三峽庫(kù)區(qū)典型邊坡塌岸預(yù)測(cè)參數(shù)特征值研究

三峽庫(kù)區(qū)典型邊坡塌岸預(yù)測(cè)參數(shù)特征值研究

20世紀(jì)40年代至50年代，薩瓦連斯基、卡丘金和卓洛塔列夫研究了蘇聯(lián)水庫(kù)的坍塌，并提出了評(píng)估坍塌區(qū)域的基本方法和圖像解決方案。現(xiàn)階段,預(yù)測(cè)水庫(kù)塌岸或水庫(kù)邊岸再造范圍和規(guī)模的方法中運(yùn)用最多、且相對(duì)來(lái)說(shuō)最具說(shuō)服力的方法有:類比法,、圖解法、兩段法以及各種圖解修正方法。而不管是傳統(tǒng)的還是近期發(fā)展起來(lái)的塌岸預(yù)測(cè)方法,在研究中,針對(duì)土質(zhì)和軟巖強(qiáng)風(fēng)化岸坡,都會(huì)涉及到一個(gè)非常重要的問(wèn)題——塌岸預(yù)測(cè)參數(shù)。但是到目前為止,還沒(méi)有專門(mén)的文獻(xiàn)對(duì)其進(jìn)行具體闡述和分析。因此,本文結(jié)合三峽庫(kù)區(qū)塌岸預(yù)測(cè)專題研究成果,對(duì)三峽庫(kù)區(qū)塌岸預(yù)測(cè)參數(shù)及其特征展開(kāi)專門(mén)論述。1坍塌的預(yù)測(cè)參數(shù)的特征值和調(diào)查值1.1沖蝕磨蝕和坍崩塌岸特征坡角不同類型的岸坡結(jié)構(gòu)在不同的庫(kù)水動(dòng)力條件下所表現(xiàn)的塌岸變形破壞方式往往有所區(qū)別?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果顯示:三峽庫(kù)區(qū)普遍存在如下三種典型的塌岸模式:沖蝕磨蝕型、坍(崩)塌型和滑移型。沖蝕磨蝕型是指在庫(kù)水、風(fēng)浪沖刷、地表水及其它外部營(yíng)力的作用下,岸坡物質(zhì)逐漸被沖刷、磨蝕,然后被搬運(yùn)帶走,從而使岸坡坡面產(chǎn)生緩慢后退的庫(kù)岸再造形式。其在三峽庫(kù)區(qū)普遍分布,主要發(fā)育于岸坡坡度較緩的土質(zhì)庫(kù)岸、花崗巖全強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)岸坡和紅層強(qiáng)風(fēng)化帶。再造具有緩慢性及持久性,規(guī)模一般較小。坍塌型是指岸坡坡腳在庫(kù)水長(zhǎng)期作用下,基座被軟化或淘蝕,岸坡上部物質(zhì)失去平衡,從而造成局部下錯(cuò)或坍塌,之后被江水逐漸搬運(yùn)帶走的一種岸坡變形破壞模式。主要發(fā)育于厚層砂土、粉砂土和粉質(zhì)粘土(巫山“黃土狀”土)岸坡帶?；菩褪侵冈趲?kù)水作用及其他因素的影響下,岸坡物質(zhì)沿著軟弱面或已有的滑動(dòng)面向江河發(fā)生整體滑移變形的現(xiàn)象,即通常意義的滑坡。通過(guò)調(diào)查分析,沖蝕磨蝕和坍塌型塌岸在其演進(jìn)過(guò)程中普遍會(huì)表征出如下三個(gè)重要的特征坡角:a.水下堆積坡角(θ):是指在庫(kù)水沖刷磨蝕作用下的岸坡松散土體在水下淺灘部位堆積而形成的穩(wěn)定坡角。b.沖磨蝕坡角(α):是指在庫(kù)水長(zhǎng)期作用下,在水位正常調(diào)度范圍內(nèi)(在三峽庫(kù)區(qū)為145～175m回水位)岸坡巖土體的穩(wěn)定坡角。c.水上穩(wěn)定坡角(β):是指在設(shè)計(jì)高水位(三峽庫(kù)區(qū)為175m回水位)之上,岸坡巖土體在外界營(yíng)力作用下的穩(wěn)定坡角。