三峡库区塌岸地质条件调查与分析

三峡库区塌岸地质条件调查与分析

1库岸地貌单元三峡水库的蓄水将不可避免地导致库两侧岸壁的重建和变形。沿线14多个县市、100多个区和直辖市将受到水库洪水和坍塌的影响。长江三峡库区沿长江三峡干流库岸长约650km,跨越不同的大地构造单元和地貌单元,库区横跨鄂西、川东山地,整个地势西高东低,趋势明显。由于沿江地形地貌、岸坡岩土体结构等的差异,库岸塌岸的变形破坏方式——塌岸模式、发展演进过程、发育分布特征以及危险性往往不尽相同。2典型的坍塌类型2.1缓坡厚层土岸坡面的走坡面在库水、风浪冲刷、地表水及其他外部营力的作用下,岸坡物质逐渐被冲刷、磨蚀,然后被搬运带走,从而使岸坡坡面缓慢后退的一种库岸再造形式。它是近似河岸再造、非淤积且稳定性较好的岸坡中存在的一种较普遍的岸坡变形改造方式。这种类型的塌岸模式一般发生在地形坡度较缓的土质岸坡及软岩岩质岸坡的残坡积层和强风化带。再造具有缓慢性及持久性,再造规模一般较小(图1)。2.2基础薄弱土体一般会出现变形破坏的模式土质岸坡坡脚在库水长期作用下,基座被软化或淘蚀,岸坡上部物质失去平衡,从而造成局部下错或坍塌,之后被江水逐渐搬运带走的一种岸坡变形破坏模式。它的显著特点是垂直位移大于水平位移,与土体自重直接相关,这种类型的库岸再造在三峡库区分布范围大、涉及岸线长。一般发生在地形坡度较陡的土质岸坡内。该库岸再造模式具有突发性,特别容易发生在暴雨期和库水位急剧变化期(图2)。2.2.1阶梯斜坡状在水流冲刷、浪蚀等作用下,水边线附近小范围的岸坡土体发生破坏,随着水位及波浪的下移,下级水边线附近土体又会发生类似的破坏,最终表现为阶梯斜坡状。破坏高度与风浪爬高间有明显的对应关系。2.2.2塌岸模式的基本条件在水流冲刷、侧蚀作用下,岸坡坡脚被掏蚀成凹槽状,随后在岸坡重力、地下水外渗等作用下发生条带状或窝状的座落、倾倒型运动。形成这种塌岸模式的基本条件有:(1)岸坡的土体抗冲刷能力差;(2)水流直接作用于岸坡,且水流的冲刷强度高于岸坡土体的抗冲能力。坍塌后退型一般表现为座落、倾倒两种方式,坍塌后的土体脱离了原坡体,坍塌体的垂直运动位移大于水平运动位移。这种塌岸具有坍塌后退速度快、后退幅度大、分布岸线长、持续时间长的特点。多呈条带状,少数为窝状,具有突发性。在三峡库区是一种最主要、最常见的坍塌型塌岸再造方式。2.2.3坍塌类型由于岸坡中下伏空洞或局部发生凹陷,土体在自重、地下水静水和动水压力作用下,周围土体由四周向中心发生变形破坏的一种库岸岸坡再造形式。2.3基性反应型在陡坡型岩质岸坡中,岸坡岩体发育有不利于岩体稳定的节理裂隙时,坡体在库水、风浪冲刷、地表水和其他外部营力的作用下,发生的崩塌或崩落现象。这种类型的破坏一般发生在岩质岸坡的强风化或强卸荷裂隙带内。该库岸再造模式具有突发性(图3)。2.3.1节理裂隙的发生机理当岩质岸坡中发育有不利于岩体稳定的节理裂隙时,在库水、风浪冲刷、地表水和其他外部营力的作用下,裂面被软化后,岩体沿着节理裂隙面发生的崩塌或崩落现象。2.3.2城市河道坡面为硬下软的地层模型岩层倾向坡内的上硬下软结构型岸坡,在库水长期作用下,由于下部软岩(基座)被软化,在自重作用下,岸坡产生压缩或压致拉裂变形,导致上部岩体失稳而产生塌岸。这些岸坡产生变形破坏岩层产状的走向与岸坡走向之间的夹角大小不等,有的岸坡走向与岩层走向之间的夹角呈大角度相交,但总体上岩层是倾向坡内的,岩层的倾角一般小于15°。产生此种类型塌岸的坡体结构为上硬下软,上部为较坚硬的砂岩,其单层厚度较大,下部为较软的紫红色泥岩,多出现在岸边附近。