三峽壩區庫岸邊坡塌岸預測及治理方案建議

周柯宇 張 宏 張 勇

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

壩區庫岸邊坡由于與自然水文的密切聯系，對其穩定性造成巨大隱患。為研究壩區庫岸邊坡穩定性，保證人民的生命財產安全，諸多學者對此進行了研究[1-8]。安可君[9]根據糯扎渡水電站岸坡地質結構特征、庫岸再造范圍及庫岸變形破壞特征,結合監測資料對重點岸坡變形進行了分析；張鈞等[10]為揭示庫岸邊坡處于不同坡角及不同土巖界面傾角條件下的失穩機制,尤其是水位變化條件下庫岸巖土體浸潤線的分布及演化特征,通過構建水位升降條件下的二元結構庫岸邊坡物理實驗模型,借助監測及攝影的技術手段觀測邊坡土體內浸潤線及巖土體變形破壞特征,揭示二元結構庫岸邊坡的變形失穩機制。綜上所述，目前對于庫岸邊坡穩定性進行了較多研究，但由于三峽庫區巖質邊坡和土質邊坡大量存在，在自然降雨、風化剝蝕等作用下，可能形成危巖、滑坡、泥石流等自然災害，可能進一步誘發欠穩定、基本穩定邊坡轉變為不穩定邊坡。因此本文針對三峽庫區庫岸邊坡崩塌開展預測，提出治理方案建議，以期為類似工程優化設計提供借鑒。

1 工程簡介

1.1 工程概況

巫山縣位于重慶市最東端，三峽庫區腹心，素有“渝東門戶”之稱，地跨長江巫峽兩岸，縣城位于大寧河與長江交匯處，距三峽大壩約124.3km。相對高差2606m，跨越東經109°33′～110°11′、北緯30°45′～23°28′，面積2957km2。茅草坡4號斜坡上游為茅草坡3號斜坡，下游為獨龍1號斜坡，坡體兩側以季節性沖溝為界，坡體上另有三條季節性淺沖溝，前緣為長江。上游側沖溝在240m高程以下切割深度為15～20m，之上沖溝變淺；下游側沖溝在300m高程以下切割深度為15～20m，之上沖溝變淺；下游側沖溝之西側沖溝切割深度為10m左右。斜坡地形北高南低，勘察區最高高程490m,最低高程90m，相對高差400m。地形總體較陡，坡角43°～54°，下陡上緩。后部西側430～460m高程為高20～30m的陡崖，坡角70°，而東側在440m高程為一平臺，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號斜坡

1.2 工程地質條件

本次勘察共施工4個鉆孔，鉆孔高程148.50～215.01m，鉆進后M4ZK2、M4ZK4(斜孔)進行了聲波測試，M4ZK1、M4ZK3(鉛直孔)進行了孔內攝像。鉆孔揭露地層為三疊系下統大冶組三段泥質灰巖、灰巖，薄層狀為主，層間夾頁巖，頁巖厚1～10mm(典型地層見圖2)?？辈靺^內巖體按風化程度分為強風化層、中等風化層、微風化層，分述如下：

a.強風化層。結構大部分被破壞，風化裂隙極發育，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、銹蝕痕跡，斷面不新鮮。用鎬可挖，干鉆不易鉆進,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，特別是下游側坡面。

b.中等風化層。結構部分被破壞，風化裂隙發育，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，節長60～220mm。用鎬難挖，巖芯鉆方可鉆進,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.微風化層。結構基本未變，有少量的風化裂隙。鉆孔巖芯多呈短柱狀、柱狀，節長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 典型地層現場情況

2 塌岸預測與評價

2.1 塌岸類型

M4庫岸為巖質庫岸，地形坡度38°～52°，庫岸地帶以大治組三段泥質灰巖夾頁巖為主，含少量灰巖，巖層產狀320°～340°∠34°～65°，為反向坡(見圖3)，區內巖體中發育一組縱張裂隙，以產狀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，一般延伸長度7～12m，M4庫岸下游側最長57m，間距0.2～1.2m/條；另外發育兩組“X”形剪切裂隙，產狀分別為35°～55°∠62°～82°和185°～195°∠62°～76°，該組裂隙短小，一般延伸長0.6～1.5m，間距0.3～0.8m/條。坡面巖體在構造、重力作用下裂隙發育，風化強烈，巖體破碎。M4庫岸分段見圖4。

圖4 M4-7剖面巖體完整程度劃分示意圖

M4庫岸塌岸外傾結構面傾角總體大于坡角，發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,當庫岸不斷發生變化，外傾裂隙臨空時，可能沿外傾結構面產生局部滑移。

2.2 塌岸破壞方式預測

根據勘察區庫岸基本特征及庫岸的破壞類型，由于坡面巖體破碎，采用卡丘金法圖解法進行塌岸預測。上游側外傾結構面傾角小于坡角，但延伸長度短，僅局部發生滑移型塌岸，不具備計算條件。本區僅存少量的土體，巖質塌岸是本次評價的重點。圖解法示意圖見5。

