长江中游沿岸地跨湘、鄂、赣、皖四省, 地理坐标为111° 00'~116° 45' E, 29° 00'~30° 50' N , 两岸岸线总长约1 994.01 km, 是长江经济带的重要组成部分, 也是《全国主体功能区规划(2008— 2020年)》^[5]划定的重点开发区域之一。区域地貌具有过渡性, 地势由西北向东南倾斜, 由山区逐渐向平原转化, 整体地势西高东低、中间凹, 地形起伏变化大, 地貌形态多样。根据地貌形态与海拔高程差异, 长江中游沿岸划分为中低山、低山、丘陵、岗地和平原5种地貌类型。

1.2.1 岩体工程地质

长江中游沿江一带出露元古宇、古生界、中生界和新生界, 但部分地层缺失, 主要岩性有沉积碎屑岩、碳酸盐岩、变质岩和岩浆岩类。根据岩性该区岩层可划分为沉积岩、变质岩、碳酸盐岩和岩浆岩工程地质岩类; 根据岩体结构及岩石强度, 该区岩层可进一步划分为9个工程地质岩组(表1)。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 长江中游沿岸岩体工程地质特征 Tab.1 Engineering geological characteristics of rock masses along the middle reaches of Yangtze River 岩石类型 岩组 年代地层 主要岩性 分布区域 沉积岩 坚硬— 较坚硬砂岩 白垩系— 第三系、泥盆系、志留系 砖红色、棕红色砂岩、粉砂岩 宜昌、黄冈— 黄石— 黄梅、九江、瑞昌西部、湖口北东部及宿松北部、望江北西部 较坚硬砂砾岩夹薄层泥岩 白垩系、侏罗系 砾岩、砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩 宜昌、岳阳、赤壁、大冶、黄石 较软砂岩泥岩页岩夹砂岩泥质灰岩 侏罗系、三叠系、二叠系、志留系 砂岩、泥岩、页岩夹泥质灰岩 江汉平原周缘及瑞昌西部、九江南部 变质岩 坚硬块状云母斜长片麻岩、白云钠长片麻岩或石英片岩 震旦系、前震旦系 钠长石英片麻岩、白云母钠长石英片岩 岳阳、浠水和蕲春 较坚硬变沉积岩、变质砾岩粉砂质板岩或变质火山岩 震旦系、前震旦系 沉积岩、变质砾岩、变质粉砂岩、变质板岩、变质火山岩 临湘、九江、彭泽 碳酸盐 岩 坚硬强岩溶化碳酸盐岩 三叠系、二叠系、石炭系、寒武系 灰岩、白云质灰岩 长阳— 宜都— 宜昌、赤壁— 武汉— 黄石— 瑞昌 坚硬— 较坚硬中等岩溶化碳酸盐岩 二叠系、石炭系、泥盆系、志留系、寒武系 白云岩、灰质白云岩、硅质灰岩 长阳、宜都、临湘— 嘉鱼、武汉— 黄石— 瑞昌 较坚硬弱岩溶化泥质碳酸盐岩 三叠系、二叠系、石炭系、奥陶系、寒武系 硅质灰岩、白云质结晶灰岩、泥灰岩 长阳— 宜都— 宜昌、九江、彭泽等 岩浆岩 坚硬二长花岗岩、闪长岩、辉绿岩、辉长岩、片麻岩混合岩、火山岩 前震旦系 二长花岗岩、闪长岩、辉绿岩、辉长岩、流纹岩、凝灰角砾岩、角砾凝灰岩、火山碎屑岩、酸性熔岩、中性熔岩 宜昌、华容、黄石— 大冶— 蕲春

表1 长江中游沿岸岩体工程地质特征 Tab.1 Engineering geological characteristics of rock masses along the middle reaches of Yangtze River

1.2.2 土体工程地质

根据颗粒级配、成因、形成时代与工程地质特征, 将研究区土体划分为一般黏性土、老黏性土、砾质土、砂(卵)砾石和特殊类土5个基本类型。

一般黏性土广泛分布于长江两岸边滩和心滩(洲), 长江与汉江间湖区低洼地, 洞庭湖盆地、鄱阳湖盆地腹部及周围现代河流冲沟附近, 以全新统冲积、冲洪积、冲湖积物为主, 岩性主要为黏土、粉质黏土和粉土, 局部与砂类土互层, 呈软塑状— 可塑状, 具饱和度高、天然含水量大、压缩性高和承载力低的特点。

老黏性土主要分布于枝江、荆州以北地区, 公安藕池、闸口, 石首高基庙、桃花山等地区, 以及洞庭湖、鄱阳湖周边丘岗地区, 少部分老黏性土分布于武汉、咸宁、黄冈及鄂州长江沿岸。以更新统冲积、冲洪积物为主, 岩性主要为黏土、粉质黏土和粉土, 地表多见网纹状红土, 呈硬塑— 坚硬状, 具中偏低压缩性, 土层承载力较高, 为良好持力层。

