河港環城巖土工程

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隨著我國經濟建設的不斷發展、國家經濟實力的逐漸增強和居民生活水平的逐步提高，人們對環境的要求也越來越高，我國目前面臨嚴峻的環境保護與治理工作。作為國民經濟建設重要組成部分的河港工程建設中引發的一系列的環境保護與治理工作也日益受到人們的關注，而對河港環境巖土工程的研究將得到社會的支持，也是社會發展的需要。

1環境巖土工程的概念及其研究意義

環境巖土工程是巖土工程與環境科學密切結合的一門新興學科，是研究應用巖土工程的概念、技術和方法進行環境保護與治理的學科。環境巖土工程研究的內容大致可以分為兩大類：第一類稱為大環境巖土工程，即國內通常稱之的地質災害防治工程，主要指用巖土工程的方法抵御由于自然地質作用引起的環境破壞，例如抗滑坡、泥石流、洪水、地震等工程；第二類稱為小環境巖土工程，又可分為兩小類，第一小類為由人類生活、生產活動引起的環境巖土工程；第二小類為由人類工程活動引起的環境巖土工程，例如打樁時擠土、振動、噪音的處理、深基坑開挖時降水引起的邊坡位移的處理工程等。從學科性質上說，環境巖土工程既是提供理論基礎學科，又是直接改造客觀世界的工程技術。目前政府官員和公眾一般理解和重視的環境問題，僅是指“環境污染(大氣、水、固體廢物、噪音等污染)問題和生態環境破壞問題”。而這些僅是狹義環境問題的概念。自然環境不僅包括上述狹義的環境，而且包括地質(巖土)環境。作為地球表層圈的動態系統，地質(巖土)環境十分活躍，因為隨著人類社會的發展，工程建設規模越來越大，或一些以前認為不適宜進行工程建設的場地作為了工程建設場地，災害的防治以及人類生產、生活、工程活動對地質(巖土)環境的擾動及其影響已超出污染的范疇，所以有必要從環境保護的高度，將地質災害、人類生產、生活、工程活動引起的“環境巖土工程”與“污染和生態破壞”等價起來，作為人類面臨的兩類環境問題，對之進行系統的研究并進行保護與治理。這對深化環境問題認識、加強環境保護與治理、推動環境科學的發展和促進我國經濟平穩較快持續發展都有重要意義。

2港口環境巖土工程

環境巖土工程自20世紀80年代以來得到了迅速發展，而河港環境巖土工程的研究起步較晚。以前在港口規劃選址、港口岸坡穩定性方面作了一些有關領域的研究，但其研究的深度和廣度有待進一步提高，尤其是在應用河港環境巖土工程的概念、技術和方法分析與評價河港因人類生產及工程活動引起的環境保護與治理等方面尚未作過比較系統的總結。進入2ll!t紀以來，我國港口的工程建設處于大發展時期，河港工程建設對環境的影響越來越明顯，因此對河港環境巖土工程進行探討具有一定的現實意義。

2．1河港大環境巖土工程

河流的空間跨度很大，以長江為例，其可航河道在3000公里以上。河港因其所處地域的不同，具有不同的地質(巖土)環境：從地形地貌上看，上游河港大多背靠中低山丘，后方陸域場區狹窄，碼頭區系沖刷強烈的礫卵石河漫灘及巖質河床；中下游河港多以階地或河漫灘為陸域，以平緩寬闊的河床為碼頭區，在河漫灘的背后常見古河道遺跡和低洼沼澤地形。河港的巖土特性一般表現為上游基巖裸露，覆蓋層厚度起伏較大，碼頭區常見卵石漂石和粗粒砂土，陸域場區以年代較老的粘性土和粗粒砂土為主；中下游基巖埋藏較深，第四系全新統土層較厚，尤以賦存較厚的軟土層和細粒砂土為特點。上游河港區域地質構造普遍比較發育，地殼相塒上升，新構造運動比較顯現；中下游河港多為隱伏構造，地殼運動相對均衡與穩定。上游河港地下水埋藏較深，對場區建筑影響較小，中下游河港地一水普遍較淺，動態變化較大，它對港區工程影響較大，常出現流砂、管涌現象，在吹填砂土地區尤為明顯。此外，在一些河流中下游常見一些隱伏巖溶地形，它對碼頭樁基的設計與施工影響很大，在兒米間距的范圍內基巖面落差達十余米。河港正是I{{于這些復雜的地質(巖土)環境的存在，引發了…一系列大環境巖土工程。

