三峽水庫水三峽庫區(qū)水位變化對庫岸影響的探討

三峽水庫水三峽庫區(qū)水位變化對庫岸影響的探討

1壩前水位變化根據(jù)湖北省水利廳長江水利委員會《長江三峽工程區(qū)淹沒處理及移民安置崩塌處理總體規(guī)劃報(bào)告》，三峽水庫建成后，在汛期（每年6月中旬至9月下旬）運(yùn)行時，水庫蓄水位應(yīng)減少到防洪限制水位約145m的位置，并應(yīng)分發(fā)洪水。在5月的洪水流高峰，庫前水位達(dá)到147.2m（5月一次洪水），在20、100和1000年的洪水發(fā)生庫前水位分別為157.5、166.7m和175.0m。洪水峰后，水庫水位迅速降至145m，以防止再次發(fā)生洪水。在非增水期，三峽水庫的水位在145.175.145m之間變化，水位變化很大。通常，10月初開始蓄水，庫水位控制在不超過正常蓄水位的175.0m。5月下旬的水位降至145.0m的防洪限制水位。2庫岸再造帶和基層變形目前塌岸預(yù)測的方法主要有類比法、動力法、統(tǒng)計(jì)法和實(shí)驗(yàn)法,多屬經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)方法。對于不同類型的岸坡,應(yīng)根據(jù)其具體的地質(zhì)、環(huán)境條件采用不同的方法進(jìn)行塌岸預(yù)測,并宜采用多種預(yù)測方法進(jìn)行綜合評價。三峽庫區(qū)通常采用卡丘金公式或圖解法進(jìn)行預(yù)測。圖解法是根據(jù)現(xiàn)代長江河谷岸坡形態(tài)參數(shù)(包括水上、水下、水位變幅帶的侵蝕、堆積穩(wěn)定坡角統(tǒng)計(jì)值等)類推水庫蓄水后相應(yīng)水位作用帶的最終穩(wěn)定坡角,利用圖解法依次繪制出巖土體不同特征水位的各段穩(wěn)定坡角,并以各段穩(wěn)定坡角連線代表最終庫岸再造線,據(jù)此即可確定庫岸再造帶寬度和最終再造帶后緣高程。需要指出的是:①卡丘金公式主要適用于自然岸坡較陡、土質(zhì)松軟均勻體庫岸塌岸預(yù)測,由于工程期與地質(zhì)歷史期相比較,時間很短,一般50～100a,所以無不利結(jié)構(gòu)面組合的中等風(fēng)化基巖,可以認(rèn)為是不再造的(即現(xiàn)狀岸坡調(diào)查的巖質(zhì)岸坡穩(wěn)定角不能作為巖質(zhì)岸坡塌岸預(yù)測的主要依據(jù))。②卡丘金公式考慮的條件,某些庫平緩水位變動帶穩(wěn)定坡角較水下穩(wěn)定坡角緩,可以形成水下堆積岸坡。實(shí)際上絕大多數(shù)青壯年期的河流水庫均不具備這種條件,而是水下穩(wěn)定坡角最緩。如不注意,有可能預(yù)測的塌岸范圍偏小。③對于存在滑移可能的侵蝕、剝蝕型岸坡,應(yīng)進(jìn)行侵蝕、剝蝕后的穩(wěn)定性計(jì)算,若穩(wěn)定性達(dá)不到安全標(biāo)準(zhǔn)的需要,則判斷為滑移型塌岸(見圖1)。④若在高水位之下存在水下滑坡,則侵蝕剝蝕型塌岸的塌岸起點(diǎn),應(yīng)后移至滑動后新的岸坡線,否則塌岸預(yù)測范圍將偏小(見圖2)。目前,在已有的防護(hù)工程對塌岸預(yù)測范圍的影響上存在有不同的意見,有專家認(rèn)為已有的防護(hù)工程年代太久,已喪失了原有的功能,在塌岸預(yù)測上不予考慮,有的專家認(rèn)為已有的防護(hù)工程盡管年代太久,但由于其嵌入基巖,水不可能大面積透過整個基巖,所以預(yù)測塌岸的范圍不能過大。究竟是否該考慮防護(hù)工程的作用,由于庫區(qū)修建的防護(hù)工程大多年代太久,無資料可查而成為一個充滿爭議的焦點(diǎn)。3孔隙壓力的作用水庫蓄水后水對岸坡的作用主要指水對岸坡巖土的軟化與泥化作用、孔隙壓力與水的沖刷作用、波浪作用以及浮力減重作用等。孔隙壓力有兩種情況:①岸坡內(nèi)有地下水壓力作用下的穩(wěn)定或不穩(wěn)定的滲流,稱為動水壓力;②岸坡內(nèi)有承壓水作用,存在著未消散的超孔隙靜水壓力。3.1靜水壓力的驗(yàn)算從坡體中取出一個土條(圖3),W1為土條中浸潤線以上土體的重力,W2為土條中浸潤線以下土體的飽和重力,W2為土條中浸潤線以下土體的浮重,Wr為土條中浸潤線以下水的重力。