三峽壩區(qū)庫(kù)岸邊坡塌岸預(yù)測(cè)及治理方案建議

周柯宇 張 宏 張 勇

(1.中國(guó)水利水電第七工程局有限公司試驗(yàn)檢測(cè)研究院，四川 成都 611730；2.四川久隆水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610094)

壩區(qū)庫(kù)岸邊坡由于與自然水文的密切聯(lián)系，對(duì)其穩(wěn)定性造成巨大隱患。為研究壩區(qū)庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性，保證人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，諸多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究[1-8]。安可君[9]根據(jù)糯扎渡水電站岸坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征、庫(kù)岸再造范圍及庫(kù)岸變形破壞特征,結(jié)合監(jiān)測(cè)資料對(duì)重點(diǎn)岸坡變形進(jìn)行了分析；張鈞等[10]為揭示庫(kù)岸邊坡處于不同坡角及不同土巖界面傾角條件下的失穩(wěn)機(jī)制,尤其是水位變化條件下庫(kù)岸巖土體浸潤(rùn)線的分布及演化特征,通過構(gòu)建水位升降條件下的二元結(jié)構(gòu)庫(kù)岸邊坡物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?借助監(jiān)測(cè)及攝影的技術(shù)手段觀測(cè)邊坡土體內(nèi)浸潤(rùn)線及巖土體變形破壞特征,揭示二元結(jié)構(gòu)庫(kù)岸邊坡的變形失穩(wěn)機(jī)制。綜上所述，目前對(duì)于庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了較多研究，但由于三峽庫(kù)區(qū)巖質(zhì)邊坡和土質(zhì)邊坡大量存在，在自然降雨、風(fēng)化剝蝕等作用下，可能形成危巖、滑坡、泥石流等自然災(zāi)害，可能進(jìn)一步誘發(fā)欠穩(wěn)定、基本穩(wěn)定邊坡轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定邊坡。因此本文針對(duì)三峽庫(kù)區(qū)庫(kù)岸邊坡崩塌開展預(yù)測(cè)，提出治理方案建議，以期為類似工程優(yōu)化設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 工程簡(jiǎn)介

1.1 工程概況

巫山縣位于重慶市最東端，三峽庫(kù)區(qū)腹心，素有“渝東門戶”之稱，地跨長(zhǎng)江巫峽兩岸，縣城位于大寧河與長(zhǎng)江交匯處，距三峽大壩約124.3km。相對(duì)高差2606m，跨越東經(jīng)109°33′～110°11′、北緯30°45′～23°28′，面積2957km2。茅草坡4號(hào)斜坡上游為茅草坡3號(hào)斜坡，下游為獨(dú)龍1號(hào)斜坡，坡體兩側(cè)以季節(jié)性沖溝為界，坡體上另有三條季節(jié)性淺沖溝，前緣為長(zhǎng)江。上游側(cè)沖溝在240m高程以下切割深度為15～20m，之上沖溝變淺；下游側(cè)沖溝在300m高程以下切割深度為15～20m，之上沖溝變淺；下游側(cè)沖溝之西側(cè)沖溝切割深度為10m左右。斜坡地形北高南低，勘察區(qū)最高高程490m,最低高程90m，相對(duì)高差400m。地形總體較陡，坡角43°～54°，下陡上緩。后部西側(cè)430～460m高程為高20～30m的陡崖，坡角70°，而東側(cè)在440m高程為一平臺(tái)，寬約13m，坡面上存在大量的塊石。斜坡方向156°～170°(見圖1)。

圖1 茅草坡4號(hào)斜坡

1.2 工程地質(zhì)條件

本次勘察共施工4個(gè)鉆孔，鉆孔高程148.50～215.01m，鉆進(jìn)后M4ZK2、M4ZK4(斜孔)進(jìn)行了聲波測(cè)試，M4ZK1、M4ZK3(鉛直孔)進(jìn)行了孔內(nèi)攝像。鉆孔揭露地層為三疊系下統(tǒng)大冶組三段泥質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r，薄層狀為主，層間夾頁(yè)巖，頁(yè)巖厚1～10mm(典型地層見圖2)?？辈靺^(qū)內(nèi)巖體按風(fēng)化程度分為強(qiáng)風(fēng)化層、中等風(fēng)化層、微風(fēng)化層，分述如下：