三峽庫(kù)區(qū)各區(qū)段的調(diào)查統(tǒng)計(jì)顯示,庫(kù)區(qū)沖蝕磨蝕型塌岸占31.74%,坍(崩)塌型塌岸占51.15%,滑移型塌岸占調(diào)查總長(zhǎng)的17.11%。如果不計(jì)崩塌型塌岸,沖蝕磨蝕型和坍塌型塌岸占調(diào)查庫(kù)段總長(zhǎng)的50%以上?？梢?jiàn)進(jìn)行塌岸參數(shù)及其特征研究非常必要。1.2水岸塌岸預(yù)測(cè)模型調(diào)查方法既然是預(yù)測(cè),就應(yīng)該在水庫(kù)蓄水之前進(jìn)行。通過(guò)大量的實(shí)踐,總結(jié)出如下兩種塌岸預(yù)測(cè)參數(shù)的調(diào)查取值方法:a.縱向類比調(diào)查:在水庫(kù)區(qū),天然河道平均枯水位、江水漲幅帶、平均洪水位分別對(duì)應(yīng)水庫(kù)蓄水運(yùn)行期的設(shè)計(jì)低水位、庫(kù)水位變動(dòng)帶(調(diào)節(jié)水位)、設(shè)計(jì)高水位。因此,對(duì)該水庫(kù)某一段庫(kù)岸進(jìn)行塌岸參數(shù)實(shí)測(cè)時(shí),可以通過(guò)分別調(diào)查實(shí)測(cè)現(xiàn)今天然河道的平均枯水位以下、江水漲幅帶以及平均洪水位以上三帶內(nèi)不同巖土體的穩(wěn)態(tài)坡角,采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分類求取庫(kù)區(qū)不同巖土體的各種特征坡角,并以此類比獲取水庫(kù)蓄水后的塌岸預(yù)測(cè)參數(shù)特征值——水下堆積坡角(θ)、沖磨蝕坡角(α)和水上穩(wěn)定坡角(β)。b.橫向類比調(diào)查:通過(guò)調(diào)查其它已經(jīng)運(yùn)行多年的條件類似水庫(kù),來(lái)獲得即將運(yùn)行水庫(kù)的塌岸預(yù)測(cè)參數(shù)。因此,可直接調(diào)查類比水庫(kù)不同巖土體在水庫(kù)蓄水運(yùn)行時(shí)的設(shè)計(jì)低水位以下、庫(kù)水位變動(dòng)帶(正常調(diào)度水位)、設(shè)計(jì)高水位以上三帶內(nèi)的穩(wěn)定坡度角,類比求得待預(yù)測(cè)水庫(kù)同類巖土體的塌岸預(yù)測(cè)參數(shù)特征值。2不同類型巖土體的塌岸預(yù)測(cè)參數(shù)特征值分析通過(guò)對(duì)三峽庫(kù)區(qū)第四系松散堆積體岸坡和較易產(chǎn)生塌岸的紅層岸坡強(qiáng)風(fēng)化帶的大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)調(diào)查和分類總結(jié),得出了三峽庫(kù)區(qū)內(nèi)不同類型巖土體的塌岸預(yù)測(cè)參數(shù)特征值,見(jiàn)表1。2.1沖洪積砂結(jié)構(gòu)沖洪積土質(zhì)岸坡在三峽庫(kù)區(qū)分布廣泛,主要出露于支流沖溝附近和沿江階地一帶,在寬緩河谷附近尤為發(fā)育,主要為沖洪積粉質(zhì)粘土、粉砂土、砂礫石土和卵礫石土等,多具下粗、上細(xì)的二元結(jié)構(gòu)特征。其塌岸預(yù)測(cè)參數(shù)特征值,一般情況下,水下穩(wěn)定坡角8°～13°,沖磨蝕坡角10°～14°,水上穩(wěn)定坡角18°～26°。