三峽庫區滑坡發生規律及防治對策

庫姆地形和自然條件復雜。這是中國多災變動物最多的地區之一，而滑坡是庫姆山區最重要的災害之一。許多學者對三峽庫區一些典型滑坡的誘發機理進行了研究,李愿軍等利用斷裂活動帶、地震活動帶和滑坡活動帶來解釋三峽東段滑坡;張帆等利用區域構造、局部構造特征以及新構造期的構造活動來解釋三峽庫區滑坡體的形成和演化;吳樹仁等利用滑動面控制機制、滑體控制機制和兩者聯合控制機制來解釋三峽庫區的滑坡發生。這些研究從不同方面解釋了三峽庫區滑坡的產生機理,但是當三峽大壩蓄水后,在水位上漲河岸邊坡坡腳所受靜水壓力增大的情況下產生的大量滑坡,至今還沒有統一的認識。筆者對三峽庫區秭歸縣和興山縣后期災害規劃核查中發生在河流凸岸的40個滑坡進行現場調查研究,結合部分勘察資料,對這些滑坡產生的原因進行了分析。1災害點分布特征目前,三峽庫區地質災害主要包括一些前期遺留地質災害點和170m以上蓄水后新產生的地質災害點,前期遺留地質災害點主要指三峽大壩蓄水至135m、156m高程前后,未治理且在后來蓄水過程中仍有危害的災害點;新產生的地質災害點主要指2008年9月底長江三峽蓄水至172.78m高程以來,庫區新產生的地質災害點。根據2009年湖北省興山縣、秭歸縣三峽庫區地質災害后期規劃調查結果,興山縣核查確認滑坡災害點共37處,河流凸岸滑坡有17處,占興山縣后期災害規劃滑坡總數的46%;秭歸縣核查確認滑坡52處,河流凸岸滑坡有23處,占秭歸縣后期災害規劃滑坡總數的44%。河流凹岸受水流的長期沖刷,有小型崩塌滑坡產生容易理解,但是凸岸發生大量滑坡,就值得研究了。將興山縣、秭歸縣滑坡點標于遙感圖像上發現,凸岸滑坡分布特征十分明顯。從地貌形態上看,凸岸因水位上漲河流流向改變而成為河流的頂沖部位,當河流水位上漲時,成災環境也將發生突變,滑坡災害一觸即發。秭歸縣水田壩鄉龍口北泥兒灣滑坡發生在三峽大壩蓄水至172.78m高程以后,是典型的發生于河流凸岸,因成災環境突變而產生的滑坡,因此筆者以秭歸縣龍口北泥兒灣滑坡為例,分析凸岸滑坡發育特征。2北泥兒灣滑動帶的地質特征和變形特征2.1老滑坡巖質邊坡破壞特征秭歸縣龍口北泥兒灣滑坡位于水田壩鄉龍口村6組,長江支流袁水河左岸,距長江河口8.6km,近鄰下游的龍口滑坡。滑坡北側邊界為巖層節理裂隙形成的切割面,南側為巖土界面,滑坡體前緣寬140m,后緣寬50m,平均厚20m,體積約為80萬m3,為三峽庫區規劃二期群測群防監測點。根據現場地貌調查分析,該滑坡屬老滑坡,歷史上滑坡前緣河水切坡腳引起巖質邊坡破壞發生過滑塌,后期風化堆積形成。主變形區是該滑坡中北部,后緣寬25～30m,前緣寬100m,滑坡前緣高程為150m,后緣高程為300m,縱長為300m,體積約為50萬m3,該區為主滑區,南側為滑坡牽引區。泥兒灣滑坡體處于秭歸向斜北西翼,為單斜地層,地層巖性為侏羅紀砂巖、粉砂巖夾薄層狀泥巖,巖層產狀傾向為300°,傾角為30°～50°。巖層中斷層不發育,而節理裂隙較發育,主要發育走向20°和走向285°兩組陡傾角裂隙。滑坡物質主要為堆積層,由塊石、碎石土組成,塊石占25%,塊石成分主要為砂巖,塊徑為0.2～0.5m,碎石土土石比后緣為4∶6,前緣為7∶3,一般為5∶5,碎石粒徑為2～10cm,滑帶為堆積層與基巖接觸帶的碎石土層,滑床為底部基巖,即順傾的侏羅紀砂泥巖層。