Pa為AB邊靜水壓力的合力,pb為CD邊靜水壓力的合力,U為BC邊靜水壓力的合力,N為土顆粒之間的接觸壓力(有效壓力),α為土條底面與水平方向的夾角,β為土條中浸潤線與水平方向的夾角。U的水平分力為:U的豎直分力為:利用瑞典條分法,可得岸坡的安全系數(shù)表達(dá)式為:式中D=γwhwLosasinβ,其幾何意義是坡體土條中水的滲流所產(chǎn)生的動水壓力,大小為飽和浸水面積、水的重度、水力坡降(近似取浸潤線兩端連線AB的坡度)的乘積。從式(5)可看出,在浸潤線以下,安全系數(shù)僅與動水壓力D和土條浮重有關(guān),這就證明了動水壓力與土條中的水重和周邊靜水壓力是一對平衡力,把土條周邊上的水壓力和水重用一個動水壓力D代替,使問題變得簡單,這就是長江三峽庫區(qū)岸坡穩(wěn)定性評價時的力學(xué)計(jì)算模型。3.2基巖斜坡變形形式(1)懸浮減重效應(yīng)。由于水庫蓄水水位上升,庫水補(bǔ)給地下水,引起地下水位上升,使岸坡體逐漸飽和,有效應(yīng)力降低且使水位以下更大范圍內(nèi)的滑帶地面承受更大的作用力。另外,庫岸周圍斜坡內(nèi)不透水的軟弱層受到靜水壓力的垂直作用,削弱了軟弱面上所受到的滑體重量產(chǎn)生的法向力,從而降低了抗滑力,易使庫岸滑坡崩塌發(fā)生。(2)泥化效應(yīng)。巖石和土體經(jīng)水的浸泡后,強(qiáng)度普遍降低,且吸水性越強(qiáng),強(qiáng)度降低越大。當(dāng)斜坡巖體的軟弱層、結(jié)構(gòu)面、松散堆積層與基巖接觸帶土體受水浸泡時,其抗剪強(qiáng)度普遍下降,當(dāng)斜坡體下滑力超過支撐力時,斜坡體失去平衡,產(chǎn)生變形位移現(xiàn)象,將會發(fā)生崩塌和滑坡,這也是庫岸斜坡變形的重要形式。(3)沖刷淘蝕效應(yīng)。三峽水庫蓄水以后,庫面水域變得更加開闊,區(qū)內(nèi)風(fēng)速較大,特別是夏季大風(fēng)占20～30d,由于山谷風(fēng)的作用以及庫水的流動對庫岸引起沖刷作用,使庫岸后移,并使河谷深切,使岸坡變高變陡,庫水沖刷坡腳,切斷滑動面而使之臨空,失去底部支撐,斜坡的穩(wěn)定平衡遭受破壞,產(chǎn)生崩塌與滑坡。3.3地下水流動力(1)浮托力效應(yīng)。水庫水位突降,由水的沖刷作用而形成的具有臨空面的巖石所受到的浮托力則迅速減小,滑坡體所受到的抗滑阻力也迅速減小,從而引起崩塌和滑坡。(2)孔隙壓力效應(yīng)。這種壓力一般假定和滑坡的滑動方向一致,由于庫水水位的突然降低,庫岸內(nèi)地下水位高于庫水位,地下水由滑坡體排出,較大的水深和水力梯度形成較大的動水壓力,加大了沿地下滲流方向的滑動力,從而引起老滑坡的復(fù)活和新滑坡的產(chǎn)生。滲透特性不同的岸坡,在水位波動作用下,其滲流規(guī)律不同,飽和滲透系數(shù)的大小決定了岸坡內(nèi)浸潤線的位置和形狀,從而決定了浸潤線以下飽和區(qū)內(nèi)孔隙水壓力的大小和分布,而土水特征曲線的形狀決定了浸潤線以上負(fù)孔隙水壓力的大小和分布。計(jì)算斷面上部存在軟弱夾層等問題,致使岸坡體浸潤線位置大大抬高,孔隙水壓力增大。如遇久雨,地表水浸入后,還會使浸潤線上部土體的含水量進(jìn)一步增大,從而增加岸坡體的自重。如果滑坡體地下水排出較慢,地下水水位下降嚴(yán)重滯后于庫水位,會形成較大的靜水壓力,也會增大下滑力,引起崩塌和滑坡發(fā)生。值得指出的是:孔隙水壓力包括靜水壓力和超靜孔隙水壓力,通常文獻(xiàn)所指的孔隙水壓力就是超靜孔隙水壓力,它不包括靜水壓力。3.4地表裂縫產(chǎn)生的原因三峽庫區(qū)庫岸穩(wěn)定性分析荷載組合見表1。對于可能滑移的庫岸,究竟是只采用工況1～4評估,還是采用工況1～6評估,目前還存在分歧。事實(shí)上,水庫蓄水雖然不足以使某些庫岸發(fā)生滑移破壞,但往往會促使其產(chǎn)生變形,地表出現(xiàn)大量裂縫,這就為地表水在滑坡體內(nèi)富集和運(yùn)移提供了條件,從而促使滑坡發(fā)生。