紫红色泥岩遇水极易崩解或软化,在上覆厚层砂岩重力场的长期作用下,可能产生压缩变形,而在厚层的砂岩层中又往往发育有多组陡倾角的结构面,因此容易沿着陡倾角的结构面产生局部崩塌现象,即小规模的塌岸。2.3.3上分层开采影响下的活性岩在近水平的砂、泥岩互层的结构岸坡中,由于易风化和遇水易崩解的紫红色泥岩,受库水位的浪蚀和岩体本身容易风化,在泥岩层中容易产生深度可达1～2m凹岩腔,致使上部砂岩相对外凸,成为悬壁梁结构,而坚硬的砂岩体中通常发育有近直立的裂隙。上部砂岩受重力作用沿着近直立的裂隙产生拉裂破坏,从而导致局部塌岸的现象。这种现象在红层发育的长江岸段十分常见,容易出现渐退式的塌岸破坏现象。2.4滑移类型滑移型是指水库蓄水后,在库水作用、降雨及其他因素的影响下,岸坡岩土体向临空方向发生整体滑移的库岸再造形式。2.4.1老滑动修复型蓄水前,处于稳定或者基本稳定的古滑坡体,受水库蓄水的影响,发生整体或局部复活而产生的滑移变形现象。2.4.2堆积体变形破坏原处于稳定或基本稳定的各种成因的深厚层堆积体(如崩滑堆积体、残坡积物、冲洪积物、人工堆积物等),受水库蓄水的影响,出现浅表部蠕滑变形或前缘局部滑移变形的现象。2.4.3沿基-覆界面滑动在堆积体厚度较薄、基-覆界面埋深较浅的堆积体岸坡,受水库蓄水的影响,堆积体沿着基-覆界面发生整体性滑移的岸坡破坏形式。2.4.4水体与坡脚部位的抗剪强度受形势影响在中等或中缓倾角的顺层基岩岸坡中,如果基岩中存在软弱夹层,水库蓄水后,软弱层在水流的浸泡下发生软化,其抗剪强度大大减低,从而出现沿软弱层的整体滑动。尤其值得引起重视的是,在上陡下滑的顺层斜坡中,根据有效应力原理,水库蓄水后坡脚部位平缓的抗滑段受水体的浸泡其抗剪强度降低,抗滑能力减小,从而导致坡体的整体滑移。发生于2003年7月的千将坪滑坡以及世界著名的意大利瓦依昂滑坡,就是其典型实例。2.5微膨胀性土体在库水涨落的情况下,岸坡土体吸水饱和后,由于土体的微膨胀性,岸坡土体在重力作用下沿坡向下发生塑性流动的变形现象。这种库岸再造类型的塌岸规模一般较小,仅在第四系松散堆积层岸坡中可见。3差别化较大时差别较研究显示,不同类型的塌岸其发展演化的过程往往差别较大。水库岸坡受岩土体结构、地形地貌等的影响,会呈现不同的变形破坏形式,塌岸的发展演化方式和进程也不尽相同(表1)。4不同类型水库的发育和分布特征4.1蚀磨蚀型塌岸情况通过各区段的调查统计,得出三峡库区冲蚀磨蚀型塌岸占调查总长31.74%,坍(崩)塌型塌岸占51.15%,滑移型塌岸占17.11%(表2)。4.2地层岩性对塌岸风化能力的控制地层岩性是影响库岸岸坡稳定的重要因素,不同的岸坡岩土体有着不同的矿物成分,其亲水特性以及抗风化能力各不相同。地层岩性控制着塌岸的发育分布特征,主要表现在不同地层、不同岩性特征的岸坡中塌岸的发育频度和规模存在很大差异。并且塌岸的发育分布状况与各种地层在库区发育分布的长度密切有关。调查显示,三峡库区塌岸主要分布在土质岸坡、侏罗系红色岩层为主的红层岸坡和岩土混合岸坡中。4.2.1粉细砂土土壤侵蚀由于土的岩土力学性状较弱,容易发生塌岸。(1)巫山“黄土状”土,粘粒含量较高,具有较好的粘性,通常构成阶地的主体,由于库水和风浪作用,容易产生坍塌,多构成高达数米的陡坎。(2)冲洪积粉砂土或粉细砂土,由于其颗粒细小,且粘结性又不好,由这类砂土构成的岸坡在水的作用下极易崩解,缓坡,容易被冲蚀磨蚀;陡坡,很容易产生坍塌。