2.2滑坡總體特征2008年11月4日,三峽壩前水位達到172.78m,三峽試驗性蓄水任務完成。然而,據群測群防監測,2008年11月5日該滑坡主滑區開始出現變形,主要變形跡象為滑坡北側歸水公路下沉0.19m,自北向南近100m長公路出現鼓脹隆起,公路明顯順坡向推移變形,位移為0.08m。2008年11月8日上午,變形進一步加劇,出現整體變形跡象,滑坡前緣出現局部崩塌,北側形成長約300m、寬0.2～0.5m、下沉0.3～1.0m的縱向邊界貫穿性裂縫,后緣土體下沉1.5m,公路水平位移最大達0.17m,公路路面向內傾,公路上方坡體較陡地段有塊石崩落。至2008年11月9日滑坡南側邊界形成,并與后緣和北側貫通形成主滑區周邊裂縫的圈閉,后緣滑坡體下沉臺坎高達6m,滑坡后壁面斜長約8m;歸水公路路面變形進一步加劇,路面內傾加劇,路面水平位移達1.0m,北側緣公路下沉0.8m,南側緣路面裂縫水平位移為0.2m,坡體上電桿歪斜,滑坡前緣不斷有土石塌落入庫。滑坡變形總體表現為滑坡前緣位移和變形強度較中后部小、弱,后緣變形最為強烈,顯示該滑坡具有推移式滑坡的特征。滑坡后緣和西側滑坡土體含水量較大,土體呈泥狀,滑坡前緣坡腳最低高程約150m,目前水庫蓄水高程172.5m,淹沒滑坡體前緣約22.5m。3滑坡產生的原因北泥兒灣滑坡發生于三峽大壩試蓄水期間,河流動力條件改變和地質成災環境變化是滑坡產生的根本原因。水位上漲導致流速、流向以及邊坡受力改變,河流動力條件朝著不利于坡體穩定的方向改變。3.1隨著河流水位的增加，河流的動力條件發生了變化3.1.1河流剖面流速水流對岸坡的沖刷作用與流速有關,河流水位上漲,流速也將發生突變,根據達西—魏斯巴赫的研究成果,河岸垂直斷面的平均流速為U=8gfw??√RwJ????√(1)U=8gfwRwJ(1)張瑞瑾提出的指數流速分布公式為u=um(yh)m(2)u=um(yh)m(2)式中:um為y=h處水流表面流速;h為水深;u為距河底y處的流速;J為比降;Rw為相應河岸阻力的水力半徑;fw為河岸阻力系數;g為重力加速度;y為水流表面距河底的高程;m為指數。將流速u沿垂線積分,可得到垂直斷面平均流速:U=umh∫h0(yh)mdy=um1+m(3)U=umh∫0h(yh)mdy=um1+m(3)即um=(1+m)U(4)um=(1+m)U(4)將式(1)和式(4)帶入式(2),可得距河底y處的河岸流速:u=(1+m)(yh)m8gfw??√RwJ????√(5)u=(1+m)(yh)m8gfwRwJ(5)由式(5)可以看出,隨著水位的升高,距河底y處的河岸流速不斷增大。李玉榮研究發現三峽建庫之前,洪水從寸灘向宜昌推進的傳播時間為45～60h,蓄水之后,寸灘到壩址洪水傳播時間大大縮短,蓄水位為156m時,傳播時間為20h左右。這主要原因是庫區水位抬高、水面擴大,蒸發量增大,降雨期水面直接徑流增大,庫區匯流加快;其次,水位抬高后,水深大幅增加,水面比降減小,洪水波運動特征發生巨變,洪水傳播時間縮短。3.1.2凸岸緩坡厚植物群落穩定性分析當河流正常流動時,最大流速沿中心線直接向凹岸沖刷,流速也沿河流中心線向兩岸逐漸減小。