萬州江南新區(qū)密溪溝庫岸特征及塌岸風險預測

(長江巖土工程總公司(武漢)，湖北 武漢 430014)

三峽工程建成后，庫區(qū)水位大幅上漲，致使萬州江南新區(qū)密溪溝形成獨特的內(nèi)湖水灣。受水庫周期性調(diào)節(jié)影響，在密溪溝兩岸形成兩條帶狀淹沒線，環(huán)境景觀效果差；密溪溝自然岸坡較陡，頻繁的水位變動將會加大庫岸坍塌、侵蝕再造及水土流失的風險；岸邊沖溝也將成為潛在的納污區(qū)，對密溪溝水環(huán)境造成不利影響。

因此修建密溪溝塌岸防治工程已迫在眉睫，勢在必行，通過修建密溪溝庫岸防治工程，可以把消落帶變成休閑、娛樂和觀光的濱水公共休閑區(qū)，有利于提升江南新區(qū)的城市品質(zhì)，促進生態(tài)旅游和地方經(jīng)濟發(fā)展。

1 庫岸地質(zhì)環(huán)境

1.1 地理環(huán)境

萬州地處三峽庫區(qū)腹心地帶，是三峽庫區(qū)的中心城市和長江十大港口之一，水路可直通重慶、宜昌，陸路交通較發(fā)達，交通便利。密溪溝位于重慶市萬州江南新區(qū)北片，為三峽水庫庫區(qū)長江一級支流，庫岸始于密溪溝大橋左岸橋頭，環(huán)繞密溪溝溝內(nèi)庫岸一周，終于密溪溝大橋右岸橋頭，庫岸線全長6462m，密溪溝岸位置見圖1。

1.2 地層巖性

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

工程區(qū)位于四川臺坳川東褶皺束萬縣復式向斜北東段近軸部，北臨鐵鋒山背斜，南近方斗山背斜，褶皺走向為北東向，褶皺形態(tài)為梳狀高背斜和寬闊平緩向斜相間排列，構(gòu)成隔擋式構(gòu)造。工程區(qū)未發(fā)現(xiàn)較大斷層和活動斷裂；地震烈度為Ⅵ度。

1.4 水文地質(zhì)

工程區(qū)內(nèi)河流主要為長江、密溪溝及地表沖溝等，長江為工程區(qū)內(nèi)最低排泄基準面。根據(jù)地下水含水介質(zhì)、水動力及補徑排特征，密溪溝庫岸地下水分為第四系松散堆積層孔隙水和基巖裂隙水。

2 庫岸基本特征

本文研究的岸坡是密溪溝兩岸臨江第一岸坡內(nèi)，死水位145m(死水位尖滅點以上為天然水位)至水庫20年一遇洪水位之間，高差30～40m范圍內(nèi)的岸坡段，見圖2。

圖2 密溪溝岸坡

a.為準確反映庫岸的基本特征，按巖土類型將本庫岸的岸坡分為巖質(zhì)庫岸、土質(zhì)庫岸、巖土質(zhì)混合庫岸三大類，見圖3，再根據(jù)覆蓋層的不同成因、巖質(zhì)岸坡與地層產(chǎn)狀的關系等進行細分：

土質(zhì)庫岸(Q)是指主要由第四系松散堆積層組成的岸坡，基巖埋深較大。按成因類型進一步劃分為殘坡積土岸坡(E)、崩坡積土岸坡(C)、滑坡堆積岸坡(D)、人工堆積岸坡(M)四類。

巖質(zhì)庫岸(R)是指基巖出露或覆蓋層較薄的岸坡(覆蓋層厚度小于1.5m)。按巖層產(chǎn)狀與岸坡走向的關系進一步劃分為順向坡(S)、逆向坡(N)、斜向坡(X)三類。

巖土質(zhì)混合庫岸(RQ)是由基巖和土體組成的岸坡。按消落區(qū)巖、土在坡面的組合關系進一步劃分為上土下巖型(Ⅰ類)岸坡和上巖下土型(Ⅱ類)岸坡。

b.按庫岸岸坡地形坡角可將庫岸分為以下三類:

1類庫岸：庫岸地形坡角小于20°。

2類庫岸：庫岸地形坡角在20°～35°之間。

3類庫岸：庫岸地形坡角大于35°。

庫岸結(jié)構(gòu)類型分類，見表1。

密溪溝庫岸根據(jù)庫岸特征及分段原則可分為22段，其中巖土混合庫岸長4073.6m，占工程區(qū)庫岸的63%；土質(zhì)庫岸長1512.1m，占工程區(qū)庫岸的23.4%；巖質(zhì)庫岸總長876.3m，占工程區(qū)庫岸的13.6%。