庫岸變形破壞的本質(zhì)原因在于組成岸坡體特定的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和特殊的巖土體力學(xué)作用方式,筆者認(rèn)為,對于具備滑移地質(zhì)的結(jié)構(gòu)在工況1～4作用下滿足穩(wěn)定性要求,但在工況5～6作用下預(yù)測可能滑移的庫岸應(yīng)納入治理的范圍,對于不具備滑移地質(zhì)的結(jié)構(gòu)在工況1～4作用下滿足穩(wěn)定性要求,但在工況5～6作用下預(yù)測可納入監(jiān)測的范圍。3.5庫水位下降過程中穩(wěn)定性分析庫水位升降變化下岸坡的穩(wěn)定性問題應(yīng)該是考慮水的滲流作用的動力學(xué)問題,由于目前對水的運(yùn)動規(guī)律、水土的作用規(guī)律還不能準(zhǔn)確地進(jìn)行定量描述,這一問題還沒有得到很好的解決。作為初步探討,筆者查閱了相關(guān)資料,整理如下。時衛(wèi)民等認(rèn)為:庫水位下降過程中穩(wěn)定系數(shù)隨庫水位的下降由大—小一大的變化。這個變化規(guī)律說明,在庫水位的下降過程中,坡體的穩(wěn)定系數(shù)存在一個最小值。其原因是在庫水位下降過程中,坡體中的浸潤線也發(fā)生變化,這就引起公式(5)中W2和D都在改變,由于這兩個因素都與浸潤線有關(guān),所以就會出現(xiàn)這個情況。馬崇武認(rèn)為:水位上升,懸浮減重效應(yīng)表現(xiàn)明顯,安全系數(shù)減小,但是,水位上升達(dá)到一定高度后,安全系數(shù)反而有所增大。水位穩(wěn)定后,安全系數(shù)隨時間逐漸降低,最后趨于穩(wěn)定,土的透水性越強(qiáng),上升速度越快,則安全系數(shù)隨時間變化就越快,對同一水位,上升速度快時安全系數(shù)較大。張文杰等認(rèn)為:水位升降情況下岸坡安全系數(shù)受多個因素共同作用,其變化規(guī)律比較復(fù)雜,大致上滲透系數(shù)小的岸坡水位上升時安全系數(shù)增大,水位下降時安全系數(shù)減小,而滲透系數(shù)大的岸坡在水位上升和下降時均存在最危險(xiǎn)水位,最危險(xiǎn)水位約在岸坡高度的下1/3處。4滑帶土人工過渡帶的安全分析(1)注意黃海高程、吳淞高程及壩前水位線變動幅度的區(qū)別。三峽水庫蓄水水位采用的高程系統(tǒng)為吳淞高程系。1956年黃海高程系和吳淞高程系的換算關(guān)系為:H56黃海(m)≈H吳淞(m)—1.79(m),各地段之兩高程系統(tǒng)差值可查相應(yīng)手冊。壩前水位線則應(yīng)根據(jù)各地區(qū)長江干流斷面的地勢確定。如萬州區(qū)(距三峽壩址281.3km),壩前145m接20%洪水水位線為145.1m,壩前175m接20%洪水水位線為175.1m,水位變動幅度為30m,但涪陵站(距三峽壩址483.0km)壩前145m接20%洪水水位線為161.4m,壩前175m接20%洪水水位線為175.3m,水位變動幅度為13.9m,此時就不是人們常說的水位變動幅度30m6。三峽庫區(qū)水位由壩前175m降為145m時,涪陵站的水位降到161.4m,而不是降至145m,此時計(jì)算孔隙壓力就應(yīng)注意條塊的高度。(2)巖土重度的取值有些文獻(xiàn)中下滑力項(xiàng)用飽和重度,抗滑力項(xiàng)用浮重度的方法考慮動水壓力,這是假設(shè)動水壓力與滑面平行的做法,由于流線傾角特別是滑面傾角變化大,這種方法誤差很大?？扇〉姆椒ㄊ?按有效應(yīng)力方法取值時,水位以下采用浮重度;按總應(yīng)力方法取值時,水位以下采用飽和重度;水位線以上天然狀態(tài)采用天然重度,降雨情況下采用飽和重度。實(shí)際上當(dāng)滑體土較厚時,水位線上采用全部飽和計(jì)算偏保守,但目前整個庫區(qū)均按全飽和計(jì)算。(3)究竟采用何種性質(zhì)的力學(xué)指標(biāo)是與滑帶土的物質(zhì)成分、級配情況有關(guān)的。