三峽工程水庫蓄水后岸坡變形成因分析

三峽工程水庫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,而對庫岸地貌過程研究較少,尤其是對三峽水庫蓄水后庫岸地貌過程的影響研究就更少。長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,干流庫長667km,支流庫長4000km,水庫蓄水達3.93×1010m3。大壩建成后,大壩上下水動力條件改變較大,導(dǎo)致局部侵蝕基準(zhǔn)面的出現(xiàn),塑造岸坡的動力地貌條件將隨之改變,庫岸必定要經(jīng)歷一個地貌改造—再造過程。本文在前人研究基礎(chǔ)上,從地貌分類和蓄水后庫區(qū)岸坡動力條件的改變?nèi)胧?研究三峽庫區(qū)蓄水后對庫區(qū)岸坡不同類型地貌過程的影響。根據(jù)三峽工程方案,為使水庫長期保持絕大部分有效庫容,三峽水庫將采取“蓄清排渾”的運行方式,即在每年6—9月長江上游來沙量最大之前,將庫水位降至145m,并在汛期開閘前放水排沙;而在汛期后則關(guān)閉閘門,將庫水位升至175m,攔蓄清水以發(fā)揮水庫效益。因此,庫區(qū)水位冬季保持在175m,夏季保持145m,在庫區(qū)兩岸形成2條平行的水位季節(jié)性消落帶,致使部分庫岸周期性出沒于水中,加之在排水和洪水時水位驟降,河流水動力條件改變更大,庫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),引起庫岸山體崩塌和滑坡,影響庫岸地貌過程。1地形地貌及地貌長江三峽水庫蓄水后,周期性漲落的庫水對不同地貌類型、不同質(zhì)地的岸坡產(chǎn)生不同程度的影響。三峽庫區(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,河谷較為開闊。長達5000km的長江三峽工程水庫干支流,庫區(qū)回水長度在1km以上的支流有173條,回水河段總長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、碎屑巖等巖類和松散堆積物組成了多種岸坡結(jié)構(gòu)類型,干流及主要支流水庫庫岸中松散堆積物岸坡長140.5km,占總長的4.69%,層狀碎屑巖岸坡長2368.6km,占總長的79.06%;層狀碳酸鹽巖岸坡長454.5km,占總長的15.18%;結(jié)晶巖岸坡長32km,占總長的1.07%。2峽水庫岸坡水動力作用的物理和化學(xué)作用修筑大壩前,三峽庫區(qū)所在河段岸坡的地貌動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)致庫岸岸坡周期性出沒與水中,水庫水補給地下水,引起地下水位上升。岸坡地下水主要有4種類型:松散堆積層空隙水、碎屑巖類裂隙水、碳酸鹽巖巖溶水和結(jié)晶巖空隙裂隙水,按水動力類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。庫岸地下水也隨之周期性變化,使地下水和庫水共同作用于巖土介質(zhì)中和岸坡表面,對巖土體產(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度;化學(xué)作用主要是通過水—巖土體離子交換、溶解、水化等作用改變巖土體的結(jié)構(gòu)而降低強度;力學(xué)作用主要是通過空隙靜水壓力和空隙動力水壓作用對巖土體的力學(xué)性質(zhì)改變。空隙靜水壓力減小巖土體中法向應(yīng)力而降低巖土體強度,空隙動水壓力對巖土體產(chǎn)生推力而降低岸坡的穩(wěn)定系數(shù)。由于塑造地貌過程的水動力改變,加之巖土類型及其組合、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,使該岸坡上的動力作用發(fā)生了重大變化,直接影響岸坡的地貌過程。三峽水庫蓄水以后,庫面水域變得更加開闊,例如巫山新縣城一帶長江庫面將增至400～1400m,大寧河庫面增寬至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)的作用以及庫水的流動對庫岸引起沖刷作用,使庫岸后移,并使河谷深切,使岸坡變高變陡,庫水沖刷坡腳,切斷滑動面而使之臨空,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)庫水位到達150或180m時,庫區(qū)兩岸大多數(shù)岸坡淹沒深度可達50～100m,水的作用力對邊坡的影響范圍很大。在每年6—9月長江上游來沙量最大之前,將庫水位降至145m,水庫水位突降,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。在庫水的動水壓力和靜水壓力增大引起的崩塌和滑坡,由于庫水水位的突然降低,庫岸內(nèi)地下水水位高于庫水位,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水壓力,加大了沿地下滲流方向的滑動力,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)重滯后于庫水位,會形成較大的靜水壓力,也會增大下滑力,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,不同類型的岸坡在庫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,巖相復(fù)雜多變,形成時間和成因各不相同的松散堆積物在很短的距離內(nèi)交錯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)在庫水和地下水的長期浸泡下,強度降低而易產(chǎn)生滑移,在滑移過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,失去支撐而向下滑動。尤其是庫水位接近各種軟弱結(jié)構(gòu)面的高程時,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水中,或部分浸泡在庫水中,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,坍塌按其起始運動方式分為滑塌式和墜落式2種,庫區(qū)沖積層分布范圍小,呈狹長條帶沿江分布,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岸,變形相對強烈。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與庫水中,引起岸坡巖體物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變,在庫水靜壓力、浮托力和動水壓力等作用下,巖體底部的潛在滑動面浸水軟化、泥化,空隙壓力增大(附圖1b),抗剪強度降低。同時原來巖體阻滑的前緣部位,受庫水浮托,降低了阻滑力,引起岸坡沿軟弱滑動面順層活動。由于層狀巖層具有軟硬相間的結(jié)構(gòu),尤其是順向坡,較強的構(gòu)造應(yīng)力作用使軟硬巖層相互錯動,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。在部分岸坡地段,臨江部分被長江切割臨空,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)化作用等外營力的作用,岸坡逐步松動變形,岸坡巖體連續(xù)性、完整性不斷遭受破壞,穩(wěn)定性、力學(xué)強度不斷下降,易發(fā)生巖體順層滑坡部位,尤其在庫水位迅速下降時,巖體內(nèi)空隙水來不及隨庫水下降而排出,巖體內(nèi)仍保持很高的浸潤面。隨著地下水坡降的增大,而形成滲透壓力,這時庫水對岸坡的擠壓力消失,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)育的巖類分為基巖滑坡和堆積層滑坡,基巖滑坡按滑動面與滑床基巖產(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,多分布在秭歸樹平—巴東黃臘石、巫山老鼠錯—大灣、黃瓜樹—劉家屋場、奉節(jié)白衣庵—云陽茂河嶺、云陽寶塔—興隆灘、萬縣市一帶、萬縣大溪口—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。尤其在水位波動時,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。水位波動較大的時段,小幅度快速消落,即汛期一次洪峰后庫水位驟降,引起邊坡失穩(wěn),產(chǎn)生滑坡等。4庫岸斜坡水岸坡變形發(fā)生機理三峽水庫蓄水后,以前出露的岸坡巖土體周期性出沒于水中,引起水動力條件明顯改變,導(dǎo)致地下水和庫水共同作用于岸坡表面和巖土介質(zhì),對巖土體產(chǎn)生物理、化學(xué)和力學(xué)作用,對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,其強度普遍降低,且吸水性越強,強度降低越大。頁巖、黏土巖、含有機質(zhì)的黏土等,親水性很強,在庫水的浸泡作用下發(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,其抗剪強度普遍下降,當(dāng)斜坡體下滑力超過支撐力時,斜坡體失去平衡,產(chǎn)生變形位移現(xiàn)象,將會發(fā)生崩塌和滑坡,抗剪強度降低,破壞庫岸斜坡,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