秭歸縣茅坪鎮濱湖路庫岸再造穩定性分析與防治措施

黃 磊, 王保平

((1.中國地質大學(武漢) 教育部 長江三峽庫區地質災害研究中心,湖北 武漢 430074;2.長江巖土工程總公司(武漢) 地質公司,湖北 武漢 430010)

秭歸縣茅坪鎮濱湖路庫岸再造穩定性分析與防治措施

黃 磊1, 王保平2

((1.中國地質大學(武漢) 教育部 長江三峽庫區地質災害研究中心,湖北 武漢 430074;2.長江巖土工程總公司(武漢) 地質公司,湖北 武漢 430010)

三峽庫區地質條件復雜,地質災害頻發。以秭歸縣茅坪鎮濱湖路庫岸邊坡為例進行穩定性分析與庫岸再造評價。結果表明該庫岸邊坡在暴雨工況下可能產生局部滑移變形,并且庫水位變動導致的塌岸會嚴重危及濱湖路居民點安全,因此提出削坡+支擋工程+格賓網+三維植被網作為其防治措施。

庫岸再造;穩定性分析;防治措施

1 工程概況

三峽庫區地質條件復雜,是中國地質災害的多發區和重災區。三峽工程庫區蓄水后,水庫水位將抬高至175 m,由于庫區區域地質特點,致使存在大量潛在的地質災害問題,如邊坡失穩、滑坡等。隨著移民工程的進一步實施,這些問題逐步暴露出來。正常蓄水后,庫水位會從145～175 m反復變化,水位升高、水庫水位的大幅度變化、水流的沖刷引起的坡腳掏空等因素必將引起庫區內邊坡穩定和環境問題[1]。

秭歸縣茅坪鎮濱湖路居民點庫岸地處長江南岸、三峽大壩近壩段,主要為第四系含塊石回填礫砂岸坡。三峽水庫蓄水后,在2012年10月—2013年1月,該段庫岸出現較嚴重變形,主要表現為在岸坡平臺出現與岸坡走向大致平行的裂縫,且變形有加劇趨勢,直接危及濱湖路居民點安全(圖1)。

該岸坡原地形為山脊斜坡地形,地形破碎,呈雞爪型,后經開挖回填,在岸坡高程181 m以上形成寬大平臺。臨三峽水庫岸坡原始地形為寬緩沖溝,經回填后,沖溝變淺,高程150 m,地形坡度約25°～35°,高程150 m以下山脊斜坡地形坡度多>30°,沖溝底部地形坡度多<20°。物質組成主要為含塊石回填砂礫及全風化花崗巖,未進行碾壓,結構松散,鉆孔揭露回填物最大厚度18 m,為含塊石礫砂。在局部原始沖溝地帶分布坡洪積土體,為礫質輕砂壤土、礫質中壤土,分布范圍及厚度不均。下伏閃云斜長花崗巖,全風化厚度2～11.8 m。岸坡地下水缺乏,未見地下水露頭。長江為區內地表、地下水的最低排泄基準面。

圖1 濱湖路庫岸邊坡工程地質平面圖Fig.1 The map of engineering geological plane for Binhu Road bank slope

2 岸坡變形特征及成因機理

2.1 變形特征

岸坡變形破壞主要表現為:在暴(久)雨時平臺前緣陡坡坡面產生小規模水砂流及在三峽正常蓄水位175 m附近形成浪坎,在臨岸坡平臺分布與岸坡頂邊線近平行的地坪伸縮縫開裂(編號:Lf1、Lf2、Lf3),裂縫寬度2～4 cm。

2.2 成因分析

由于坡體未經專業碾壓設計,物質結構較為松散,坡形由砂土天然堆積而成,坡面未加以防護,僅能滿足其自然工況下的穩定性。因此在持續降雨或暴雨情況下,降水入滲量大,下滲后向水平方向滲流,由內向外的滲流會造成管涌或流砂,邊坡即會發生變形破壞,破壞模式以淺層滑動、流砂為主。在坡腳有擋墻的地段,擋墻出現鼓脹現象。而在庫水淹沒與沖蝕作用下,一方面土體抗剪強度降低,一方面受地下水抬升由于孔隙壓力作用,具有整體失穩的可能。

長久來看,在庫水、波浪的浪蝕擾動及軟化作用下,坡腳附近的土、砂及砂礫、碎石等細顆粒最終被波浪回流帶走,上部物質失去支撐發生坍塌,形成浪坎這一塌岸現象。

3 岸坡穩定性分析及塌岸預測

3.1 穩定性分析

根據上文的分析,分別對1-1′、2-2′、3-3′剖面回填部位前緣可能存在的圓弧型滑動破壞與下伏相對軟弱夾層(坡洪積土)可能產生的整體滑移破壞進行穩定性計算(圖2)。

