鄧宏艷,王成華,李秀珍

(1.西南交通大學土木工程學院,四川成都 610031;2.中國科學院·水利部成都山地災害與環(huán)境研究所,四川成都 610041)

0 引言

20世紀以來,由于經濟和社會發(fā)展的需要,人類與地質環(huán)境的相互影響越來越強,這也使得滑坡等地質災害的發(fā)生日益頻繁。在水利水電工程中滑坡災害也較為常見,國內外的幾起重大庫岸滑坡事故[1]使人們更深入地了解了庫岸滑坡的危害性。而龍羊峽、三峽、二灘、向家壩、溪洛渡等大型水電站的建設給學者們提供了研究庫岸滑坡的良好契機。他們分別從不同的角度對庫岸滑坡的形成機理、分布規(guī)律、發(fā)展趨勢和防治技術等方面進行了大量深入的研究[2-10]。

地下水(或水巖作用)對庫岸滑坡的形成、發(fā)展及演化具有非常重要的影響。前人的研究通常將地下水視為地質營力之一,地下水對滑坡的作用主要表現在以下三個方面[11-15]:物理作用(軟化、潤滑、泥化及結合水的強化作用)、化學作用(水化、水解、離子交換、溶濾、溶蝕及氧化還原)和力學作用(靜水壓力、動水壓力),并在此基礎上提出了一些考慮地下水作用的防治技術和穩(wěn)定性分析方法[16-18]。據野外調查,滑坡通常是沿著各種結構面發(fā)生變形和破壞的,已有不少學者從分析坡體內結構面的角度出發(fā)計算滑坡的穩(wěn)定性,并進一步提出了優(yōu)勢結構面的概念、判別方法和應用技術[19-25]。而從地下水對坡體內結構面的作用著手分析地下水對滑坡形成、演化影響的研究還很少。由于優(yōu)勢結構面本身就比較脆弱,更容易被地下水侵入;反過來,地下水的侵入更進一步弱化了優(yōu)勢結構面,優(yōu)勢結構面與地下水的相互作用,對滑坡的孕育和形成起到了至關重要的作用。地下水對滑坡的作用機理和定量評價也是目前滑坡研究中的難點和熱點。

本文以龍羊峽水電站近壩庫岸滑坡[27]為例,從地下水作用和優(yōu)勢結構面的聯合效應出發(fā),對近壩庫岸滑坡的形成機制進行了分析,揭示了地下水作用和優(yōu)勢結構面的聯合效應對半成巖湖相地層滑坡形成、發(fā)展的控制作用。

1 龍羊峽水電站近壩庫岸地質概況

1.1 近壩庫岸區(qū)域地質概況

龍羊峽水電站位于我國黃河上游、青海省共和縣和貴德縣交界處。地處青藏“歹”字形構造系頭部的擴散部分,處于秦昆緯向構造體系、西域構造體系和河西構造體系的復合部位。這一區(qū)域的新構造運動強烈,褶皺、斷層分布較廣。在地貌上,近壩庫岸區(qū)域呈串珠狀分布的斷陷盆地與環(huán)抱山地地形的組合。此段黃河河床變窄,沖刷、下切強,溝谷縱橫,切割密度大。并且由于新構

1.2 近壩庫岸滑坡分布規(guī)律及特征

龍羊峽水電站從峽口至汪什科全長14 km的近壩庫岸,歷史上曾發(fā)生過百萬方、千萬方以至上億方的大型半成巖滑坡有18個之多,占此段庫岸總長的90%,如農場滑坡、龍羊滑坡、查納滑坡、旺什科滑坡等等。這些滑坡在分布規(guī)律及特征上有以下共同點[27]。

①近壩庫岸滑坡主要分布在第三系和第四系早、中更新統(tǒng)半成巖湖相地層中,其他地層中很少。

②大型滑坡主要分布在黃河南岸的高陡岸坡上,北岸平緩,滑坡則較少。由于黃河的旁蝕和下切,南岸形成坡高達400 m左右,坡度為30°～40°的湖相地層高邊坡,這為大型滑坡提供了基本條件。