2.2地下水石土、粘土、粉質(zhì)粘土殘(崩)坡積土質(zhì)岸坡和滑坡堆積岸坡主要發(fā)育于岸坡坡度較陡的庫(kù)岸段,主要為殘積、重力堆積的含碎塊石土、粘土、粉質(zhì)粘土。萬(wàn)州以下的庫(kù)岸段比其上游庫(kù)岸段發(fā)育。其塌岸預(yù)測(cè)參數(shù)特征值,一般情況下,水下穩(wěn)定坡角13°～15°,沖磨蝕坡角14°～17°,水上穩(wěn)定坡角25°～30°。2.3狀土土庫(kù)岸段“土巫山“黃土狀”土(粉質(zhì)粘土)和花崗巖全強(qiáng)風(fēng)化帶是三峽庫(kù)區(qū)內(nèi)發(fā)育的兩種相對(duì)特殊的第四系松散堆積物。巫山“黃土狀”土主要分布于巫山附近,奉節(jié)、云陽(yáng)、豐都、涪陵等庫(kù)岸段也有出露。一般情況下,其水下穩(wěn)定坡角10°～12°,沖磨蝕坡角12°～15°,水上穩(wěn)定坡角20°～30°?；◢弾r全強(qiáng)風(fēng)化帶岸坡主要分布于壩前附近的夷陵和秭歸的部分庫(kù)岸段,一般情況下,水下穩(wěn)定坡角10°～12°,沖磨蝕坡角13°～18°,水上穩(wěn)定坡角20°～45°。2.4重慶市區(qū)紅層分布三峽庫(kù)區(qū)紅層岸坡巖性軟弱、抗風(fēng)化能力差且遇水易崩解。在庫(kù)水的浸泡軟化作用下,較易產(chǎn)生坍塌后退。庫(kù)區(qū)紅層分布較廣,巴東、奉節(jié)、云陽(yáng)、萬(wàn)州、開(kāi)縣、石柱、忠縣、豐都、涪陵、長(zhǎng)壽以及庫(kù)尾的重慶市區(qū)及周邊大面積分布。紅層塌岸一般發(fā)生在其全強(qiáng)風(fēng)化帶,一般情況下,紅層全強(qiáng)風(fēng)化帶水下穩(wěn)定坡角在16°左右,沖磨蝕坡角在20°左右,水上穩(wěn)定坡角35°左右。3結(jié)構(gòu)水庫(kù)類型為了獲取三峽庫(kù)區(qū)比較客觀、真實(shí)的塌岸預(yù)測(cè)參數(shù),特選擇已運(yùn)行多年、地形地貌條件和水動(dòng)力條件與三峽庫(kù)區(qū)比較類似的二灘、寶珠寺以及龔咀水庫(kù)作為類比水庫(kù)。通過(guò)對(duì)這些類比水庫(kù)塌岸情況的調(diào)查研究和塌岸參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),取得了類比水庫(kù)中易產(chǎn)生塌岸的第四系不同類型巖土體的塌岸預(yù)測(cè)參數(shù)特征值,見(jiàn)表2。3.1沖磨蝕坡角穩(wěn)定性晚更新世(Q3)階地的砂卵石層,中密-密實(shí)狀態(tài),分選、磨圓較好。在水位急劇消漲波動(dòng)的長(zhǎng)期侵蝕-剝蝕作用下,仍可保持相對(duì)較高的沖磨蝕坡角35°。中更新世(Q2)高階地堆積岸坡的穩(wěn)定坡角,視其成分組構(gòu)及密度特征的不同而差異較大,沖磨蝕坡角在32°～46°。3.2晚更新世3g殘坡積岸坡全新世(Q4)殘坡積含角礫棕紅色粉質(zhì)粘土,這類岸坡在水庫(kù)運(yùn)行范圍內(nèi)的沖磨蝕坡角僅有16°,水上穩(wěn)定坡角為20°,是類比水庫(kù)穩(wěn)定坡角最小的岸坡之一。晚更新世(Q3)殘坡積岸坡有三種情況:a.硬可塑、弱固結(jié)黃色粉質(zhì)粘土,水庫(kù)運(yùn)行范圍內(nèi)的沖磨蝕坡角較低,為21°～23°,水上穩(wěn)定坡角為29°～36°。b.硬塑、弱固結(jié)粉質(zhì)粘土夾塊石、角礫,坡體呈稍濕-濕狀態(tài),沖磨蝕坡角為24°～27°,水上穩(wěn)定坡角為39°。c.