三峽工程水庫(kù)蓄水后岸坡變形成因分析

三峽工程水庫(kù)蓄水后岸坡變形成因分析

三峽河擁有豐富的水資源，是連接西南、華南和東亞的重要航道。歷來(lái)為研究人員所贊賞。其中，三峽及其附近河流的海岸線是研究的重要內(nèi)容之一。以往對(duì)三峽及其臨近河段岸坡的研究主要集中在崩塌、滑坡等岸坡穩(wěn)定性及其治理等方面,而對(duì)庫(kù)岸地貌過(guò)程研究較少,尤其是對(duì)三峽水庫(kù)蓄水后庫(kù)岸地貌過(guò)程的影響研究就更少。長(zhǎng)江三峽工程是目前世界上在建的最大水利工程之一,大壩壩頂高程185m,干流庫(kù)長(zhǎng)667km,支流庫(kù)長(zhǎng)4000km,水庫(kù)蓄水達(dá)3.93×1010m3。大壩建成后,大壩上下水動(dòng)力條件改變較大,導(dǎo)致局部侵蝕基準(zhǔn)面的出現(xiàn),塑造岸坡的動(dòng)力地貌條件將隨之改變,庫(kù)岸必定要經(jīng)歷一個(gè)地貌改造—再造過(guò)程。本文在前人研究基礎(chǔ)上,從地貌分類(lèi)和蓄水后庫(kù)區(qū)岸坡動(dòng)力條件的改變?nèi)胧?研究三峽庫(kù)區(qū)蓄水后對(duì)庫(kù)區(qū)岸坡不同類(lèi)型地貌過(guò)程的影響。根據(jù)三峽工程方案,為使水庫(kù)長(zhǎng)期保持絕大部分有效庫(kù)容,三峽水庫(kù)將采取“蓄清排渾”的運(yùn)行方式,即在每年6—9月長(zhǎng)江上游來(lái)沙量最大之前,將庫(kù)水位降至145m,并在汛期開(kāi)閘前放水排沙;而在汛期后則關(guān)閉閘門(mén),將庫(kù)水位升至175m,攔蓄清水以發(fā)揮水庫(kù)效益。因此,庫(kù)區(qū)水位冬季保持在175m,夏季保持145m,在庫(kù)區(qū)兩岸形成2條平行的水位季節(jié)性消落帶,致使部分庫(kù)岸周期性出沒(méi)于水中,加之在排水和洪水時(shí)水位驟降,河流水動(dòng)力條件改變更大,庫(kù)岸巖土體邊坡條件受到不同程度的改變,可能誘導(dǎo)局部邊坡失穩(wěn),引起庫(kù)岸山體崩塌和滑坡,影響庫(kù)岸地貌過(guò)程。1地形地貌及地貌長(zhǎng)江三峽水庫(kù)蓄水后,周期性漲落的庫(kù)水對(duì)不同地貌類(lèi)型、不同質(zhì)地的岸坡產(chǎn)生不同程度的影響。三峽庫(kù)區(qū)以奉節(jié)為界,分東西兩大地貌單元,奉節(jié)以東為侵蝕中山峽谷,以強(qiáng)烈侵蝕為主,兼有溶蝕,形成不同寬度相間的窄谷及中高山夾中低山丘陵的地形、地貌,山頂高程在1000～2000m。奉節(jié)以西為川東侵蝕剝蝕低山丘陵平行嶺谷區(qū),以較弱侵蝕為主,兼有微弱剝蝕,形成不同寬度相間的寬谷及低山夾中低山的地形、地貌,兩岸岸坡低緩,河谷較為開(kāi)闊。長(zhǎng)達(dá)5000km的長(zhǎng)江三峽工程水庫(kù)干支流,庫(kù)區(qū)回水長(zhǎng)度在1km以上的支流有173條,回水河段總長(zhǎng)1840km,跨越不同的地貌和大地構(gòu)造單元,由結(jié)晶巖、碳酸鹽巖、碎屑巖等巖類(lèi)和松散堆積物組成了多種岸坡結(jié)構(gòu)類(lèi)型,干流及主要支流水庫(kù)庫(kù)岸中松散堆積物岸坡長(zhǎng)140.5km,占總長(zhǎng)的4.69%,層狀碎屑巖岸坡長(zhǎng)2368.6km,占總長(zhǎng)的79.06%;層狀碳酸鹽巖岸坡長(zhǎng)454.5km,占總長(zhǎng)的15.18%;結(jié)晶巖岸坡長(zhǎng)32km,占總長(zhǎng)的1.07%。