地下水与优势结构面对库岸滑坡形成的联合效应＊——以龙羊峡近坝库岸滑坡为例

邓宏艳,王成华,李秀珍

(1.西南交通大学土木工程学院,四川成都 610031;2.中国科学院·水利部成都山地灾害与环境研究所,四川成都 610041)

0 引言

20世纪以来,由于经济和社会发展的需要,人类与地质环境的相互影响越来越强,这也使得滑坡等地质灾害的发生日益频繁。在水利水电工程中滑坡灾害也较为常见,国内外的几起重大库岸滑坡事故[1]使人们更深入地了解了库岸滑坡的危害性。而龙羊峡、三峡、二滩、向家坝、溪洛渡等大型水电站的建设给学者们提供了研究库岸滑坡的良好契机。他们分别从不同的角度对库岸滑坡的形成机理、分布规律、发展趋势和防治技术等方面进行了大量深入的研究[2-10]。

地下水(或水岩作用)对库岸滑坡的形成、发展及演化具有非常重要的影响。前人的研究通常将地下水视为地质营力之一,地下水对滑坡的作用主要表现在以下三个方面[11-15]:物理作用(软化、润滑、泥化及结合水的强化作用)、化学作用(水化、水解、离子交换、溶滤、溶蚀及氧化还原)和力学作用(静水压力、动水压力),并在此基础上提出了一些考虑地下水作用的防治技术和稳定性分析方法[16-18]。据野外调查,滑坡通常是沿着各种结构面发生变形和破坏的,已有不少学者从分析坡体内结构面的角度出发计算滑坡的稳定性,并进一步提出了优势结构面的概念、判别方法和应用技术[19-25]。而从地下水对坡体内结构面的作用着手分析地下水对滑坡形成、演化影响的研究还很少。由于优势结构面本身就比较脆弱,更容易被地下水侵入;反过来,地下水的侵入更进一步弱化了优势结构面,优势结构面与地下水的相互作用,对滑坡的孕育和形成起到了至关重要的作用。地下水对滑坡的作用机理和定量评价也是目前滑坡研究中的难点和热点。

本文以龙羊峡水电站近坝库岸滑坡[27]为例,从地下水作用和优势结构面的联合效应出发,对近坝库岸滑坡的形成机制进行了分析,揭示了地下水作用和优势结构面的联合效应对半成岩湖相地层滑坡形成、发展的控制作用。

1 龙羊峡水电站近坝库岸地质概况

1.1 近坝库岸区域地质概况

龙羊峡水电站位于我国黄河上游、青海省共和县和贵德县交界处。地处青藏“歹”字形构造系头部的扩散部分,处于秦昆纬向构造体系、西域构造体系和河西构造体系的复合部位。这一区域的新构造运动强烈,褶皱、断层分布较广。在地貌上,近坝库岸区域呈串珠状分布的断陷盆地与环抱山地地形的组合。此段黄河河床变窄,冲刷、下切强,沟谷纵横,切割密度大。并且由于新构

1.2 近坝库岸滑坡分布规律及特征

龙羊峡水电站从峡口至汪什科全长14 km的近坝库岸,历史上曾发生过百万方、千万方以至上亿方的大型半成岩滑坡有18个之多,占此段库岸总长的90%,如农场滑坡、龙羊滑坡、查纳滑坡、旺什科滑坡等等。这些滑坡在分布规律及特征上有以下共同点[27]。

①近坝库岸滑坡主要分布在第三系和第四系早、中更新统半成岩湖相地层中,其他地层中很少。

②大型滑坡主要分布在黄河南岸的高陡岸坡上,北岸平缓,滑坡则较少。由于黄河的旁蚀和下切,南岸形成坡高达400 m左右,坡度为30°～40°的湖相地层高边坡,这为大型滑坡提供了基本条件。

③由于这一区域独特的气候,使得滑坡发生的时间与众不同,不是集中在7-9月的雨季,而多在冬春降雪、融雪季节发生;且具有孕育时间长、规模大、剧滑过程极短、滑速高、滑程远的特点。

④大型滑坡发生前都有明显的前兆现象,如裂缝加宽和动物异常等。

2 地下水作用对滑坡形成的影响

通过对库区内岩溶地貌的观测、水岩作用的试验研究以及钻孔揭露出来的地下水位和滑动面埋深高程之间的联系等一系列现象的分析表明,该区域滑坡发育形成的每一个历史阶段,地下水的活动均是极为重要的因素,它是该区域内滑坡形成必不可少的条件,主要表现为地下水的长期溶蚀和动水压力作用。

