汾河水庫庫岸邊坡現(xiàn)狀及穩(wěn)定性分析

張 揚，李軒青

（1.太原理工大學，山西 太原 030024；2.山西綜合職業(yè)技術學院，山西 太原 030006）

汾河水庫地處山西省中西部，太原市西北的呂梁山區(qū)腹地，屬于太原市郊區(qū)范圍。自從建庫以來，水庫周邊地區(qū)不斷地有地質災害，而且?guī)彀短幱跐裣菪渣S土區(qū)，庫區(qū)塌岸問題普遍存在。據調查，水庫在蓄水初期、高水位情況下、汛期洪水到來之時,塌岸現(xiàn)象反映得最為強烈。庫區(qū)塌岸不僅侵蝕了大片耕地還影啊到庫區(qū)附近居民住宅的安全對群眾生命財產和正常的生產、生活，同時也是水庫泥沙淤積的重要來源之一。

1 地質災害現(xiàn)狀

1.1 水庫庫岸坍塌地質災害

汾河水庫地處婁煩縣境內的黃土丘陵溝壑區(qū),為第四紀沉積層，有很厚的黃土覆蓋層，庫岸為地形變化復雜的黃土丘陵和土石山區(qū)。由于黃土的垂直節(jié)理發(fā)育和崩解性、濕陷性，并且在外在的因素影響下、在蓄水浸泡和水浪淘蝕作用下，庫區(qū)塌岸現(xiàn)象極其嚴重。據實測，庫區(qū)塌岸線總長70 km，已坍塌土方3 529萬m3，毀壞耕地約33 518 hm2，目前尚有47 km的庫區(qū)塌岸線仍然坍塌嚴重[6]，在庫岸兩側形成較為嚴重的庫岸坍塌。汾河水庫左岸新修的公路路面出現(xiàn)許多裂縫，尤其是靠近庫岸的公路更是嚴重。

1.2 影響水庫庫岸邊坡坍塌的因素

水庫庫岸大部分為第四紀黃土屬于濕陷性黃土構成庫岸的第四紀黃土，黃土狀亞砂土、亞黏土和黏土，垂直節(jié)理發(fā)育，在自然狀態(tài)下極限穩(wěn)定坡角在以上，特別是黃土所具有的濕陷性，受庫水的長期浸泡，很容易形成塌岸。首先是庫岸土體的物理力學指標和水理性質發(fā)生了變化，自身結構遭到破壞，引起土粒分散和位移，見圖1。

圖1 塌岸模式圖

隨著孔隙水壓力的增加,土體內摩角、凝聚力減少，抗剪強度驟然降低。同時，隨著庫水位驟漲陡落以及水位降低后補給河流的地下水出流，能洗掉土體顆粒間易溶的膠結物，使土體黏結力降低，極細顆粒隨地下水逸出。這樣岸壁土體在動水壓力作用下，基底失去平衡,在上部重力作用下，即造成陡崖立岸的崩塌或座塌。暴雨徑流侵蝕、風蝕凍融以及地震等影響，加速了塌岸的進程。如此惡性循環(huán)是庫岸坍塌持續(xù)發(fā)生、發(fā)展的根本原因所在[2]。

1.3 水庫庫岸邊坡坍塌的形成機理及穩(wěn)定性分析

調查采用畢肖普等將邊坡穩(wěn)定安全系數Fs定義為沿整個滑裂面的抗剪強度τf，與實際產生的剪力T之比，即

在滑動土體n個土條中任取一條記為i，作用于土條上的各種力見圖3，土條上作用的已知力有：土條自身重量Wi，水平作用力（例如地震慣性力）Qi，作用于土條兩側的孔隙壓力（水壓力）Ui、及Ui+l，以及作用于土條底部的孔隙壓力Ur。另外，當滑裂面形狀確定以后，土條的有關幾何尺寸如底部坡角αi，底長Li以及滑裂面上的強度指標Ci，tgφi也都是定值。