2峽水庫(kù)岸坡水動(dòng)力作用的物理和化學(xué)作用修筑大壩前,三峽庫(kù)區(qū)所在河段岸坡的地貌動(dòng)力作用主要是在基巖風(fēng)化剝蝕的基礎(chǔ)上以重力地貌作用為主。蓄水后,庫(kù)區(qū)水流流速與自然河道水流流速相比減小,河流的縱向侵蝕能力下降。但是由于水位周期性漲落,導(dǎo)致庫(kù)岸岸坡周期性出沒(méi)與水中,水庫(kù)水補(bǔ)給地下水,引起地下水位上升。岸坡地下水主要有4種類(lèi)型:松散堆積層空隙水、碎屑巖類(lèi)裂隙水、碳酸鹽巖巖溶水和結(jié)晶巖空隙裂隙水,按水動(dòng)力類(lèi)型可分為潛水和承壓水。承壓水主要賦存于含水層和隔水層相間成層的巖體中。庫(kù)岸地下水也隨之周期性變化,使地下水和庫(kù)水共同作用于巖土介質(zhì)中和岸坡表面,對(duì)巖土體產(chǎn)生物理、化學(xué)和力學(xué)作用。物理作用主要是軟化和泥化巖土體中斷層帶物質(zhì)和軟弱夾層物質(zhì),從而降低巖土體的強(qiáng)度;化學(xué)作用主要是通過(guò)水—巖土體離子交換、溶解、水化等作用改變巖土體的結(jié)構(gòu)而降低強(qiáng)度;力學(xué)作用主要是通過(guò)空隙靜水壓力和空隙動(dòng)力水壓作用對(duì)巖土體的力學(xué)性質(zhì)改變?？障鹅o水壓力減小巖土體中法向應(yīng)力而降低巖土體強(qiáng)度,空隙動(dòng)水壓力對(duì)巖土體產(chǎn)生推力而降低岸坡的穩(wěn)定系數(shù)。由于塑造地貌過(guò)程的水動(dòng)力改變,加之巖土類(lèi)型及其組合、邊坡形態(tài)、結(jié)構(gòu)形式與臨空面的關(guān)系都將隨之改變,使該岸坡上的動(dòng)力作用發(fā)生了重大變化,直接影響岸坡的地貌過(guò)程。三峽水庫(kù)蓄水以后,庫(kù)面水域變得更加開(kāi)闊,例如巫山新縣城一帶長(zhǎng)江庫(kù)面將增至400～1400m,大寧河庫(kù)面增寬至600～1500m。區(qū)內(nèi)最大風(fēng)速>17m/s,特別是夏季大風(fēng),占20～30d。由于山谷風(fēng)的作用以及庫(kù)水的流動(dòng)對(duì)庫(kù)岸引起沖刷作用,使庫(kù)岸后移,并使河谷深切,使岸坡變高變陡,庫(kù)水沖刷坡腳,切斷滑動(dòng)面而使之臨空,失去底部支撐,斜坡的穩(wěn)定平衡遭受破壞,產(chǎn)生崩塌與滑坡。當(dāng)庫(kù)水位到達(dá)150或180m時(shí),庫(kù)區(qū)兩岸大多數(shù)岸坡淹沒(méi)深度可達(dá)50～100m,水的作用力對(duì)邊坡的影響范圍很大。在每年6—9月長(zhǎng)江上游來(lái)沙量最大之前,將庫(kù)水位降至145m,水庫(kù)水位突降,由水的沖刷作用而形成的具有臨空面的巖石所受到的浮托力則迅速減小,滑坡體所受到的抗滑阻力也迅速減小,從而引起局部崩塌和滑坡。在庫(kù)水的動(dòng)水壓力和靜水壓力增大引起的崩塌和滑坡,由于庫(kù)水水位的突然降低,庫(kù)岸內(nèi)地下水水位高于庫(kù)水位,地下水由滑坡體排出,較大的水深和水力梯度形成較大的動(dòng)水壓力,加大了沿地下滲流方向的滑動(dòng)力,從而引起局部老滑坡的復(fù)活和新滑坡的產(chǎn)生。