2.1 近坝库岸大型滑坡的形成与地下水的长期溶蚀

对多个大型滑坡研究发现,滑带大都发育在半成岩湖相地层中。近坝库岸的湖相地层中可溶性盐含量较高,通过实验分析:地下水中盐的化学成分与湖相地层中盐的成分相近似;且从补给区到排泄区地下水的矿化度急剧增高,各种离子的含量也急剧变化(图1)。这种清泉淡水到高矿化度的碱水、微碱水的变化证明了溶蚀作用的存在。

图1 地下水矿化度及离子含量曲线图

除了地下水矿化度的急剧改变外,近坝库岸高陡岸坡中发育的一系列溶蚀地貌景观,如竖井、水平溶洞、天生桥、溶蚀残丘等,也是地下水作用强烈的有力证据。

2.2 大型滑坡的形成与地下水的动水压力作用

地下水补给区与排泄区的高差较大。从补给区海拔4 000 m到黄河岸边排泄区海拔2 500 m,两地高差1 500 m,平距约7 km,平均水力坡度仅2.1%。

图2 查纳河口附近陡坡地下水等势线图

从图2中可以看出,黄河岸坡一带地下水的水力坡度,除农场及其以东为3%～4%外,绝大多数地下水水力坡度为8%～10%,在龙西一带最高可达16%～20%。如此高的水力坡度对岸坡的稳定是很不利的,动水压力大还会加剧溶蚀和潜蚀作用,改变岸坡的内部结构,加速滑坡的孕育和形成过程。

3 优势结构面的评价及其与地下水的联合效应分析

3.1 综合评分法评价优势结构面

地球表面的岩土体在漫长的地质历史过程中,受各种因素的影响而在其表面和内部形成了各种类型和性质的结构面,如节理、裂隙、断层面、层理面、劈理、软弱层等。这些结构面的性质控制和制约着滑坡等地质灾害的形成和发展。因此,罗国煜等[2]提出了岩土体稳定分析的优势结构面法,即在众多的结构面中,必然有一组或二组结构面对滑坡等灾害的形成和发展起控制作用,这类结构面一般具有工程性质差,有特定的空间几何方位,导水富水等特点,被称为优势结构面。

优势结构面的评价一直是优势结构面理论研究中的重要部分,通常的评价方法有优势指标法、地质力学分析法、人工神经网络法、功效系数法和专家系统法[21-26]等。这些方法在应用上都各有优缺点,而本文则利用综合评分的方法,简便易行地对近坝库岸的各结构面进行分析,判断出对滑坡形成发展有利的优势结构面。

运用综合评分法[25]来确定优势结构面,首先要构造优势指标体系,再根据各结构面在优势指标体系内的表现给出一定的分数,然后再通过分数的多少来综合评判确定优势结构面。

(1)构造优势指标体系

本文总结了以往优势指标体系的构造情况,再结合本区域结构面和滑坡发育的特点,构建了以下5个指标。

①时间优势指标(TP):结构面形成的时间新老在很大程度上决定了结构面性质的强弱,按形成时间由新到老依次评分为:活动断裂(4分)、新断裂(3分)、老断裂(2分)、层面(1分)、层面(层间有错动的)(3分)。

②力学优势指标(QP):结构面力学性质的好坏是判断优势结构面的重要指标,按力学性质的强弱分为:较好(1分)、好(2分)、差(3分)、较差(4分)。

③结构面数量指标(NP):结构面的分布密度也影响着结构面的强度,可评分为较稀疏(1分)、稀疏(2分)、密(3分)、较密(4分)。

④结构面临空优势指标(OP):结构面可与其他结构面和临空面构成变形分离体,按结构面与临空面的相对位置进行评分,分别为垂直(1分)、斜交(2分)、平行(3分)。

⑤地下水对结构面作用优势指标:地下水对结构面性质的影响很大,可加速风化,降低岩土体强度等。按地下水的具体情况分为流水(4分)、滴水(3分)、潮湿(2分)、干燥(1分)。

(2)优势结构面评价

由于近坝库岸区域内经受了多次构造运动的强烈影响,特别是频繁的新构造运动的影响,使得半成岩湖相地层中普遍发生了比较宽缓的褶曲,局部断裂和广泛的带有区域型意义的节理裂隙。据对地表和12个平硐中的225条裂隙的统计,这些裂隙加上岩层层面基本上可以分为9组(表1)。

表1 节理裂隙统计表

按照以上构造的优势结构面评价体系,运用综合评分法对上述9组结构面进行评价的结果如表2所示。

表2 优势结构面综合评分表

通过综合评分,可以看到这9组结构面中的第2、4、6、8、9组的优势性比较明显,尤其是有层间错动的第9组结构面(层面)的优势性更为明显。这样的评价结果与野外现场调查是相符和的。在野外,这5组优势结构面分别构成了滑坡的后壁、侧壁和滑动面。优势结构面在地表往往也控制沟谷、岩溶等地貌的发育。