表1 庫岸結(jié)構(gòu)類型分類表

圖3 岸坡結(jié)構(gòu)類型

3 塌岸的影響因素分析

水庫蓄水或運行過程中，庫岸到所處的地質(zhì)環(huán)境將發(fā)生顯著改變，自然平衡條件將遭到受破壞，從而引起岸坡穩(wěn)定性的變化并產(chǎn)生庫岸再造，改變岸坡的形態(tài)，直至達到新的平衡。

根據(jù)庫岸形態(tài)、岸坡的結(jié)構(gòu)類型、庫水的影響等因素，蓄水后，可能的再造類型有沖蝕剝蝕型(Er)、坍(崩)塌型(C0)和滑移型(Sl)三種，各再造類型的可能破壞模式，見表2。

表2 庫岸再造類型破壞模式特征表

影響庫岸再造的因素可分為內(nèi)在因素和外在因素。內(nèi)在因素即庫岸結(jié)構(gòu)類型，主要包括庫岸原始坡度和形態(tài)、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地層結(jié)構(gòu)和巖體構(gòu)造。外在因素主要包括庫水位的變化幅度和持續(xù)時間、風力和波浪作用。庫岸再造是上述各種因素綜合作用的結(jié)果，由于影響各段庫岸再造的主導因素不同，庫岸再造的發(fā)展速度和程度存在差異。庫岸越高、越陡，庫岸再造就越嚴重；反之，越輕微。水下岸坡陡直，岸前水深，波浪作用強烈，塌落物質(zhì)搬運速度快，加快了庫岸再造過程。支溝發(fā)育，地形切割嚴重、岸線彎曲的庫岸再造嚴重，特別是突嘴、凸岸，其三面臨水，庫岸再造尤為嚴重，平直和凹岸則較輕微。

組成庫岸的巖土類型和性質(zhì)直接影響庫岸抗沖蝕能力的強弱，庫岸再造的速度和寬度還與觸水部分巖層的組合有關。

庫水位的變化幅度與各種水位持續(xù)時間對水庫庫岸再造影響甚大。高水位時形成的淺灘，水位下降時就會受到破壞，庫水位的變化幅度越大，在動水壓力的作用下，岸坡就越容易受到破壞；庫水位的持續(xù)時間越長，波浪作用的概率就越高，使塌岸速度加快，庫岸再造范圍擴大。水庫蓄水后，波浪作用成為主要應力，波浪對庫岸的再造主要表現(xiàn)為擊岸浪對岸壁土體的掏刷和磨蝕，對塌落物質(zhì)進行搬運。

4 塌岸預測方法與參數(shù)確定

4.1 預測方法

目前國內(nèi)外對塌岸預測方法尚處于探索階段，常用的塌岸預測方法有工程地質(zhì)類比法(圖解法)、綜合判定法、卡丘金法、佐洛塔廖夫法、統(tǒng)計法等，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)黏土以及黏土等組成庫岸的塌岸預測。國內(nèi)的一些大中型水庫對塌岸預測的實踐表明，在塌岸預測中，工程地質(zhì)類比法(圖解法)是較為理想的方法。密溪溝庫岸塌岸預測所采用的即為工程地質(zhì)類比法(圖解法)與綜合判定法。

4.1.1 工程類比法(圖解法)

此法的基本原理就是將蓄水后各設計水位下不同巖性的岸坡坡角與自然條件、類似情況下的岸坡坡角進行類比，以確定塌岸的影響范圍，即以天然水下的穩(wěn)定坡角(α)作為蓄水后死水位以下的穩(wěn)定坡角，以天然水位至洪水位之間水位變動帶的穩(wěn)定坡角(β)作為蓄水后水位變動帶的穩(wěn)定坡角，以天然洪水位以上的穩(wěn)定坡角(γ)作為蓄水后洪水位以上穩(wěn)定坡角，以確定塌岸影響范圍，見圖4。因此，運用此法進行水庫塌岸預測時，蓄水前后的特征水位以及相應的特征水位下的岸坡穩(wěn)定坡角是預測塌岸的控制因素。

4.1.2 綜合判定法

巖質(zhì)庫岸再造預測應根據(jù)庫岸地質(zhì)結(jié)構(gòu)、岸坡天然坡高、坡角、裂隙組合與坡向的關系等，分以下三種情況進行綜合判定：

a.庫岸為逆向-斜向坡，外傾裂隙不發(fā)育，且岸坡天然坡角小于35°時，一般不會產(chǎn)生庫岸再造。

b.庫岸為逆向-斜向坡，岸坡高、陡，各種結(jié)構(gòu)面的組合在坡面上可形成危巖體時，會產(chǎn)生局部崩塌，但不會產(chǎn)生大范圍庫岸再造。

c.庫岸為順向坡，外傾裂隙發(fā)育，且岸坡天然坡角大于結(jié)構(gòu)面傾角時，可能產(chǎn)生較大范圍的庫岸再造。

因此，對巖質(zhì)庫岸在地質(zhì)調(diào)查的基礎上結(jié)合圖解法進行預測，特別是崩塌型庫岸再造段，調(diào)查岸坡卸荷裂隙發(fā)育特征與卸荷帶寬度，并據(jù)此預測庫岸再造寬度，與工程類比法進行對比，預測該段庫岸再造最大寬度。