③由于這一區(qū)域獨特的氣候,使得滑坡發(fā)生的時間與眾不同,不是集中在7-9月的雨季,而多在冬春降雪、融雪季節(jié)發(fā)生;且具有孕育時間長、規(guī)模大、劇滑過程極短、滑速高、滑程遠的特點。

④大型滑坡發(fā)生前都有明顯的前兆現象,如裂縫加寬和動物異常等。

2 地下水作用對滑坡形成的影響

通過對庫區(qū)內巖溶地貌的觀測、水巖作用的試驗研究以及鉆孔揭露出來的地下水位和滑動面埋深高程之間的聯系等一系列現象的分析表明,該區(qū)域滑坡發(fā)育形成的每一個歷史階段,地下水的活動均是極為重要的因素,它是該區(qū)域內滑坡形成必不可少的條件,主要表現為地下水的長期溶蝕和動水壓力作用。

2.1 近壩庫岸大型滑坡的形成與地下水的長期溶蝕

對多個大型滑坡研究發(fā)現,滑帶大都發(fā)育在半成巖湖相地層中。近壩庫岸的湖相地層中可溶性鹽含量較高,通過實驗分析:地下水中鹽的化學成分與湖相地層中鹽的成分相近似;且從補給區(qū)到排泄區(qū)地下水的礦化度急劇增高,各種離子的含量也急劇變化(圖1)。這種清泉淡水到高礦化度的堿水、微堿水的變化證明了溶蝕作用的存在。

圖1 地下水礦化度及離子含量曲線圖

除了地下水礦化度的急劇改變外,近壩庫岸高陡岸坡中發(fā)育的一系列溶蝕地貌景觀,如豎井、水平溶洞、天生橋、溶蝕殘丘等,也是地下水作用強烈的有力證據。

2.2 大型滑坡的形成與地下水的動水壓力作用

地下水補給區(qū)與排泄區(qū)的高差較大。從補給區(qū)海拔4 000 m到黃河岸邊排泄區(qū)海拔2 500 m,兩地高差1 500 m,平距約7 km,平均水力坡度僅2.1%。

圖2 查納河口附近陡坡地下水等勢線圖

從圖2中可以看出,黃河岸坡一帶地下水的水力坡度,除農場及其以東為3%～4%外,絕大多數地下水水力坡度為8%～10%,在龍西一帶最高可達16%～20%。如此高的水力坡度對岸坡的穩(wěn)定是很不利的,動水壓力大還會加劇溶蝕和潛蝕作用,改變岸坡的內部結構,加速滑坡的孕育和形成過程。

3 優(yōu)勢結構面的評價及其與地下水的聯合效應分析

3.1 綜合評分法評價優(yōu)勢結構面

地球表面的巖土體在漫長的地質歷史過程中,受各種因素的影響而在其表面和內部形成了各種類型和性質的結構面,如節(jié)理、裂隙、斷層面、層理面、劈理、軟弱層等。這些結構面的性質控制和制約著滑坡等地質災害的形成和發(fā)展。因此,羅國煜等[2]提出了巖土體穩(wěn)定分析的優(yōu)勢結構面法,即在眾多的結構面中,必然有一組或二組結構面對滑坡等災害的形成和發(fā)展起控制作用,這類結構面一般具有工程性質差,有特定的空間幾何方位,導水富水等特點,被稱為優(yōu)勢結構面。

優(yōu)勢結構面的評價一直是優(yōu)勢結構面理論研究中的重要部分,通常的評價方法有優(yōu)勢指標法、地質力學分析法、人工神經網絡法、功效系數法和專家系統(tǒng)法[21-26]等。這些方法在應用上都各有優(yōu)缺點,而本文則利用綜合評分的方法,簡便易行地對近壩庫岸的各結構面進行分析,判斷出對滑坡形成發(fā)展有利的優(yōu)勢結構面。