2．1．1滑坡引起的環境巖土工程河流上游流域在長期的發展演化過程中往往形成了許許多多間歇性的古滑坡、縱橫交錯的沖溝以及河水沖刷的陡峻岸坡，這些地質(巖土)環境往往在一定的條件作用下形成(或者復活)滑坡；中F游河流在枯水季節，由于河水變化，組成岸坡的軟土層天然容重明顯增大，而軟土層中孔隙水排泄不暢，容易形成軟土滑坡。對滑坡的防治，常用的1程類別有支擋、減載、加固和排水工程等。

2．1．2泥石流引起的環境巖土工程在河流的上游，由于暴雨山洪的沖蝕作用，常在岸邊斜坡地帶形成松散的沖洪積物堆積區，從而誘發泥石流。這種情況在黃河上游尤為常見，黃河上游水土流失現象相當嚴重，向源侵蝕的沖溝常切割到下部基巖，大量的黃土層在暴雨的沖蝕下以泥石流的方式輸入溝谷，在溝底形成開闊的松散堆積地，隨著堆積物的增多，在又一次暴雨季節期間常常釀成大規模的泥石流的產生。對泥石流的防治T程，常見的有攔截、疏導和防護工程。

2．1．3崩岸引起的環境巖土工程依動力作用特征，崩岸形式有流水沖蝕崩岸、地下水滲流變形崩岸和風浪洗蝕崩岸三大類型。河流崩岸主要發生在洪峰過后的河水回落與次年洪水前之間的平、枯水期。原因是高洪水期河水的側壓力和浮力對岸坡起到保護作用，而低水位期地下水的滲透變形作用對崩岸生成和發展起到誘導和加劇作用。解決崩岸的巖土工程措施，常見的有在水下拋石、水上(枯水期)砌石護岸或在上游一定距離處修筑挑流磯頭，將主流線挑向河流中心等。

2．1．4河流淤積引起的環境巖土工程在河港的建設與使用過程中，港池與航道的淤積是影響港口使用壽命和建設費用的重要因素之一。在河流凸岸和河水分流帶，由于河水回流作用，泥沙淤積比較明顯，使主航道逐漸變遷，因此而影響碼頭的正常使用，淤積嚴重的地方常常使碼頭停止作業，甚至使水碼頭變為旱碼頭。另外，河道淤積嚴重，會加劇洪水災害，導致河港區地下水位不斷上升，土體有效應力降低，從而產生液化和震陷現象加劇、地基承載力降低等一系列巖土問題。解決淤積的巖土工程措施，常用的是經常對港池和航道進行疏浚。

2．1．5流土、管涌引起的環境巖土工程河流由于其特殊的位置，地基土體往往承受較大的水頭，在滲透力作用下，土體易發生流土和管涌現象。流土破壞的危害性很大，因為流土破壞一旦發生，它是土體的整體破壞、流土通道會迅速向上游或橫向延伸，一旦搶救不及時或措施不得當，就有造成土體結構破壞、引發潰岸(堤)災難的發生。管涌破壞并不會直接造成土體結構破壞，但是管涌型土發生管涌破壞，管涌通道貫通上游后，若滲流坡降繼續增大，管涌型土也會發生流土破壞。解決流土、管涌的巖土工程措施，常用換層、加高培厚土層、灌漿、混凝土面層防護等。