3.1.1 計算參數

回填砂天然重度、飽和重度經過室內試驗及結合工程類比法綜合確定(表1)。

圖2 庫岸邊坡3-3′剖面圖Fig.2 The geological section 3-3′ for bank slope

表1 計算參數取值一覽表

Table 1 List of calculation parameters

巖土指標重度/(kN·m-3)φ/(°)C/kPa天然飽和天然飽和天然飽和回填礫砂17．0182825105

3.1.2 計算方法與工況選擇

局部穩定性計算采用瑞典圓弧法,整體穩定性計算采用剩余推力法[2]。荷載組合主要考慮自然條件、建筑荷載、暴雨、三峽不同庫水位及水庫水位變化等情況。其中不同庫水位主要考慮三峽水庫運行初期和正常蓄水期的最不利水位,考慮到覆蓋層具強透水性,選取兩種方法進行穩定性計算。

工況一:175 m最高水位+土體自重+地表荷載+20年一遇暴雨。

工況二:145 m最低水位+土體自重+地表荷載+20年一遇暴雨。

3.1.3 計算結果

表2 岸坡穩定性計算一覽表

根據《三峽庫區三期地質災害防治工程地質勘察技術要求》[3](2004年12月),本次庫岸防治工程等級屬Ⅱ級,安全系數為1.15。經穩定性計算分析(表2),庫岸在暴雨工況下可能產生局部滑移變形(2-2′剖面),不會產生整體型滑移。

3.2 庫岸再造預測

3.2.1 塌岸類型

目前,濱湖路居民點一帶岸坡整體是穩定的,三峽水庫蓄水過程中,岸坡所處自然穩態條件將發生改變,將產生程度不同的塌岸,現根據變形失穩機制,區內塌岸可劃分如下三種類型[4]。

(1) 坍塌(滑)型。蓄水后,原有岸坡的自然穩態平衡關系被打破,岸坡在庫水波浪及庫水消漲產生的動水壓力影響下要不斷地調整岸坡形態,其過程表現為局部的坍塌(滑),最終使坡體在水下、水上達到一個穩態坡角值,其最終變形破壞寬度據岸坡形態不同、物質組成不同而有區別。該種類型是區內岸坡再造的主要類型。

(2) 局部滑移型。庫岸沿線原始地形為寬、深沖溝,后經回填形成目前平臺,由于回填礫砂前緣未采取任何支擋措施,為回填砂局部變形破壞(圓弧型滑動)提供了條件。三峽水庫蓄水后,回填砂內地下水位升高,將產生較大的動水壓力,不利于回填砂的整體穩定。

(3) 漸進式侵蝕型。岸坡物質在地表水及三峽庫水的作用下,逐漸被水流帶走,從而使得岸坡產生緩慢后退,其塌岸過程將是一個比較長期的過程。

3.2.2 塌岸預測方法

定量估計水庫建成后庫岸再造的范圍、庫岸再造的寬度以及某一期限內和最終的庫岸再造寬度,是庫岸防治設計的重要依據。對庫岸再造的預測,國內外提出的方法很多,但由于影響塌岸的因素復雜,至今沒有一個完善的方法。目前常用的庫岸再造預測方法主要有三種[5]:①卡丘金法;②佐洛塔廖夫法;③平衡剖面法。通過以上預測方法的綜合比較,其中卡丘金法適用于自然岸坡較陡,且由松軟均質土體如黃土、砂土、砂質粘土以及粘土等組成的庫岸塌岸預測,本段庫岸巖性主要為回填礫砂土,采用卡丘金法預測本段庫岸再造的范圍及寬度比較合適。

卡丘金法庫岸最終塌岸預測寬度計算公式:

S=N[(A+hp+hb)ctgα+(hs-hb)/ctgβ-(A+hp)/ctgγ]

式中:S為最終塌岸寬度(m);N為土類型相關系數(粘土為1,冰積亞粘土為0.8,黃土為0.6,砂土為0.5);A為水位變化幅度(m);hp為波浪影響深度(m);hb為浪爬高度(m)。

設計高水位的浪爬高度按下式計算:

hb=3.2K·h·tanα

式中:K為岸坡粗糙系數,一般取0.6;h為浪高(m),取0.5 m;hb為正常高水位以上岸坡的高度(m);α為水庫水位變動和波浪影響范圍內,形成均一的磨蝕淺灘的坡角(°);β為水上岸坡的穩定坡角(°);γ為原岸坡坡角(°)。