運用綜合評分法[25]來確定優(yōu)勢結構面,首先要構造優(yōu)勢指標體系,再根據各結構面在優(yōu)勢指標體系內的表現給出一定的分數,然后再通過分數的多少來綜合評判確定優(yōu)勢結構面。

(1)構造優(yōu)勢指標體系

本文總結了以往優(yōu)勢指標體系的構造情況,再結合本區(qū)域結構面和滑坡發(fā)育的特點,構建了以下5個指標。

①時間優(yōu)勢指標(TP):結構面形成的時間新老在很大程度上決定了結構面性質的強弱,按形成時間由新到老依次評分為:活動斷裂(4分)、新斷裂(3分)、老斷裂(2分)、層面(1分)、層面(層間有錯動的)(3分)。

②力學優(yōu)勢指標(QP):結構面力學性質的好壞是判斷優(yōu)勢結構面的重要指標,按力學性質的強弱分為:較好(1分)、好(2分)、差(3分)、較差(4分)。

③結構面數量指標(NP):結構面的分布密度也影響著結構面的強度,可評分為較稀疏(1分)、稀疏(2分)、密(3分)、較密(4分)。

④結構面臨空優(yōu)勢指標(OP):結構面可與其他結構面和臨空面構成變形分離體,按結構面與臨空面的相對位置進行評分,分別為垂直(1分)、斜交(2分)、平行(3分)。

⑤地下水對結構面作用優(yōu)勢指標:地下水對結構面性質的影響很大,可加速風化,降低巖土體強度等。按地下水的具體情況分為流水(4分)、滴水(3分)、潮濕(2分)、干燥(1分)。

(2)優(yōu)勢結構面評價

由于近壩庫岸區(qū)域內經受了多次構造運動的強烈影響,特別是頻繁的新構造運動的影響,使得半成巖湖相地層中普遍發(fā)生了比較寬緩的褶曲,局部斷裂和廣泛的帶有區(qū)域型意義的節(jié)理裂隙。據對地表和12個平硐中的225條裂隙的統(tǒng)計,這些裂隙加上巖層層面基本上可以分為9組(表1)。

表1 節(jié)理裂隙統(tǒng)計表

按照以上構造的優(yōu)勢結構面評價體系,運用綜合評分法對上述9組結構面進行評價的結果如表2所示。

表2 優(yōu)勢結構面綜合評分表

通過綜合評分,可以看到這9組結構面中的第2、4、6、8、9組的優(yōu)勢性比較明顯,尤其是有層間錯動的第9組結構面(層面)的優(yōu)勢性更為明顯。這樣的評價結果與野外現場調查是相符和的。在野外,這5組優(yōu)勢結構面分別構成了滑坡的后壁、側壁和滑動面。優(yōu)勢結構面在地表往往也控制溝谷、巖溶等地貌的發(fā)育。

3.2 地下水與優(yōu)勢結構面的聯合效應分析

(1)地下水與優(yōu)勢結構面聯合效應對滑坡滑帶形成的作用

地下水與優(yōu)勢結構面的聯合作用對龍羊峽水電站近壩庫岸滑坡滑帶的形成具有至關重要影響。

這首先與該地區(qū)獨特的半成巖湖相地層有關。這是一套以粘土巖為主的粘土巖、泥巖、泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、砂巖的互層。這套地層不僅具有典型的層狀結構,而且層理也很發(fā)育。層面、層理之間的結合程度很弱,這種松弛的結構條件極有利于地下水的作用。層面之間又受區(qū)域構造作用的影響而發(fā)生過層間錯動,再加上層面是不同巖性層次的界面,地下水往往在砂巖以下的粘土巖面上匯集,導致層面強度基本上接近于殘余強度,進而使得層面成為滑坡形成的重要優(yōu)勢結構面(主滑段)——滑帶的重要組成部分。這一點在區(qū)域內滑坡的調查和勘探中也得到了證實——近壩庫岸區(qū)域的滑坡的主滑段和地下水的出露基本都是沿著地層層面發(fā)育的。

