地质灾害与环境保护
JOURNAL OF GEOLOGICAL HAZARDS AND ENVIRONMENT PRESERVATION
1999年 第10卷 第1期 VOL.10 No.1 1999



堵江滑坡作坝主要工程地质问题及实例
符文熹　聂德新　任光明　万宗礼　杨天俊　张富荣
　　摘　要　国内外大量的文献资料和作者的野外现场调查表明，滑坡堵江成坝形成堰塞湖在山区一带广泛发育。研究发现堵江滑坡作坝存在的工程地质问题，主要包括坝体的渗透变形、稳定性、沉降及不均匀沉降和砂土液化问题。对上述工程地质问题进行探讨，并对堵江滑坡坝进行实例分析，对开发利用滑坡堵江形成堰塞湖蕴藏的丰富水能资源具有指导作用。
　　关键词　滑坡作坝　工程地质问题　渗透变形　稳定性　沉降　砂土液化
　　中图号　TV641　P642.2
THE MAIN ENGINEERING GEOLOGICAL PROBLEMS OF LANDSLIDE DAMMING AND THE ANALYSIS OF EXAMPLES
Fu Wenxi　　Nie Dexin　　Ren Guangming
(Institute of Engineering Geology,Chengdu University of Technology,Chengdu　610059)
Wan Zongli　　Yang Tianjun　　Zhang Furong
(North western Exploratory and Design Institute,National Electric Power Corporation,Lanzhou 730030)
　　Abstract　A number of internal and external literatures and of in-situ investigation of indicate that landslide dams and dammed lakes distribute widely in mountainous zones.The engineering geologic problems of landslide damming, mainly including infiltrational deformation,stability,settlement,and liquefaction of sand layer are discussed in this paper,and its utiliaztion is analysed on the basis of some actual samples.Therefore,this paper provides a guide for the exploration of landslide dams and dammed lakes.
　　Key Words　Landslide damming　　Engineering geologic problems　　Infiltrational deformation　　Stability Settlement 　　Liquefaction of sand layers
　　堵江滑坡坝拦蓄江水形成堰塞湖，在世界各国尤其山区广泛发育［1］。这些由堵江滑坡形成的天然堆石坝，坝高从几米至几百米，堰塞湖体积从几十万立方米至上百亿立方米，历时时间由数小时至数百年甚至上千年，堰塞湖内的沉积物厚由几米至上百米，给人类的工程活动带来极大影响。人们真正对堵江滑坡的认识和研究较晚，除对堵江滑坡的识别、形成机制、特征和溃坝后对人类工程活动的危害研究较深入外，其他方面的研究则较少。
　　滑坡坝素以“短命”坝著称，90%的坝体在滑坡发生后的一年内被破坏。漫坝和坝体渗漏，是坝体失事的主要原因。滑坡堵江成坝，虽然对上游库区的淹没和溃决后对下游地区的冲毁十分严重［2］，但滑坡堵江形成的堰塞湖却蕴藏着丰富的水能资源。如何治理并防止滑坡坝溃决，如何开发利用堵江滑坡形成堰塞湖的水能、引水灌溉，以及旅游开发、环境保护等，在理论上、经济上都具有重要的现实意义。
1　堵江滑坡作坝的主要工程地质问题
　　国内外众多的堵江滑坡坝资料表明，不仅滑坡坝本身的成因机制、滑体形态复杂多样，而且滑坡体内的物质组成、粒度成分、结构特征等差异很大，这就决定了堵江滑坡坝不同部位的物理力学性质的差异性和不均一性。
