黃 磊, 王保平

((1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 教育部 長江三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害研究中心,湖北 武漢 430074;2.長江巖土工程總公司(武漢) 地質(zhì)公司,湖北 武漢 430010)

秭歸縣茅坪鎮(zhèn)濱湖路庫岸再造穩(wěn)定性分析與防治措施

黃 磊1, 王保平2

((1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 教育部 長江三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害研究中心,湖北 武漢 430074;2.長江巖土工程總公司(武漢) 地質(zhì)公司,湖北 武漢 430010)

三峽庫區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜,地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。以秭歸縣茅坪鎮(zhèn)濱湖路庫岸邊坡為例進(jìn)行穩(wěn)定性分析與庫岸再造評(píng)價(jià)。結(jié)果表明該庫岸邊坡在暴雨工況下可能產(chǎn)生局部滑移變形,并且?guī)焖蛔儎?dòng)導(dǎo)致的塌岸會(huì)嚴(yán)重危及濱湖路居民點(diǎn)安全,因此提出削坡+支擋工程+格賓網(wǎng)+三維植被網(wǎng)作為其防治措施。

庫岸再造;穩(wěn)定性分析;防治措施

1 工程概況

三峽庫區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜,是中國地質(zhì)災(zāi)害的多發(fā)區(qū)和重災(zāi)區(qū)。三峽工程庫區(qū)蓄水后,水庫水位將抬高至175 m,由于庫區(qū)區(qū)域地質(zhì)特點(diǎn),致使存在大量潛在的地質(zhì)災(zāi)害問題,如邊坡失穩(wěn)、滑坡等。隨著移民工程的進(jìn)一步實(shí)施,這些問題逐步暴露出來。正常蓄水后,庫水位會(huì)從145～175 m反復(fù)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(qū)內(nèi)邊坡穩(wěn)定和環(huán)境問題[1]。

秭歸縣茅坪鎮(zhèn)濱湖路居民點(diǎn)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(xiàn)較嚴(yán)重變形,主要表現(xiàn)為在岸坡平臺(tái)出現(xiàn)與岸坡走向大致平行的裂縫,且變形有加劇趨勢(shì),直接危及濱湖路居民點(diǎn)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(jīng)開挖回填,在岸坡高程181 m以上形成寬大平臺(tái)。臨三峽水庫岸坡原始地形為寬緩沖溝,經(jīng)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(zhì)組成主要為含塊石回填砂礫及全風(fēng)化花崗巖,未進(jìn)行碾壓,結(jié)構(gòu)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(zhì)輕砂壤土、礫質(zhì)中壤土,分布范圍及厚度不均。下伏閃云斜長花崗巖,全風(fēng)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(qū)內(nèi)地表、地下水的最低排泄基準(zhǔn)面。

圖1 濱湖路庫岸邊坡工程地質(zhì)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(jī)理

2.1 變形特征

岸坡變形破壞主要表現(xiàn)為:在暴(久)雨時(shí)平臺(tái)前緣陡坡坡面產(chǎn)生小規(guī)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(tái)分布與岸坡頂邊線近平行的地坪伸縮縫開裂(編號(hào):Lf1、Lf2、Lf3),裂縫寬度2～4 cm。

2.2 成因分析

由于坡體未經(jīng)專業(yè)碾壓設(shè)計(jì),物質(zhì)結(jié)構(gòu)較為松散,坡形由砂土天然堆積而成,坡面未加以防護(hù),僅能滿足其自然工況下的穩(wěn)定性。因此在持續(xù)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(nèi)向外的滲流會(huì)造成管涌或流砂,邊坡即會(huì)發(fā)生變形破壞,破壞模式以淺層滑動(dòng)、流砂為主。在坡腳有擋墻的地段,擋墻出現(xiàn)鼓脹現(xiàn)象。而在庫水淹沒與沖蝕作用下,一方面土體抗剪強(qiáng)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(wěn)的可能。

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

3 岸坡穩(wěn)定性分析及塌岸預(yù)測(cè)

3.1 穩(wěn)定性分析

根據(jù)上文的分析,分別對(duì)1-1′、2-2′、3-3′剖面回填部位前緣可能存在的圓弧型滑動(dòng)破壞與下伏相對(duì)軟弱夾層(坡洪積土)可能產(chǎn)生的整體滑移破壞進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算(圖2)。

3.1.1 計(jì)算參數(shù)

回填砂天然重度、飽和重度經(jīng)過室內(nèi)試驗(yàn)及結(jié)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(jì)算參數(shù)取值一覽表

Table 1 List of calculation parameters

巖土指標(biāo)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(jì)算方法與工況選擇

局部穩(wěn)定性計(jì)算采用瑞典圓弧法,整體穩(wěn)定性計(jì)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(yùn)行初期和正常蓄水期的最不利水位,考慮到覆蓋層具強(qiáng)透水性,選取兩種方法進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)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(jì)算結(jié)果

