三峽水庫蓄水后奉節(jié)河段水沙變化分析

三峽水庫蓄水后奉節(jié)河段水沙變化分析

1地形地貌及地質(zhì)條件的影響從長江支流到朱一河河口，止于梅河和長江的交匯處。奉節(jié)老縣城位于三峽庫區(qū)瞿塘峽峽口以西5km，長江與梅溪河交匯處的江邊岸坡上。老縣城臨長江呈帶狀分布，高程130～190m,90%以上的人口位于三峽水庫正常蓄水位175m以下，屬于全遷縣城。從奉節(jié)縣移民工程建設(shè)的分布來看，奉節(jié)河段庫岸大部分將被利用。三峽水庫蓄水后的庫岸穩(wěn)定性及再造問題，將直接影響到工程建設(shè)區(qū)的穩(wěn)定性和移民工程的成敗。地形地貌上，奉節(jié)河段北岸一級支流朱衣河、梅溪河由北西方向匯入，將奉節(jié)河段北岸分割開來，沿江地勢低緩，往岸坡上延伸，地勢漸高且相對變化較大。河谷相對開闊，沖溝、階地與漫灘等廣泛發(fā)育。庫岸地形地貌主要受地質(zhì)構(gòu)造和巖性的控制，山脊河溝延伸方向與區(qū)域構(gòu)造線基本一致，呈NE60°～80°，在地貌上屬于典型的構(gòu)造剝蝕低山地貌。地層巖性上，長江北岸主要由巴東組第3段(T32b)灰?guī)r、泥灰?guī)r等硬巖組成，岸坡平均坡度20°～25°，而江南岸坡主要由巴東組第2段(T22b)粘土巖、泥質(zhì)粉砂巖等軟巖組成，平均坡度16°～20°。因此，該處地貌表現(xiàn)為南緩北陡的寬緩河谷形態(tài)。三峽水庫蓄水后，庫水位和地下水位的抬升及周期性漲落，將大大改變岸坡的地質(zhì)和環(huán)境條件，包括巖土體和結(jié)構(gòu)面力學(xué)和物理性質(zhì)的變化、蓄水引起的孔隙水壓力和滲透力的作用及其周期性變化、蓄水后的波浪和水流對岸坡的侵蝕沖刷、河床淤積等，將引起岸坡發(fā)生新的穩(wěn)定性問題，出現(xiàn)沖刷塌岸或產(chǎn)生整體性的崩滑等地質(zhì)災(zāi)害。合理地分析岸坡沖刷塌岸的范圍及滑坡蓄水后的穩(wěn)定性狀況，關(guān)系到移民工程建設(shè)的規(guī)劃設(shè)計(jì)和土地的開發(fā)利用等重要問題。2移質(zhì)河床變形方程采用二維淺水波方程、懸移質(zhì)泥沙方程、懸移質(zhì)河床變形方程對水沙進(jìn)行求解。計(jì)算求得三峽水庫運(yùn)行10,20,50,80a末的河床淤積厚度、流場及近岸流速、浪高等。2.1水庫積水監(jiān)測淤積計(jì)算結(jié)果表明，三峽水庫運(yùn)行20a，奉節(jié)河段累積淤積3.53×108m3，平均淤積厚度18.6m，每公里淤積約2322×104m3，年淤積率為1765×104m3；水庫運(yùn)行80a，奉節(jié)河段累積淤積9.05×108m3，平均淤積厚度為35.5m;51～80a間年淤積率為367×104m3，淤積速率減緩(圖1)。2.2海岸和海岸的速度水庫運(yùn)行前后各個(gè)典型時(shí)期奉節(jié)河段最高水位和最低水位2種情況下的流速場見表1。2.3白衣庵滑坡體設(shè)計(jì)由于風(fēng)的作用，在三峽庫區(qū)內(nèi)形成的波浪，對兩岸岸坡產(chǎn)生浪壓力。對于三峽水庫這樣的山區(qū)峽谷型水庫，岸坡地勢高峻，波高Hl及波長Ll可按官廳水庫公式計(jì)算：式中：vf為計(jì)算風(fēng)速(m/s)，為多年平均最大風(fēng)速的1.5～2.0倍；D為吹程(km)，即坡前沿水面至對岸的最大直線距離。奉節(jié)河段計(jì)算風(fēng)速按三峽大壩設(shè)計(jì)風(fēng)速(設(shè)計(jì)風(fēng)速6級，風(fēng)速為11.0m/s)計(jì)算，白衣庵滑坡體至對岸水面距離寬約1.5km，假定風(fēng)向垂直白衣庵滑坡體。因此，該處波浪的波高Hl約為0.38m，波長Ll約為4.8m。通過淤積、流速、浪高等水力荷載的計(jì)算分析，為庫岸沖刷塌岸及滑坡穩(wěn)定性分析奠定了基礎(chǔ)。從以上成果進(jìn)行分析，由于近岸流速和浪高都很小，對岸坡(滑坡)整體穩(wěn)定性的影響甚微，近岸流速和波浪對岸坡穩(wěn)定性的影響，將主要表現(xiàn)在沖刷塌岸過程中。