　　堵江滑坡坝虽与人工土石坝有许多相似之处，但人工土石坝是由开采材料上坝并经碾压而成，而堵江滑坡坝则是在外部诱发因素(暴雨、地震或人类工程活动等)作用下产生的滑坡崩塌堵塞江河而成，从而形成宽厚的天然堆石坝，其上下游坝坡一般较人工土石坝缓，且撒开的范围更大。因此，堵江滑坡天然堆石坝和人工土石坝一样，也存在着诸多复杂的工程地质问题。深入分析研究这些问题，对滑坡作坝将会起到指导作用。
　　堵江滑坡坝存在的主要工程地质问题，有渗透变形、稳定性、沉降及砂土液化等问题〔3〕。而上述工程地质问题与堵江滑坡堆积体内部的物质组成、粒度成分和结构特征密不可分。
　　(1) 渗透变形问题：　国内外大量文献资料和作者对滑坡坝现场调查表明，堵江滑坡堆积体除主体是滑坡崩塌体外，通常还有上游坝坡附近的堰塞沉积、河床底部冲积，以及表部后期的泥石流堆积。因而，堵江滑坡坝常具有多成因物质组成和结构特征。
　　像人工土石坝一样，渗透变形是滑坡作坝的主要工程地质问题之一。土体发生渗透变形的破坏形式，有流土、管涌、流土—管涌，而在滑坡堆积体内架空明显地带，甚至还会出现管道流破坏。研究发现，通常，上游坝坡附近的堰塞沉积物以流土破坏为主，底部冲积物以管涌为主。崩塌滑坡成因的堆积体，视内部不同层带的物质组成和结构特征的差异，上述几种渗透变形破坏均可出现。此外，不同成因堆积体之间，由于渗透系数的差异，还可造成接触冲刷。因此，在利用滑坡作坝研究时，必须对滑坡坝内部的渗透变形给予认真评价。
　　(2) 稳定性问题：　稳定性问题，包括滑坡沿原有滑动面的整体稳定性和上下游坝坡稳定性两方面，涉及滑坡作坝后坝体将来的正常运营和安全。
　　滑坡坝通常由暴雨和地震的激发而产生，在未来的暴雨和地震作用下，堵江滑坡是否还会复活，是一个重要的工程地质问题。而上下游坝坡，尤其是下游坝坡的稳定，由于堆积体内部渗透变形的差异，会造成下游坝坡附近浸润曲线增高，孔隙水压力增大，将降低下游坝坡的稳定，当灾害性洪水引起的漫坝时，造成库水翻坝，则会引起大坝溃决。因此，在滑坡作坝时，必须对坝体进行稳定性分析。
　　(3) 沉降及不均匀沉降问题：　文献资料表明，滑坡坝内部结构疏松，密实度差，一般呈松散—稍密状态，本身的物理力学性质较差，其变形模量一般也较低，将引起较大的沉降变形，尤其上游坝坡附近的堰塞沉积物，若沉积较厚，在库水压力及坝体自重作用下，沉降变形很大，严重影响坝体安全。同时，堵江滑坡堆积体由于物质组成、结构特征的不均一性，不同部位堆积体厚度的不等性，将会造成严重的不均匀沉降问题，从而导致坝体开裂，影响坝体的安全和稳定。
　　(4) 砂土液化问题：　砂土液化，是堵江滑坡作坝的另一个重要工程地质问题。滑坡堆积体下部河床冲积层及上游坝坡附近的堰塞沉积层中，存在有可能液化的砂土层，在利用滑坡作坝时，必须进行砂土液化评价。因在地震等动荷载作用下，这种砂土层的液化与否，直接关系到坝体及上部构筑物的安全与稳定。目前对液化趋势和性质的判别，大多根据堆积体内的有效粒径、不均匀系数、渗透系数、相对密度、砂土层厚度、地下水位的深浅，以及动剪应变的大小等因素，进行综合评价。
2　堵江滑坡坝实例
　　堵江滑坡坝形成堰塞湖蕴藏着丰富的水能资源，如新西兰成功地利用400m高的韦克瑞莫纳滑坡堆石坝，修建装机124MW的水电站，是成功利用滑坡坝的典型实例［4］。西班牙从1986年起对本国高山湖泊的特征、成因等方面做了大量工作，以期合理利用这些湖泊的水能资源［5］。近年来，美国工程兵团也开展了天然堆石坝的治理和堰塞湖水的排泄减灾等工作，如开挖溢洪道、机器抽水、建导流洞等，来降低湖水位，以保持滑坡坝的稳定，取得了一定成效。
　　(1) 美国华盛顿州西南部的斯皮里特岩屑崩塌坝
　　斯皮里特岩屑崩塌坝及斯皮里特湖，是1980年5月18日圣海伦斯火山爆发造成的［5］。火山爆发后，在大小冲沟沟谷中生成数个堰塞湖，斯皮里特湖是其中最大的一个。1982年8月前，岩屑崩塌坝拦蓄湖水体积约3.3×108m3。当时湖水位海拔1055m，然而坝体拦蓄水位不能超过海拔1 060m(图1)，以排除坝体决口的威胁。由溃坝数学模式计算分析表明，若斯皮里特湖堵塞体发生决口，则图特尔河北支流谷地内的臆拟洪水(或泥石流)流量约7.5×104m3/s，这样的溃决洪水足以把图特尔河与考利茨河两河下游沿岸的一些城镇淹深20m。


　　　图1　斯皮里特湖泄水隧洞定线及洞线地质纵断面
Fig.1　Spirit lake outlet tunnel alingnment and geologic profile along alignment
1.主要为凝灰岩；2.主要为玄武岩流或安山岩流；3.覆盖层或岩屑崩塌层；4.岩脉；5.断层带或正断层(据 李天池、吴积善、Schuster)