表2 岸坡穩(wěn)定性計(jì)算一覽表

根據(jù)《三峽庫區(qū)三期地質(zhì)災(zāi)害防治工程地質(zhì)勘察技術(shù)要求》[3](2004年12月),本次庫岸防治工程等級(jí)屬Ⅱ級(jí),安全系數(shù)為1.15。經(jīng)穩(wěn)定性計(jì)算分析(表2),庫岸在暴雨工況下可能產(chǎn)生局部滑移變形(2-2′剖面),不會(huì)產(chǎn)生整體型滑移。

3.2 庫岸再造預(yù)測(cè)

3.2.1 塌岸類型

目前,濱湖路居民點(diǎn)一帶岸坡整體是穩(wěn)定的,三峽水庫蓄水過程中,岸坡所處自然穩(wěn)態(tài)條件將發(fā)生改變,將產(chǎn)生程度不同的塌岸,現(xiàn)根據(jù)變形失穩(wěn)機(jī)制,區(qū)內(nèi)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(wěn)態(tài)平衡關(guān)系被打破,岸坡在庫水波浪及庫水消漲產(chǎn)生的動(dòng)水壓力影響下要不斷地調(diào)整岸坡形態(tài),其過程表現(xiàn)為局部的坍塌(滑),最終使坡體在水下、水上達(dá)到一個(gè)穩(wěn)態(tài)坡角值,其最終變形破壞寬度據(jù)岸坡形態(tài)不同、物質(zhì)組成不同而有區(qū)別。該種類型是區(qū)內(nèi)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(jīng)回填形成目前平臺(tái),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(dòng))提供了條件。三峽水庫蓄水后,回填砂內(nèi)地下水位升高,將產(chǎn)生較大的動(dòng)水壓力,不利于回填砂的整體穩(wěn)定。

(3) 漸進(jìn)式侵蝕型。岸坡物質(zhì)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(chǎn)生緩慢后退,其塌岸過程將是一個(gè)比較長期的過程。

3.2.2 塌岸預(yù)測(cè)方法

定量估計(jì)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(nèi)和最終的庫岸再造寬度,是庫岸防治設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。對(duì)庫岸再造的預(yù)測(cè),國內(nèi)外提出的方法很多,但由于影響塌岸的因素復(fù)雜,至今沒有一個(gè)完善的方法。目前常用的庫岸再造預(yù)測(cè)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(yù)測(cè)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(zhì)土體如黃土、砂土、砂質(zhì)粘土以及粘土等組成的庫岸塌岸預(yù)測(cè),本段庫岸巖性主要為回填礫砂土,采用卡丘金法預(yù)測(cè)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(yù)測(cè)寬度計(jì)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(guān)系數(shù)(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(shè)計(jì)高水位的浪爬高度按下式計(jì)算:

hb=3.2K·h·tanα

式中:K為岸坡粗糙系數(shù),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(dòng)和波浪影響范圍內(nèi),形成均一的磨蝕淺灘的坡角(°);β為水上岸坡的穩(wěn)定坡角(°);γ為原岸坡坡角(°)。

圖3 卡丘金法預(yù)測(cè)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(qū)塌岸預(yù)測(cè)的卡丘金方法圖解,該方法的實(shí)質(zhì)是依據(jù)實(shí)測(cè)的洪、枯水變幅帶各類巖土岸坡長期穩(wěn)定坡角,根據(jù)幾何關(guān)系用圖解法求解庫岸最終塌岸寬度[6]?？ㄇ鸾鸱ㄟM(jìn)行塌岸預(yù)測(cè)的原理是將水庫蓄水運(yùn)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(dòng)水位)下由于岸坡再造形成的穩(wěn)定坡角與自然條件下類似情況的岸坡坡角進(jìn)行類比,并根據(jù)地質(zhì)勘探剖面,將上述特征水位下岸坡穩(wěn)定坡角標(biāo)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(yù)測(cè)參數(shù)

三峽水庫建成運(yùn)行以前,葛洲壩水庫已成功運(yùn)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(zhèn)新址地質(zhì)論證階段,對(duì)秭歸地區(qū)長江岸坡不同巖性的岸坡角進(jìn)行了實(shí)測(cè),并按60 m以下、60～91.55 m、91.55 m以上三個(gè)水位特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,這三個(gè)水位特征值可以分別對(duì)應(yīng)三峽水庫的145 m以下、145～175 m和175 m三個(gè)特征水位。據(jù)此,根據(jù)《長江三峽水利樞紐庫區(qū)秭歸縣遷建城鎮(zhèn)新址地質(zhì)論證報(bào)告》及本次對(duì)茅坪段長江岸坡穩(wěn)定坡角調(diào)查結(jié)果,并結(jié)合巖土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo),綜合提出岸坡特征庫水位下不同巖土體穩(wěn)定坡角見表3。

表3 岸坡最終穩(wěn)態(tài)坡角預(yù)測(cè)值 單位:(°)

