三峡库区库岸塌岸机理与防治措施研究

2010-4-7 　来源：《人民长江》2008.12
摘要: 水库塌岸导致沿岸植被破坏，水土流失加剧，对当地的经济及环境产生影响，故对库岸的塌岸机理及防治措施应重视。三峡水库的蓄水运行，大大改变了库岸的水文地质与工程地质条件，对岸坡的稳定性产生了巨大的影响。在总结库区的主要岸坡结构类型的基础上，分析了三峡库区几种典型的塌岸模式机理:侵蚀—剥蚀型、坍塌型、滑移型、崩塌型。针对岸坡的不同物质构成，提出了相应的防治措施，可以给库区库岸塌岸的防治提供借鉴。
关键词: 库坡结构;塌岸机理;防护措施;三峡库区
中图分类号: TV697.2+ 3　 文献标识码: A
长江三峡水库是一座狭长的河道型特大型水库，其岸线长度约为5311km。据《长江三峡水利枢纽初步设计报告》，三峡水库建成后，坝前水位为175m，而6月中旬至9月底（汛期）水位将保持在145m左右的防洪限制水位，10月至次年的4月上旬坝前水位保持在145～175m间波动，库水位变幅30m。水位抬升近百米。水库建成后采用“冬蓄夏泄”的水位调度方式，水位调幅变化可达30m。随着三峡水库2002年蓄水以及蓄水后的正常运行，如此大的水位变幅，使库岸地质条件将大大改变。库岸在库水浸泡、风浪冲击、水流侵蚀以及干湿交替作用下发生坍塌，使水库岸线后退，在水库周边波浪作用范围内形成浅滩，这种现象称为水库塌岸现象，促使塌岸现象发生的作用称为塌岸作用。
1 塌岸的危害
水库塌岸给当地的经济及环境产生巨大的影响。以1960年9月运行的三门峡水利枢纽为例，1973年后，“蓄清排浑”运用，由于蓄泄变化，蓄水时，风浪的冲击造成岸坡坍塌;泄水时，不仅将塌岸的松散体带走，而且能冲刷到老岸，造成新的不稳定坡岸。于是，上自潼关，下至三门峡，塌岸长201km，最大日塌岸宽50m，最大每米塌岸量1052m3，最大塌岸宽281m。塌岸入库的土方占淤积的16.2%。此外，塌岸还毁坏耕地、村庄、设施，威胁生命。如:1979年10月9～19日，东古铎大队（三门峡到潼关段）塌岸150m，塌毁耕地20多公顷，扬水站塌入库中。另据统计，截止到2001年，仅三门峡市已经造成塌岸段总长119.8km，其中严重段78.9km。建库以来，坍塌面积为67.58km2 ，坍塌土方量20.22亿m3 ，淹没耕地3280万m2 ，塌毁机电灌站53座、机井69眼。塌岸导致沿岸植被严重破坏，一方面使国家土地遭受损失，加剧了水土流失;另一方面使岸边移民多次搬迁，生活更加贫困。
2 库区岸坡结构分类
由于塌岸是一种比较复杂的岸坡稳定性的综合地质现象，一般认为在河水位或水库正常蓄水位附近，由于岸坡直接受到水体的作用影响，引起的各种库岸再造都在此范畴之列。不同的岸坡结构塌岸机理也不相同，因此对库区岸坡结构的分类对于研究库岸岸坡塌岸机理尤为重要。
对库区岸坡结构分类主要考虑以下几种因素:
（1）岸坡的物质构成，这也是最主要因素。总体上有岩质岸坡与土质岸坡两种构成方式，其破坏的模式是绝然不同的。在土质岸坡中由于第四系成因、物质成分、粒度成分等的不同，其产生塌岸的可能性又有很大的区别;在岩质岸坡中由于岩体的风化程度，变形程度以及岸坡结构特征的不同，都可能导致不同的塌岸现象。另外一种类型就是土岩复合岸坡，即岸坡的表层为土质，下部为岩质构成的岸坡。
（2）将土质岸坡根据物质成分的不同可以划分为黄土状土质岸坡、冲洪积岸坡、崩滑堆积岸坡，残坡积岸坡4种亚类;将岩质岸坡进一步划分，当岩层走向与岸坡走向之交角小于30°时分为顺向坡和逆向坡，当岩层走向与岸坡走向之交角大于30°时定为斜向坡，当岩层的倾角小于10°时，确定为近水平坡，少数巨厚层状的岩层构成的岸坡可以确定为块状岸坡。
（3）以层状岩层构成的岸坡，根据其岩性的风化、力学性质及岩层各自又可以划分为上硬下软，上软下硬两种类型，其变形、破坏的模式亦是不同的。
因此根据岸坡物质组成、岩层产状、岩石坚硬程度和河流的走向（或岸坡走向），总体上可以将岸坡划分为15个亚类。
3 库岸塌岸机理分析