(3)冲洪积砂土,其颗粒较粗大,虽然胶结程度较差,但由于颗粒较粗大,抗冲刷和搬运的能力也较强,因此,这类砂土构成的岸坡,坡度较缓,岸坡稳定性相对较好。(4)残(崩)坡积土,其抗冲刷性能有很大的差别,颗粒粗大的崩坡积体,具有较好的稳定性,而一些颗粒细小的残坡积土体,抗冲刷能力较差,岸坡稳定性较差,厚层堆积体容易产生滑移型塌岸。(5)花岗岩强风化砂质岸坡,由于颗粒间胶结较弱,呈砂状,厚层风化堆积体容易产生坍塌,而坡度较缓时,则表现为冲蚀磨蚀型塌岸。4.2.2易崩解性较塌岸则主要发育于红层岸坡中。较为软弱的紫红色泥岩与紫红色泥质粉砂岩,以及灰白色黑灰色砂岩构成的岸坡,其强度低、结构较松散,主要为泥质胶结,遇水较易崩解,而且抗风化能力较弱。这类岩性岸坡的稳定性相对较差,特别是其易崩解的特性,对岸坡的稳定性十分不利的。(1)上硬下软时,由于红层被剥蚀,形成凹岩腔,容易造成上部岸坡崩塌后退型塌岸。(2)当红层岸坡坡度较缓时,由于坡体表面强风化,抗冲刷能力较弱,极易形成冲蚀磨蚀型塌岸。4.3土地形态对坍塌边缘发育和分布的影响4.3.1坡面为复合结构的共享结构容易产生塌岸冲蚀磨蚀型岸坡越陡,坡体前缘坡脚处最大剪应力越集中,同时在岸坡的顶部,最容易产生拉应力集中,而这种应力集中与分异的特征对岸坡的稳定性是不利的,因此容易产生塌岸。调查资料显示,三峡库区岸坡坡度小于15°时,一般不会产生明显的塌岸;岸坡坡度在15°～28°之间时,较易产生冲蚀磨蚀型塌岸;岸坡坡度在30°以上,则可能产生坍塌或滑移型塌岸。4.3.2坡脚对于剪应力集中程度的影响随着坡高的增加,坡体在坡面附近承受的应力量值将会增加,而由此在坡脚引起的剪应力集中程度也会随着坡高的增加而增大,并且坡脚则是河流或库水冲刷最为强烈的部位,因此,容易产生塌岸现象。4.3.3凸形坡的应力集中表现岸坡形态与塌岸也有着密切的关系。岸坡形态是外界营力共同作用的结果,凸形或凹形坡,坡体内应力集中的程度和位置往往也不同。凸形坡的突出部位往往拉应力集中,而且库水对凸形坡的冲刷现象也更为严重。因此,岸坡凸出,则容易产生塌岸。4.3.4盐碱植被生长的稳定性植被越发育,植物根系对岸坡的保护作用越大,水土流失相对越少,同时,植被能减弱波浪对岸坡的冲刷力,增加岸坡土体的抗冲刷能力,因此不易产生塌岸。调查资料显示,植被发育的岸坡,其稳定性相对较好,塌岸越少。反之,亦然。4.4不同类型坍塌的地质条件(1)工地造林的全风化带和基地面水面结构土质(冲洪积层、残坡积层、滑坡堆积层和人工填土层)、红层岸坡的全风化带和花岗岩岸坡的全风化带,地形坡度<28°,岩土体结构松散～稍密;(2)坍塌坍塌区发育的一般地质条件如下厚层土质岸坡或红层岸坡的全强风化带,松散堆积物的平均厚度>5m,地形坡度>45°,岩土体结构松散～较松散;(3)坍塌坍塌形成的一般地质条件如下岩质或红层岸坡的强风化带或强卸荷带,外倾节理裂隙发育,呈楔形体或块裂状,地形坡度>45°;(4)深层堆积体滑坡土质浅层滑坡主要发育于冲洪积层或土岩复合岸坡中;深层堆积体滑坡主要发育于厚层坡残积或滑坡堆积岸坡中;基岩顺层滑移型塌岸主要发育于缓顷坡外的薄层砂、泥岩互层岸坡中。5不同塌岸模式的提出和发展条件据调查,库区存在如下几种主要的塌岸模式:(1)冲蚀磨蚀型;(2)坍塌型(冲刷浪坎型、坍塌后退型、塌陷型);(3)崩塌型(块状崩塌(落)型、软弱基座型和凹岩腔型);(4)滑移型(古滑坡复活型、深厚堆积层浅表部滑移型、沿基-覆界面滑移型和基岩顺层滑移型)以及(5)流土型。通过三峡库区重点库岸段各区段的调查统计,