a.強(qiáng)風(fēng)化層。結(jié)構(gòu)大部分被破壞，風(fēng)化裂隙極發(fā)育，巖體破碎、極破碎，巖塊尺寸20～200mm；巖芯多呈碎塊狀，塊徑30～80mm，鉆孔巖芯多見鈣質(zhì)、銹蝕痕跡，斷面不新鮮。用鎬可挖，干鉆不易鉆進(jìn),巖體縱波波速1596～2972m/s，波速曲線呈鋸齒狀。該層真厚度6.50(M4ZK4)～11.00m(M4ZK3)，該層主要分布于斜坡表層，特別是下游側(cè)坡面。

b.中等風(fēng)化層。結(jié)構(gòu)部分被破壞，風(fēng)化裂隙發(fā)育，巖體被切割成巖塊，一般塊體大小200～500mm。鉆孔巖芯斷面較新鮮，呈扁柱狀、柱狀及塊狀，節(jié)長(zhǎng)60～220mm。用鎬難挖，巖芯鉆方可鉆進(jìn),巖體縱波波速2077～3897m/s，波速曲線呈鋸齒狀。鉆孔揭露的真厚度為6.00m(M4ZK2)～13.72m(M4ZK1)。

c.微風(fēng)化層。結(jié)構(gòu)基本未變，有少量的風(fēng)化裂隙。鉆孔巖芯多呈短柱狀、柱狀，節(jié)長(zhǎng)150～280mm，錘擊聲較清脆，有輕微回彈，較難擊碎；巖體縱波波速3477～4897m/s，波速曲線整體平緩，局部呈鋸齒狀。鉆孔揭露的最大真厚度為18.10m(M4ZK2)。

圖2 典型地層現(xiàn)場(chǎng)情況

2 塌岸預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)

2.1 塌岸類型

M4庫(kù)岸為巖質(zhì)庫(kù)岸，地形坡度38°～52°，庫(kù)岸地帶以大治組三段泥質(zhì)灰?guī)r夾頁(yè)巖為主，含少量灰?guī)r，巖層產(chǎn)狀320°～340°∠34°～65°，為反向坡(見圖3)，區(qū)內(nèi)巖體中發(fā)育一組縱張裂隙，以產(chǎn)狀135°～165°∠52°～65°的裂隙為主，局部可見陡傾(70°～82°)或緩傾(32°～45°)的張開裂隙，該組裂隙與坡向一致，沖溝兩側(cè)及山脊上多見，裂面平直，地表可見部分張開10～25cm，一般延伸長(zhǎng)度7～12m，M4庫(kù)岸下游側(cè)最長(zhǎng)57m，間距0.2～1.2m/條；另外發(fā)育兩組“X”形剪切裂隙，產(chǎn)狀分別為35°～55°∠62°～82°和185°～195°∠62°～76°，該組裂隙短小，一般延伸長(zhǎng)0.6～1.5m，間距0.3～0.8m/條。坡面巖體在構(gòu)造、重力作用下裂隙發(fā)育，風(fēng)化強(qiáng)烈，巖體破碎。M4庫(kù)岸分段見圖4。

圖4 M4-7剖面巖體完整程度劃分示意圖

M4庫(kù)岸塌岸外傾結(jié)構(gòu)面傾角總體大于坡角，發(fā)生較大范圍的滑移型塌岸的可能性小。按破壞模式可分為沖蝕剝蝕型、坍(崩)塌型兩種,當(dāng)庫(kù)岸不斷發(fā)生變化，外傾裂隙臨空時(shí)，可能沿外傾結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生局部滑移。

2.2 塌岸破壞方式預(yù)測(cè)

根據(jù)勘察區(qū)庫(kù)岸基本特征及庫(kù)岸的破壞類型，由于坡面巖體破碎，采用卡丘金法圖解法進(jìn)行塌岸預(yù)測(cè)。上游側(cè)外傾結(jié)構(gòu)面傾角小于坡角，但延伸長(zhǎng)度短，僅局部發(fā)生滑移型塌岸，不具備計(jì)算條件。本區(qū)僅存少量的土體，巖質(zhì)塌岸是本次評(píng)價(jià)的重點(diǎn)。圖解法示意圖見5。

