三峡坝区库岸边坡塌岸预测及治理方案建议

周柯宇 张 宏 张 勇

(1.中国水利水电第七工程局有限公司试验检测研究院，四川 成都 611730；2.四川久隆水电开发有限公司，四川 成都 610094)

坝区库岸边坡由于与自然水文的密切联系，对其稳定性造成巨大隐患。为研究坝区库岸边坡稳定性，保证人民的生命财产安全，诸多学者对此进行了研究[1-8]。安可君[9]根据糯扎渡水电站岸坡地质结构特征、库岸再造范围及库岸变形破坏特征,结合监测资料对重点岸坡变形进行了分析；张钧等[10]为揭示库岸边坡处于不同坡角及不同土岩界面倾角条件下的失稳机制,尤其是水位变化条件下库岸岩土体浸润线的分布及演化特征,通过构建水位升降条件下的二元结构库岸边坡物理实验模型,借助监测及摄影的技术手段观测边坡土体内浸润线及岩土体变形破坏特征,揭示二元结构库岸边坡的变形失稳机制。综上所述，目前对于库岸边坡稳定性进行了较多研究，但由于三峡库区岩质边坡和土质边坡大量存在，在自然降雨、风化剥蚀等作用下，可能形成危岩、滑坡、泥石流等自然灾害，可能进一步诱发欠稳定、基本稳定边坡转变为不稳定边坡。因此本文针对三峡库区库岸边坡崩塌开展预测，提出治理方案建议，以期为类似工程优化设计提供借鉴。

1 工程简介

1.1 工程概况

巫山县位于重庆市最东端，三峡库区腹心，素有“渝东门户”之称，地跨长江巫峡两岸，县城位于大宁河与长江交汇处，距三峡大坝约124.3km。相对高差2606m，跨越东经109°33′～110°11′、北纬30°45′～23°28′，面积2957km2。茅草坡4号斜坡上游为茅草坡3号斜坡，下游为独龙1号斜坡，坡体两侧以季节性冲沟为界，坡体上另有三条季节性浅冲沟，前缘为长江。上游侧冲沟在240m高程以下切割深度为15～20m，之上冲沟变浅；下游侧冲沟在300m高程以下切割深度为15～20m，之上冲沟变浅；下游侧冲沟之西侧冲沟切割深度为10m左右。斜坡地形北高南低，勘察区最高高程490m,最低高程90m，相对高差400m。地形总体较陡，坡角43°～54°，下陡上缓。后部西侧430～460m高程为高20～30m的陡崖，坡角70°，而东侧在440m高程为一平台，宽约13m，坡面上存在大量的块石。斜坡方向156°～170°(见图1)。

图1 茅草坡4号斜坡

1.2 工程地质条件

本次勘察共施工4个钻孔，钻孔高程148.50～215.01m，钻进后M4ZK2、M4ZK4(斜孔)进行了声波测试，M4ZK1、M4ZK3(铅直孔)进行了孔内摄像。钻孔揭露地层为三叠系下统大冶组三段泥质灰岩、灰岩，薄层状为主，层间夹页岩，页岩厚1～10mm(典型地层见图2)。勘察区内岩体按风化程度分为强风化层、中等风化层、微风化层，分述如下：

a.强风化层。结构大部分被破坏，风化裂隙极发育，岩体破碎、极破碎，岩块尺寸20～200mm；岩芯多呈碎块状，块径30～80mm，钻孔岩芯多见钙质、锈蚀痕迹，断面不新鲜。用镐可挖，干钻不易钻进,岩体纵波波速1596～2972m/s，波速曲线呈锯齿状。该层真厚度6.50(M4ZK4)～11.00m(M4ZK3)，该层主要分布于斜坡表层，特别是下游侧坡面。

b.中等风化层。结构部分被破坏，风化裂隙发育，岩体被切割成岩块，一般块体大小200～500mm。钻孔岩芯断面较新鲜，呈扁柱状、柱状及块状，节长60～220mm。用镐难挖，岩芯钻方可钻进,岩体纵波波速2077～3897m/s，波速曲线呈锯齿状。钻孔揭露的真厚度为6.00m(M4ZK2)～13.72m(M4ZK1)。

c.微风化层。结构基本未变，有少量的风化裂隙。钻孔岩芯多呈短柱状、柱状，节长150～280mm，锤击声较清脆，有轻微回弹，较难击碎；岩体纵波波速3477～4897m/s，波速曲线整体平缓，局部呈锯齿状。钻孔揭露的最大真厚度为18.10m(M4ZK2)。

