由于在相同来水量条件下河水位的升高，迫使我们不得不加高堤防，而实际上防洪标准又没有提高。可以说这是一种典型的人为的自作自受，人类自身的作茧自缚，自然生态环境的恶性循环。

堤基汛期渗透破坏与垂直防渗后引起的环境地质问题，本身就是一对矛盾。解决这样的矛盾，处理好这样的问题，需要各专业间的互相配合，认真论证，找出比较符合客观实际的解决方案，争取做到防止渗透破坏取得较好的效果，又不至于引起严重的环境地质问题。

2.3开采筑堤建材引起的环境地质问题

堤防工程大多是采用当地材料筑堤，其取土原则是：就近开采，尽量不占用或少占用耕地，在堤基安全保护区范围之外取土。但是在实施过程中情况并非如此。一种情况是承包单位并未在勘测设计单位推荐的料场取料，另一种情况是汛期抢险时只能就近取土以解急用，这就可能因主动或被动地开采筑堤料引起一些环境地质问题。

(1)取土点在堤基附近，不在堤基安全保护区以外。由于取土，人为地破坏了天然的防渗铺盖，缩短了渗径，改变了可以安全抵御洪水的天然水文地质环境，增加了堤防出险的可能性。

(2)取土点虽然在堤基安全保护区以外，但由于堤防附近并没有料场，不得不将农田作为料场，开采时未留下保护层，其结果是虽然保住了堤防，但也会造成大片农田被破坏，而且不易复耕，可能产生土地砂化，使本来就有限的土地人为地减少。

(3)堤防所需的块石料大多是开山采取，采石过程中除了施工影响外，还由于人们在开采时并没有实施多少保护措施，山上的植被受到严重破坏，开采的石料和弃土被任意堆放，尤其是堆放在沟谷中的弃渣在暴雨期极易引起水土流失，可能形成泥石流，造成新的地质灾害。

(4)筑堤所需的砂砾石，基本上是从河漫滩中开采的，如果不按设计要求进行开采，可能形成河道起伏不平，糙率增大，影响河水流态，从而改变河势，造成河道变迁，引起新的问题。

以上情况均为开采天然建材时，没有环境保护意识而造成的，虽然人们已经注意到此类问题，但由于各地情况不同，这种现象在一段时间内还会长期存在，应该继续予以关注。

2.4堤防工程可能引起的其它环境地质问题

汛期堤内低洼渊塘常常发生险情，且早期不易被及时发现，当发生冒泡喷水时也不易准确判断其渗漏性质，只好按最坏险情进行抢险，增大了抢险工作量和抢险难度。为了减轻汛期抢险压力，堤内渊塘一般按规范要求应进行填平处理，以确保堤脚一定范围内不产生险情隐患。然而，所有渊塘填平之后，也堵塞了地下水的排泻出口，会给堤内带来什么样的环境地质问题，还有待研究，并需要时间和实践去检验。

3关于避免堤防工程引起环境地质问题的原则

为了保护堤防，也为了使自然环境不被人为的破坏，在加固或新建堤防时，首先要有环境意识，这是方案拟定和正确决策的基础。各类堤防工程方案在实施过程中，应注意几个原则：

(1)对需加固的堤防应尽量利用天然铺盖或加长加厚铺盖，堤后设置减压井和排水沟等措施来处理渗透破坏问题；对于险工险段或砂性土堤基段，可根据实际地质条件适当考虑垂直防渗措施，但决不可以在大范围内对全堤线进行大规模垂直防渗，即使局部堤段采取了垂直防渗，也应认真研究由此而引起的环境地质问题，提出解决方案。

(2)对于堤防附近无料可取而必需占用耕地的，应在取土时对取土深度科学地确定，留有一定厚度的可植层以备复耕。

(3)河道内取料应尽量在主河槽内，且开挖深度高差不宜过大，在河道弯曲和狭窄段不宜开采。

(4)开挖块石料应尽量少破坏表层植被，开采弃渣料应有固定的堆放场地。

4结语

堤防工程的建设，不同程度地改变和破坏了自然环境，某些后果可能比堤毁更为严重，而且不易恢复。有些问题需要在一定的时间后才能显现出来，故不易引起人们的重视。就防止堤基渗透破坏的工程措施而言，垂直防渗的目的较为明确，是人们普遍看好且容易接受的方案之一，但其效果并不理想。从长江干堤除险加固工程渗流试验结果来看，悬挂式垂直防渗降低水力坡降仅为1%～10%，且造价高。而垂直防渗带来的一系列环境地质问题将是长期深远的，必须引起我们的足够重视。

本文所论述的地质环境破坏情况仅为昭示环境保护的重要性。堤防的安全事关重大，不容轻视。我们所希望的是在加固或修筑堤防时，应该有环境保护意识。众所周知，由于江河流域上游植被的破坏，水土流失严重，河水含砂量增加，导致中下游河道淤积，一些河流正在朝着悬河的方向发展，尤其是长江、黄河这两条母亲河，流域性的大洪水对人类生存环境的威协日益严重，相同来水量下的江河水位越来越高，仅靠被动地加高加固堤防并不能解决根本性问题。人类与洪水战斗的宏伟目标应该赋以新的内涵，提出代表人类智慧的新思路。现在和今后长期要做的工作是加强全民的环保意识，以维护整个大环境系统为目标，以保护区域环境为目的，研究出台相应的方针政策。就目前而言，国务院出台的“整治河道、退耕还林、退田还湖、平垸行洪”十六字方针就是最好的根治洪患的策略和大政方针。