3庫岸再造形式根據(jù)奉節(jié)河段岸坡的幾何空間形態(tài)、巖土介質(zhì)特性、現(xiàn)有變形堆積體性質(zhì)、蓄水后水位及地下水變化特點(diǎn)，庫岸再造的形式可分為3種類型：沖刷塌岸型、整體滑移型、巖坡崩塌型，而前2種是主要的再造形式。3.1物質(zhì)沖刷破壞水位上升后，在水位變動(dòng)范圍內(nèi)，由于波浪、水流等的侵蝕沖刷作用，岸坡表面的物質(zhì)被水逐漸沖刷破壞并被搬運(yùn)帶走，從而使岸坡由表及里出現(xiàn)漸變的破壞。當(dāng)水位變動(dòng)帶范圍內(nèi)的物質(zhì)被沖刷破壞到一定的程度，上部物質(zhì)失去支持，從而發(fā)生塌岸。最終，水位變動(dòng)帶內(nèi)及變動(dòng)帶以上的巖土層以各自的穩(wěn)定坡角而存在。3.2水庫蓄坡引發(fā)滑坡失穩(wěn)奉節(jié)河段岸坡存在較多的滑坡堆積體，這些滑坡體的穩(wěn)定性現(xiàn)狀各不相同。水庫蓄水后，水位抬升和周期性漲落，引起滑面或軟弱結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)弱化，孔隙水壓力和滲透力及其周期性變化的作用等，可能引起滑坡體復(fù)活啟動(dòng)，已變形的滑坡持續(xù)(加速)變形，產(chǎn)生滑坡失穩(wěn)。3.3巖墻坍塌坡度較陡、卸荷裂隙發(fā)育、巖性相對堅(jiān)硬的岸坡段，水位上升后，在水的軟化和劈裂作用下，可產(chǎn)生崩塌型庫岸再造。4岸坡沖刷穩(wěn)定坡角岸坡的沖刷塌岸問題十分復(fù)雜。在我國，水庫沖刷塌岸預(yù)測中，廣泛采用的有T.C.卓洛塔廖夫圖解法，以及E.Г.卡楚金經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法。這些方法不考慮塌岸作用機(jī)制，而是從岸坡在水上或水下的不同(最終)穩(wěn)定坡角進(jìn)行考慮，以此預(yù)測岸坡的塌岸發(fā)生情況。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)，圖解法比經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法更直觀準(zhǔn)確，且更能體現(xiàn)巖(土)層的變化和不同，因此，本研究采用圖解法進(jìn)行岸坡塌岸的預(yù)測。三峽水庫計(jì)劃2003年6月1日開始蓄水，6月中旬壩前水位蓄至135m高程。2007～2013年，水庫將以高水位156m、低水位135m運(yùn)行；2013年后，水庫將以高水位175m、低水位145m運(yùn)行。在2007～2013年的7a內(nèi)，由于土質(zhì)岸坡成分松散，岸坡再造速度較快，將發(fā)生較為完整的岸坡再造；而巖質(zhì)岸坡在此期間則發(fā)生岸坡再造的程度較低，絕大部分岸坡再造將在2013年正常蓄水后完成。因此，土質(zhì)岸坡的塌岸預(yù)測高程起點(diǎn)從135m開始，巖質(zhì)岸坡從145m開始。根據(jù)正常蓄水位175m、低水位145m(對于土質(zhì)岸坡為135m)，可將岸坡劃分為3個(gè)帶，即145(135)m以下水下岸坡帶，145(135)～175m水位變動(dòng)岸坡帶，175m以上水上岸坡帶。水庫蓄水運(yùn)行后，經(jīng)過長期的侵蝕沖刷作用，岸坡3帶最終將以各自的穩(wěn)定坡角存在，從而完成了岸坡的沖刷塌岸再造。岸坡沖刷塌岸的一般預(yù)測模型如圖2所示。圖中α，β為穩(wěn)定坡角；h為波浪影響深度，h=(1.5～2.5)H,H為波浪高度。從預(yù)測模型可知，為了預(yù)測岸坡最終塌岸的寬度和高程范圍，取得岸坡各巖(土)層在不同岸坡帶的穩(wěn)定坡角是關(guān)鍵。