選取各段破碎巖體在不同庫(kù)水位條件下的穩(wěn)定坡角，是準(zhǔn)確確定庫(kù)岸再造范圍的關(guān)鍵，本段庫(kù)岸巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，強(qiáng)風(fēng)化破碎巖體參照碎石土的穩(wěn)定坡角，中等風(fēng)化破碎、較破碎巖體參照塊石土的穩(wěn)定坡角確定。

結(jié)合庫(kù)區(qū)大治組地層分布區(qū)庫(kù)岸穩(wěn)定情況綜合分析后，該區(qū)庫(kù)岸水位變動(dòng)帶穩(wěn)定坡角取值，根據(jù)各段斜坡外傾結(jié)構(gòu)面確定，當(dāng)外傾結(jié)構(gòu)面傾角小于坡角時(shí)，取結(jié)構(gòu)面傾角，當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角大于地形坡角時(shí)，

圖5 圖解法示意圖S—塌岸寬度(m)；A—水位變幅(m)；Hp—設(shè)計(jì)低水位以下波浪影響深度(m)，一般取1～2倍浪高,取1m；Hb—設(shè)計(jì)高水位以上波浪爬高(m),取1.5m；Hs—設(shè)計(jì)高水位以上坡高(m)；α—水位變動(dòng)帶穩(wěn)定坡角(°)；β—水上穩(wěn)定坡角(°)；γ—原始岸坡坡角(°)。h1—正常高水位以上岸坡的高度(m)

綜合取值見表1。由于表層巖體破碎，穩(wěn)定坡角的取值大小根據(jù)巖體風(fēng)化、裂隙發(fā)育、完整程度確定。水上穩(wěn)定坡角依據(jù)巖體外傾結(jié)構(gòu)面確定。

根據(jù)上述圖解法對(duì)M4庫(kù)岸進(jìn)行了預(yù)測(cè)，圖解法解得勘察區(qū)175m水位線上塌岸寬度25.91～72.86m，塌岸上界高程195.54～248.04m。有關(guān)各剖面預(yù)測(cè)塌岸寬度見表2。

表1 塌岸預(yù)測(cè)選用參數(shù)

表2 庫(kù)岸預(yù)測(cè)成果(圖解法)

2.3 各庫(kù)岸段塌岸預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

采用圖解法對(duì)庫(kù)岸進(jìn)行預(yù)測(cè)，并以最不利情況考慮塌岸寬度及塌岸上界高程。預(yù)測(cè)結(jié)果表明，M4庫(kù)岸175m水位以上塌岸寬度為32.36～76.46m，塌岸上邊界高程為203.74～251.08m(見表2)。

根據(jù)塌岸對(duì)城市或移民遷最低基準(zhǔn)線177m高程的影響程，可將塌岸強(qiáng)烈程度分為三級(jí)。

a.塌岸強(qiáng)烈。塌岸上邊界高程大于建設(shè)最低基準(zhǔn)線高程，寬度大于20m。

b.塌岸較強(qiáng)烈。塌岸上邊界高程大于建設(shè)最低基準(zhǔn)線高程，寬度度小于20m。

c.塌岸輕微。塌岸上邊界高程小于建設(shè)最低基準(zhǔn)線高程。

綜上所述，勘察區(qū)庫(kù)岸在庫(kù)水作用下存在著一定規(guī)模的塌岸，該區(qū)由于地形坡度陡，坡面巖體破碎，下部塌岸進(jìn)而形成新的臨空面，造成上部坡體失穩(wěn)，形成涌浪，威脅長(zhǎng)江航道安全，同時(shí)破壞巫峽地貌景觀，而且會(huì)成為三峽庫(kù)區(qū)固體徑流的主要物質(zhì)來源，形成新的水土流失，從而加速水庫(kù)淤積。

3 塌岸治理方案評(píng)價(jià)及建議

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察及室內(nèi)綜合分析后認(rèn)為M4庫(kù)岸坡面巖體較破碎—極破碎，穩(wěn)定性差，庫(kù)岸帶在庫(kù)水作用下已發(fā)生局部塌岸，塌岸還將繼續(xù)發(fā)生。由于上部斜坡在重力、卸荷作用下，彎曲變形明顯，表面巖體松弛，存在外傾結(jié)構(gòu)面，下部塌岸的發(fā)生將造成上剖斜坡形成新的臨空面，加劇上部斜坡的變形，進(jìn)而可能誘發(fā)大規(guī)模的崩滑發(fā)生。由于庫(kù)岸帶巖體對(duì)上部斜坡起支撐作用，治理時(shí)不宜大量清方。

