三峽庫區(qū)典型邊坡塌岸預(yù)測參數(shù)特征值研究

三峽庫區(qū)典型邊坡塌岸預(yù)測參數(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)水庫的坍塌，并提出了評估坍塌區(qū)域的基本方法和圖像解決方案?，F(xiàn)階段,預(yù)測水庫塌岸或水庫邊岸再造范圍和規(guī)模的方法中運用最多、且相對來說最具說服力的方法有: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)展起來的塌岸預(yù)測方法,在研究中,針對土質(zhì)和軟巖強風(fēng)化岸坡,都會涉及到一個非常重要的問題——塌岸預(yù)測參數(shù)。但是到目前為止,還沒有專門的文獻對其進行具體闡述和分析。因此,本文結(jié)合三峽庫區(qū)塌岸預(yù)測專題研究成果,對三峽庫區(qū)塌岸預(yù)測參數(shù)及其特征展開專門論述。1坍塌的預(yù)測參數(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)在不同的庫水動力條件下所表現(xiàn)的塌岸變形破壞方式往往有所區(qū)別?，F(xiàn)場調(diào)查結(jié)果顯示:三峽庫區(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水、風(fēng)浪沖刷、地表水及其它外部營力的作用下,岸坡物質(zhì)逐漸被沖刷、磨蝕,然后被搬運帶走,從而使岸坡坡面產(chǎn)生緩慢后退的庫岸再造形式。其在三峽庫區(qū)普遍分布,主要發(fā)育于岸坡坡度較緩的土質(zhì)庫岸、花崗巖全強風(fēng)化砂質(zhì)岸坡和紅層強風(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水長期作用下,基座被軟化或淘蝕,岸坡上部物質(zhì)失去平衡,從而造成局部下錯或坍塌,之后被江水逐漸搬運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。滑移型是指在庫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。通過調(diào)查分析,沖蝕磨蝕和坍塌型塌岸在其演進過程中普遍會表征出如下三個重要的特征坡角:a.水下堆積坡角(θ):是指在庫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):是指在庫水長期作用下,在水位正常調(diào)度范圍內(nèi)(在三峽庫區(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)計高水位(三峽庫區(qū)為175m回水位)之上,岸坡巖土體在外界營力作用下的穩(wěn)定坡角。三峽庫區(qū)各區(qū)段的調(diào)查統(tǒng)計顯示,庫區(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)查總長的17.11%。如果不計崩塌型塌岸,沖蝕磨蝕型和坍塌型塌岸占調(diào)查庫段總長的50%以上?？梢娺M行塌岸參數(shù)及其特征研究非常必要。1.2水岸塌岸預(yù)測模型調(diào)查方法既然是預(yù)測,就應(yīng)該在水庫蓄水之前進行。通過大量的實踐,總結(jié)出如下兩種塌岸預(yù)測參數(shù)的調(diào)查取值方法:a.縱向類比調(diào)查:在水庫區(qū),天然河道平均枯水位、江水漲幅帶、平均洪水位分別對應(yīng)水庫蓄水運行期的設(shè)計低水位、庫水位變動帶(調(diào)節(jié)水位)、設(shè)計高水位。因此,對該水庫某一段庫岸進行塌岸參數(shù)實測時,可以通過分別調(diào)查實測現(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)計學(xué)方法分類求取庫區(qū)不同巖土體的各種特征坡角,并以此類比獲取水庫蓄水后的塌岸預(yù)測參數(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:通過調(diào)查其它已經(jīng)運行多年的條件類似水庫,來獲得即將運行水庫的塌岸預(yù)測參數(shù)。因此,可直接調(diào)查類比水庫不同巖土體在水庫蓄水運行時的設(shè)計低水位以下、庫水位變動帶(正常調(diào)度水位)、設(shè)計高水位以上三帶內(nèi)的穩(wěn)定坡度角,類比求得待預(yù)測水庫同類巖土體的塌岸預(yù)測參數(shù)特征值。2不同類型巖土體的塌岸預(yù)測參數(shù)特征值分析通過對三峽庫區(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風(fēng)化帶的大量的現(xiàn)場實測調(diào)查和分類總結(jié),得出了三峽庫區(qū)內(nèi)不同類型巖土體的塌岸預(yù)測參數(shù)特征值,見表1。2.1沖洪積砂結(jié)構(gòu)沖洪積土質(zhì)岸坡在三峽庫區(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。萬州以下的庫岸段比其上游庫岸段發(fā)育。其塌岸預(yù)測參數(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狀土土庫岸段“土巫山“黃土狀”土(粉質(zhì)粘土)和花崗巖全強風(fēng)化帶是三峽庫區(qū)內(nèi)發(fā)育的兩種相對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、豐都、涪陵等庫岸段也有出露。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°。花崗巖全強風(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。在庫水的浸泡軟化作用下,較易產(chǎn)生坍塌后退。庫區(qū)紅層分布較廣,巴東、奉節(jié)、云陽、萬州、開縣、石柱、忠縣、豐都、涪陵、長壽以及庫尾的重慶市區(qū)及周邊大面積分布。