三峽庫區水位周期漲落對庫區地質災害及其庫區巖體穩定性的影響

1峽水庫蓄清排渾工程,發揮庫效益水庫水位下降帶，又稱下降帶，是指由于水位季節變化，庫周期暴露在水庫周圍。根據三峽工程方案,為了使庫區長期保持絕大部分有效庫容,三峽水庫將采取蓄清排渾的運行方式,即:在每年汛期(6～9月),長江上游來沙量最大之前,將庫區水位降至145m,并在汛期開閘放水排沙,而在汛期后則關閉閘門,將庫水位升至175m,攔蓄清水以發揮水庫效益。所以三峽水庫建成后,將在庫區兩庫形成永久性的水位季節漲落地帶,即三峽庫區消落帶。2地質環境及自然災害三峽庫區是我國滑坡、崩塌、泥石流等地質災害的多發區。在三峽水利樞紐工程建成以后,由于水位大幅度變動,江水對岸坡的強烈改造作用比過去無疑將增強百倍;加之庫區突擊性的城鎮建設和水庫誘發地震,以及全球氣候變暖,人類將面臨更多的暴雨和洪水災害,三峽庫區地質環境及地質災害的問題因而將變得更為嚴峻。此外,由于其庫岸因長期浸泡和浪擊前緣的不斷沖刷,必然導致岸坡巖體整體穩定性下降,加速滑波進程,給庫區帶來更大威脅。同時,三峽大壩建成后,在這近千公里長的岸坡受到高達30m周期性庫水水位漲落的影響下,岸坡巖體的穩定性將會發生怎樣的變化以及如何處理處在滑波體上的居民點、廠礦和耕地已經成為三峽移民工作的重點,始終是一個十分嚴峻而又不可回避的非常現實的問題,亟待研究和解決。因此,開展三峽庫區水位周期漲落變化對庫區地質災害及其庫區內工程巖體穩定性的影響研究,對于科學地認識大壩建成蓄水后庫岸邊坡及其危巖體的穩定性和危險性,制定庫區防災減災的中長遠規劃具有重要的現實意義。3消落帶滑坡三峽庫區消落帶典型地質災害主要有滑坡、崩塌,其中以滑坡最為嚴重。消落帶滑坡按巖性劃分為:巖質滑坡和松散堆積層滑坡兩大類。巖質滑坡按滑動的空間位置可進一步分為順層滑坡和切層滑坡兩個亞類,其中順向層狀體滑坡占絕大多數。3.1庫水作用及其演化過程消落帶滑坡分布受地層巖性組合的控制,區內巖層以泥灰巖、泥質灰巖、鈣質泥巖、砂巖、頁巖和煤層為主,區內層狀巖層組成的層狀體巖坡具有軟硬相間的結構特征,尤其是順向坡。較強的構造應力作用使軟硬巖層相互錯動,軟硬巖層接觸面上產生應力差,使得巖層內部發育有多組構造裂隙,從而破壞了巖體的完整性,有利于地下水的活動。消落帶長江干流地段發生巖體順層滑坡部分,多位于三面臨空地帶,前緣被長江切割臨空,兩側發育有深切沖溝,后緣為高陡山坡,再加上風化作用等外營力的各種作用,岸坡逐步松動變形破壞,使岸坡巖體連續性、完整性不斷遭受破壞,穩定性及力學強度不斷降低。庫水對消落帶岸坡的地質作用主要包括改變庫岸外表形態的浪蝕作用,引起岸坡巖土物理力學性質發生變化的庫水浸泡作用、岸坡地質體滲流場發生改變的庫水滲透作用,以及庫水的靜水壓力、浮托力和動水壓力作用等。當水位由145m升至175m時,隨著地下水位的升高,使巖質斜坡底部的潛在滑動面浸水軟化或泥化,孔隙水壓力增大,抗剪強度降低;同時原來斜坡阻滑的前緣部位,受消落帶庫水浮托,降低了阻滑力,從而引起岸坡沿軟弱滑動面順層活動。尤其在庫水位快速降落時,坡體內孔隙水來不及隨庫水位下降而排出,坡體內仍維持較高的浸潤面,隨著地下水坡降的增大,而形成滲透壓力,這時庫水對岸坡的擠壓力消失,一方面減少抗滑力,另一方面又增加了下滑力,因此易引起岸坡順層破壞。在圖1中標注了庫水位自175m降至145m間庫區消落帶可能出現的、瞬即性靜、動水壓力圖形,該圖形同裂隙分布格局之間的相互關系可提示岸坡的變形趨勢。消落帶岸坡產生順層失穩破壞,其演化機制模式主要有三種主要類型:滑移-拉裂型破壞、滑移-剪斷型破壞和滑移-彎曲型破壞。其中滑移-彎曲滑動占多數,其形成過程為:消落帶岸坡受江水下蝕,形成高陡層狀斜坡,岸坡巖體沿層間擠壓帶發生卸荷回彈,在重力作用下巖層發生彎曲變形,隨時間的推移,層狀巖體流變、彎曲變形進一步加劇,形成類似褶曲的“x”裂隙和兩個彎曲端的張裂帶,再繼續變形,兩個彎曲端的巖層被褶斷。當斜坡變形體上部順層擠壓帶和沿張裂帶或“x”剪裂隙的抗滑力低于變形體的滑動力時,變形體下滑形成滑坡。在滑坡形成過程中,當滑體沿順層擠壓帶和“x”剪裂隙貫通時,可形成滑坡體,此時滑坡規模較小;當滑坡沿下面的張裂隙貫通時,滑坡規模加大;當滑體下滑,同時或不同步地沿兩個順層擠壓帶下滑并貫通下部張裂隙時,可形成具有兩組以上滑面的滑坡,或在不同步的情況下形成主、次滑坡體。