三峡工程奉节库岸斜坡在蓄水过程中的稳定性分析

1三峡工程奉节库岸斜坡在蓄水过程中的稳定性分析12111魏玉虎许模齐光辉杨军伟朱洪生（1．河南省地质环境监测院,郑州450006;2．成都理工大学环境与土木工程学院,成都610059）【摘要】在简述三峡工程库区奉节段的地质和水文地质条件的基础上，对库段内将会出现的地下水渗流场变化进行了三维模拟，并对库岸斜坡在蓄水过程中稳定性的变化进行/了分析和论证。参与计算的4条库岸斜坡地质剖面中，除9-9剖面（老房子滑坡）有可能失稳外，其它岸坡不存在整体失稳的可能。关键词奉节库段；地下水渗流场；库岸斜坡；稳定性中图分类号：P641.74文献标识码：A文章编号：1672-4135（2006）03-0213-05水库库岸斜坡与一般山地滑坡相比，有其特殊的一面，其特殊性在于其稳定性受库水位变动的影响很大。库水位变动对库岸斜坡稳定性的影响是通过改变库岸斜坡内的地下水条件而实现的，因而，研究库岸斜坡的水文地质概念模型是很有必要的。此外，还应该深入研究从斜坡岩土体到斜坡基底以下的某一深度的孔隙水压力作用带，并将其结果应用在稳定性评价中。目前在对水库斜坡的稳定性进行评价时存在的问题，仍然是对库岸斜坡地下水渗流场的动态特征研究不够深入。目前奉节库区段水位变化范围为80～110m。随着三峡大坝蓄水的开始，水位将随之[1～3]抬升，至正常蓄水位175m，其变幅最大近百米，这必然会在很大程度上改变库区斜坡地带水文地质条件，引起地下水运移环境的变化。本文对奉节库区段库岸斜坡在水库蓄水过程中的稳定性变化进行了分析。1研究区段的地质环境背景奉节县位于四川盆地东部边缘、三峡工程库区中部，移民新迁城址白帝城－老县城－朱衣河河口沿江一带，上界为海拔340～300m，下界至长江最枯水位；重点研究限于李家[4]大沟—老龙洞沟间的长江库岸岸坡地带。研究区内出露地层主要为三叠系中统巴东组（T2b）、下统嘉陵江组（T1j）及第四系松散堆积层。嘉陵江组（T1j）地层主要岩性为灰、深灰色薄层、中厚层、厚层块状致密灰岩夹角砾状灰岩、白云质灰岩及含泥灰岩。巴东组（T2b）地层主要岩性为灰、灰黄色、深灰色灰岩、含泥灰岩、泥灰岩与紫红色及少量灰黄、灰绿色泥岩、粉砂质粘土岩、粉砂岩、细砂岩、钙质砂岩互层。第四系松散堆积层包括冲积层、冲洪积层、残坡积层、崩塌堆积层、滑坡堆积体、泥石流堆积层和人工堆积。研究区位于川东复杂褶皱带东段与大巴山弧形褶皱带交接部位，朱衣背斜、巴务河向斜是工程区内的主要控制性构造。受二者控制，区内地层破碎，次级褶皱发育，并伴生有断层、裂隙及层间错动带等构造形迹。本区断层总体规模较小，以中高倾角断层为主，按其走向可分为以下四组：①NEE组:走向61°～75°,倾向SE或NW为主，倾角54°～70°；②NWW组:走向280°～290°,倾NE,倾角50°～80°；③NW组:走向300°～325°,倾NE,倾角75°～85°；④近SN组:走向340°～19°，倾向SW或NW,倾角35°～62°。在巴东组第二段粘土岩和第三段泥灰岩中主要发育四组裂隙：①NW组:走向300°～340°,收稿日期：2006－6－6基金项目：长江三峡工程库区移民迁建新址重大地质灾害防治研究（项目编号：99－06）作者简介：魏玉虎，男(1974－)，2002年7月毕业于成都理工大学环境与土木工程学院地质工程专业，主要从事地质灾害治理和地质遗迹保护工作，联系电话：13693713457，E-mail：weiyuhu@126.com1 倾向NE为主，占33.4%；②NE组:走向40°～80°,倾NW或SE,占,30.0%；③NEE组:走向30°～20°,倾NW,占13,7%；④NWW组:走向275°～295°，倾向SW,占13.7%。在T2b软13岩层中，裂面多闭合,无冲填居多,有少量方解石或泥质充填；在T2b、T2b硬质灰岩、泥灰岩中，裂面多张开充填方解石或泥钙质物。