其次,這套半成巖湖相地層可溶性鹽含量很高,呈半膠結狀,據試驗分析,此套地層中、下部可溶性鹽含量高達12%～30%。在遇水的情況下極易發(fā)生泥化、軟化和崩解。室內土工試驗表明(表3),粘土巖的單個巖塊試驗強度不會太低——接近沉積巖的軟質巖,但是在水的浸泡下其強度就會急劇降低,天然狀態(tài)下的粘聚力C和內摩擦角φ分別為0.35MPa、35°;在經過15 d的飽和溶濾后,這兩者分別降低為0.005 MPa、21°。粘聚力C降低了95%以上,而內摩擦角φ也降低了40%左右。

表3 粘土巖不同條件下剪切試驗結果表

以上兩點基本解釋了近壩庫岸滑坡滑帶(主滑段)的成因機理,是由于地下水沿巖層層面的長期作用使其抗剪強度損失過大,加上其他優(yōu)勢結構面所構成的后壁與側壁,在強大的重力作用下,形成巨型滑坡。

(2)地下水與優(yōu)勢結構面聯合效應實例分析——以近壩庫岸的龍羊滑坡為例

龍羊滑坡位于龍西山脊以東,距壩址3.2 km,形成年代較早,初次滑動時方量約6 000萬m3,是近壩庫岸區(qū)域較大規(guī)模的滑坡之一。

圖3 地下水作用與優(yōu)勢結構面聯合效應下龍羊滑坡形成機理圖

龍羊滑坡的滑動面的形態(tài)在本區(qū)域是很普遍的(圖3),是由前端近水平的滑移面、后部的陡傾拉裂面和中部呈弧形的剪切面三段組成。前端近水平的滑移面是沿著巖層層面和地下水出露面發(fā)育的,當坡腳在地下水的作用下,抗剪強度降低,向前變形蠕變的過程中,后緣的陡傾裂隙也進一步擴展,斜坡表面的應力得到釋放,但剪應力集中帶開始向坡體內轉移,形成一個剪應力集中帶(鎖固段)。當剪應力集中的程度超過斜坡內部鎖固段的長期強度時,則會導致整個滑面的貫通,最后斜坡失穩(wěn),形成滑坡。

通過對龍羊老滑坡形成機理的分析,進一步驗證了地下水與優(yōu)勢結構面的聯合效應對滑坡形成的控制作用。半成巖地層滑坡的形成與地下水作用和優(yōu)勢結構面的聯合效應密不可分,在滑坡孕育和形成的每一個階段,這種聯合效應都貫穿始終,成為半成巖湖相地層滑坡形成的重要原因。

4 結論

通過對龍羊峽水電站近壩庫岸滑坡形成機理的論述,闡明了地下水作用與優(yōu)勢結構面聯合效應是近壩庫岸滑坡形成的重要原因。本區(qū)域的地下水作用主要表現為溶蝕作用和動水壓力作用,而庫岸坡體的變形不僅與地下水作用相關,也與結構面的影響密不可分。為此,本文在野外調查、勘探的基礎上,運用綜合評分法評判出對滑坡形成有利的優(yōu)勢結構面。該區(qū)域地下水與優(yōu)勢結構面的聯合效應集中體現在對庫岸滑坡滑帶形成的控制作用?；碌闹骰魏偷叵滤雎痘径际茄刂鴰r層層面(優(yōu)勢結構面9)發(fā)育。由于半成巖湖相地層的遇水易軟化、崩解的特性,在地下水作用下巖層層面(優(yōu)勢結構面9)的抗剪強度急劇降低,坡腳向臨空向蠕變,后緣陡傾優(yōu)勢結構面擴展,并逐漸貫通鎖固段,最后形成滑坡。這種聯合效應形成的累進性破壞是龍羊峽近壩庫岸滑坡的主要形成機制,這一研究為今后半成巖湖相地層中滑坡形成機制的研究提供了有力的參考。

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