該庫(kù)岸位于巫峽高陡斜坡區(qū)，無公路相通，僅有長(zhǎng)江水上航道通行，施工條件差。同時(shí)治理部位于消落帶，治理時(shí)間受庫(kù)水漲落限制，工期短。由于坡面巖體松散，時(shí)有危石墜落，施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)安全防護(hù)。

3.1 塌岸類型

通過對(duì)已滑塌庫(kù)岸龔家坊2號(hào)斜坡定性分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)庫(kù)水位上升至173m時(shí)，首先是前緣145～175m高程中間處的位移最大，并發(fā)生壓剪破壞，隨著前緣侵蝕—?jiǎng)兾g，庫(kù)岸不斷變陡，影響上部破碎巖體的穩(wěn)定性，可能誘發(fā)斜坡整體破壞，產(chǎn)生涌浪，對(duì)長(zhǎng)江航道的安全產(chǎn)生影響。因此，削落帶的治理是M4段斜坡治理的關(guān)鍵，對(duì)其治理是必要的。

3.2 防治方案建議

根據(jù)庫(kù)岸帶斜坡變形情況及巖體破碎程度，建議分段采用不同的防治措施。

a. ab段。坡面巖體較破碎，穩(wěn)定性較好，建議采用庫(kù)岸整體加固+坡面防護(hù)相結(jié)合的方案，中等風(fēng)化層為錨固段。本段試驗(yàn)性治理完畢，目前治理部分待退水后及時(shí)察看治理效果。

b. bc段。坡面巖體破碎，破碎帶厚度大，建議采用庫(kù)岸整體加固+坡面防護(hù)相結(jié)合的方案。本段試驗(yàn)性治理了一部分，目前治理部分待退水后及時(shí)察看治理效果。

c. cd段。坡面巖體裂隙極發(fā)育，巖體極破碎，建議先采用固結(jié)灌漿加固巖體，再采用庫(kù)岸整體加固+坡面防護(hù)相結(jié)合的方案。

d. de段。145～175m高程巖體新鮮，較完整，可暫不治理，175m水位以上坡體彎曲明顯，建議繼續(xù)監(jiān)測(cè)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本次對(duì)庫(kù)岸勘察是在綜合分析前期已有資料的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，通過鉆孔施工、物探全孔攝像、聲波測(cè)試，對(duì)地表變形現(xiàn)象的再核實(shí)，主要結(jié)論如下：

a.鉆孔顯示，破碎帶厚度13～20m。庫(kù)岸帶巖體在庫(kù)水作用可能發(fā)生沖蝕剝蝕型及崩(坍)型塌岸，當(dāng)庫(kù)岸不斷擴(kuò)展，局部可能發(fā)生滑移型塌岸。

b.預(yù)測(cè)M4庫(kù)岸175m水位以上塌岸寬度為32.36～76.46m，塌岸上邊界高程為203.74～251.08m，塌岸強(qiáng)烈。庫(kù)岸帶有危巖1處，破壞模式為滑移式，體積32m3，現(xiàn)狀基本穩(wěn)定，建議清除。

c.M4斜坡庫(kù)岸帶進(jìn)行工程治理， ab段建議采用庫(kù)岸整體加固+坡面防護(hù)相結(jié)合的方案，本段已治理完畢，在退水后及時(shí)察看治理效果；bc段巖體破碎，建議采用庫(kù)岸整體加固+坡面防護(hù)相結(jié)合的方案；cd段巖體極破碎，建議先采用固結(jié)灌漿加固巖體，再采用庫(kù)岸整體加固+坡面防護(hù)相結(jié)合的方案；de段較完整，可暫不治理，175m水位以上建議繼續(xù)監(jiān)測(cè)。由于145～175m高程是斜坡整體穩(wěn)定的關(guān)鍵部位，不宜在此部位大量清方，以免加速上部斜坡的變形。