地下水與優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面對(duì)庫岸滑坡形成的聯(lián)合效應(yīng)＊——以龍羊峽近壩庫岸滑坡為例

鄧宏艷,王成華,李秀珍

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川成都 610031;2.中國科學(xué)院·水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,四川成都 610041)

0 引言

20世紀(jì)以來,由于經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的需要,人類與地質(zhì)環(huán)境的相互影響越來越強(qiáng),這也使得滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生日益頻繁。在水利水電工程中滑坡災(zāi)害也較為常見,國內(nèi)外的幾起重大庫岸滑坡事故[1]使人們更深入地了解了庫岸滑坡的危害性。而龍羊峽、三峽、二灘、向家壩、溪洛渡等大型水電站的建設(shè)給學(xué)者們提供了研究庫岸滑坡的良好契機(jī)。他們分別從不同的角度對(duì)庫岸滑坡的形成機(jī)理、分布規(guī)律、發(fā)展趨勢(shì)和防治技術(shù)等方面進(jìn)行了大量深入的研究[2-10]。

地下水(或水巖作用)對(duì)庫岸滑坡的形成、發(fā)展及演化具有非常重要的影響。前人的研究通常將地下水視為地質(zhì)營力之一,地下水對(duì)滑坡的作用主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面[11-15]:物理作用(軟化、潤滑、泥化及結(jié)合水的強(qiáng)化作用)、化學(xué)作用(水化、水解、離子交換、溶濾、溶蝕及氧化還原)和力學(xué)作用(靜水壓力、動(dòng)水壓力),并在此基礎(chǔ)上提出了一些考慮地下水作用的防治技術(shù)和穩(wěn)定性分析方法[16-18]。據(jù)野外調(diào)查,滑坡通常是沿著各種結(jié)構(gòu)面發(fā)生變形和破壞的,已有不少學(xué)者從分析坡體內(nèi)結(jié)構(gòu)面的角度出發(fā)計(jì)算滑坡的穩(wěn)定性,并進(jìn)一步提出了優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面的概念、判別方法和應(yīng)用技術(shù)[19-25]。而從地下水對(duì)坡體內(nèi)結(jié)構(gòu)面的作用著手分析地下水對(duì)滑坡形成、演化影響的研究還很少。由于優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面本身就比較脆弱,更容易被地下水侵入;反過來,地下水的侵入更進(jìn)一步弱化了優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面,優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面與地下水的相互作用,對(duì)滑坡的孕育和形成起到了至關(guān)重要的作用。地下水對(duì)滑坡的作用機(jī)理和定量評(píng)價(jià)也是目前滑坡研究中的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。

本文以龍羊峽水電站近壩庫岸滑坡[27]為例,從地下水作用和優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面的聯(lián)合效應(yīng)出發(fā),對(duì)近壩庫岸滑坡的形成機(jī)制進(jìn)行了分析,揭示了地下水作用和優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面的聯(lián)合效應(yīng)對(duì)半成巖湖相地層滑坡形成、發(fā)展的控制作用。

1 龍羊峽水電站近壩庫岸地質(zhì)概況

1.1 近壩庫岸區(qū)域地質(zhì)概況

龍羊峽水電站位于我國黃河上游、青海省共和縣和貴德縣交界處。地處青藏“歹”字形構(gòu)造系頭部的擴(kuò)散部分,處于秦昆緯向構(gòu)造體系、西域構(gòu)造體系和河西構(gòu)造體系的復(fù)合部位。這一區(qū)域的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈,褶皺、斷層分布較廣。在地貌上,近壩庫岸區(qū)域呈串珠狀分布的斷陷盆地與環(huán)抱山地地形的組合。此段黃河河床變窄,沖刷、下切強(qiáng),溝谷縱橫,切割密度大。并且由于新構(gòu)