2．1．6砂土液化引起的環境巖土工程河流中下游兩岸往往賦存較厚層松散一中密狀態的飽和砂土或粉土，且覆蓋層較薄及地下水埋深較淺。這在地震作用下易發生液化。砂土液化是地震引起的最顯著的震害形式之一，通常伴隨大規模的宏觀震害，地面顯著沉陷、岸坡迅速滑移、地裂和噴水冒砂等，使工程場地地基失效，導致港口人們生命財產的巨大損失。對砂土液化進行判別和巖土工程處理是河港環境巖土工程的重要組成部分。

2．2河港小環境巖土工程

2．2．1河港人類生產、生活活動引起的環境巖土工程長期以來，大多數巖土工程項目設計都是視荷載條件而定，而忽略了控制所有土木工程結構總體穩定性的巖土環境因素。分析在變化的環境下的巖土體的性能，考慮有害物質對巖土體的危害程度，進而評價河港及碼頭的巖土體的穩定性，是河港環境巖土工程的重要任務。自2O世紀8O年代以來，我國許多內河受到工業和城市生活排污水的污染，導致河流流域地表水和地下水的惡化，其危害性不僅直接威脅人們的身體健康，而且威脅到河流兩岸的建(構)筑物，而河港首當其沖。各種環境條件下的各類巖土體常常發生許多早期破壞和漸進破壞，這些破壞不僅僅是由荷載因素而引起的，還與其他因素，如化學的、物理化學的和微生物的因素有關，而污染的地表水和地下水對河港巖土體的破壞和處理是河港環境巖土工程亟待解決的重大課題之一。除了由上游工業、農業和城市生活污水對河港巖土體造成影響外，河港本身生活、生產活動產生的廢棄物污染也成了重大問題，如河港在裝卸貨物的過程中有害物質滲漏滲入港口地基土中；堆積的散貨下雨時一些可溶物質隨雨水滲入地下；河港的生活垃圾的貯存、處理和管理也是問題。

2．2．2河港人類工程活動引起的環境巖土工程21世紀以來，經濟的快速增長對水運的要求激增和河港基礎設施相對落后的矛盾日益加劇，河港基礎設施需要不斷更新和改善。目前我國河港的工程建設進入了大發展時期，在河港特別是在大型河港的建設中，大開挖、打樁、施工降水、強夯、注漿、各種施工方法的土性改良、回填等，都對河港周圍土體穩定性造成重大影響。由于施工擾動，影響到周圍土體工程性質的變化，如土的應力狀態和應力路徑的改變，密實度和孔隙比的變化，土體抗剪強度的降低和提高以及土體變形特性的改變，等等。長期以來人們利用傳統的土力學理論和方法，以天然狀態的原狀土為研究對象，進行有關物理力學特性的研究，并將其結果直接用于上述受施工擾動影響的土體強度、變形和穩定性問題，顯然不符合由施工過程所引起的周圍土體的應力狀態改變、結構的變化、土體的變形、失穩和破壞的發展過程，從而造成許多巖土工程的失穩和破壞，給工程建設和周圍環境帶來很大危害。例如，岸坡滑坡事故，主要原因之一是對受施工擾動引起周圍土體性質的改變和在施工中結構與土體介質的變形、失穩、破壞的發展過程認識不足，或者雖對此有所認識，但沒有更好的理論和方法去解決而引起的。因而在確保工程自身安全的同時，如何顧及周圍土體介質和構筑物的穩定，已經引起人們的重視。這些問題屬于河港環境巖土工程的范疇。

2．2．2．1開挖岸坡的環境巖土工程河港開挖邊坡主要有三個方面的原因：一為場區填土石方所用；二為建筑材料之故；三為拓展港區場地爭取發展空間。邊坡的開挖改變了巖土的邊界條件，隨著對處于相對平衡狀態的邊坡進行開挖，常使之變為非安全地帶，在某些構造裂隙發育、結構面組合有利于邊坡產生滑動的坡腳開挖土石方，常產生塌方，形成規模不等的滑坡或誘發“死滑坡”的復活。