按長江年均枯水位86m，年均洪水位110m，可將天然岸坡劃分為86～110m水位變動(dòng)岸坡帶、110m以上水上岸坡帶，利用實(shí)測及圖切地形剖面等方法確定這兩帶的穩(wěn)定坡角；并且可以認(rèn)為，天然河岸兩帶中各巖土層的穩(wěn)定坡角，其值可以作為水庫蓄水后岸坡對應(yīng)兩帶，即145(135)～175m水位變動(dòng)帶、175m以上水上岸坡帶的巖土層的穩(wěn)定坡角。注意，現(xiàn)狀86m以下岸坡穩(wěn)定坡角不能對應(yīng)于蓄水后145(135)m以下岸坡穩(wěn)定坡角，原因是兩者的內(nèi)在機(jī)理不同?，F(xiàn)狀86m以下岸坡穩(wěn)定坡角是經(jīng)過河道長期沖刷演變而產(chǎn)生，而水庫蓄水時(shí)水位抬升很快，145(135)m以下岸坡未能有充分的時(shí)間發(fā)生侵蝕沖刷，而是很快進(jìn)入靜水狀態(tài)，岸坡不會(huì)發(fā)生侵蝕沖刷，將以現(xiàn)狀坡角存在。根據(jù)類比法和有關(guān)經(jīng)驗(yàn)，并參照文的取值，建議奉節(jié)河段岸坡的穩(wěn)定坡角如表2。另外，為了合理地分析卸荷裂隙發(fā)育的堅(jiān)硬陡峭巖坡的崩塌型破壞情況，建議采用易崩角進(jìn)行塌岸預(yù)測研究，當(dāng)岸坡坡角大于各岸坡帶相應(yīng)的易崩角時(shí)，岸坡發(fā)生崩塌破壞。利用上述一般模型，可對奉節(jié)河段進(jìn)行岸坡沖刷塌岸預(yù)測，如圖3。對所有剖面進(jìn)行預(yù)測，最后可得岸坡沖刷塌岸平面預(yù)測圖。預(yù)測分析結(jié)果表明，奉節(jié)河段岸坡將發(fā)生較大規(guī)模的沖刷塌岸型庫岸再造。5環(huán)境因素變化后的滑動(dòng)整體穩(wěn)定性采用極限平衡分析中的Morgenstern-Price法，探討蓄水后各環(huán)境因素變化時(shí)(不同工況下)典型滑坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律。5.1坡向?qū)路€(wěn)定性的影響水位變化引起岸坡水文地質(zhì)條件和工程地質(zhì)條件發(fā)生改變，是庫岸再造的直接誘發(fā)因素。水位上升及漲落引起岸坡巖土體軟化、強(qiáng)度降低、孔隙水壓力和滲透力作用等，可導(dǎo)致岸坡整體穩(wěn)定性發(fā)生不利變化。由于目前未有較為可靠詳實(shí)的的滲透性試驗(yàn)參數(shù)，而滑坡的主要成分碎石土和碎塊石土(碎裂巖體)的透水性大，形成不了較大的水力坡降，因此滲透力的作用對滑坡穩(wěn)定性的影響較小，可以忽略，只考慮孔隙水壓力。地下水浸潤面平緩，根據(jù)相關(guān)手冊(如文)推薦的地下水浸潤面坡度與滲透系數(shù)(根據(jù)建議值、經(jīng)驗(yàn)值綜合選取)關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算中地下水浸潤線坡度采用2°～5°。奉節(jié)河段普遍存在的滑坡，其規(guī)模及水位上升后淹沒程度可以絲綢廠滑坡為代表。計(jì)算結(jié)果表明，水位上升造成滑坡穩(wěn)定性安全系數(shù)有較大的降低，見表2?？梢哉J(rèn)為奉節(jié)河段普遍存在的滑坡在蓄水后的穩(wěn)定性將有較大程度的降低，某些滑坡可能在蓄水后失穩(wěn)，需要進(jìn)一步針對具體滑坡進(jìn)行參數(shù)試驗(yàn)及計(jì)算分析。與絲綢廠滑坡相比，水位上升對白衣庵滑坡的影響明顯減小，原因是白衣庵滑坡的規(guī)模大，175m水位以上滑體占主要部分。水位上升到175m時(shí)，白衣庵滑坡只有近25%的體積淹沒，而絲綢廠滑坡則被淹近80%，因此水位上升對不同的滑坡的影響明顯不同。5.2沖刷塌岸區(qū)的位置根據(jù)沖刷塌岸預(yù)測結(jié)果，將沖刷塌岸破壞區(qū)從剖面“挖去”，從而考慮沖刷對滑坡穩(wěn)定性的影響。計(jì)算剖面如圖4，計(jì)算結(jié)果見表4。從表4可以看出，沖刷對絲綢廠滑坡穩(wěn)定性的影響不大，原因是該滑坡發(fā)生沖刷塌岸破壞后，既減小了滑坡的滑動(dòng)力，又減小了阻滑力，且兩者的對滑坡安全系數(shù)的影響基本抵消，這一點(diǎn)也可以從圖4沖刷塌岸區(qū)的位置分析而得。