1.2 近壩庫岸滑坡分布規(guī)律及特征

龍羊峽水電站從峽口至汪什科全長14 km的近壩庫岸,歷史上曾發(fā)生過百萬方、千萬方以至上億方的大型半成巖滑坡有18個(gè)之多,占此段庫岸總長的90%,如農(nóng)場滑坡、龍羊滑坡、查納滑坡、旺什科滑坡等等。這些滑坡在分布規(guī)律及特征上有以下共同點(diǎn)[27]。

①近壩庫岸滑坡主要分布在第三系和第四系早、中更新統(tǒng)半成巖湖相地層中,其他地層中很少。

②大型滑坡主要分布在黃河南岸的高陡岸坡上,北岸平緩,滑坡則較少。由于黃河的旁蝕和下切,南岸形成坡高達(dá)400 m左右,坡度為30°～40°的湖相地層高邊坡,這為大型滑坡提供了基本條件。

③由于這一區(qū)域獨(dú)特的氣候,使得滑坡發(fā)生的時(shí)間與眾不同,不是集中在7-9月的雨季,而多在冬春降雪、融雪季節(jié)發(fā)生;且具有孕育時(shí)間長、規(guī)模大、劇滑過程極短、滑速高、滑程遠(yuǎn)的特點(diǎn)。

④大型滑坡發(fā)生前都有明顯的前兆現(xiàn)象,如裂縫加寬和動(dòng)物異常等。

2 地下水作用對(duì)滑坡形成的影響

通過對(duì)庫區(qū)內(nèi)巖溶地貌的觀測(cè)、水巖作用的試驗(yàn)研究以及鉆孔揭露出來的地下水位和滑動(dòng)面埋深高程之間的聯(lián)系等一系列現(xiàn)象的分析表明,該區(qū)域滑坡發(fā)育形成的每一個(gè)歷史階段,地下水的活動(dòng)均是極為重要的因素,它是該區(qū)域內(nèi)滑坡形成必不可少的條件,主要表現(xiàn)為地下水的長期溶蝕和動(dòng)水壓力作用。

2.1 近壩庫岸大型滑坡的形成與地下水的長期溶蝕

對(duì)多個(gè)大型滑坡研究發(fā)現(xiàn),滑帶大都發(fā)育在半成巖湖相地層中。近壩庫岸的湖相地層中可溶性鹽含量較高,通過實(shí)驗(yàn)分析:地下水中鹽的化學(xué)成分與湖相地層中鹽的成分相近似;且從補(bǔ)給區(qū)到排泄區(qū)地下水的礦化度急劇增高,各種離子的含量也急劇變化(圖1)。這種清泉淡水到高礦化度的堿水、微堿水的變化證明了溶蝕作用的存在。

圖1 地下水礦化度及離子含量曲線圖

除了地下水礦化度的急劇改變外,近壩庫岸高陡岸坡中發(fā)育的一系列溶蝕地貌景觀,如豎井、水平溶洞、天生橋、溶蝕殘丘等,也是地下水作用強(qiáng)烈的有力證據(jù)。

2.2 大型滑坡的形成與地下水的動(dòng)水壓力作用

地下水補(bǔ)給區(qū)與排泄區(qū)的高差較大。從補(bǔ)給區(qū)海拔4 000 m到黃河岸邊排泄區(qū)海拔2 500 m,兩地高差1 500 m,平距約7 km,平均水力坡度僅2.1%。

圖2 查納河口附近陡坡地下水等勢(shì)線圖

從圖2中可以看出,黃河岸坡一帶地下水的水力坡度,除農(nóng)場及其以東為3%～4%外,絕大多數(shù)地下水水力坡度為8%～10%,在龍西一帶最高可達(dá)16%～20%。如此高的水力坡度對(duì)岸坡的穩(wěn)定是很不利的,動(dòng)水壓力大還會(huì)加劇溶蝕和潛蝕作用,改變岸坡的內(nèi)部結(jié)構(gòu),加速滑坡的孕育和形成過程。