圖3 卡丘金法預測塌岸寬度圖解Fig.3 Prediction diagram of the width of bank collapse by Kachugin

圖3給出了適合于三峽庫區塌岸預測的卡丘金方法圖解,該方法的實質是依據實測的洪、枯水變幅帶各類巖土岸坡長期穩定坡角,根據幾何關系用圖解法求解庫岸最終塌岸寬度[6]?？ㄇ鸾鸱ㄟM行塌岸預測的原理是將水庫蓄水運行后的特征水位(145 m死水位、175 m正常蓄水位和175～145 m波動水位)下由于岸坡再造形成的穩定坡角與自然條件下類似情況的岸坡坡角進行類比,并根據地質勘探剖面,將上述特征水位下岸坡穩定坡角標注在剖面圖上,以此求解塌岸的寬度和影響高程。

3.2.3 塌岸預測參數

三峽水庫建成運行以前,葛洲壩水庫已成功運行二十余年,秭歸縣長江水位特征是最低水位60 m,最高水位91.55 m 。在秭歸縣遷建城鎮新址地質論證階段,對秭歸地區長江岸坡不同巖性的岸坡角進行了實測,并按60 m以下、60～91.55 m、91.55 m以上三個水位特征進行統計分析,這三個水位特征值可以分別對應三峽水庫的145 m以下、145～175 m和175 m三個特征水位。據此,根據《長江三峽水利樞紐庫區秭歸縣遷建城鎮新址地質論證報告》及本次對茅坪段長江岸坡穩定坡角調查結果,并結合巖土體抗剪強度指標,綜合提出岸坡特征庫水位下不同巖土體穩定坡角見表3。

表3 岸坡最終穩態坡角預測值 單位:(°)

3.2.4 塌岸預測評價

根據表3中預測參數,對1-1′～3-3′剖面用卡丘金圖解法求取塌岸寬度,同時根據《三峽庫區三期地質災害防治工程地質勘察技術要求》對塌岸強烈程度的規定,可將塌岸的危害性按嚴重程度劃分為三種類型,根據勘察資料分析,塌岸預測寬度59.6～74.6 m庫岸段均為再造強烈段。

根據塌岸預測,三峽水庫蓄水在濱湖路居民點岸坡產生的塌岸嚴重危及到濱湖路居民點安全,需要防護。

4 治理措施

庫岸防護工程設計的目標是確保岸坡不產生滑移破壞,確保庫岸周邊居民的房屋、生命財產及各類公眾建設設施的安全,盡量保護并改善庫岸周邊的自然環境。根據濱湖路庫岸邊坡的實際情況,最終選取的方案為削坡+支擋工程+格賓網+三維植被網。該方案具有施工進度快、施工安全有保障、施工工藝簡單等優勢。

4.1 削坡

高程151.5 m與177 m之間按1∶1.8、1∶2的坡率進行削坡,在高程166 m和高程177 m處分別設置寬2 m的馬道,高程177 m以上按1∶1.5的坡率進行削坡,在進行土石方工程時,坡面殘留的松動巖塊、浮土都應清除,便于格賓和三維植被網的施工。

4.2 支擋工程

包括鉆孔灌注樁、固結灌漿和重力式擋墻。主要作用是為了確保在庫岸再造作用下前緣塌岸后庫岸處于穩定狀態。分述如下:

① 鉆孔灌注樁。在K0—15～K0—100庫岸段高程150 m處設置三排鉆孔灌注樁,鉆孔灌注樁排距1 m,間距1.5 m,孔深依次為15.5、16、16.5 m,需進入全風化線以下5 m,孔徑150 mm,孔內放入10#工字鋼,澆筑水泥漿;鉆孔灌注樁工字鋼伸長至C30混凝土重力式擋墻中1.3 m。

② 固結灌漿。第二排灌注樁前設置4道固結灌漿孔,排距1.0 m,孔徑130 mm,孔深依次為11.0、11.5、12.0、12.5 m,需進入全風化線,第1、2道固結灌漿孔設置在第二、三排灌注樁之間,間距1.5 m;第3、4道固結灌漿孔間距1.0 m,呈梅花型布置。擬采用灌漿壓力1.0～1.5 MPa,水灰比1∶0.2～0.5,具體根據現場情況調試。

