三峡水库塌岸模式及规模影响因素分析

三峡水库塌岸模式及规模影响因素分析

1库岸塌岸类型根据现有的勘探数据，三峡水库区水库总面积约为5300公里。其中,稳定性差的库岸长441km,占库岸总长的8.3%;且城镇库岸长余400km。水库正常蓄水至175m后,库尾回水至重庆江津市附近,库长650km,水域扩展至重庆市的江北、巴县、江津市、合川县及重庆市的部分市区,受库水淹没影响的范围扩大到兴山县、开县、长寿县和重庆市等14个县市及沿江100个区、乡级集镇。三峡水库蓄水后,必然引起沿江两岸135～175m范围库岸边坡的不稳定,即水库塌岸或边岸再造。塌岸的严重后果,首先是使大批(数千处)已有滑坡复活,同时也会诱发新的崩塌和滑坡,都可能造成严重灾害。为了查明水库塌岸的模式和成因机制,本文在对三峡库区塌岸地质条件进行大量调查的基础上,采用物理模拟手段,系统地研究了水库岸坡坡角、岸坡物质组成、库水位变动情况以及降雨强度等因素对水库塌岸的影响情况。通过大量的模拟试验,得到了水库塌岸过程中,土体流失量与上述各个因素间的相关关系,对认识塌岸产生的内在机理有一定的参考及借鉴意义。2水力学模型及物理模拟水库塌岸受多种因素的影响。通过对已蓄水多年的水库塌岸情况调查结果表明,影响水库塌岸的因素既有内在的,如岸坡物质组成、坡体结构;也受外在因素影响,如库水动力条件、库区降雨条件等等。为此,本项物理模拟试验着重研究岩土体材料、库岸坡角、库区水位、降雨强度4个因素对塌岸模式及塌岸范围所产生的影响。各因素的取值如下:通过对三峡库区的调查研究结果表明,易产生水库塌岸的岸坡岩土体材料主要为粉质粘土、粉砂、细砂、粗砂,4种材料在天然含水率状态的平均自然休止角为53°,水下自然休止角为32°,为此库岸坡角分别取12°、22°、32°、53°。根据三峡库区各期蓄水水位及水库正常运行期间水位变化范围,库水位分别取139m、145m、156m、175m。根据三峡库区多年降雨量统计结果,将降雨强度取值为12mm/h、24mm/h、36mm/h、48mm/h。试验设计见表1。通过物理模拟主要解决的问题为:①了解各因素与流失量的关系,绘制各种因素与土体流失量的关系曲线;②找出各因素对塌岸影响的临界值,即各关系曲线中曲线斜率急剧变化点。以此查明影响塌岸模式和塌岸范围的主要因素及各因素易诱发塌岸的敏感区间,为塌岸的预测及防治提供基本依据。3库岸再造形式对于土质岸坡,试验中发现有两种典型的塌岸破坏模式,即冲磨蚀型及滑移型。冲磨蚀型是指在库水、风浪冲刷、地表水及其它外部营力的作用下,岸坡物质逐渐被冲刷、磨蚀之后被搬运,从而使岸坡坡面产生缓慢后退的库岸再造形式;滑移型塌岸是指坡体物质沿着某潜在滑面向江、河、水库整体滑移。典型的冲磨蚀型塌岸如照片1及图1所示。土体材料中对塌岸影响最大的是砂粒组的含量,其含量大,则土体流失多。这种类型的塌岸一般发生在地形坡度较缓的土质岸坡中,岸坡再造具有缓慢性及持久性,规模一般较小。典型的滑移型塌岸如照片2及图2所示。在库水及降雨等因素作用下,岸坡首先从后缘形成拉张裂缝,然后逐渐贯通、整体下滑。这种类型的塌岸破坏速度较快,一般发生在有一定粘聚力的粉土、粉质粘土中。试验发现:在库水位变化(升、降)过程中,特别是在水位下降期间,发生塌岸的可能性比较大。当库水位稳定时,很少发生大规模的塌岸。4不同坡角的单位体积流失量由于试验所用材料无法用数字直接表达,而土体的流失主要与土体的颗粒含量(尤其是砂粒含量)有关,因此本试验用粒径介于0.075～2mm(砂粒)的百分含量表征岩土材料性质(其中细砂为93.71%,粗砂为78.4%,粉砂为59.4%,粉质粘土为34.78%)。