3 優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面的評(píng)價(jià)及其與地下水的聯(lián)合效應(yīng)分析

3.1 綜合評(píng)分法評(píng)價(jià)優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面

地球表面的巖土體在漫長的地質(zhì)歷史過程中,受各種因素的影響而在其表面和內(nèi)部形成了各種類型和性質(zhì)的結(jié)構(gòu)面,如節(jié)理、裂隙、斷層面、層理面、劈理、軟弱層等。這些結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)控制和制約著滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的形成和發(fā)展。因此,羅國煜等[2]提出了巖土體穩(wěn)定分析的優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面法,即在眾多的結(jié)構(gòu)面中,必然有一組或二組結(jié)構(gòu)面對(duì)滑坡等災(zāi)害的形成和發(fā)展起控制作用,這類結(jié)構(gòu)面一般具有工程性質(zhì)差,有特定的空間幾何方位,導(dǎo)水富水等特點(diǎn),被稱為優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面。

優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面的評(píng)價(jià)一直是優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面理論研究中的重要部分,通常的評(píng)價(jià)方法有優(yōu)勢(shì)指標(biāo)法、地質(zhì)力學(xué)分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、功效系數(shù)法和專家系統(tǒng)法[21-26]等。這些方法在應(yīng)用上都各有優(yōu)缺點(diǎn),而本文則利用綜合評(píng)分的方法,簡便易行地對(duì)近壩庫岸的各結(jié)構(gòu)面進(jìn)行分析,判斷出對(duì)滑坡形成發(fā)展有利的優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面。

運(yùn)用綜合評(píng)分法[25]來確定優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面,首先要構(gòu)造優(yōu)勢(shì)指標(biāo)體系,再根據(jù)各結(jié)構(gòu)面在優(yōu)勢(shì)指標(biāo)體系內(nèi)的表現(xiàn)給出一定的分?jǐn)?shù),然后再通過分?jǐn)?shù)的多少來綜合評(píng)判確定優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面。

(1)構(gòu)造優(yōu)勢(shì)指標(biāo)體系

本文總結(jié)了以往優(yōu)勢(shì)指標(biāo)體系的構(gòu)造情況,再結(jié)合本區(qū)域結(jié)構(gòu)面和滑坡發(fā)育的特點(diǎn),構(gòu)建了以下5個(gè)指標(biāo)。

①時(shí)間優(yōu)勢(shì)指標(biāo)(TP):結(jié)構(gòu)面形成的時(shí)間新老在很大程度上決定了結(jié)構(gòu)面性質(zhì)的強(qiáng)弱,按形成時(shí)間由新到老依次評(píng)分為:活動(dòng)斷裂(4分)、新斷裂(3分)、老斷裂(2分)、層面(1分)、層面(層間有錯(cuò)動(dòng)的)(3分)。

②力學(xué)優(yōu)勢(shì)指標(biāo)(QP):結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)的好壞是判斷優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面的重要指標(biāo),按力學(xué)性質(zhì)的強(qiáng)弱分為:較好(1分)、好(2分)、差(3分)、較差(4分)。

③結(jié)構(gòu)面數(shù)量指標(biāo)(NP):結(jié)構(gòu)面的分布密度也影響著結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度,可評(píng)分為較稀疏(1分)、稀疏(2分)、密(3分)、較密(4分)。

④結(jié)構(gòu)面臨空優(yōu)勢(shì)指標(biāo)(OP):結(jié)構(gòu)面可與其他結(jié)構(gòu)面和臨空面構(gòu)成變形分離體,按結(jié)構(gòu)面與臨空面的相對(duì)位置進(jìn)行評(píng)分,分別為垂直(1分)、斜交(2分)、平行(3分)。

⑤地下水對(duì)結(jié)構(gòu)面作用優(yōu)勢(shì)指標(biāo):地下水對(duì)結(jié)構(gòu)面性質(zhì)的影響很大,可加速風(fēng)化,降低巖土體強(qiáng)度等。按地下水的具體情況分為流水(4分)、滴水(3分)、潮濕(2分)、干燥(1分)。