水库库岸塌岸受多种因素影响，是由水、土、风等因素造成的。其中土质的好坏是塌岸的内在因素，水则是塌岸的主要外力因素。水流因素是造成河段崩岸的重要外在条件，主要反映在主流顶冲、弯道环流动力作用及高低水位的突变等。此外，地质因素、河床边界条件、风浪对坡岸的淘蚀及可液化土体均是产生崩岸的重要因素。由于河床组成、河岸边界条件的不同，各河段崩塌的具体原因又有所不同，即可能的情况为:在同一河段，水流因素是崩塌的主要原因，其它因素仅起着次要作用;对另一河段，水流因素可能不是主要的，而河岸组成或其它因素则是造成崩岸的主要原因。通过分析大量野外调查资料，水库库岸变形失稳的破坏机理可划分为侵蚀—剥蚀型、坍塌型、滑移型和崩塌型3种类型。
3.1 侵蚀—剥蚀型
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，所对应的岸坡结构类型为Ⅰ1 、Ⅰ2 、Ⅰ4 。这种塌岸具有缓慢性、持久性的特点，但再造规模一般较小。
3.2 坍塌型
这种机理的塌岸主要发生在地形较陡的土质岸坡及基岩严重卸荷裂隙发育带。在库水长期作用下，基座被软化或淘蚀，岸坡上部物失去平衡，从而造成局部下挫或坍塌，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。并且具有突发性，特别容易发生在暴雨期和库水位急剧变化期。形成这种机理的塌岸的基本条件有: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。该机理形成的塌岸主要类型有冲刷浪坎型、坍塌后退型两种。冲刷浪坎型发育规模一般较小，在水流冲刷、浪蚀等作用下，塌岸先是在水边线附近小范围发育，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，这样形成的塌岸最终在形状上表现为阶梯斜坡状，主要发育在Ⅰ2 类型的岸坡中。而坍塌后退型塌岸的明显特征是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、突发性的特点。由于黄土状土具有较强的结构性，垂直节理发育，且有许多可溶性物质，因此在三峡库区的黄土状土质岸坡Ⅰ1 中，坍塌后退型塌岸较为发育。
3.3 滑移型
在库水作用、降雨及其他因素的影响下，岸坡岩土体沿某一软弱结构面向临空方向产生一定规模的滑移失稳。表现特征为岩土体的水平位移一般较大，具有规模大、危害性强等特点。滑移型形成机理的岸坡在土岩复合岸坡Ⅲ与岩质岸坡Ⅱ中均有发育。在土岩复合岸坡中，上部的堆积体厚度一般较薄，受水库蓄水的影响，堆积体沿着基岩与覆盖层界面发生整体性滑移。在岩质岸坡中，如果基岩中存在软弱夹层，水库蓄水后，软弱层在库水的浸泡下发生软化，其抗剪强度大大减低，从而出现沿软弱层的整体滑动。
3.4 崩塌型
当库岸为陡倾的岩质岸坡时，且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，裂隙面被软化后，岩体沿着节理裂隙面发生的崩塌或崩落现象。值得一提的是，在三峡库区，岩层倾向坡内的上硬下软结构组成形式的岸坡较多，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，岸坡产生压缩或拉裂变形，导致上部岩体失稳而产生塌岸。常见类型为: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，形成小规模的塌岸。
4 岸坡防治措施
岸坡防治措施与库岸岸坡的类型、塌岸规模、稳定性等有着直接的关系，对土质岸坡和岩质岸坡、塌岸规模大的和小的、稳定性好的和差的岸坡，应该采取不同措施进行防治。同时，库岸岸坡防治措施还与技术经济可行性、施工方法、施工难度、危害程度等有着重要的关系。只有充分考虑、权衡各种因素，才能制定出合理的防治措施。
4.1 土质岸坡的治理
三峡库区土质库岸的物质组成主要是第四系砂、卵砾石和冲洪积的粉质粘土、黄土状土等，局部还有少量的人工堆积、崩积的松散堆积物。这些物质胶结差，抗冲刷能力差，水库蓄水后在水流的冲刷作用下，容易发生塌岸，对工程和人民生命财产造成危害。