選取各段破碎巖體在不同庫水位條件下的穩定坡角，是準確確定庫岸再造范圍的關鍵，本段庫岸巖石風化強烈，強風化破碎巖體參照碎石土的穩定坡角，中等風化破碎、較破碎巖體參照塊石土的穩定坡角確定。

結合庫區大治組地層分布區庫岸穩定情況綜合分析后，該區庫岸水位變動帶穩定坡角取值，根據各段斜坡外傾結構面確定，當外傾結構面傾角小于坡角時，取結構面傾角，當結構面傾角大于地形坡角時，

圖5 圖解法示意圖S—塌岸寬度(m)；A—水位變幅(m)；Hp—設計低水位以下波浪影響深度(m)，一般取1～2倍浪高,取1m；Hb—設計高水位以上波浪爬高(m),取1.5m；Hs—設計高水位以上坡高(m)；α—水位變動帶穩定坡角(°)；β—水上穩定坡角(°)；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，穩定坡角的取值大小根據巖體風化、裂隙發育、完整程度確定。水上穩定坡角依據巖體外傾結構面確定。

根據上述圖解法對M4庫岸進行了預測，圖解法解得勘察區175m水位線上塌岸寬度25.91～72.86m，塌岸上界高程195.54～248.04m。有關各剖面預測塌岸寬度見表2。

表1 塌岸預測選用參數

表2 庫岸預測成果(圖解法)

2.3 各庫岸段塌岸預測評價

采用圖解法對庫岸進行預測，并以最不利情況考慮塌岸寬度及塌岸上界高程。預測結果表明，M4庫岸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)。

根據塌岸對城市或移民遷最低基準線177m高程的影響程，可將塌岸強烈程度分為三級。

a.塌岸強烈。塌岸上邊界高程大于建設最低基準線高程，寬度大于20m。

b.塌岸較強烈。塌岸上邊界高程大于建設最低基準線高程，寬度度小于20m。

c.塌岸輕微。塌岸上邊界高程小于建設最低基準線高程。

綜上所述，勘察區庫岸在庫水作用下存在著一定規模的塌岸，該區由于地形坡度陡，坡面巖體破碎，下部塌岸進而形成新的臨空面，造成上部坡體失穩，形成涌浪，威脅長江航道安全，同時破壞巫峽地貌景觀，而且會成為三峽庫區固體徑流的主要物質來源，形成新的水土流失，從而加速水庫淤積。

3 塌岸治理方案評價及建議

根據現場勘察及室內綜合分析后認為M4庫岸坡面巖體較破碎—極破碎，穩定性差，庫岸帶在庫水作用下已發生局部塌岸，塌岸還將繼續發生。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，存在外傾結構面，下部塌岸的發生將造成上剖斜坡形成新的臨空面，加劇上部斜坡的變形，進而可能誘發大規模的崩滑發生。由于庫岸帶巖體對上部斜坡起支撐作用，治理時不宜大量清方。

該庫岸位于巫峽高陡斜坡區，無公路相通，僅有長江水上航道通行，施工條件差。同時治理部位于消落帶，治理時間受庫水漲落限制，工期短。由于坡面巖體松散，時有危石墜落，施工時應加強安全防護。

3.1 塌岸類型

通過對已滑塌庫岸龔家坊2號斜坡定性分析發現，當庫水位上升至173m時，首先是前緣145～175m高程中間處的位移最大，并發生壓剪破壞，隨著前緣侵蝕—剝蝕，庫岸不斷變陡，影響上部破碎巖體的穩定性，可能誘發斜坡整體破壞，產生涌浪，對長江航道的安全產生影響。因此，削落帶的治理是M4段斜坡治理的關鍵，對其治理是必要的。

3.2 防治方案建議

根據庫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，穩定性較好，建議采用庫岸整體加固+坡面防護相結合的方案，中等風化層為錨固段。本段試驗性治理完畢，目前治理部分待退水后及時察看治理效果。

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

c. cd段。坡面巖體裂隙極發育，巖體極破碎，建議先采用固結灌漿加固巖體，再采用庫岸整體加固+坡面防護相結合的方案。

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，建議繼續監測。

4 結 語

本次對庫岸勘察是在綜合分析前期已有資料的基礎上進行的，通過鉆孔施工、物探全孔攝像、聲波測試，對地表變形現象的再核實，主要結論如下：

a.鉆孔顯示，破碎帶厚度13～20m。庫岸帶巖體在庫水作用可能發生沖蝕剝蝕型及崩(坍)型塌岸，當庫岸不斷擴展，局部可能發生滑移型塌岸。

b.預測M4庫岸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，塌岸強烈。庫岸帶有危巖1處，破壞模式為滑移式，體積32m3，現狀基本穩定，建議清除。

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