(2)優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面評(píng)價(jià)

由于近壩庫岸區(qū)域內(nèi)經(jīng)受了多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)烈影響,特別是頻繁的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響,使得半成巖湖相地層中普遍發(fā)生了比較寬緩的褶曲,局部斷裂和廣泛的帶有區(qū)域型意義的節(jié)理裂隙。據(jù)對(duì)地表和12個(gè)平硐中的225條裂隙的統(tǒng)計(jì),這些裂隙加上巖層層面基本上可以分為9組(表1)。

表1 節(jié)理裂隙統(tǒng)計(jì)表

按照以上構(gòu)造的優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面評(píng)價(jià)體系,運(yùn)用綜合評(píng)分法對(duì)上述9組結(jié)構(gòu)面進(jìn)行評(píng)價(jià)的結(jié)果如表2所示。

表2 優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面綜合評(píng)分表

通過綜合評(píng)分,可以看到這9組結(jié)構(gòu)面中的第2、4、6、8、9組的優(yōu)勢(shì)性比較明顯,尤其是有層間錯(cuò)動(dòng)的第9組結(jié)構(gòu)面(層面)的優(yōu)勢(shì)性更為明顯。這樣的評(píng)價(jià)結(jié)果與野外現(xiàn)場調(diào)查是相符和的。在野外,這5組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面分別構(gòu)成了滑坡的后壁、側(cè)壁和滑動(dòng)面。優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面在地表往往也控制溝谷、巖溶等地貌的發(fā)育。

3.2 地下水與優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面的聯(lián)合效應(yīng)分析

(1)地下水與優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面聯(lián)合效應(yīng)對(duì)滑坡滑帶形成的作用

地下水與優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面的聯(lián)合作用對(duì)龍羊峽水電站近壩庫岸滑坡滑帶的形成具有至關(guān)重要影響。

這首先與該地區(qū)獨(dú)特的半成巖湖相地層有關(guān)。這是一套以粘土巖為主的粘土巖、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、砂巖的互層。這套地層不僅具有典型的層狀結(jié)構(gòu),而且層理也很發(fā)育。層面、層理之間的結(jié)合程度很弱,這種松弛的結(jié)構(gòu)條件極有利于地下水的作用。層面之間又受區(qū)域構(gòu)造作用的影響而發(fā)生過層間錯(cuò)動(dòng),再加上層面是不同巖性層次的界面,地下水往往在砂巖以下的粘土巖面上匯集,導(dǎo)致層面強(qiáng)度基本上接近于殘余強(qiáng)度,進(jìn)而使得層面成為滑坡形成的重要優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面(主滑段)——滑帶的重要組成部分。這一點(diǎn)在區(qū)域內(nèi)滑坡的調(diào)查和勘探中也得到了證實(shí)——近壩庫岸區(qū)域的滑坡的主滑段和地下水的出露基本都是沿著地層層面發(fā)育的。

其次,這套半成巖湖相地層可溶性鹽含量很高,呈半膠結(jié)狀,據(jù)試驗(yàn)分析,此套地層中、下部可溶性鹽含量高達(dá)12%～30%。在遇水的情況下極易發(fā)生泥化、軟化和崩解。室內(nèi)土工試驗(yàn)表明(表3),粘土巖的單個(gè)巖塊試驗(yàn)強(qiáng)度不會(huì)太低——接近沉積巖的軟質(zhì)巖,但是在水的浸泡下其強(qiáng)度就會(huì)急劇降低,天然狀態(tài)下的粘聚力C和內(nèi)摩擦角φ分別為0.35MPa、35°;在經(jīng)過15 d的飽和溶濾后,這兩者分別降低為0.005 MPa、21°。粘聚力C降低了95%以上,而內(nèi)摩擦角φ也降低了40%左右。