3.2堆積層滑坡形成原因消落帶庫岸的第四系堆積層物質成因各異,主要為殘崩坡堆積物,少部分沖洪積階地漫灘堆積物,物質成分以含碎石粉質粘土、粘土及碎塊石土為主。堆積土層物質的成因決定了其具有下列特點:結構松散,粘結力小,透水能力強,巖相復雜而多變,不同時期不同成因的物質可以在很短的距離內先后出現并相互交錯。在變形滑移過程中,坡體不僅產生整體滑移,而且還產生較大的塑性變形和流變變形。庫水沖刷作用下,堆積層岸坡前部被掏蝕,前緣臨空,當抗滑力不足以抵抗下滑時,從而失去支撐而產生滑動。尤其是庫水位接近各種軟弱結構面的高程時,在地下水的作用下,軟弱結構面軟化導致滑坡的發生和發展。庫水位由145m升高到175m時,隨著水位的上升,周圍的地下水位也隨之上升,使地下水和庫水共同作用于巖土體介質中和岸坡表面,對巖土體產生物理、化學和力學的作用。物理作用主要是軟化和泥化巖土體中斷層帶物質和軟弱夾層物質,從而使巖土體的強度降低;化學作用主要是通過水-巖土體離子交換、溶解、水化等作用來改變巖土體的結構而降低其強度;力學作用主要通過空隙靜水壓力和空隙動水壓力作用對巖土體的力學性質施加影響。空隙靜水壓力減小巖土體中法向應力而降低巖土體強度,空隙動水壓力對巖土體產生推力而降低岸坡的穩定系數。堆積層滑坡由于滑體物質與下伏基巖的透水性不同,基巖頂面往往構成隔水頂板,此處物質在庫水和地下水的長期浸泡和風化作用下強度降低而形成滑帶;另一方面堆積層巖土體為不同成因的物質交錯重疊而成,從而導致不同層次間滲水性、富水性的差異,造成不規則的上層滯水或多層帶狀水,相對隔水層的頂面也可能成為滑面。由于堆積層坡體為松散堆積體,其抗剪強度很小,所以有張應力出現的部位很容易形成張裂隙,在邊坡后壁附近常出現張裂隙。堆積層坡體變形破壞的初期表現為蠕滑拉裂變形,同時地表出現弧形拉裂縫或多級滑坡臺階,隨著坡腳進一步下切以及地下水位升高引起的軟弱夾層或裂隙的軟化,從而產生整體滑移破壞。由于堆積體滑坡比較松散,粘聚力較低,在滑移過程中坡體在巖土顆粒的碰撞力和滑移慣性力的作用下很容易解體,形成滑坡碎屑流。3.3卸荷裂隙帶的形成階段崩塌以傾倒(外傾型)和傾滑(內傾型)為主要破壞形式,有時崩塌與坡積同時發生而形成崩坡積層,如圖2所示。其中崩塌體以孤、塊、碎石為主體且多架空,堆積區間有限,崩坡積體以細粒成分乃至土質成分增多且堆積面積大。消落帶岸坡崩塌失穩的地質背景是:易變形碎屑巖組在燕山期擠壓褶皺、斷裂、層間揉皺以及劈理化之后,區域構造應力場的轉化使這類構造多次壓、張交替,使巖體十分破碎,后經長江的持續下切和兩岸沖溝的形成,使岸坡一帶巖體進一步卸荷松弛,風化作用深入巖體深部,最終形成寬厚的松動域——碎塊石體自重應力——形變場。卸荷松動域的應力——應變場調整過程是:先在鉛直方向的下墜沉陷壓密,壓密密度自地表向巖體內部遞增;然后,當碎塊石體內部存在以反傾向裂隙為主體相互追蹤,塊體周邊剛度變化,進而出現旋轉或表層塊體傾例、傾滑等多種變形形式。消落帶崩塌的形成一般經歷三個階段,即庫岸巖體結構特征的演異階段、巖體的時效變形破壞階段以及巖體破壞階段。受周期性的庫水位升降作用和侵蝕切割形成岸坡陡崖帶,改變了巖體的原來力學環境條件,導致巖體結構面的表土改造作用。由于卸荷作用,陡崖巖體產生回彈效應,陡傾角裂隙進一步擴容,形成卸荷裂隙帶,卸荷裂隙帶的形成為其進入時效變形破壞階段創造了條件。受風化作用、地下水作用等因素作用,岸坡基底泥巖或泥質砂巖夾層的風化、軟化、崩解,形成風化穴、軟弱基座;在上伏巖體自重等外載荷作用下發生壓縮流變及向臨空方向的剪切流變。坡體上緣及基底部位產生部分張裂隙,局部鎖固段破壞,陡傾角裂隙帶進一步拉裂擴張,從而逐漸形成危巖體。庫巖坡體在經歷上述變形破壞后,受降雨、地下水周期升降以及裂隙充水等因素觸發,發生崩塌破壞。4滑坡、坍落的地質條件及形成機制本文結合消落帶的具體特征,對三峽庫區消落帶巖質順層滑坡、堆積層滑坡、崩塌的產生機理作了分析。庫區消落帶滑坡崩塌的形成,是在漫長的地質歷史進程中,地殼內外營力相互作用的結果。其中地質地貌為滑坡發育提供了必要的邊界條件,特別是巖體中的軟弱夾層的存在及空間展布特點,是控制坡體失穩或釀成滑動面最終導致滑波產生的基礎。暴雨、消落帶