砂质土主要分布于长江溃口、漫滩、边滩、心滩(洲)一级阶地, 成层性差, 多为透镜体, 结构松软— 稍密, 岩性以粉细砂和中细砂为主, 稍湿— 饱和状, 透水性强。

砂(卵)砾石主要分布于枝江、宜都、松滋、江陵、石首、监利、东荆河以北、江南公安以东及洞庭湖盆地周围地区, 武昌青山石咀及阳逻半边山零星分布砂(卵)砾石, 呈中密— 密实状, 成层稳定, 是良好的基础持力层。

特殊类土主要有膨胀土、淤泥质土及人工填筑土。膨胀土主要分布于宜昌、枝江、常德、津市、澧县棠华地区及荆州北二级阶地, 以枝江区最典型, 为弱— 中等偏强胀缩性土。淤泥质土主要分布于松滋河和江口镇以东长江一级阶地、一级阶地后缘、河漫滩与湖沼地带, 压缩性及灵敏度高, 触变性中偏高, 地基承载力低, 工程地质条件差。人工填筑土主要分布于城镇及江河两岸, 主要为素填土和吹填土。

根据工程地质条件的差异, 将岸坡划分为土质岸坡、砂质岸坡、砂土复合质岸坡和岩质岸坡4种类型(图1)。统计可知, 土质岸坡长533.18 km, 其中左岸长236.10 km, 占左岸总长的23.35%, 右岸长297.08 km, 占右岸总长的30.22%; 土质岸坡多为近代河流变迁形成的沉积物, 固结性差, 抗冲刷能力弱, 部分为硬土质岸坡, 固结性较好, 抗冲刷能力较强, 岸坡相对稳定。砂质岸坡总长95.03 km, 其中左岸长80.00 km, 占左岸总长的7.91%, 右岸长15.03 km, 占右岸总长的1.53%; 砂质岸坡以粉砂和细砂为主, 洲滩岸以粉细砂为主, 岸坡不稳定。砂土复合质岸坡广泛分布, 总长996 km, 其中左岸长580 km, 占左岸总长的57.36%, 右岸长416 km, 占右岸总长的42.32%; 砂土复合质岸坡具二元结构, 上部以黏土、粉质黏土为主, 下部多为细砂, 岸坡稳定性差。岩质岸坡总长369.8 km, 左岸长115.0 km, 占左岸总长的11.37%, 右岸长254.8 km, 占右岸总长的25.92%; 岩质岸坡抗冲刷能力强, 岸坡稳定。岸坡结构类型决定岸坡稳定性, 影响工程建设的适宜性。

图1

Fig.1

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	图1 长江中游沿岸岸坡结构类型划分Fig.1 Division of the shore slope types in the middle reaches of Yangtze River

长江中游沿岸江湖演变过程中, 人类工程活动与地质环境不协调发展引起了一系列环境地质问题, 包括岸坡崩塌、岩溶塌陷、渗透管涌、软土及砂土液化等。

岸坡崩塌以枝城— 簰洲湾段和九江— 彭泽段最发育, 致灾危险性最大。岩溶塌陷主要分布于武汉、黄石— 鄂州沿江一带、江西瑞昌— 九江— 彭泽沿江地区, 塌陷类型多为岩溶地面塌陷, 湖北省塌陷规模相对较大, 塌陷主要分布于咸宁— 武汉— 黄石地区。渗透管涌共162处, 主要分布在荆江大堤、洪湖监利长江干堤和九江长江大堤, 受水势控制, 长江北岸渗透管较多, 而南岸渗透管较少, 对沿江堤坝的稳定性威胁较大。软土区主要分布在荆州区、公安县、洪湖市、华容县和岳阳县, 面积约431 km²。砂土液化现象普遍发生于长江干堤两侧, 呈条带状, 总面积约2 200 km², 位于枝江— 荆州— 江陵— 监利一线、长江四口分流地段以及洞庭湖入江口地段。

层次分析法是一种定性与定量相结合的层次化、系统化决策评价分析方法^{[6, 7]}, 对较复杂的或模糊的问题做出决策判断, 特别适用于解决不易完全定量化问题的分析评价。通过对复杂系统决策过程的模型化、数量化, 决策者可将复杂问题分解为若干层次及因素, 采用定性和定量相结合的方法, 在各因素之间进行简单比较和计算, 从而得到不同方案的权重^{[8, 9]}, 计算综合评价值, 最终划定不同等级结果。

