库岸稳定问题

2020/2/101第五讲水利水电工程建设中的环境工程地质问题武汉大学水利水电学院杨连生2020/2/102大中型水库是国民经济和社会发展的基础设施。大中型水库是江河治理中的关键工程。水库在防洪、灌溉、供水、发电及改善环境等方面的作用与效益是巨大的。但水库也改变了局部河流的天然状态。库水位周期性升降和水量的不断变化，都会引起库区及周边地区地质环境的变化，诱发一系列对环境发生不利影响的地质问题——水库环境工程地质问题。总结国内外一些水利水电工程资料，因兴建水库和水利设施引发的地质问题有:⒈淹没：由于水库蓄水，会使库内一些城区和居民点、古迹、文物、工矿企业、铁路、公路和其他一些重要建筑物以及大片农田、森林等受到“淹没”⒉浸没：由于水库蓄水会便两岸地下水位抬高，使一些地区发生“浸没”，甚至地上建筑物也受到危害，有些地区甚至发生沼泽化、盐渍化，导致农作物无法种植、土地荒芜、工矿企业排水困难。在低洼地区会引起土地充水、沼泽化、盐渍化或地下水淹没。⒊渗漏：水库若存在严重“渗漏”，会影响水利枢纽正常运行。⒋库岸再造：当水库受到冲刷和侵蚀会引起“库岸再造”，有些地段形成滑坡、崩塌和冲蚀。在有古滑坡存在条件下会发生“复活”。⒌水库淤积：库容体积减小，使农业、航运、渔业条件恶化，自然环境条件受到影响。⒍水质变坏：泥炭层、垃圾场以及工厂污水废料排放到水库使水库水质变坏，卫生条件变差，导致生活用水、灌溉用水受到污染，引发一些疾病。2020/2/103⒎诱发地震：有的水库会产生水库诱发地震。此外，还有下游河道演化问题、泥石流问题、移民环境问题等。治理以上水库环境工程地质问题对国民经济发展，对人类生存条件，有着十分重要的意义。一、库岸稳定问题水库建成蓄水后，库岸自然条件发生急剧变化，使之处于新的环境和动力地质作用下，表现为，①原来处于干燥状态下的岩主体，在库水位变化范阖内的部分因浸湿而经常处于饱和状态，其工程地质性质明显恶化，f、c值下降；②岸边遭受人工湖泊波浪的冲蚀淘刷作用，较原来河流的侵蚀冲刷作用更为强烈；③库水位经常变化，当水位快速下降时，原来被顶托而壅高的地下水来不及泄出，因而增加了岸坡岩土体的动水压力和自重压力。因之，使得原来处于平衡状态下的斜坡，有一部分发生变形破坏，直至达到新的平衡状态为止。库岸的变形破坏，危及滨库地带居民点和建筑物的安全，使滨库地带的农田遭到破坏；库岸的破坏物质又成为冰库的淤积物、减小库容。近坝库岸大塌滑体的安然滑落，在水库中激起的涌浪，还能危及大坝安全，并给坝下游带来灾难性后果。2020/2/104㈠库岸失稳破坏的类型⒈塌岸库岸土石体在库水波浪及其他外动力作用下，失去平衡而产生逐步坍塌，库岸线不断后移而进行边岸再造，以达到新的平衡的现象和结果，称水库塌岸(或称水库边岸再造)。可见，水库塌岸是不同于岩土体崩塌和滑坡的一种特殊的破坏形式。这种现象主要发生于土质岸坡地段。水库蓄水最初几年内塌岸表现最为强烈，随后渐渐减弱，可以延续几年甚至十几年以上。因而，塌岸是一个长期缓慢演变过程。最终塌岸破坏带的宽度可达几百米，如我国黄河三门峡库最大塌岸带宽度284m，最大单宽塌方量达7000m3以上。在某一水动力条件和地质条件下，最终塌岸完成时间及塌岸带宽度总是一定的。塌岸的过程十分复杂，大致如图1所示。⒉滑坡库岸滑坡在大部分水库蓄水后都会发生，只是规模不同而已，它往往是岸坡蠕变的发展结果。按库岸滑坡发生的位置，可分为水上滑坡和水下滑坡，以及近坝滑坡和远坝滑坡。近坝的水上高速滑坡危害尤大。意大利瓦依昂水库左岸1963年10月9日发生的超大型高速滑坡，举世震椋。我国湖南拓溪水库，在1959年的蓄水初期，大坝上游1.5km的塘岩光发生大滑坡，165万m3土石以25m/s的速度滑人库中，激起高达21米的涌浪，致使库水漫过尚未完工的坝顶泄向下游，损失巨大。国内外大型的库岸滑坡还有多起，在此不一一例举。滑坡是库岸破坏的主要形式之一，由于危害较大，对山区水库来说，需重视研究近坝的库岸滑坡。