圖4 岸坡塌岸預測

4.2 參數(shù)確定

4.2.1 特征水位的選取

依據(jù)工程地質(zhì)類比法原理，預測塌岸時的特征水位，見表3。

表3 密溪溝塌岸預測特征水位

4.2.2 穩(wěn)定坡角取值

根據(jù)上述預測庫岸再造原則，要確定庫岸最終再造寬度與高程，首先應取得各巖土層在不同庫水位條件下的自然穩(wěn)定坡角，自然穩(wěn)定坡角的取值應切合實際且具有代表性。

萬州城區(qū)建成的庫岸防護工程已安全運行多年，其岸坡巖土層的水下穩(wěn)定坡角取值可作為參考。根據(jù)工程區(qū)巖土體成因、類型和已建成縣城庫岸的巖土體成因、類型的一致性，參考《長江三峽工程庫區(qū)萬州新縣城庫岸防護工程地質(zhì)勘察報告(詳細勘察階段)》(2001年8月)中各巖土層水下穩(wěn)定坡角的取值，并結(jié)合工程區(qū)各巖土層物理力學性質(zhì)確定密溪溝各巖土層在不同特征庫水位狀態(tài)下的穩(wěn)定坡角建議值，見表4。

表4 各類巖、土岸坡自然穩(wěn)定坡角 單位：(°)

4.2.3 庫岸再造程度分級

根據(jù)《三峽庫區(qū)三期地質(zhì)災害防治工程地質(zhì)勘察技術要求》(2004年12月)庫岸再造強烈程度的分級標準，結(jié)合萬州區(qū)移民遷建建設最低高程將庫岸再造強烈劃分為三級，見表5。

表5 庫岸再造強烈程度分級

5 塌岸預測結(jié)果與分析

5.1 塌岸預測結(jié)果

根據(jù)上述原理，對萬州江南新區(qū)密溪溝庫段各勘察剖面進行了塌岸預測，結(jié)果見表6。庫岸段典型剖面再造預測見圖5。

表6 密溪溝庫岸段塌岸規(guī)模預測結(jié)果

續(xù)表

圖5 庫岸再造典型剖面預測

5.2 塌岸結(jié)果分析

a.密溪溝為長江右岸一級支流，溝谷深切，谷底比降大，兩岸岸坡陡峻，局部形成陡崖與峭壁，兩岸覆蓋層零星分布，且厚度不大，岸坡總體以巖土質(zhì)混合岸坡、巖質(zhì)岸坡為主，根據(jù)工程類比法和現(xiàn)場庫岸現(xiàn)狀、形態(tài)與結(jié)構(gòu)綜合判定法進行庫岸再造預測，兩種方法得出的再造寬度中，工程類比法的再造寬度稍大于綜合判定法的再造寬度。

b.根據(jù)塌岸預測結(jié)果，密溪溝庫岸再造強烈(Ⅰ級)庫岸段累計長1829.5m，占工程庫岸總長的28.3%，主要分布于密溪溝中部兩岸岸坡上；庫岸再造較強烈(Ⅱ級)庫岸段累計長385.6m，占工程庫岸總長的6.0%，主要分布于密溪溝尾；庫岸再造輕微(Ⅲ級)庫岸段累計長4246.9m，占工程庫岸總長的65.7%，主要分布于密溪溝溝口和2號沖溝內(nèi)。

c.庫岸再造類型中主要以沖蝕剝蝕型(Er)破壞為主，部分為坍(崩)塌型(Co)破壞，且主要位于溝口水位變幅帶內(nèi)砂巖陡崖上，少量陡坡上厚度較大的土層可能存在滑移型破壞。

d.三峽水庫蓄水后，庫岸再造強烈段(Ⅰ級)將存在強烈的沖蝕剝蝕型和崩塌型庫岸再造，對庫岸附近工程產(chǎn)生不良影響。

6 結(jié) 語

隨著三峽水庫投入運行，沿江區(qū)域交通不暢、庫岸再造和消落區(qū)環(huán)境惡化等問題逐步顯露，亟待解決。水庫塌岸的危害性主要表現(xiàn)在城鎮(zhèn)所在岸坡的失穩(wěn)，加之三峽庫區(qū)移民的就地后靠式搬遷模式，使得城鎮(zhèn)庫岸的塌岸防護工作更加重要。因此，根據(jù)詳細的地質(zhì)勘測資料采用圖解法與綜合判定法對塌岸的規(guī)模、可能造成的地質(zhì)災害進行預測，對于指導萬州區(qū)乃至整個三峽庫區(qū)地質(zhì)災害治理具有重要意義，其生態(tài)效益、經(jīng)濟效益和社會效益十分顯著。