对于现在稳定性较好的岸坡，易受风浪淘刷的部位，常采用护坡或护岸工程，增强库岸的抗冲刷性和稳定性。在适当地段可种植植被，构筑生态型护坡。护坡结构有利于减弱纵向水流和横向环流对库岸的侵蚀，也有利于减小波浪的作用。砌石料应选用抗冲刷和抗风化能力强的新鲜岩石，砌石体要留泄水孔，以排泄岸坡内的地下水。对于可能失稳的岸坡，建议采用挡水墙。挡水墙不仅可以防止水流对岸坡坡脚的冲刷，还可结合挡土墙的要求，起到支撑岸坡岩土体稳定岸坡的作用。对于已经失稳滑动变形的岸坡，可以采用的治理措施主要有:削坡、减重反压、设置抗冲刷挡墙等措施。要特别注意的是此类岸坡不但要提高它的抗滑能力，还要进行护坡处理来提高它的抗冲刷能力。对于松散堆积物进行防治应先将其夯实;如果是块石堆积可先用填土碎石充填再行夯实，如是碎石堆积可直接进行夯实。对于库岸为冲洪积层构成的阶地（如黄土状土岸坡），因其前缘陡立，常被风浪淘蚀，失稳坍塌。其治理方法是:蓄水前在其脚部抛石填渣，使其形成平缓的斜坡，再在其上砌石护坡或修筑挡水防浪墙，阻挡浪蚀。
在对库岸边坡进行整治时，除了防止水对岸坡的冲刷和浪蚀外，还要特别注意采取措施防止地表水和地下水对边坡的影响。地表排水一般采用设置外围截水沟的方法。同时，还要对岸坡坡面进行整平夯实，减少坑洼及裂隙，并做好岸坡的绿化工作。地下排水一般采用排水洞、排水孔、支撑盲沟、截水暗沟等措施。
4.2 岩质边坡的治理
三峡库区岩质岸坡的岩性主要为砂岩、泥岩或者砂泥岩互层，且大部分岸段为砂泥岩互层结构。其治理措施要根据岸坡的实际情况进行选择。
在有裂隙的坚硬岩质岸坡地区，为了增强滑面的正压力以提高沿滑面的抗滑力或为了固定松动危岩，可采用锚固或预应力锚固措施。其方法是在拟固定的岩体上钻孔直达下部稳定基岩一定深度，在孔内插锚杆，将末端固死，孔口以螺栓固死。锚杆一般涂以化学涂料，以防锈并防止水的侵入，钻孔内也可浇水泥砂浆固定。为增加对岩体的压力，可在孔口施加预应力。锚固和预应力锚杆技术是当前最为高效和经济的加固技术。
对于一些高陡岩质岸坡，它不存在顺坡向的不利结构面（如斜向坡、反向坡、近水平坡、横向坡），仅因岩体受节理裂隙面的切割较为破碎，就可能产生崩塌、坠石等岸坡局部失稳现象。可先采取措施剥除“危岩”，削缓岸坡，然后再进行锚固处理。
对于比较破碎的坚硬岩石岸坡，为防止其进一步开裂掉块，保护水工建筑物的安全，可以采用浅层锚固喷射混凝土护面或钢丝网喷浆处理。如果岸坡的坡度较缓，而且稳定性又较好的，可以采用浆砌块石防护坡面，防止水流的冲刷。如果岸坡的结构是顺层的，一般可以采用抗滑桩或锚固措施来治理，对于一些大型的顺层塌岸，如果塌岸体对抗滑桩产生的弯矩过大时，推荐采用预应力锚拉桩。
如果岩质岸坡下部有空区，可采用混凝土、柱、浆砌块石、毛石等回填来支撑空区;对于地表水要修筑集水沟和排水沟，进行拦截排出;地表裂缝要封闭，防止地表水下渗;对于地下水可采取防水帷幕截断，并采用水平排水孔、竖直集水井、泄水洞、洞孔联合、井洞联合等方法排出地下水;对于坡面可以采取灌浆、抹面、填缝、喷浆、嵌补等措施防止被水流侵蚀和风化。
4.3 土岩复合岸坡的治理
土岩结合岸坡分为土—软岩岸坡、土—硬岩岸坡，土岩分界面一般就是不稳定的滑动面，特别是土—软岩岸坡。对土岩结合岸坡一般可采用滑坡的治理措施，即削坡、减重反压、设置抗滑挡墙、抗滑桩、注浆法、锚固或预应力锚固等措施，鉴于滑坡的成分、结构和变形机制的复杂性，实际工作中可选取几种方法配合使用。如抗滑桩可以与锚索联合使用构成锚拉桩，从而增加桩的抗滑力。在打抗滑桩时，抗滑桩要穿过土岩分界面，嵌入基岩。如果下部是软岩，抗滑桩最好要穿过软岩，嵌入坚硬岩层里。对上部的松散堆积层，要先进行夯实处理，再进行防护处理。对于坡面可以采用浆砌块石进行防护。
5 结论
据上述分析，三峡库区岸坡结构类型可以划分为土质岸坡，岩质岸坡及土岩复合岸坡3大类。且不同的岸坡类型形成塌岸的机理也不同。但总体来看，库区主要存在的塌岸机理模式共有4种:侵蚀—剥蚀型、坍塌型、滑移型和崩塌型，其中前两种机理模式的塌岸主要发育于土质岸坡，后二者则发育在土岩复合岸坡与岩质岸坡中。对塌岸的防护应根据库岸岸坡的类型、塌岸规模、稳定性情况采用不同的方法。
作者简介: 尚敏，男，三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室，副教授，博士。