研究工作区段接近三峡峡谷区的河谷－岸坡地带，该地库岸斜坡山顶高程达600m以上，一般岸坡高程在100~300m间。河谷一、二级阶地发育，三级以上阶地零星分布不连续。由于朱衣河、梅溪河与长江共同作用的结果，本区地貌呈现为：河谷相对开阔，河曲、阶地与漫滩均十分发育，岸坡具明显层状地貌特征。值得提出是，“七五”、“八五”期间对[9]三峡库区所做的地质工作已证明巴东组是易滑地层。历史上不仅发生过许多大型和巨型滑坡，而且还有众多的中、小型滑坡，近期也有滑坡活动。因此，巴东组地层的一些不良工程地质特性及其发育滑坡的特殊机理，是城镇迁建选址以及滑坡治理工作中必须考虑和研究的[5]问题。根据库区地壳结构、活动断裂以及地震等因素综合评判，该地区无挽近期活动断裂。据中国科学院地球地理研究所资料，本区历史地震震级Ms<3。其中以1964年5月14日奉节以东地震（Ms=2.9级）强度最大，地震烈度区划为Ⅵ度。区内地下水类型主要为孔隙水、碎屑岩类孔隙-裂隙水和碳酸盐岩岩溶裂隙水，分别赋存于第四系松散堆积物的孔隙中，泥灰岩、泥质灰岩和砂岩的孔隙裂隙中和碳酸盐岩溶蚀裂隙或溶洞中。纵观本区周边条件及区内地下水漏头点的动态显示，说明地下水补给均来自大气降水。受气候环境控制，降水过程在时空上分布局部集中，导致大量的地面水流沿冲沟流走，因为库岸斜坡坡度较大，只有少量的水流渗入补给地下水，一般渗入量仅占5%~15%左右。区内地面大多是松散的碎石土类和风化的岩体，易于降水下渗也利于地下水存储，同[6]时也加速了地下水的排泄。2库岸地下水渗流场变化随着库水位的抬升，必然会引起库岸斜坡地下水渗流场的变化，从而引发出一系列新的环境地质问题。因此，有必要研究三峡工程的蓄水过程中奉节库段边坡岩土体内部地下水位的动态变化。在地质调查的基础上，通过详细的比较，选择具典型代表性的白杨坪沟—桂花井西沟库区段（图1）作为研究地段。依据研究区段内渗透介质空间的结构特征建立地质概念模型，并在此基础上对其进行空间上的离散，建立岩土体渗流数学模型。空间上的离散包括平面上的网格划分和垂向上的分层。平面上共剖分单元网格40×31个，其中三峡工程正常水175m后库水作用强烈的地段的单元格大小为62×30㎡，库水作用较弱地段的单元格的大小60×60㎡。垂向上按松散层结构的基岩有风化划分，其中基岩上覆松散堆积物只有一种成因类型的区域依据其压密程度的结构类型分为两层，覆盖有两种成因类型松散堆积物的区域则以它们之间的地质分界线做为分层界线：基岩则依据其风化程度划分为三层，分别为强风化带层、弱风化带层及新鲜基岩层。整个模型共划分了5层，其中松散堆积物2层，基岩3层，[7][7～8]每层单元格1240个，共剖分了6200个单元。使用3D-Modflow软件对水库蓄水条件下岸坡地下水动力场变化进行三维模型试验研究，研究水库运行后库岸内部地下水动力场的发展动向与趋势（图2）。从模拟结果来看，主要有以下特征：（1）地下水位随地形的起伏而相应变化，但变化幅度小于地形；（2）在模拟区域上部（主要分布以碳酸盐岩为主的富水岩组）地下水流动较快，水位线分布稀疏，而在下部区域（主要分布以第四系松散堆积物为主的弱透水岩组），地下水流动缓慢，水位线紧密分布；2 图1模拟区段示意图Fig1Zoneofthemodel（3）近水库的岸坡内地下水位随表1岸坡地下水位随库水位变化比较着库水位的抬升而大幅度的升高；远Table1Thecomparisonofgroundwaterlevel离水库的岸坡（模型的后缘）内的地inthevaryingwiththereservoirwaterlevel下水位随着库水位的抬升而升高的幅地下水位（m）库水位（m）度却逐渐减小，直至无甚变化。以老A单元B单元C单元房子滑坡附近剖面的三个计算单元80179.0251.4280.3（图2中A、B和C）为例，其中，A135190.1252.4279.1单元位于近水库岸坡处，即模型的前175204.0256.4281.3缘，B单元位于型的中部，C单元则处于模型的后缘。