③ 重力式擋墻。擋土墻采用混凝土澆筑,混凝土強度等級C30。擋土墻基礎必須坐于堅實基礎上,埋入塌岸影響線以下1 m。K0+15～K0+100庫岸段的重力式擋墻為I型擋土墻,基礎坐于混凝土底板上;K0+0～K0+15與K0+100～K0+110庫岸段的重力式擋墻為Ⅱ型擋土墻,基礎坐于天然地基上。

4.3 格賓網

為了防止三峽庫水對坡體的沖刷侵蝕,高程151.5～177 m之間采用格賓網護坡。規格長2 m,寬1 m,高0.5 m,內部每間隔1 m采用橫隔板隔成獨立的單元。長度、寬度、高度公差±5%。

4.4 三維植被網

在高程177 m以上清除坡面松動巖塊、浮土后鋪設三維植被網護坡,三維植被網墊自身的網狀主體結構能減低雨水沖擊能量,防止坡表徑流的形成,發揮保持水土流失的功能,與植被相結合,植物根系穿透網孔,形成根體板塊結構,起到邊坡防護和美化環境的雙重效果。

5 結論

(1) 由于坡體未經專業碾壓設計,物質結構較為松散,坡形均由砂土天然堆積而成,接近于自然休止角,僅能滿足其自然工況下的穩定性。水庫蓄水后,在庫水、波浪浪蝕擾動及軟化作用下,坡腳附近的土粒、砂及砂礫、碎石等細顆粒最終被波浪回流帶走,上部物質失去支撐發生坍塌,形成浪坎這一塌岸現象。因水庫蓄水時間不長,塌岸(庫岸再造)正在進行中。

(2) 經穩定性計算分析,庫岸局部在暴雨工況下可能產生滑移變形,整體處于基本穩定狀態,不會產生整體型滑移。根據卡丘金法預測評價,在庫水的長期影響下,濱湖路居民點岸坡產生的塌岸會嚴重危及到濱湖路居民點安全,需要防護。

(3) 防治工程的推薦方案為:削坡+支擋工程+格賓網+三維植被網。工程實施后將有效改善坡體的局部穩定性,減弱庫岸再造作用,顯著提高岸坡的整體穩定性,從而保障上部濱湖路居民點的安全。

[1] 蔣中明,高德軍,楊學堂.三峽庫區庫岸防護工程研究[J].三峽大學學報(自然科學版),2001(1):32-34.

[2] 蹇佳洲,陳國金.三峽庫區滑坡穩定性計算中的常用方法[J].西部探礦工程,2005(2):198-200.

[3] 三峽庫區地質災害防治工作指揮部.三峽庫區三期地質災害防治工程地質勘察技術要求[M].武漢:中國地質大學出版社,2014.

[4] 唐輝明.長江三峽工程水庫塌岸研究[J].鄂州大學學報,2003(4):1-6.

[5] 郭希哲.三峽工程庫區崩滑地質災害防治[M].北京:中國水利水電出版社,2007.

[6] 聶文波,張利潔,費巧振.卡丘金法在香溪汽渡北岸碼頭庫岸塌岸預測中的應用[J].資源環境與工程,2010,24(1):66-67.

(責任編輯：陳姣霞)

The Stability Analysis on Reservoir Bank Slope Reconstruction and PreventionProject of Binhu Road in Maoping Town，Zigui County

HUANG Lei1, WANG Baoping2

(1.ThreeGorgesResearchCenterforgeo-hazard，MinistryofEducation，ChinaUniversityofGeosciences，Wuhan，Hubei430074；2.ChangjiangGeotechnicalEngineeringCorporation，GeologicalDivision，Wuhan，Hubei430010)

The geological conditions in the Three Gorges Reservoir Region are complex，and there are many geological hazards occurred frequently.The authors take Zigui Binhu Road bank slope as an example to conduct the stability analysis and reservoir bank reconstruction evaluation.The results show that the slope has the possibility to produce local deformation under rainstorm conditions.And the bank collapse which is caused by the reservoir water level fluctuation would seriously endanger the safety of the Binhu Road’s settlements. Finally，a series of prevention measures are put forward，containing slope cutting，retaining engineering，gabion and 3D vegetation net.

bank reconstruction； stability analysis； prevention project

2016-03-10;改回日期:2016-03-17

黃磊(1990-),男,助理工程師,地質工程專業,從事邊坡勘察設計工程工作。E-mail:657663694@qq.com

TV697.3+3; P642

A

1671-1211(2016)05-0761-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.05.021

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160810.1432.002.html 數字出版日期:2016-08-10 14:32