當河流水位上漲時,河面寬增大,由于凸岸在長期泥沙堆積過程中形成緩坡,凹岸邊坡長期沖刷而產生大量崩滑,因此自然狀態下凸岸邊坡坡度小于凹岸邊坡,河流中心線向凸岸緩坡移動,這時河岸剪切力的作用方向由坡腳向上推移,岸坡的受力面積增大,同時水流的沖刷作用使邊坡朝著不利于滑坡穩定的方向發展,這也是庫區凸岸邊坡在蓄水后失穩的重要原因。3.1.3水流特性參數河道水位上漲以后,河流流速增大,流向朝著不利于凸岸邊坡穩定的方向發展,同時水流對凸岸邊坡沖擊力也發生改變。水流對阻流面沖擊力為P=Ksr0HV21?cosαgsinα(6)Ρ=Κsr0ΗV21-cosαgsinα(6)式中:P為水流對阻力面的沖擊力;Ks為繞流系數,一般取1;r0為水的容重;H為阻流面高度;V為行進水流的平均流速;g為重力加速度;α為水流方向與阻流面的夾角。在正常河流作用下,凸岸邊坡處于泥沙堆積狀態,可以長期處于穩定狀態。當三峽水庫水位從135m上升到175m時,如果凸岸的阻流高度H只增加1.3倍,流速V只提高3倍,那么根據式(6)計算的凸岸邊坡所受的水流沖擊力是蓄水之前的11.7倍。北泥兒灣是老滑坡,如果坡腳所受沖擊力提高11.7倍,滑坡將打破以前的平衡重新滑動。3.2水位上升及滑帶形成原因水庫蓄水后,地質環境變化也是北泥兒灣滑坡產生的重要原因。隨著水庫水位的上漲,凸岸北泥兒灣滑坡的地質成災環境將發生改變:①物理作用將發生很大的變化,潤滑作用、軟化和泥化作用的岸坡巖體面積增加,沖刷作用更強烈,坡腳的危險性比水位上漲前增大。②化學作用也將發生重大變化,由于流速加快,水分子與巖土體離子交換頻率增大,離子交換作用更強烈;流速加快使得水解和氧化還原作用增強,將對巖層層面、圍巖的接觸帶帶來破壞性影響。③水位上漲導致水面面積增加,使得波浪作用增加,將對巖體斷裂構造、節理裂隙、片理與劈理以及侵入體產生更強的淘蝕作用。④河流水位上漲導致水體對岸坡浮托力改變,同時因岸坡地下水位上升而導致的靜水壓力和動水壓力改變,將影響邊坡的整體穩定性。⑤岸坡的三迭系中統巴東組和侏羅系泥巖等巖石因裸露而長期受風化作用,當水位上漲時,遇水崩解,容易造成坡腳失穩,從而導致滑坡產生。⑥水位上漲以后,凸岸邊坡地下水位升高,滑帶土體含水量變化而導致抗剪強度降低。三峽庫區凸岸邊坡并不都是老滑坡滑動形成,據調查,凸岸邊坡的形成原因有兩種:一種是河流發育過程中,凸岸堆積作用、洪沖積作用形成厚厚的堆積物質,在河流下切侵蝕作用下形成小于20°的緩坡;另一種是三迭系中統巴東組和侏羅系泥巖、泥質粉砂巖、頁巖風化層和第四系崩積、坡積、滑積巖土體組合形成天然的易滑巖土邊坡。顯然這兩種凸岸邊坡因無法承受水力條件和岸坡地質環境改變而發生滑動。3.3峽大壩水位樹立機理分析后期核查的滑坡災害點,人工高邊坡不在核查范圍,因此誘發凸岸滑坡發生的其他因素主要指降水。突發性降水引起河水位上漲,促發河水動力條件暫時性改變,從而影響邊坡的穩定性,三峽大壩蓄水后河水位波動性上漲的影響更大。突發性降水形成地表徑流,對坡體進行沖蝕,啟動表層巖土體的快速滑動。降水入滲導致坡體自重增加,坡體下滑力增大;降水軟化邊坡巖土體和結構面,降低巖土體和結構面的強度,坡體抗滑力減小;降水在坡體內形