表3 粘土巖不同條件下剪切試驗(yàn)結(jié)果表

以上兩點(diǎn)基本解釋了近壩庫岸滑坡滑帶(主滑段)的成因機(jī)理,是由于地下水沿巖層層面的長期作用使其抗剪強(qiáng)度損失過大,加上其他優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面所構(gòu)成的后壁與側(cè)壁,在強(qiáng)大的重力作用下,形成巨型滑坡。

(2)地下水與優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面聯(lián)合效應(yīng)實(shí)例分析——以近壩庫岸的龍羊滑坡為例

龍羊滑坡位于龍西山脊以東,距壩址3.2 km,形成年代較早,初次滑動(dòng)時(shí)方量約6 000萬m3,是近壩庫岸區(qū)域較大規(guī)模的滑坡之一。

圖3 地下水作用與優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面聯(lián)合效應(yīng)下龍羊滑坡形成機(jī)理圖

龍羊滑坡的滑動(dòng)面的形態(tài)在本區(qū)域是很普遍的(圖3),是由前端近水平的滑移面、后部的陡傾拉裂面和中部呈弧形的剪切面三段組成。前端近水平的滑移面是沿著巖層層面和地下水出露面發(fā)育的,當(dāng)坡腳在地下水的作用下,抗剪強(qiáng)度降低,向前變形蠕變的過程中,后緣的陡傾裂隙也進(jìn)一步擴(kuò)展,斜坡表面的應(yīng)力得到釋放,但剪應(yīng)力集中帶開始向坡體內(nèi)轉(zhuǎn)移,形成一個(gè)剪應(yīng)力集中帶(鎖固段)。當(dāng)剪應(yīng)力集中的程度超過斜坡內(nèi)部鎖固段的長期強(qiáng)度時(shí),則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)滑面的貫通,最后斜坡失穩(wěn),形成滑坡。

通過對(duì)龍羊老滑坡形成機(jī)理的分析,進(jìn)一步驗(yàn)證了地下水與優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面的聯(lián)合效應(yīng)對(duì)滑坡形成的控制作用。半成巖地層滑坡的形成與地下水作用和優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面的聯(lián)合效應(yīng)密不可分,在滑坡孕育和形成的每一個(gè)階段,這種聯(lián)合效應(yīng)都貫穿始終,成為半成巖湖相地層滑坡形成的重要原因。

4 結(jié)論

通過對(duì)龍羊峽水電站近壩庫岸滑坡形成機(jī)理的論述,闡明了地下水作用與優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面聯(lián)合效應(yīng)是近壩庫岸滑坡形成的重要原因。本區(qū)域的地下水作用主要表現(xiàn)為溶蝕作用和動(dòng)水壓力作用,而庫岸坡體的變形不僅與地下水作用相關(guān),也與結(jié)構(gòu)面的影響密不可分。為此,本文在野外調(diào)查、勘探的基礎(chǔ)上,運(yùn)用綜合評(píng)分法評(píng)判出對(duì)滑坡形成有利的優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面。該區(qū)域地下水與優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面的聯(lián)合效應(yīng)集中體現(xiàn)在對(duì)庫岸滑坡滑帶形成的控制作用?；碌闹骰魏偷叵滤雎痘径际茄刂鴰r層層面(優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面9)發(fā)育。由于半成巖湖相地層的遇水易軟化、崩解的特性,在地下水作用下巖層層面(優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面9)的抗剪強(qiáng)度急劇降低,坡腳向臨空向蠕變,后緣陡傾優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面擴(kuò)展,并逐漸貫通鎖固段,最后形成滑坡。這種聯(lián)合效應(yīng)形成的累進(jìn)性破壞是龍羊峽近壩庫岸滑坡的主要形成機(jī)制,這一研究為今后半成巖湖相地層中滑坡形成機(jī)制的研究提供了有力的參考。

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