运用层次分析法, 分5个步骤^{[10, 11]}对过江大桥工程场地建设适宜性进行评价。

(1)确定评价因素。

(2)建立递阶层次结构模型。确定层次结构, 根据相互关系, 将决策目标、决策准则和决策对象分为目标层、准则层和指标层, 绘出层次结构图(图2)。

图2

Fig.2

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	图2 过江大桥工程建设场地适宜性评价层次结构示意图Fig.2 Structure of the suitability evaluation model

(3)构建层次判断矩阵。比较 n个因子 X={x1, …, xn}对某因素 Z的影响, 对因子进行两两比较, 建立成对比较矩阵(表2), 即每次取2个因子 xi和 xj, 以 aij表示 xi和 xj对 Z的影响之比, 确定下一层各因素对上一层目标影响的权重, 将定性判断定量化, 即构建 Z-X层次判断矩阵 A=(aij)n×n。

表2

Tab.2

表2(Tab.2)

表2 判断矩阵标度重要性对比[12, 13] Tab.2 Significance comparison of judgment matrix scale[12, 13] 标度 判别依据及意义 1 2个因子相比, 具有同等重要性 3 2个因子相比, 前者比后者略重要 5 2个因子相比, 前者比后者较重要 7 2个因子相比, 前者比后者非常重要 9 2个因子相比, 前者比后者绝对重要 2、4、6、8 上述两相邻标度的中间值, 重要性介于二者之间 倒数 若因子i与j重要性之比为aij, 则因子j与i重要性之比为aji=1/aij

表2 判断矩阵标度重要性对比[12, 13] Tab.2 Significance comparison of judgment matrix scale[12, 13]

(4)层次单排序和判别矩阵构造一致性检验。求判断矩阵 A对应最大特征值 λmax的特征向量 W, 归一化后即为同一层次相应因子对上一层次某个因子相对重要性权值。一致性检验公式为

式中: C_I为一致性指标; R_I为平均随机一致性指标; C_R为随即一致性比例。当C_R< 0.1时, 判断矩阵具有满意的一致性; 当C_R≥ 0.1时, 判别矩阵不具有满意的一致性, 需重新调整^{[10, 11]}。

层次单排序后开展总排序及一致性检验, 通过综合计算获得最底层(各指标)对最高层(总目标)的影响权重, 该过程由高层次向低层次逐层开展, 权重最大方案即为实现目标的最优选择。

(5)评定工程场地适宜性等级。以绝对否定因素作为工程用地单元划分依据, 不能完全遵循自然地理位置的属性, 若有决定性因素, 可根据主控因素进行单元划分, 剔除显著不适宜区域后, 根据标志物分隔修正。评价计算过程中部分考虑效益系数λ , 单元综合评价值F求取公式为

F=λ∑j=1nCijXij, (2)

式中: X_ij为第i指标基本分值; C_ij为第i指标权重, λ 为效益系数, 指否定性因素对工程建设的保障程度, 否定性因素威胁小, 保障性好。如无地质灾害发生, 取值1.0; 有潜在地质灾害发生, 取值0.5; 可能发生严重地质灾害, 取值0.1。存在活断层分布的地区, 则认为是地质灾害严重区。

根据岸线自然属性和大桥建设基本要求, 采取最直接且可具体量化的因子作为长江中游沿岸过江大桥工程场地评价单元的划分标准, 评价范围涉及长江中游南、北两岸以外1.5 km的陆域区, 以桥间距作为主要标志, 将长江中游南、北两岸岸线各划分为190个评价单元段, 评价单元对称分布。

根据过江大桥及国内相关桥梁施工建设可行性规范, 结合长江中游沿岸特殊的地理及河势特征, 构建长江中游沿岸过江大桥场地建设适宜性评价体系时, 主要考虑桥间距、河床稳定性、地基持力层埋深及承载力、两岸地形、河面宽度、深泓线位置、两岸连接线工程地质条件及区域稳定性等因素, 形成评价因子, 在满足安全性和经济性的前提下, 通过评价因子的敏感性, 优选8个评价指标, 构建场地适宜性评价体系(图3)。其中, 桥间距指桥与桥之间的距离, 太短会影响桥梁安全、通航安全、航道建设和航道维护, 深泓线指沿河流方向最大水深处连线。

图3

Fig.3

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	图3 过江大桥工程建设场地适宜性评价体系Fig.3 Suitability evaluation system of the river-crossing bridge site

根据各指标的相对重要性, 采用层次分析法进行权重计算, 将各评价指标穷尽为对比矩阵, 由公式(3)计算各指标的权值, 得到过江大桥场地适宜性评价的 Vi矩阵及其各评价因子权重(表3)。

W=∑nVij/∑i=1n∑nVij, (3)

式中: W为评价指标权重值; Vij为评价指标i对j对于上一层决策的重要性比值。

表3

Tab.3

表3(Tab.3)