2．2．2．2打樁的環境巖土工程河港的改造和建設中，打樁是最普遍的施工方法。打樁施工會對周圍土體產生擾動，如不加以研究和進行有效控制，會引發環境巖土工程問題，如港區大面積的地基沉陷。由于河港的地下水位普遍受河水位變化的影響，在靠近河邊松軟土層賦存的地段進行打樁施工時，常因地下水位的變化而引起大面積的地基沉陷，更有甚者還引起碼頭岸坡土體大面積向河心滑移變形。產生這種現象的原因有三方面：其一是打樁振動引起松散砂土的液化；其二是地下水位的下降使土層容重驟然增大，地基土在打樁振動力作用下產生瞬時的固結沉降；其三是施工附加荷載作用。

2．2．2.3港池與航道疏浚的環境巖土工程在河港的建設與運營中，港池與航道的疏浚是經常性要做的工作，它改變了港池和航道的地形及水深條件，其所帶來的影響有三個方面：一是水下地形坡降增大，構成水下邊坡。在軟土區易產生向槽內的水平塑流和回淤，甚至形成水下滑坡；二是由于水下地面灘槽水深比的改變，港區自然淤積在局部地段增大，但隨著疏浚面積的擴大，淤積強度會趨于穩定；三是由于港池水深加大，使原地基土的應力釋放，長期強度降低，致使某些重力式碼頭發生開裂和不均勻沉降。

2．2．2．4填土處理的環境巖土工程在上游河港，比較發育縱橫交錯的沖溝，這些沖溝常被各種成分混雜的垃圾、碎磚塊、煤渣等雜填土所掩埋而成為港區建設中不利的巖土工程因素。在我國長江下游及沿海一帶的河港區，常見吹填砂土，它是由水力沖填泥沙而形成的填土，其性質為成分的不均勻性、低強度和易產生潛蝕與流砂。港池和航道疏浚工作中被清理出來的淤泥、淤泥質土、有機質土和生活廢棄物，也是河港建設中的特殊巖土工程因素。對于這些填土的處理，可以考慮采用堿液注漿、壓密注漿、粉噴樁加固、強夯等辦法，對其進行處理。

3河港環境巖土工程的研究思路和方法

河港環境巖土工程是環境巖土工程的重要組成部分。河港環境巖土工程的研究可以借鑒國內外已有的環境巖土工程的研究成果進行分析、引用并有所創新。國內外已有的環境巖土工程研究理論主要有分析各種環境下土的性狀的顆粒能量場理論。該理論認為，顆粒能量場由顆粒、顆粒體系和能量場個要素構成，有五種基本的能量場，即機械能場、熱能場、電能場、磁能場和放射能場。不同的能量場受不同的自然規律所支配，不同的環境巖土工程問題則受控于不同的能量場。因此要用不同的方法進行分析和評價。該理論主要是針對巖土工程中傳統土力學的不足而提出的，適用于解決與土有關的環境巖土工程問題。環境巖土工程問題研究的本質和核心是預測。預測是一種環境質量分析過程，因此建立正確的預測模型是關鍵。這種預測模型體系是由定性的理論分析和由環境巖土條件概化建立的物理模型和數學模型共同組成，在評價的過程中采用多因素綜合模型和引入社會經濟因素，使河港環境巖土工程能夠得到更明確的認識。在研究過程中可以應用巖土測試新技術，如掃描電子顯微鏡、土工離心模型試驗、探地雷達技術等。另外，實踐證明，生產單位和高校、科研單位的聯合是非常好的研究方式。

4結語

今后河港的工程建設應順應人們對環境概念認識的改變這一變化，在建設的前期就開展環境巖土工程研究工作，即在河港的巖土工程勘察中運用環境巖土工程的觀點和方法進行工作，在(預)可行性研究中運用環境巖土工程的觀點和方法做好環境影響評價工作，識別和預測河港工程建設活動對環境產生的影響，并解釋和傳播影響信息，制定出減輕不利影響的對策，從而達到河港工程建設與環境之間的協調發展。