3.2 地下水与优势结构面的联合效应分析

(1)地下水与优势结构面联合效应对滑坡滑带形成的作用

地下水与优势结构面的联合作用对龙羊峡水电站近坝库岸滑坡滑带的形成具有至关重要影响。

这首先与该地区独特的半成岩湖相地层有关。这是一套以粘土岩为主的粘土岩、泥岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、砂岩的互层。这套地层不仅具有典型的层状结构,而且层理也很发育。层面、层理之间的结合程度很弱,这种松弛的结构条件极有利于地下水的作用。层面之间又受区域构造作用的影响而发生过层间错动,再加上层面是不同岩性层次的界面,地下水往往在砂岩以下的粘土岩面上汇集,导致层面强度基本上接近于残余强度,进而使得层面成为滑坡形成的重要优势结构面(主滑段)——滑带的重要组成部分。这一点在区域内滑坡的调查和勘探中也得到了证实——近坝库岸区域的滑坡的主滑段和地下水的出露基本都是沿着地层层面发育的。

其次,这套半成岩湖相地层可溶性盐含量很高,呈半胶结状,据试验分析,此套地层中、下部可溶性盐含量高达12%～30%。在遇水的情况下极易发生泥化、软化和崩解。室内土工试验表明(表3),粘土岩的单个岩块试验强度不会太低——接近沉积岩的软质岩,但是在水的浸泡下其强度就会急剧降低,天然状态下的粘聚力C和内摩擦角φ分别为0.35MPa、35°;在经过15 d的饱和溶滤后,这两者分别降低为0.005 MPa、21°。粘聚力C降低了95%以上,而内摩擦角φ也降低了40%左右。

表3 粘土岩不同条件下剪切试验结果表

以上两点基本解释了近坝库岸滑坡滑带(主滑段)的成因机理,是由于地下水沿岩层层面的长期作用使其抗剪强度损失过大,加上其他优势结构面所构成的后壁与侧壁,在强大的重力作用下,形成巨型滑坡。

(2)地下水与优势结构面联合效应实例分析——以近坝库岸的龙羊滑坡为例

龙羊滑坡位于龙西山脊以东,距坝址3.2 km,形成年代较早,初次滑动时方量约6 000万m3,是近坝库岸区域较大规模的滑坡之一。

图3 地下水作用与优势结构面联合效应下龙羊滑坡形成机理图

龙羊滑坡的滑动面的形态在本区域是很普遍的(图3),是由前端近水平的滑移面、后部的陡倾拉裂面和中部呈弧形的剪切面三段组成。前端近水平的滑移面是沿着岩层层面和地下水出露面发育的,当坡脚在地下水的作用下,抗剪强度降低,向前变形蠕变的过程中,后缘的陡倾裂隙也进一步扩展,斜坡表面的应力得到释放,但剪应力集中带开始向坡体内转移,形成一个剪应力集中带(锁固段)。当剪应力集中的程度超过斜坡内部锁固段的长期强度时,则会导致整个滑面的贯通,最后斜坡失稳,形成滑坡。

通过对龙羊老滑坡形成机理的分析,进一步验证了地下水与优势结构面的联合效应对滑坡形成的控制作用。半成岩地层滑坡的形成与地下水作用和优势结构面的联合效应密不可分,在滑坡孕育和形成的每一个阶段,这种联合效应都贯穿始终,成为半成岩湖相地层滑坡形成的重要原因。

4 结论

通过对龙羊峡水电站近坝库岸滑坡形成机理的论述,阐明了地下水作用与优势结构面联合效应是近坝库岸滑坡形成的重要原因。本区域的地下水作用主要表现为溶蚀作用和动水压力作用,而库岸坡体的变形不仅与地下水作用相关,也与结构面的影响密不可分。为此,本文在野外调查、勘探的基础上,运用综合评分法评判出对滑坡形成有利的优势结构面。该区域地下水与优势结构面的联合效应集中体现在对库岸滑坡滑带形成的控制作用。滑坡的主滑段和地下水出露基本都是沿着岩层层面(优势结构面9)发育。由于半成岩湖相地层的遇水易软化、崩解的特性,在地下水作用下岩层层面(优势结构面9)的抗剪强度急剧降低,坡脚向临空向蠕变,后缘陡倾优势结构面扩展,并逐渐贯通锁固段,最后形成滑坡。这种联合效应形成的累进性破坏是龙羊峡近坝库岸滑坡的主要形成机制,这一研究为今后半成岩湖相地层中滑坡形成机制的研究提供了有力的参考。

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