三单元内地下水位[9]随库水位的升高而变化的状况见表1。3库岸斜坡稳定问题////奉节库段岸坡稳定性计算，共选取了6-6、9-9、11-11、13-13等4条地质剖面（图1），/包括除单一的基岩岸坡外所有的库岸边坡类型。其中6-6地质剖面代表了浅残坡积岸坡类///型，9-9地质剖面为老房子滑坡，11-11地质剖面为丝绸厂滑坡，13-13地质剖面代表了厚残坡积岸坡类型。[10]本次计算采用了一般条分法、毕肖普法和不平衡推力传递系数法等三种方法，软件采用成都理工大学工程地质研究所、地质灾害防治与地质环境保护国家专业实验室地质灾害数值模拟中心所开发的“滑坡治理方案的计算机辅助设计系统（SlopeCAD）”。为了详细了解库岸边坡在库水位从80m涨至175m这个过程中的稳定变化情况，分析3 计算中考虑了80m、90m、100m、110m、120m、135m、145m、156m、165m、175m等八种工况。计算结果表明，所选的//6-6剖面—13-13剖面的稳定性的变化总趋势可分为三个类型（表2）：①在库水位上涨过程中，稳定性虽有起伏变化，但幅度不大，蓄水前岸坡稳定性与蓄水后无太大差异。/这类库岸以6-6剖面为代表；②随着库水位的上升，岸坡的稳定性急剧下降，在蓄水的后期岸坡的稳定性可能会略有回升，但总体呈大幅度下降趋势。这类库岸的典型代表为/13-13剖面（丝绸厂滑坡）。③蓄水过程的前期，岸坡的稳定系数随着库水位的上升而下降，蓄水到某一高度后，岸坡的稳定系数随着库水位的上升而增大。这类库岸的典型代/表为9-9剖面（老房子滑坡）、/11-11剖面。在蓄水过程中将有可能/失稳的岸坡9-9剖面（老房子图2地下水位分布滑坡）、11-11/剖面（丝绸厂滑坡）。Fig.2Thecontourofgroundwaterlevels其它岸坡的稳定安全性虽然变化不库水位a：从80m升至110m时；b：从110m升至一，但由于其稳定安全裕度均较大，135m时；c：135m升至175m时故不存在整体失稳的可能性。老房子滑坡总体地形平缓，前缘滑床反翘构成抗力体，且滑体重心较低，稳定现状较好。计算结果表明，滑体在现在库水条件下（80～130m）的稳定安全系数为1.1507～2.3849；当蓄水至145m时，稳定系数降至1.0003～1.1054，滑坡的稳定性将处于或接近极限平衡状态，属高危斜坡。叠加Ⅵ度地震动力作用，稳定系数降至0.9847～1.0858，有可能整体失稳。随着库水位的进一步上升，滑体的稳定性逐步回升，蓄水至175m时，稳定系数为1.7666～1.9486。丝绸厂滑坡总体地形平缓，前缘坡度约23°，后缘为一地形平台，地形坡度仅3~5°；勘探结果显示其前缘滑床反翘，有利于滑体稳定，目前整体稳定好。滑坡稳定性计算表明，滑体在现在库水条件下（80~130m）的稳定安全系数为1.3561～2.0225。随着库水位的上升，滑体的稳定性也逐渐降低。至175m稳定系数降至最低，为1.1011～1.1823。叠加Ⅵ度地震动力作用，稳定系数降至1.0764～1.1556。可见，丝绸厂滑坡在水库蓄水过程中是稳定的，但在蓄水后期滑坡的安全储备不高。需要说明的是，由于所假设滑面(即基覆界面)的c、φ值要大于所假设滑体（松散堆积物）的c、φ值，故岸坡即使整体是稳定的，在库水作用地带也可能会以局部失稳或剥落分离的形式破坏，从而引起岸坡上部松散堆积体的大规模失稳，危及沿江道路和沿江建筑的安4 全。