　　基于上述分析，1982年11月，美国陆军工程兵团在当地安装了一台出水率为5m3/s的临时抽水泵，以便使湖水位保持在海拔1055m处。抽水泵把湖水经一长112m，直径1.5m的管道，跨过堵塞体顶部，抽入一个静水池，尔后流入图特尔河北支流。后又开挖一条长2590m，直径3.4m的自流泄水隧洞(图1)来保持湖水位的稳定。这条泄水隧洞使湖水位下降而稳定在海拔1048m，于是出现一个约2.59×108m3的“安全”湖水容量。
　　由于岩屑崩塌区存在表面潜蚀问题，可能出现坝体潜蚀作用而导致坝坡不稳定，加之圣海伦斯火山的复苏或地震活动，仍然不能绝对保证崩塌滑坡坝的完整无损。
　　(2) 新西兰韦克瑞莫纳滑坡坝
　　新西兰的韦克瑞莫纳湖，位于新爱尔兰北部岛屿的东侧，形成于2200a以前，由一次滑入韦克瑞莫纳河谷中的滑坡造成。滑坡发生在第三系砂岩和粉砂岩中，滑坡体积22×108m3，面积17km2(图2)［4］。


　　　　　图2　韦克瑞莫纳滑坡平面形态特征(据S.A.Reak 和 R.D.Beetam)
　　　　Fig.2　Waikaremoana landslide feature
1.滑动后的地面线；2.地面滑床界线；3.地面下等值线；4.主要鼓丘；
5.主要隆起界线；6.平缓山梁(压实堆积)；7.滑坡运动方向；8.主要后缘壁；
9.滑坡影响区周界；10.滑坡形成的堰塞湖
　　韦克瑞莫纳湖水面高出海平面582m，面积56km2，最大湖深248m,湖水容量52×108m3，为新西兰开发韦克瑞莫纳河的三个梯级电站提供了能源，总功率为124MW。
　　韦克瑞莫纳滑坡坝属世界上最大的滑坡坝之一，坝高约400m，坝坡平均坡度6°，沿韦克瑞莫纳河谷延伸8km。滑坡坝的东南部由滑坡体碎块组成，西北部为完整岩块，最低点位于特瓦拉湾的完整岩块处。滑坡坝渗漏相当严重，按目前河水流量计算，湖泊10a前就应蓄满水，但因渗漏量达l2m3/s，且每年溢流量约占50%，故现在湖泊仍未蓄满水。
　　滑坡堵塞体中最易发生溢漏的地方，是完整岩块发生折断的正面区域。湖水在中空的地带中发生泄漏，沿一断裂形成深7m，宽5m的槽，该槽在暴雨季节使湖水增加许多，而排泄量相对较小。
　　从坝坡上流下的水，沿具抗侵蚀能力的完整砂岩块的表面流动，形成天然的溢洪道，水对下游坝坡的侵蚀作用通常是造成滑坡坝失事的主要原因。滑坡坝的下游左岸处，韦克瑞莫纳河道从坝体转向完整岩块，这样就进一步控制了企图降低或削平滑坡体的侵蚀作用。
　　为了开发水电而利用韦克瑞莫纳滑坡坝，同时增加它的稳定性，湖水位已被降至湖泊最低出水口处水位以下5m，正常洪水位以下10m。通过在特瓦拉湾的Gradeal rock中修建水下防渗帷幕，极大地降低了滑坡坝的渗漏。而湖水位和地下水位的降低，可相应地提高坡体的稳定性。
3　结　论
　　(1) 堵江滑坡坝存在的主要工程地质问题，有渗透变形、稳定性、沉降、不均匀沉降和砂土液化等问题。与人工土石坝相比，这些问题更复杂、更严重、更难预测与评价。
　　(2) 实例分析表明： 渗透变形破坏和洪水漫坝，是控制滑坡坝稳定性的主要因素。
　　(3) 只要充分认识滑坡坝的成因机制，并处理好滑坡坝存在的工程地质问题，维持滑坡坝的稳定是可行的。
第一作者简介：符文熹，男，1972年6月出生。成都理工学院工程地质研究所，博士研究生。研究方向：环境工程地质与岩土工程。
作者单位：符文熹　聂德新　任光明(成都理工学院工程地质研究所，成都　610059)
　　　　　万宗礼　杨天俊　张富荣(国家电力公司西北勘测设计研究院，兰州　
　　　　　730030)
参考文献
　[1] 柴贺军，刘汉超，张倬元.中国滑坡堵江事件目录.地质灾害与环境保护，1995，6(4)
　[2] 柴贺军，刘汉超，张倬元.一九三三年叠溪地震滑坡堵江及其环境效应.地质灾害与环境保护，1995，6(1)
　[3] 中华人民共和国水利电力部.碾压式土石坝设计规范，SDJ 218-84.北京：水利电力出版社，1985
　[4] S A Read, R D Bectham.Lake Waikaremoana Barrier-A large Landslide Dam in New Zealand.Landslide News,Landslide Section.Disaster Prevention Research Institute,1991
　[5] 李天池，吴积善，Schuster R L.美国西部滑坡坝的合作研究.山地研究，1986，6(4)
(收稿日期：1998－07－20)