堅(jiān)硬、固結(jié)棕紅色粘土夾片巖塊石,沖磨蝕坡角相對(duì)較高,為32°～36°,水上穩(wěn)定坡角為41°～54°。3.3沖磨蝕坡角相對(duì)較小全新世(Q4)結(jié)構(gòu)松散的千枚巖或片巖塊石崩坡積岸坡,水庫(kù)運(yùn)行范圍內(nèi)的沖磨蝕坡角相對(duì)較小,為29°,水上穩(wěn)定坡角為44°。晚更新世(Q3)鈣-泥質(zhì)弱膠結(jié)的稍密塊石、角礫及泥質(zhì)堆積的崩坡積岸坡,調(diào)查坡角值相差較大,不具統(tǒng)計(jì)意義。3.4沖磨蝕坡角和水上穩(wěn)定坡角全新世(Q4)古滑坡塊石、巨塊石堆積,結(jié)構(gòu)松散,水庫(kù)運(yùn)行范圍內(nèi)的沖磨蝕坡角相對(duì)較低,為32°,水上穩(wěn)定坡角為43°。晚更新世(Q3)古滑坡堆積岸坡視坡體結(jié)構(gòu)而具有一定的差異,沖磨蝕坡角最低可達(dá)12°,一般在35°左右,最高可達(dá)51°。4坍塌預(yù)測(cè)參數(shù)的影響因素分析4.1岸預(yù)測(cè)引導(dǎo)因素a.巖性:由于巖質(zhì)岸坡與土質(zhì)岸坡的抗沖擊和抗磨蝕能力有著天壤之別,庫(kù)岸再造方式也截然不同。研究顯示硬巖質(zhì)庫(kù)岸的塌岸一般表現(xiàn)為崩塌或者巖質(zhì)滑移型,其預(yù)測(cè)方法和參數(shù)選取則屬于危巖塊體和滑坡穩(wěn)定性分析的范疇。如果巖質(zhì)岸坡也采用上述塌岸預(yù)測(cè)方法和參數(shù),往往會(huì)得出偏離實(shí)際的預(yù)測(cè)結(jié)果。可見(jiàn),巖性差異對(duì)塌岸預(yù)測(cè)有著實(shí)質(zhì)性的影響。b.礦物成分:不同的土體其礦物成分往往不同,親水特性以及礦物間聯(lián)結(jié)力大小也不盡相同。含親水礦物成分的土體遇水易膨脹,抗沖刷能力相對(duì)較弱,塌岸預(yù)測(cè)參數(shù)則較小。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查顯示由遇水軟化而易喪失強(qiáng)度的巖組構(gòu)成的岸坡,在天然狀況下是穩(wěn)定的;但在庫(kù)水長(zhǎng)期浸潤(rùn)作用下,土體強(qiáng)度將大為折減,從而導(dǎo)致岸坡失穩(wěn)。c.岸坡結(jié)構(gòu):包括土體類型(粒徑大小)、成因類型、固結(jié)和密實(shí)程度等。調(diào)查顯示,土體顆粒粒徑越大,塌岸預(yù)測(cè)參數(shù)一般越高;級(jí)配好的土體岸坡塌岸預(yù)測(cè)參數(shù)則高于級(jí)配差的;固結(jié)和密實(shí)程度高的土體岸坡塌岸預(yù)測(cè)參數(shù)則高于固結(jié)和密實(shí)程度低的;因此,一般成因年代久的塌岸預(yù)測(cè)參數(shù)往往高于成因年代近的土體岸坡塌岸預(yù)測(cè)參數(shù)。4.2陣風(fēng)波和基水波a.風(fēng)(波)浪沖刷作用:調(diào)查顯示波浪的規(guī)模取決于過(guò)往船只的規(guī)模、船的行駛速率或者風(fēng)速、風(fēng)的作用時(shí)間以及風(fēng)的吹程。一般來(lái)說(shuō),船只規(guī)模越大,行駛速度越大,則產(chǎn)生的波的能量就越強(qiáng);同樣沿某一方向吹襲江面的風(fēng)速越大,風(fēng)時(shí)越長(zhǎng),風(fēng)區(qū)越長(zhǎng),該方向的波浪也越大。波浪的沖刷和研磨會(huì)使江岸逐漸后退。波浪越大,作用時(shí)間越長(zhǎng),塌岸預(yù)測(cè)參數(shù)也就越小。