若沖刷塌岸發(fā)生在滑坡前緣，滑坡失去前緣物質(zhì)的支持(主要作用是減小滑坡的阻滑力)，則沖刷可使得滑坡穩(wěn)定性降低，如吳家灣滑坡。計(jì)算結(jié)果表明，沖刷使得滑坡安全系數(shù)減小了0.22，因此沖刷塌岸后吳家灣滑坡穩(wěn)定性有較大降低。若沖刷塌岸發(fā)生在滑坡后緣，如臥龍崗滑坡，則沖刷可使得滑坡穩(wěn)定性增高。因此，沖刷對滑坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)的影響，因沖刷塌岸區(qū)相對滑坡的位置不同而不同，可以用圖5所示的模式進(jìn)行分類分析如下。根據(jù)沖刷塌岸區(qū)位于滑坡的不同位置(前緣、中部或后緣)，分為3種模式：模式(a)，(b)，(c)。若沖刷塌岸區(qū)位于滑坡的前緣，即模式(a)，以吳家灣滑坡為代表，則沖刷破壞后滑坡的安全系數(shù)減??；若沖刷塌岸區(qū)位于滑坡的中部，即模式(b)，以絲綢廠滑坡為代表，則滑坡安全系數(shù)基本不變；若沖刷塌岸區(qū)位于滑坡的后緣，即模式(c)，以臥龍崗滑坡為代表，則滑坡安全系數(shù)增大。5.3滑坡的穩(wěn)定性考慮河床淤積平衡(80a后)后的情況，即在沖刷塌岸的基礎(chǔ)上，根據(jù)淤積厚度計(jì)算結(jié)果，在滑坡前緣175m以下坡面按泥砂淤積計(jì)算結(jié)果覆蓋一層淤積土。計(jì)算時(shí)以絲綢廠滑坡為例，如圖4。計(jì)算結(jié)果為：對應(yīng)于水位145和175m的安全系數(shù)分別為1.20和1.27。與表3對比，在145,175m水位，安全系數(shù)分別升高0.07和0.13。因此淤積使得絲綢廠滑坡的穩(wěn)定性有所增高?？偟膩碚f，由于對滑坡的整體而言，沖刷的范圍一般較有限，因此沖刷塌岸對滑坡穩(wěn)定性的不利或有利影響都不太大，只有對少數(shù)滑坡的影響明顯。盡管淤積對滑坡整體穩(wěn)定性的影響有利，但影響作用不大，這是由于對滑坡整體而言，淤積的范圍一般較小，有利影響也就不大。5.4度設(shè)計(jì)地震反應(yīng)前后滑坡穩(wěn)定性根據(jù)本區(qū)地震烈度區(qū)劃，計(jì)算中采用Ⅵ度地震。不同水位下的計(jì)算結(jié)果見表5。表5與表3對比，白衣庵滑坡在地震力的作用下，不同水位時(shí)的安全系數(shù)降低0.16～0.18。滑坡在Ⅵ度地震作用下只有現(xiàn)狀水位時(shí)可以穩(wěn)定。絲綢廠滑坡在地震力的作用下，不同水位時(shí)的安全系數(shù)降低0.20左右。無地震時(shí)，滑坡穩(wěn)定性基本滿足設(shè)計(jì)要求，而在Ⅵ度地震作用時(shí)135m水位下滑坡將會(huì)失穩(wěn)。因此，考慮地震時(shí)滑坡的穩(wěn)定性有較大程度的降低。綜合上述分析結(jié)果，蓄水后各環(huán)境變化因素對滑坡整體穩(wěn)定性影響從大到小依次為：水位、地震、沖刷、淤積。6岸坡沖刷塌岸預(yù)測結(jié)果分析綜合以上分析研究，奉節(jié)河段將出現(xiàn)較大程度的沖刷塌岸和整體性滑坡等類型的庫岸再造，這將給岸坡穩(wěn)定性、沿江土地利用和工程建設(shè)造成較大的影響。為了減少岸坡再造帶來的危害，在對岸坡再造的方式、范圍和規(guī)律進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，本文提出“護(hù)坡、抗滑、排水”相結(jié)合的工程防治建議。從岸坡沖刷塌岸預(yù)測結(jié)果分析，奉節(jié)河段岸坡將出現(xiàn)較大區(qū)域和范圍的沖刷塌岸破壞。而沖刷塌岸的作用機(jī)理是由于水位變動(dòng)范圍內(nèi)的波浪、水流的作用，岸坡表面的物質(zhì)被水逐漸沖刷破壞并被搬運(yùn)帶走，從而使岸坡發(fā)生緩慢的破壞。為了阻止發(fā)生緩慢的沖刷，就必須隔斷水對岸坡的作用，因此，