3.2.4 塌岸預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

根據(jù)表3中預(yù)測(cè)參數(shù),對(duì)1-1′～3-3′剖面用卡丘金圖解法求取塌岸寬度,同時(shí)根據(jù)《三峽庫區(qū)三期地質(zhì)災(zāi)害防治工程地質(zhì)勘察技術(shù)要求》對(duì)塌岸強(qiáng)烈程度的規(guī)定,可將塌岸的危害性按嚴(yán)重程度劃分為三種類型,根據(jù)勘察資料分析,塌岸預(yù)測(cè)寬度59.6～74.6 m庫岸段均為再造強(qiáng)烈段。

根據(jù)塌岸預(yù)測(cè),三峽水庫蓄水在濱湖路居民點(diǎn)岸坡產(chǎn)生的塌岸嚴(yán)重危及到濱湖路居民點(diǎn)安全,需要防護(hù)。

4 治理措施

庫岸防護(hù)工程設(shè)計(jì)的目標(biāo)是確保岸坡不產(chǎn)生滑移破壞,確保庫岸周邊居民的房屋、生命財(cái)產(chǎn)及各類公眾建設(shè)設(shè)施的安全,盡量保護(hù)并改善庫岸周邊的自然環(huán)境。根據(jù)濱湖路庫岸邊坡的實(shí)際情況,最終選取的方案為削坡+支擋工程+格賓網(wǎng)+三維植被網(wǎng)。該方案具有施工進(jìn)度快、施工安全有保障、施工工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。

4.1 削坡

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

4.2 支擋工程

包括鉆孔灌注樁、固結(jié)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(wěn)定狀態(tài)。分述如下:

① 鉆孔灌注樁。在K0—15～K0—100庫岸段高程150 m處設(shè)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(jìn)入全風(fēng)化線以下5 m,孔徑150 mm,孔內(nèi)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(jié)灌漿。第二排灌注樁前設(shè)置4道固結(jié)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(jìn)入全風(fēng)化線,第1、2道固結(jié)灌漿孔設(shè)置在第二、三排灌注樁之間,間距1.5 m;第3、4道固結(jié)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(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)試。

③ 重力式擋墻。擋土墻采用混凝土澆筑,混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30。擋土墻基礎(chǔ)必須坐于堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)坐于天然地基上。

4.3 格賓網(wǎng)

為了防止三峽庫水對(duì)坡體的沖刷侵蝕,高程151.5～177 m之間采用格賓網(wǎng)護(hù)坡。規(guī)格長2 m,寬1 m,高0.5 m,內(nèi)部每間隔1 m采用橫隔板隔成獨(dú)立的單元。長度、寬度、高度公差±5%。

4.4 三維植被網(wǎng)

在高程177 m以上清除坡面松動(dòng)巖塊、浮土后鋪設(shè)三維植被網(wǎng)護(hù)坡,三維植被網(wǎng)墊自身的網(wǎng)狀主體結(jié)構(gòu)能減低雨水沖擊能量,防止坡表徑流的形成,發(fā)揮保持水土流失的功能,與植被相結(jié)合,植物根系穿透網(wǎng)孔,形成根體板塊結(jié)構(gòu),起到邊坡防護(hù)和美化環(huán)境的雙重效果。

5 結(jié)論

(1) 由于坡體未經(jīng)專業(yè)碾壓設(shè)計(jì),物質(zhì)結(jié)構(gòu)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(wěn)定性。水庫蓄水后,在庫水、波浪浪蝕擾動(dòng)及軟化作用下,坡腳附近的土粒、砂及砂礫、碎石等細(xì)顆粒最終被波浪回流帶走,上部物質(zhì)失去支撐發(fā)生坍塌,形成浪坎這一塌岸現(xiàn)象。因水庫蓄水時(shí)間不長,塌岸(庫岸再造)正在進(jìn)行中。

(2) 經(jīng)穩(wěn)定性計(jì)算分析,庫岸局部在暴雨工況下可能產(chǎn)生滑移變形,整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài),不會(huì)產(chǎn)生整體型滑移。根據(jù)卡丘金法預(yù)測(cè)評(píng)價(jià),在庫水的長期影響下,濱湖路居民點(diǎn)岸坡產(chǎn)生的塌岸會(huì)嚴(yán)重危及到濱湖路居民點(diǎn)安全,需要防護(hù)。

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

[1] 蔣中明,高德軍,楊學(xué)堂.三峽庫區(qū)庫岸防護(hù)工程研究[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2001(1):32-34.

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

[3] 三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治工作指揮部.三峽庫區(qū)三期地質(zhì)災(zāi)害防治工程地質(zhì)勘察技術(shù)要求[M].武漢:中國地質(zhì)大學(xué)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(xué)學(xué)報(bào),2003(4):1-6.

[5] 郭希哲.三峽工程庫區(qū)崩滑地質(zhì)災(zāi)害防治[M].北京:中國水利水電出版社,2007.

[6] 聶文波,張利潔,費(fèi)巧振.卡丘金法在香溪汽渡北岸碼頭庫岸塌岸預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[J].資源環(huán)境與工程,2010,24(1):66-67.

(責(zé)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(zhì)工程專業(yè),從事邊坡勘察設(shè)計(jì)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(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160810.1432.002.html 數(shù)字出版日期:2016-08-10 14:32