图2 典型地层现场情况

2 塌岸预测与评价

2.1 塌岸类型

M4库岸为岩质库岸，地形坡度38°～52°，库岸地带以大治组三段泥质灰岩夹页岩为主，含少量灰岩，岩层产状320°～340°∠34°～65°，为反向坡(见图3)，区内岩体中发育一组纵张裂隙，以产状135°～165°∠52°～65°的裂隙为主，局部可见陡倾(70°～82°)或缓倾(32°～45°)的张开裂隙，该组裂隙与坡向一致，冲沟两侧及山脊上多见，裂面平直，地表可见部分张开10～25cm，一般延伸长度7～12m，M4库岸下游侧最长57m，间距0.2～1.2m/条；另外发育两组“X”形剪切裂隙，产状分别为35°～55°∠62°～82°和185°～195°∠62°～76°，该组裂隙短小，一般延伸长0.6～1.5m，间距0.3～0.8m/条。坡面岩体在构造、重力作用下裂隙发育，风化强烈，岩体破碎。M4库岸分段见图4。

图4 M4-7剖面岩体完整程度划分示意图

M4库岸塌岸外倾结构面倾角总体大于坡角，发生较大范围的滑移型塌岸的可能性小。按破坏模式可分为冲蚀剥蚀型、坍(崩)塌型两种,当库岸不断发生变化，外倾裂隙临空时，可能沿外倾结构面产生局部滑移。

2.2 塌岸破坏方式预测

根据勘察区库岸基本特征及库岸的破坏类型，由于坡面岩体破碎，采用卡丘金法图解法进行塌岸预测。上游侧外倾结构面倾角小于坡角，但延伸长度短，仅局部发生滑移型塌岸，不具备计算条件。本区仅存少量的土体，岩质塌岸是本次评价的重点。图解法示意图见5。

选取各段破碎岩体在不同库水位条件下的稳定坡角，是准确确定库岸再造范围的关键，本段库岸岩石风化强烈，强风化破碎岩体参照碎石土的稳定坡角，中等风化破碎、较破碎岩体参照块石土的稳定坡角确定。

结合库区大治组地层分布区库岸稳定情况综合分析后，该区库岸水位变动带稳定坡角取值，根据各段斜坡外倾结构面确定，当外倾结构面倾角小于坡角时，取结构面倾角，当结构面倾角大于地形坡角时，

图5 图解法示意图S—塌岸宽度(m)；A—水位变幅(m)；Hp—设计低水位以下波浪影响深度(m)，一般取1～2倍浪高,取1m；Hb—设计高水位以上波浪爬高(m),取1.5m；Hs—设计高水位以上坡高(m)；α—水位变动带稳定坡角(°)；β—水上稳定坡角(°)；γ—原始岸坡坡角(°)。h1—正常高水位以上岸坡的高度(m)

综合取值见表1。由于表层岩体破碎，稳定坡角的取值大小根据岩体风化、裂隙发育、完整程度确定。水上稳定坡角依据岩体外倾结构面确定。

根据上述图解法对M4库岸进行了预测，图解法解得勘察区175m水位线上塌岸宽度25.91～72.86m，塌岸上界高程195.54～248.04m。有关各剖面预测塌岸宽度见表2。

表1 塌岸预测选用参数

表2 库岸预测成果(图解法)

2.3 各库岸段塌岸预测评价

采用图解法对库岸进行预测，并以最不利情况考虑塌岸宽度及塌岸上界高程。预测结果表明，M4库岸175m水位以上塌岸宽度为32.36～76.46m，塌岸上边界高程为203.74～251.08m(见表2)。