低滲透系數(shù)土(如粘性土)粗顆粒含量少且被細(xì)顆粒包裹,級配良好,此時滑坡滑動時粗顆粒不相互接觸,排水困難,其滑面快剪強(qiáng)度主要取決于粘聚力,滑體內(nèi)產(chǎn)生較高的孔隙水壓力及動水壓力,有效應(yīng)力降幅大,此時不能形成土骨架作用,應(yīng)“水土”合算,按總應(yīng)力指標(biāo)取值。高滲透系數(shù)土(如碎石類)粗顆粒含量較大,在滑動中可排水,形成了土骨架,考慮土骨架和孔隙水對壓力的分擔(dān)作用,此時應(yīng)“水土”分算,室內(nèi)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)采用有效應(yīng)力指標(biāo)。但也應(yīng)注意形成骨架作用的滑帶土有些部分粗顆粒含量少且被細(xì)顆粒包裹,透水性差,則該部分滑帶土應(yīng)使用總應(yīng)力指標(biāo),其余部分使用有效應(yīng)力指標(biāo)。(4)評估未采取工程措施的岸坡在外界誘發(fā)因素(暴雨、水位暴漲暴落、地震等)作用下是否安全時,有人采用反算的方法計(jì)算參數(shù),這是不可取的。因?yàn)閹彀洞藭r不具備反算條件,有人提出“滑移型庫岸勘探線主剖面應(yīng)平行主滑方向布置,兩側(cè)為輔助剖面”的觀點(diǎn)。這也是不對的,因?yàn)閹彀段催M(jìn)行勘察時根本就不能確定庫岸的性質(zhì),也就談不上滑移型庫岸這一說法。適宜的做法是以試驗(yàn)成果為依據(jù),考慮巖土的軟化效應(yīng)對參數(shù)指標(biāo)的影響,在合理的工況下預(yù)估岸坡的穩(wěn)定性,另外,還要考慮滑移后塌岸的可能性。(5)條塊的劃分也是值得關(guān)注的一個問題。劃分原則為:地形、荷載、剖面變化處均應(yīng)設(shè)置條塊。要特別注意的是涉水庫岸的分界應(yīng)與特征水位一致,條塊數(shù)量不宜少于8塊。條塊劃分過粗,對計(jì)算結(jié)果有明顯影響,影響因素有滑面傾角誤差大、重量誤差大、動水壓力誤差大、強(qiáng)度指標(biāo)誤差大、土條地面方向反力和切向反力作用點(diǎn)位于滑面中點(diǎn)的假定與實(shí)際偏差大等。此外,最后一個條塊高度較小時其寬度應(yīng)較大,相鄰條塊滑面傾角之差不宜大于10°,角度太大,明顯偏于不安全。(6)滑移型庫岸和滑坡在力學(xué)參數(shù)取值上是有區(qū)別的?；菩蛶彀妒穷A(yù)估的,還沒有出現(xiàn)地表裂縫等不良地質(zhì)現(xiàn)象,不存在強(qiáng)弱變形區(qū),所用的力學(xué)參數(shù)指標(biāo)可同一性質(zhì),而滑坡是已經(jīng)發(fā)生變形的地質(zhì)災(zāi)害體,可從宏觀上判斷其強(qiáng)弱變形區(qū),宜根據(jù)其強(qiáng)弱變形分區(qū)、分段來選取不同狀態(tài)下的力學(xué)參數(shù)。(7)由于庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害治理工程任務(wù)緊迫,目前對一些設(shè)計(jì)的技術(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)還不盡完善。例如,治理工程的等級劃分,有的地區(qū)將一段完整的庫岸人為劃為幾段,結(jié)果造成在統(tǒng)計(jì)危害對象上是分段統(tǒng)計(jì)還是合起來統(tǒng)計(jì)的不同意見,這也直接影響安全系數(shù)的選擇。在關(guān)于治理與不治理的安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)問題上,《三峽庫區(qū)三期地質(zhì)災(zāi)害防治工程地質(zhì)勘察技術(shù)要求》采用的安全系數(shù)均在1.10～1.25之間,但有的專家提出在1.05以上就算滿足穩(wěn)定性要求,在究竟是以保證或提高滑坡整體穩(wěn)定性為目標(biāo)還是以變形控制作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)上存在分歧。還有在參數(shù)取值標(biāo)準(zhǔn)上認(rèn)識也不一樣,有的人按水工的要