模型岸坡的坡角不同,其表面积和体积也不相同。通过对单位体积流失量和单位面积流失量与各影响因素的相关性对比分析,发现各因素与单位体积流失量之间的相关系数较高(表2),因此,试验选择单位体积流失量来表征水库塌岸流失量。试验结果如表3所示。将单位体积流失量与各因素值进行拟合分析,得到流失量与各因素之间的关系曲线,如图3～7所示。4.1当0.075～2mm之粒径百分含量小于40%时,其对单位体积流失量影响很小,当砂粒含量超过80%时,单位体积流失量明显增大(图3),说明以砂粒为主的土体易产生崩塌,这与实际情况有较好的吻合。材料中0.075～2mm之粒径百分含量很少,有两种可能:①粒径小于0.075mm的颗粒多,岸坡主要由粉粒及粘粒组成,由于颗粒间粘聚力的作用,岸坡不容易发生流失和塌岸;②粒径大于2mm的颗粒多,岸坡主要由粗颗粒的角砾甚至块碎石构成,超过库水的搬运能力,因此也不容易流失和塌岸。此结论可从图4的试验结果得到验证。在相同条件下,以细砂为主构成的岸坡最易发生流失与塌岸(图4)。粗砂因颗粒较粗流失量较小,粉砂及粉质粘土因颗粒间的粘聚力较大其流失量也较小。实验所得宏观认识与三峡水库区和类比水库的实际塌岸规律基本一致。4.2随着库岸坡角的增大,单位体积流失量增加(图5)。库岸坡角小于22°时(基本相当于三峡库区粉土的水上稳定坡角),随着坡角的增加,单位体积流失量增加的速度缓慢;当库岸坡角大于22°,坡角对流失量的影响较为明显。因此,可以认为,当岸坡坡角达到一定程度(大于22°)时,流失量受坡角的影响较大,此时不能忽略坡角对流失量的影响。4.3随降雨强度的增加,岸坡单位体积流失量也逐渐增大(图6)。当降雨强度小于36mm/h的时候,流失量受降雨的影响较小;反之,降雨强度对流失量影响较为明显。4.4当库水位低于166m时,单位体积流失量随库水位呈线性变化,库水位的影响较大;当库水位高于166m时,库水位的影响逐渐趋于减小(图7)。此外该图表明单位体积流失量与库水位呈负相关关系,这与常理不相吻合。究其原因,主要是受实验模型结构与库水位间相对关系影响。由于地表径流的存在,使得在不同水位,坡体内动水压力不同,当水位较高,即水达到水位1时,岸坡顶部A点下存在动水压力差1,相对于水位2时的动水压力差2要小,内部孔隙水携带搬运能力小,流失量小;反之,动水压力差大,流失量大(图8)。上述试验及分析结果表明,通过流失量与各因素间的关系曲线,能够找到曲线斜率发生的突变点,该点就是各因素对塌岸影响的临界值。当某一因素的实际取值超过临界值时,表示这种因素对塌岸会造成较大的影响。因此,在进行塌岸预测时应充分重视实际值超过临界值的各影响因素。5坡岸土体流失量对岸坡水岸结构的影响5.1模拟试验结果表明,影响水库塌岸的因素繁多,主要因素有岸坡坡角、岸坡物质组成、库水位变动范围、波浪强弱以及降雨强度等;5.2各个因素对岸坡土体单位体积流失量的影响程度不同。岸坡土体材料和岸坡坡角是主要影响因素;5.3岸坡土体流失量与岸坡坡角、岸坡物质组成、降雨强度成正相关。各因素对岸坡塌岸的影响存在临界值,当某一因素的实际值超过临界值时,这种因素对塌岸会造成较大的影响;5.4通过物理模拟来研究预测塌岸的再造范围,经历时间较短,所以由它所得的规律对于水库蓄水后一定时期内是适用的。要获得长期的岸坡发展规律必须经过相