表3 过江大桥工程建设场地适宜性评价因子权重 Tab.3 Weight of suitability evaluation factors of the river-crossing bridge site 评价结果 深泓线位置 优势持力层 河面宽度 河床剖面形态 两岸地形 岸线稳定性 地震基本烈度 工程地质条件 Vi 1.000 0 0.500 0 0.333 3 0.250 0 0.200 0 0.166 7 0.142 9 0.111 1 2.000 0 1.000 0 0.500 0 0.333 3 0.200 0 0.166 7 0.142 9 0.125 0 3.000 0 2.000 0 1.000 0 0.500 0 0.333 3 0.250 0 0.200 0 0.142 9 4.000 0 3.000 0 2.000 0 1.000 0 0.500 0 0.333 3 0.250 0 0.200 0 5.000 0 5.000 0 3.000 0 2.000 0 1.000 0 0.500 0 0.500 0 0.333 3 6.000 0 6.000 0 4.000 0 3.000 0 2.000 0 1.000 0 0.500 0 0.333 3 7.000 0 7.000 0 5.000 0 4.000 0 2.000 0 2.000 0 1.000 0 0.500 0 9.000 0 8.000 0 7.000 0 5.000 0 3.000 0 3.000 0 2.000 0 1.000 0 权重 0.289 1 0.252 9 0.175 3 0.121 1 0.066 1 0.051 5 0.030 0 0.014 0

表3 过江大桥工程建设场地适宜性评价因子权重 Tab.3 Weight of suitability evaluation factors of the river-crossing bridge site

2.5.1 指标量化

层次分析法将定性过程定量化, 开展综合评价等级划分。过江大桥建设场地适宜性评价主要评价因子包括河床剖面形态、两岸地形、河面宽度、深泓线位置、优势持力层、岸线稳定性、场地地震基本烈度和工程地质条件。河床顺直、深泓线居中、场地基本烈度小、岸线稳定有利于大桥施工。从场地工程地质条件考虑, 基岩中— 硬土、地势平坦开阔有利于大桥施工与运营。根据长江中游沿岸地质特征与大桥建设具体场地条件, 单因子指标划分4档, 并给予相应分值, 量化标准见表4。

表4

Tab.4

表4(Tab.4)

表4 过江大桥适宜性评价因素及单因子指标量化标准 Tab.4 Suitability evaluation factors and single factor quantitative standards of the river-crossing bridge site 评价因素 评分标准 基本分值 地形地貌 河床剖面形态 顺直河道、滩地窄、高“ V” 型河谷 80 微弯、顺直分汊河道、江心洲稳定或洲身 60 弯曲河道或弯曲分汊河道、江心洲不稳定或洲头、洲尾 40 弯曲河道弯顶、河汊、汇流口、古河道; 心滩、浅滩、沙丘发育 20 两岸地形 两岸有山嘴、石梁、土矶临江 80 一岸有山咀、石梁、土矶临江 60 地面高程≥ 历史高潮位5 m 40 地面高程< 历史高潮位5 m 20 河面宽度 < 2 km 80 [2, 3) km 60 [3, 4] km 40 > 4 km 20 深泓线位置 居中 80 近岸30%~60% 60 近岸≥ 60% 40 顶冲 20 工程地质 条件 优势持力层 基岩 80 顺直河道、滩地窄、高“ V” 型河谷 60 软黏性土占50 m以浅土层比为15%~30% 40 软黏性土占50 m以浅土层比为≥ 30% 20 评价因素 评分标准 基本分值 工程地质 条件 岸线稳定性 稳定岸段 80 淤积岸段 60 弱冲蚀岸段: 岸线后退0~10 m/a 40 强冲蚀岸段: 岸线后退≥ 10 m/a 20 两岸连接线工程地质条件 基岩、中— 硬土, 地势平坦、开阔 80 可塑— 软塑土, 低膨胀性土, 有斜坡但无陡坎 60 软土、液化砂土、膨胀土分布区 40 地质灾害发育区或危及区 20 区域稳定 性 地震基本烈度 < 6° 80 6° 60 7° 40 > 7° 20

表4 过江大桥适宜性评价因素及单因子指标量化标准 Tab.4 Suitability evaluation factors and single factor quantitative standards of the river-crossing bridge site

2.5.2 数据采集

根据相关勘探资料及数字化地形资料, 采用MapGIS图形处理与空间分析功能获取各评价单元因子数据, 河床剖面形态、两岸地形、河面宽度、深泓线位置从数字化地形图与水下地形图获取, 优势持力层埋深及承载力值(50 m以浅)、工程地质条件主要采集于沿江钻孔资料及沿岸各省最新1:50万区域地质图、环境地质图和工程地质图, 地震基本烈度主要在《湖北省地震志》^[14]、《江西省地震志》^[15]中获取, 岸线稳定性主要参考长江中游岸线稳定性专项评价。