但是,如果滑坡體地下水排出較慢,地下水水位下降嚴(yán)重滯后于庫(kù)水位,會(huì)形成較大的靜水壓力,也會(huì)增大下滑力,引起局部崩塌和滑坡發(fā)生。3地形植物由于松散堆積物岸坡和巖石岸坡的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)存在很大差異,水位上升后,不同類(lèi)型的岸坡在庫(kù)水和地下水的作用下,將產(chǎn)生不同的影響,影響的程度和速度也將不同,對(duì)岸坡塑造的方式也不同。3.1基巖滑移的古滑坡松散堆積物岸坡依據(jù)結(jié)構(gòu)可分為沖洪積沙礫土岸坡,蹦、滑堆積質(zhì)岸坡或碎石(土)岸坡,厚層殘積碎(塊)石(土)岸坡。由于結(jié)構(gòu)松散,粘結(jié)力小,透水性強(qiáng),巖相復(fù)雜多變,形成時(shí)間和成因各不相同的松散堆積物在很短的距離內(nèi)交錯(cuò)堆積在下伏基巖之上,導(dǎo)致不同層次間滲水性、富水性的差異,形成不規(guī)則的上層滯水或多水層帶狀水,松散堆積層與下伏基巖的透水性差異很大,基巖頂面易構(gòu)成隔水頂板,相對(duì)隔水層的頂面易形成滑面,與基巖頂面接觸部分的物質(zhì)在庫(kù)水和地下水的長(zhǎng)期浸泡下,強(qiáng)度降低而易產(chǎn)生滑移,在滑移過(guò)程中坡體在巖土塊的撞擊力和滑移慣性力的作用下很容易解體,形成滑坡碎屑流。在庫(kù)水沖刷侵蝕作用下,堆積體臨江部分被掏空,前緣臨空,當(dāng)抗滑力不足以抵抗下滑力時(shí),失去支撐而向下滑動(dòng)。尤其是庫(kù)水位接近各種軟弱結(jié)構(gòu)面的高程時(shí),在地下水的作用下,軟弱結(jié)構(gòu)面軟化導(dǎo)致滑坡的發(fā)生和發(fā)展(附圖1a)。蓄水后,松散堆積物岸坡周期性浸泡在庫(kù)水中,或部分浸泡在庫(kù)水中,吸水膨脹,加之波浪的侵蝕,導(dǎo)致古滑坡,或古倒石堆前緣發(fā)生了錯(cuò)落或古滑坡或古倒石堆再發(fā)生滑移,老滑坡復(fù)活,直至產(chǎn)生坍岸、坍塌或滑坡。坍岸主要發(fā)生在河流沖積層分布地段,坍塌按其起始運(yùn)動(dòng)方式分為滑塌式和墜落式2種,庫(kù)區(qū)沖積層分布范圍小,呈狹長(zhǎng)條帶沿江分布,厚度不大。3.2岸坡滑坡形成原因巖質(zhì)岸坡由層狀碎屑巖岸、層狀碳酸鹽巖岸、結(jié)晶巖岸坡等組成,軟硬相間的層狀碎屑巖和有軟弱基座的局部碳酸鹽巖庫(kù)岸,變形相對(duì)強(qiáng)烈。蓄水前,巖質(zhì)岸坡受風(fēng)化作用、地下水作用等因素作用,岸坡基底泥巖或泥質(zhì)砂巖軟硬夾層的風(fēng)化、軟化、崩解,形成風(fēng)化穴、軟弱基座,在上伏巖體自重等外載荷作用下發(fā)生壓縮流變及臨空方向的剪切流變,坡體上緣基地部位產(chǎn)生部分張裂隙,陡傾角裂隙帶進(jìn)一步拉張,逐漸形成危巖體,為水位上升后岸坡形變創(chuàng)造了條件。蓄水后,岸坡巖體周期性出沒(méi)與庫(kù)水中,引起岸坡巖體物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變,在庫(kù)水靜壓力、浮托力和動(dòng)水壓力等作用下,巖體底部的潛在滑動(dòng)面浸水軟化、泥化,空隙壓力增大(附圖1b),抗剪強(qiáng)度降低。同時(shí)原來(lái)巖體阻滑的前緣部位,受庫(kù)水浮托,降低了阻滑力,引起岸坡沿軟弱滑動(dòng)面順層活動(dòng)。