根据塌岸对城市或移民迁最低基准线177m高程的影响程，可将塌岸强烈程度分为三级。

a.塌岸强烈。塌岸上边界高程大于建设最低基准线高程，宽度大于20m。

b.塌岸较强烈。塌岸上边界高程大于建设最低基准线高程，宽度度小于20m。

c.塌岸轻微。塌岸上边界高程小于建设最低基准线高程。

综上所述，勘察区库岸在库水作用下存在着一定规模的塌岸，该区由于地形坡度陡，坡面岩体破碎，下部塌岸进而形成新的临空面，造成上部坡体失稳，形成涌浪，威胁长江航道安全，同时破坏巫峡地貌景观，而且会成为三峡库区固体径流的主要物质来源，形成新的水土流失，从而加速水库淤积。

3 塌岸治理方案评价及建议

根据现场勘察及室内综合分析后认为M4库岸坡面岩体较破碎—极破碎，稳定性差，库岸带在库水作用下已发生局部塌岸，塌岸还将继续发生。由于上部斜坡在重力、卸荷作用下，弯曲变形明显，表面岩体松弛，存在外倾结构面，下部塌岸的发生将造成上剖斜坡形成新的临空面，加剧上部斜坡的变形，进而可能诱发大规模的崩滑发生。由于库岸带岩体对上部斜坡起支撑作用，治理时不宜大量清方。

该库岸位于巫峡高陡斜坡区，无公路相通，仅有长江水上航道通行，施工条件差。同时治理部位于消落带，治理时间受库水涨落限制，工期短。由于坡面岩体松散，时有危石坠落，施工时应加强安全防护。

3.1 塌岸类型

通过对已滑塌库岸龚家坊2号斜坡定性分析发现，当库水位上升至173m时，首先是前缘145～175m高程中间处的位移最大，并发生压剪破坏，随着前缘侵蚀—剥蚀，库岸不断变陡，影响上部破碎岩体的稳定性，可能诱发斜坡整体破坏，产生涌浪，对长江航道的安全产生影响。因此，削落带的治理是M4段斜坡治理的关键，对其治理是必要的。

3.2 防治方案建议

根据库岸带斜坡变形情况及岩体破碎程度，建议分段采用不同的防治措施。

a. ab段。坡面岩体较破碎，稳定性较好，建议采用库岸整体加固+坡面防护相结合的方案，中等风化层为锚固段。本段试验性治理完毕，目前治理部分待退水后及时察看治理效果。

b. bc段。坡面岩体破碎，破碎带厚度大，建议采用库岸整体加固+坡面防护相结合的方案。本段试验性治理了一部分，目前治理部分待退水后及时察看治理效果。

c. cd段。坡面岩体裂隙极发育，岩体极破碎，建议先采用固结灌浆加固岩体，再采用库岸整体加固+坡面防护相结合的方案。

d. de段。145～175m高程岩体新鲜，较完整，可暂不治理，175m水位以上坡体弯曲明显，建议继续监测。

4 结 语

本次对库岸勘察是在综合分析前期已有资料的基础上进行的，通过钻孔施工、物探全孔摄像、声波测试，对地表变形现象的再核实，主要结论如下：

a.钻孔显示，破碎带厚度13～20m。库岸带岩体在库水作用可能发生冲蚀剥蚀型及崩(坍)型塌岸，当库岸不断扩展，局部可能发生滑移型塌岸。

b.预测M4库岸175m水位以上塌岸宽度为32.36～76.46m，塌岸上边界高程为203.74～251.08m，塌岸强烈。库岸带有危岩1处，破坏模式为滑移式，体积32m3，现状基本稳定，建议清除。

c.M4斜坡库岸带进行工程治理， ab段建议采用库岸整体加固+坡面防护相结合的方案，本段已治理完毕，在退水后及时察看治理效果；bc段岩体破碎，建议采用库岸整体加固+坡面防护相结合的方案；cd段岩体极破碎，建议先采用固结灌浆加固岩体，再采用库岸整体加固+坡面防护相结合的方案；de段较完整，可暂不治理，175m水位以上建议继续监测。由于145～175m高程是斜坡整体稳定的关键部位，不宜在此部位大量清方，以免加速上部斜坡的变形。