表2奉节库岸斜坡稳定分析结果Table2ThestableanalysisresultsofthereseviorslopesinFengjiesector////6-6剖面9-9剖面11-11剖面13-13剖面工况毕肖传递一般毕肖传递一般毕肖传递一般毕肖传递一般普法系数法条分法普法系数法条分法普法系数法条分法普法系数法条分法80m2.87522.87372.84392.34182.38492.27702.00102.02251.91711.98272.00731.940490m2.87522.87372.84391.97081.99461.84471.83181.86551.75191.77531.79481.7473100m2.87522.87372.84391.74941.77951.63851.67741.74111.60681.78281.80681.7527110m2.87522.87372.84391.60811.63591.50331.49941.52591.43951.70721.72841.6772120m2.87522.87372.84391.45131.49551.36891.44861.47041.39681.62361.64301.5964130m2.49642.48382.47221.23141.27531.15071.40671.43361.35611.56681.59111.5397135m2.29712.27452.28081.15951.21631.08961.27151.29161.22801.59791.61161.5466145m2.44052.42702.41181.05221.10541.00031.23751.25761.20151.57781.60771.5105156m2.30392.30702.27841.14211.20261.03441.21631.23771.18241.65811.67541.5583165m2.22742.23162.20101.71851.76251.68141.17421.19211.12271.93081.94451.7904175m2.25642.26182.23451.88761.94861.76661.15771.18231.10112.02732.03841.8501145m叠加Ⅵ级地震175m叠加Ⅵ级地震1.02821.08580.98471.12941.15561.07644结论（1）在建立了奉节库区水文“地质模型”的基础上，利用3D-Modflow软件对奉节库区斜坡地下水渗流场在三峡水库蓄水过程中的动态变化特征进行了模拟研究，其结果在库岸斜坡稳定性评价中的应用使评价结果更加符合实际。/（2）在参与计算的4个剖面中，9-9剖面（老房子滑坡）在水库蓄水至145m时，稳定性最差，考虑地震作用，滑坡体有整体失稳的可能。其它剖面虽然其稳定性随着水库蓄水的变化趋势各异，但安全储备高，整体稳定性好。参考文献[1]长江水利委员会.三峡工程技术研究概论[M].武汉：湖北科学技术出版社，1997.[2]长江水利委员会.三峡工程水文地质[M].武汉：湖北科学技术出版社，1997.[3]长江水利委员会.三峡工程地质研究[M].武汉：湖北科学技术出版社，1997.[4]崔英山，魏伦武，赵松江,等.重庆市奉节县新县城供水工程设计阶段工程地质勘察报告[R].成都水文地质工程地质中心，1998.[5]长江水利委员会三峡勘测研究院.长江三峡工程库区奉节县新城区护岸工程工程地质勘察报告[R].1999.[6]曹宁，许模，胡卸文,等，奉节县新城址库岸斜坡稳定性的环境场效应及灾害风险管理[R].成都水文地质工程地质中心，2001.[7]ZhengC，WangPP.TheHydrogeologyGroup.MT3D–AMosularThree-DimensionalMultispeciesTransportModel[M].TheUniversityofAlabama,1998.[8]朱冬林.李家峡水电站Ⅱ号滑坡蓄水后长期稳定性平及治理论证[D].成都理工学院硕士论文,1997.5 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