由于層狀巖層具有軟硬相間的結(jié)構(gòu),尤其是順向坡,較強(qiáng)的構(gòu)造應(yīng)力作用使軟硬巖層相互錯(cuò)動(dòng),軟硬巖層接觸面上產(chǎn)生應(yīng)力差,使得巖層內(nèi)部發(fā)育有多組構(gòu)造裂隙,破壞了巖體的完整性,有利于地下水的活動(dòng)。在部分岸坡地段,臨江部分被長(zhǎng)江切割臨空,兩側(cè)發(fā)育深切沖溝,后緣坡度很大,形成三面臨空地帶。受風(fēng)化作用等外營(yíng)力的作用,岸坡逐步松動(dòng)變形,岸坡巖體連續(xù)性、完整性不斷遭受破壞,穩(wěn)定性、力學(xué)強(qiáng)度不斷下降,易發(fā)生巖體順層滑坡部位,尤其在庫(kù)水位迅速下降時(shí),巖體內(nèi)空隙水來(lái)不及隨庫(kù)水下降而排出,巖體內(nèi)仍保持很高的浸潤(rùn)面。隨著地下水坡降的增大,而形成滲透壓力,這時(shí)庫(kù)水對(duì)岸坡的擠壓力消失,導(dǎo)致抗滑力減少,下滑力增加,易引起岸坡滑坡。依據(jù)巖層走向等可分位傾外層狀岸坡、平緩(及軟弱基座)層狀岸坡、傾內(nèi)層狀岸坡,碳酸鹽巖區(qū)具軟弱基座的岸坡段是崩塌、滑坡的密集地帶?；乱云浒l(fā)育的巖類(lèi)分為基巖滑坡和堆積層滑坡,基巖滑坡按滑動(dòng)面與滑床基巖產(chǎn)狀的關(guān)系,分為順層滑坡和切層滑坡。岸坡崩塌、滑坡的發(fā)育強(qiáng)度受巖性、地質(zhì)構(gòu)造和岸坡結(jié)構(gòu)等條件的控制,多分布在秭歸樹(shù)平—巴東黃臘石、巫山老鼠錯(cuò)—大灣、黃瓜樹(shù)—?jiǎng)⒓椅輬?chǎng)、奉節(jié)白衣庵—云陽(yáng)茂河嶺、云陽(yáng)寶塔—興隆灘、萬(wàn)縣市一帶、萬(wàn)縣大溪口—獅耳沖、忠縣廟上一豐都陳家吊崖等支流主要分布在香溪河、歸州河、青干河、草堂河、梅溪河和烏江岸,這些地段的岸坡水位上升后,將誘發(fā)和加速滑坡的形成。尤其在水位波動(dòng)時(shí),在每年的11月至翌年3月,汛前大幅緩慢消落,壩前水位從175m降至防洪限制水位145m,促使穩(wěn)定性較差的岸坡變形產(chǎn)生滑移。水位波動(dòng)較大的時(shí)段,小幅度快速消落,即汛期一次洪峰后庫(kù)水位驟降,引起邊坡失穩(wěn),產(chǎn)生滑坡等。4庫(kù)岸斜坡水岸坡變形發(fā)生機(jī)理三峽水庫(kù)蓄水后,以前出露的岸坡巖土體周期性出沒(méi)于水中,引起水動(dòng)力條件明顯改變,導(dǎo)致地下水和庫(kù)水共同作用于岸坡表面和巖土介質(zhì),對(duì)巖土體產(chǎn)生物理、化學(xué)和力學(xué)作用,對(duì)松散堆積物岸坡和基巖岸坡產(chǎn)生不同的影響。巖石和土體經(jīng)水的浸泡后,其強(qiáng)度普遍降低,且吸水性越強(qiáng),強(qiáng)度降低越大。頁(yè)巖、黏土巖、含有機(jī)質(zhì)的黏土等,親水性很強(qiáng),在庫(kù)水的浸泡作用下發(fā)生物理、化學(xué)、力學(xué)性質(zhì)變化,特別是有軟硬夾層的巖體,會(huì)軟化、泥化。當(dāng)巖體的軟弱層、結(jié)構(gòu)面、松散堆積層與基巖接觸帶土體受水浸泡時(shí),其抗剪強(qiáng)度普遍下降,當(dāng)斜坡體下滑力超過(guò)支撐力時(shí),斜坡體失去平衡,產(chǎn)生變形位移現(xiàn)象,將會(huì)發(fā)生崩塌和滑坡,抗剪強(qiáng)度降低,破壞庫(kù)岸斜坡,導(dǎo)致老滑坡復(fù)活新滑坡產(chǎn)生,松散堆積物岸坡產(chǎn)生坍塌,巖