紅層塌岸一般發(fā)生在其全強風(fēng)化帶,一般情況下,紅層全強風(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)水庫類型為了獲取三峽庫區(qū)比較客觀、真實的塌岸預(yù)測參數(shù),特選擇已運行多年、地形地貌條件和水動力條件與三峽庫區(qū)比較類似的二灘、寶珠寺以及龔咀水庫作為類比水庫。通過對這些類比水庫塌岸情況的調(diào)查研究和塌岸參數(shù)的現(xiàn)場實測,取得了類比水庫中易產(chǎn)生塌岸的第四系不同類型巖土體的塌岸預(yù)測參數(shù)特征值,見表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-密實狀態(tài),分選、磨圓較好。在水位急劇消漲波動的長期侵蝕-剝蝕作用下,仍可保持相對較高的沖磨蝕坡角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,這類岸坡在水庫運行范圍內(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,水庫運行范圍內(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.堅硬、固結(jié)棕紅色粘土夾片巖塊石,沖磨蝕坡角相對較高,為32°～36°,水上穩(wěn)定坡角為41°～54°。3.3沖磨蝕坡角相對較小全新世(Q4)結(jié)構(gòu)松散的千枚巖或片巖塊石崩坡積岸坡,水庫運行范圍內(nèi)的沖磨蝕坡角相對較小,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,水庫運行范圍內(nèi)的沖磨蝕坡角相對較低,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12°,一般在35°左右,最高可達51°。4坍塌預(yù)測參數(shù)的影響因素分析4.1岸預(yù)測引導(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,庫岸再造方式也截然不同。研究顯示硬巖質(zhì)庫岸的塌岸一般表現(xiàn)為崩塌或者巖質(zhì)滑移型,其預(yù)測方法和參數(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)測方法和參數(shù),往往會得出偏離實際的預(yù)測結(jié)果?？梢?巖性差異對塌岸預(yù)測有著實質(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,抗沖刷能力相對較弱,塌岸預(yù)測參數(shù)則較小。現(xiàn)場調(diào)查顯示由遇水軟化而易喪失強度的巖組構(gòu)成的岸坡,在天然狀況下是穩(wěn)定的;但在庫水長期浸潤作用下,土體強度將大為折減,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)和密實程度等。調(diào)查顯示,土體顆粒粒徑越大,塌岸預(yù)測參數(shù)一般越高;級配好的土體岸坡塌岸預(yù)測參數(shù)則高于級配差的;固結(jié)和密實程度高的土體岸坡塌岸預(yù)測參數(shù)則高于固結(jié)和密實程度低的;因此,一般成因年代久的塌岸預(yù)測參數(shù)往往高于成因年代近的土體岸坡塌岸預(yù)測參數(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)模取決于過往船只的規(guī)模、船的行駛速率或者風(fēng)速、風(fēng)的作用時間以及風(fēng)的吹程。一般來說,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;同樣沿某一方向吹襲江面的風(fēng)速越大,風(fēng)時越長,風(fēng)區(qū)越長,該方向的波浪也越大。波浪的沖刷和研磨會使江岸逐漸后退。波浪越大,作用時間越長,塌岸預(yù)測參數(shù)也就越小。b.庫水的物理化學(xué)作用:水對巖土體的物理作用主要是潤滑作用、軟化和泥化作用。潤滑作用反映在力學(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。水對巖土體的化學(xué)作用主要是通過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。水對巖土體的化學(xué)作用越強烈,土體越容易分解,其塌岸預(yù)測參數(shù)往往越低。c.人類工程活動:合理的人類工程活動往往有助于岸坡的穩(wěn)定,不合理的人類工程活動反而會使原先穩(wěn)定的岸坡變得不穩(wěn)定,加快庫岸再造進程。4.3沖磨蝕坡角和岸坡固結(jié)反應(yīng)特征通過對三峽水庫和二灘、寶珠寺、龔咀水庫典型塌岸段塌岸參數(shù)的現(xiàn)場實測和統(tǒng)計分析,得到如下規(guī)律性認(rèn)識:a.在不同的庫水動力條件下,庫岸岸坡巖土體會表現(xiàn)出不同的堆積性質(zhì)。水位變動帶以下,如遇淺灘,則表現(xiàn)為淺灘堆積;水位變動帶的岸坡,則長期經(jīng)受庫水的沖刷和磨蝕作用,并逐漸穩(wěn)定下來,表現(xiàn)為沖磨蝕坡角;水位變動帶以上岸坡,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,在相同的庫水動力條件下,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)特征值與庫水動力條件相關(guān)。相似的巖土體,如果水動力條件越強,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、堆積段庫岸與侵蝕段庫岸的庫水動力條件的差異,統(tǒng)計結(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.通過三峽水庫與類比水庫的塌岸特征參數(shù)的對比分析顯示: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)測參數(shù)分析塌岸預(yù)測參數(shù)特征值是不同巖土體在不同的庫水動力條件下的綜合表征,具有較強個性特征。在調(diào)查過程中發(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