b.庫(kù)水的物理化學(xué)作用:水對(duì)巖土體的物理作用主要是潤(rùn)滑作用、軟化和泥化作用。潤(rùn)滑作用反映在力學(xué)上,就是使巖土體的摩擦角減小;軟化和泥化作用使巖土體的力學(xué)性能降低,內(nèi)聚力和摩擦角減小。水對(duì)巖土體的化學(xué)作用主要是通過(guò)水與巖土體之間的離子交換、溶解作用(濕陷)、水化作用(膨脹)、水解作用、溶蝕作用等。水對(duì)巖土體的化學(xué)作用越強(qiáng)烈,土體越容易分解,其塌岸預(yù)測(cè)參數(shù)往往越低。c.人類工程活動(dòng):合理的人類工程活動(dòng)往往有助于岸坡的穩(wěn)定,不合理的人類工程活動(dòng)反而會(huì)使原先穩(wěn)定的岸坡變得不穩(wěn)定,加快庫(kù)岸再造進(jìn)程。4.3沖磨蝕坡角和岸坡固結(jié)反應(yīng)特征通過(guò)對(duì)三峽水庫(kù)和二灘、寶珠寺、龔咀水庫(kù)典型塌岸段塌岸參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和統(tǒng)計(jì)分析,得到如下規(guī)律性認(rèn)識(shí):a.在不同的庫(kù)水動(dòng)力條件下,庫(kù)岸岸坡巖土體會(huì)表現(xiàn)出不同的堆積性質(zhì)。水位變動(dòng)帶以下,如遇淺灘,則表現(xiàn)為淺灘堆積;水位變動(dòng)帶的岸坡,則長(zhǎng)期經(jīng)受庫(kù)水的沖刷和磨蝕作用,并逐漸穩(wěn)定下來(lái),表現(xiàn)為沖磨蝕坡角;水位變動(dòng)帶以上岸坡,在自然狀態(tài)下表現(xiàn)為穩(wěn)定休止角。b.岸坡的塌岸參數(shù)特征值與巖土體結(jié)構(gòu)、組成和巖土體特性等物理力學(xué)性能密切相關(guān)。一般而言,在相同的庫(kù)水動(dòng)力條件下,組成岸坡的巖土體粗粒徑料含量越多、膠結(jié)(固結(jié))程度越好、力學(xué)強(qiáng)度越高,其塌岸參數(shù)特征值越大;反之,其塌岸參數(shù)特征值越小。c.岸坡的塌岸參數(shù)特征值與庫(kù)水動(dòng)力條件相關(guān)。相似的巖土體,如果水動(dòng)力條件越強(qiáng),則岸坡越容易產(chǎn)生再造,其塌岸參數(shù)特征值往往越低;反之,塌岸參數(shù)特征值越高。由于支流與干流、堆積段庫(kù)岸與侵蝕段庫(kù)岸的庫(kù)水動(dòng)力條件的差異,統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,支流兩岸岸坡的塌岸特征參數(shù)一般高于干流同類巖土體的塌岸特征參數(shù);堆積段岸坡的塌岸特征參數(shù)往往高于侵蝕段岸坡。d.通過(guò)三峽水庫(kù)與類比水庫(kù)的塌岸特征參數(shù)的對(duì)比分析顯示:山區(qū)峽谷型岸坡巖土體的塌岸參數(shù)特征值一般高于平原寬緩型河流岸坡同類巖土體的塌岸參數(shù)特征值。5結(jié)構(gòu)因子及三大控制目標(biāo)的預(yù)測(cè)參數(shù)分析塌岸預(yù)測(cè)參數(shù)特征值是不同巖土體在不同的庫(kù)水動(dòng)力條件下的綜合表征,具有較強(qiáng)個(gè)性特征。在調(diào)查過(guò)程中發(fā)現(xiàn),即使是巖土體類型和結(jié)構(gòu)相似的巖土體,不同地段的塌岸參數(shù)特征值的差別也可能較大,因此,本文所提供的塌岸參