我国的几座大型水坝，如龙羊蛱和小浪底水库均存在此问题。翻页2020/2/105图1水库塌岸过程示意图（a）水库岸坡的初期破坏；（b）浪蚀龛及浅滩的形成；（c）库水位下降时的塌岸作用；（d）库水位上升时的塌岸作用；（e）最后岸坡的形成1、2、3—分别为库水位变化；Z正、、Z死分别为正常高水位及死水位2020/2/106⒊岩崩岩崩是峡谷型水库岩质库岸常见的破坏形式，它常发生在由坚硬岩体组成的高陡库岸地段。水库蓄水后，由于坡脚岩层软化或下部库岸的变形破坏，而引起上部库岸的岩体崩塌。㈡库岸稳定的影响因素影响库岸稳定的因素很多，一种划分为自然因素和人为因素；另一种划分为内在因素和外在因素。人为因素和自然因素的一部分属于外在因素。人为因素是本学科研究的重点。自然因素有库岸地形地貌、水文、气象、地层岩性和地质构造等。库岸愈是高陡，则塌岸愈严重；弯曲的库岸较平直易发生塌岸；凸形坡较凹形坡塌岸更严重些。岩土的类型和工程地质性质不同，塌岸的宽度和速度是不相同的，一般由坚硬岩石组成的库岸地段，稳定坡角较大，不易发生塌岸，而松散软土组成的库岸除卵砾石外，所形成的库岸坡度较小，塌岸较严重。其中尤以黄土类土和砂土库岸更严重。建库兴坝，叠加在库岸斜坡上的人为因素，即水库地质作用是比较复杂和特殊的，它使得库岸的演变过程在形成机制上更具有难解性和复杂性。归纳起来，这些因素主要是:⒈库水的地质作用就对库岸的地质作用而言，包括改变库岸外表型态的浪蚀作用、引起库岸岩土体物理力学性质发生变化的库水浸泡作用、引起岸坡地质体渗流场发生改变的库水渗透作用以及库水的静水压力和浮托力作用等。2020/2/107⒉人类以及其他经济活动的作用在库岸区，人类经济活动将出现结构性调整，对库岸稳定发生间接影响，包括农村居民密度增大、生产生活负荷增加，环境容量不足，加紧在斜坡地带的垦殖等开发活动；旧城镇的迁移改造和新城镇的建立、交通网络的改造与发展、码头的重建与发展等，均可能引起斜坡地质环境质量和容量发生矛盾的情况，影响库岸的稳定。⒊兴库使气候环境发生变化，从而影响库岸的稳定由于建库，库区的水热条件发生变化，污染作用将增加，可改变斜坡岩土体的水理、物理性质，促使库岸局部泥石流的活动。㈢库岸稳定性预测为了对水库近岸土地、工矿、道路等作出短期利用和最笋迁移的合理规划及防治措施，需根据库岸地质条件和库水位变化情况；对水库蓄水后某一短期内以及最终的塌岸宽度、塌岸速度、形成最终塌岸线的年限作出定量估算，以便采取防治措施。预测的方法很多，包括计算法、图解法、类比法、试验法等。目前，对库岸稳定性能的研究大体依次分为:进行宏观地质判断、静态系统分析、动态系统分析和失稳预报。地质判断：对库岸进行工程地质条件分段，并进行分段稳态论证；对可能失稳库段进行详细论证，分段论证，强调采用规范化格式。2020/2/108动态系统分析：是在查清边界条件和相应计算参数的基础之上，建立稳态分析计算式。静态系统（的概率论）分析：由于通常采用的方法是计算在确定边界条件和计算参数前提下的安全系数，并以此为依据判断库段的稳态。事实上，边界条件与计算参数并非都是完全稳定的，因此安全系数有一个置信度或可靠度的问题。所以，还要讨论边界条件与计算参数选择中的随机性与由此而得到的指标(安全系数)的可靠度问题，这就是静态分析。二、水库浸没问题㈠水库浸没水库浸没：水库蓄水后水位抬高，引起水库周围地下水壅高。当库岸比较低平，地面高程与水库正常高水位相差不大时，地下水位可能接近甚至高出地面，产生种种不良后果，此种现象称为水库浸没。（图2）浸没对滨库地区的工农业生产和居民生活危害甚大，如农田沼泽化或盐碱化；建筑物的地基强度降低或破坏；附近城镇居民无法居住，矿坑渗水等。浸没问题常常影响到水库正常高水位的选择，甚至影响到坝址的选择。可能产生浸没的条件是：⒈受库水渗漏影响的邻谷和洼地，平原水库的坝下游和围堤外侧，特别是地形标高接近或低于原来河床的库岸地段，容易产生侵没。2020/2/109图2水库回水及浸没示意图⒉岩土应具有一定的透水性能。基岩分布地区不易发生浸没。第四纪松散堆积物中的粘性土和粉砂质土，由于毛细性较强，易发生浸没；特别是胀缩性土和黄土类士浸没的影响更为严重。不易发生浸没的地段是:⒈库岸为相对不透水岩土层组成或研究地段与库岸之间有相对不透水层阻隔；⒉研究地段与库岸间有经常水流的溪沟，其水位等于或高于正常蓄水位时。2020/2/1010对水库的淹没，一般可通过1:10000一1:50000地形图来圈定，在图上圈出正常高水位或最高壅水位的尖灭界线。㈡浸没标准问题浸没标准是指地下水超过城市建筑、工矿企业、道路和各农作等的安全埋藏深度。建筑物的浸没标准：基础埋深加基础下土的毛细上升高度；农作物的浸没标准：是农作物的根系深度（一般不超过0.5m）加根系下部土的毛细管上升高度。如果壅水后的实际地下水位线还不到浸没水位，则不会产生浸没。一般将产生浸没的地下水埋藏深度称为地下水临界深度。㈢浸没预测一般通过地下水壅高计算预测地下水回水位高程。当回水位高程高于当地临界地下水，则认为发生浸没。有关地下水回水高度计算公式可参考有关书籍，这里不作介绍。㈣预防浸没和淹没应采取的工程措施为了保护一些工程免受浸没和淹没，可以采取一些防护措施。但是在某些环境工程2020/2/1011地质条件下，仅借一种措施还难以预防浸没和淹没时，可安置降水和排水设备，修建一些渠道使河水绕过保护区引泄。三、水库淤积问题（一）淤积问题水库为人工形成的静水域，河水流入水库后流速顿减，水流搬运能力下降，所挟带的泥砂就沉积下来，堆于库底，形成水库淤积。淤积的粗粒部分堆于上游，细粒部分堆于下游，随着时间的推延，淤积物逐渐向坝前推移。修建水库的河流若含有大量泥砂，则淤积问题将成为该水库的主要工程地质问题之一。水库淤积虽然可起到天然铺盖以防止库水渗漏的良好作用，但是大量淤积物堆于库底，将减小有效库容，降低水库效益;水深变浅，妨碍航运和渔业，影响水电站运转。严重的淤积，将使水库在不长的时间内失去有效库容，缩短使用寿命。美国科罗拉多河上一座大型水库，建成13年后便有95%的库容被泥砂充填。日本有256座水库平均使用寿命仅53年；其中56座已淤库容的50%，26座已淤库容的80%。我国山陕高原上有一些小水库，建成一年后库容竟全部被泥砂淤满。有人对我国20座水库淤积作过统计，根据统计资料，在不到14年内，20座水库平均库容损失率为31.3%，年平均损失率为2.26%，相当于美国水库淤积速度的3.2倍。（二）水库淤积对环境的影响水库淤积不仅缩短水库使用寿命，而且会给上下游防洪、灌溉、航运、排涝治2020/2/1012碱、工程安全和生态平衡带来影响。水库的兴建，极大地改变了原河流的水动力条件和河流地质作用，使其侵蚀、搬运和沉积作用发生大幅度的变化，并在自我调整中取得新的动态平衡。其间，库内沉积作用加剧，将影响水库的寿命、航运(包括航道和港口)的通畅、库尾的洪水位等；在坝下游，由于清水下泄，冲刷作用增强，底蚀显著，河道下切，河流变直，可导致部分河段岸坡稳定性下降，出现裂缝、坍塌等现象，河道还可能出现负比降，影响汛期行洪等。影响水库淤积的环境因素：主要是上游人库的泥沙量(决定于流域上游的地质构造、地形、地貌以及水土保持、水利设施等)，库岸地带的崩、滑、流发育状况，水库的形状特征以及水库调度特性等;影响下游河道冲刷的因素，主要是水库的运用特征和河岸性质。对这一问题的研究，要在查清影响因素，分析、掌握冲淤基本规律的基础上，通过模拟试验、计算，对淤积和冲刷可能带来的种种危害性，进行预测和评价，并提出防治措施。对己建水库，要进行监测。（三）防治水库淤积的措施防治水库淤积的措施有:在固体径流来源地区开展水土保持、整治冲沟、植树种草、加固库岸不稳定地段等。也可以在水库上游固体径流来源最严重的支流、沟谷上修建拦沙库。此外，修建水库时应设置泄流排沙设施，以减小库内的淤积。2020/2/1013四、水库诱发地震自1931年希腊马拉松水库首次诱发地震以来，已有70多年