圖2 土條受力圖

從圖2可知，共計有5n～2個未知量，而我們所能得到的只有各土條水平方向及垂直方向力的平衡以及力矩平衡共3n個方程。因此，邊坡的穩(wěn)定分析問題實際上是一個高次超靜定問題，平衡方程不足，在數學上是不能求解的，可是在工程上又必須解出來。如果把土條取得極薄，土條底部Ti及Ni合力作用點可近似認為作用于土條底部的中點，ai為已知。這樣未知量又減少了n個，與方程數相比，還有n-2個未知量無法求出，要使問題得解就必須建立新的條件方程。這有兩個可能的途徑：一種是引進土體本身的應力—應變關系，但這會使問題變得非常復雜；另一種就是作出各種簡化假定以減少未知量或增加方程數，這樣的假定大致有下列3種。

圖3 作用于土條上的力圖

（1）假定n-1個Xi值。最簡單的就是畢肖普在他的簡化方法中假定所有的Xi均為零。

（2）假定Xi與Ei的交角或條間力合力的方向（這個方向通常均需要通過試算加以確定）。

（3）假定條件力合力的作用點位置。例如簡布提出的普遍條分法。

作了這些假定之后，超靜定問題就可以轉化為靜定問題，問題可以得解。而且，一般來說，這些方法都并不一定要求滑裂面是個圓柱面，但各類方法的計算步驟大都仍然非常復雜，一般均需試算或迭代。如果考慮土條間力的作用，可以使穩(wěn)定安全系數得到提高，但任何合理的假定其求出的條間力必須滿足下列兩個條件：

（1）在土條分界面上不違反土體破壞準則。亦即由切向條間力得出的平均剪應力應小于分界面土體的平均抗剪強度，或每一土條分界面上的抗剪安全系數F0必須大于1（作為平衡設計，F(xiàn)r應不小于 Fs）。

（2）一般地說，不允許土條之間出現(xiàn)拉力。

研究表明，為減少未知量所作的各種假定，在滿足合理性要求的條件下，其求出的安全系數差別都不大，能夠滿足工程要求。但需指出，采用極限平衡法來分析邊坡穩(wěn)定，由于沒有考慮土體本身的應力—應變關系和實際工作狀態(tài)，所求出的土條之間的內力或土條底部的反力均不能代表邊坡在實際工作條件下真正的內力或反力，更不能求出變形。我們只是利用這種通過人為假定的虛擬狀態(tài)來求出安全系數而已。

1.4 分析結果

根據平衡分析方法得出結果：所有庫岸都會受到水庫水位升降的影響:一是在直陡段，岸坡高度7 m～26 m，坡度大于70°，如：西岸的峰火溝兩側、婁煩鎮(zhèn)以北和庫區(qū)東岸的羊圈莊村一帶，此段受水面沉降的影響和波浪的沖擊比較大，較容易產生滑坡和崩塌；二是緩坡+直陡段，岸邊有一段緩坡，坡長7 m～15 m，坡度在30°左右，緩坡以上是直陡岸坡，高度5 m～17 m，坡度大于70°，如：西岸大壩至峰火溝一線此段庫岸比較穩(wěn)定易發(fā)生小的坍塌，也可有產生滑坡的可能性；三是緩坡段，岸邊均為緩坡，坡度在28°左右，如庫區(qū)東岸大壩至羊圈莊村、鹽市崖至廟灣鄉(xiāng)和西岸西街村兩側此段水面沉降的影響最大，容易出現(xiàn)地面塌陷，是比較容易發(fā)生滑坡的地段；四是一般段，岸坡高1m～3m，坡度在45°左右，如：庫區(qū)東岸的常家坡一帶，此段比較穩(wěn)定，會產生一些面塌陷，受波浪影響水土流失比較嚴重。

2 汾河水庫庫岸邊坡的防治建議

通過對庫岸的穩(wěn)定性分析結果和水庫庫岸地質災害現(xiàn)狀，結合水庫庫區(qū)的地質因素、水文因素、地形因素和其他因素，可以使我們對庫岸的災害進行準確預測，這一工作也是多數大中型水庫在開展的工作項目，目的是進行壩區(qū)附近的地質處理，對于庫區(qū)塌岸的防治和治理較少涉及采取水圖保持綜合防治措施解決塌岸，不僅要通過預測分析確定塌點、塌寬及分布情況，更主要的是通過預測分析來摸清庫岸坍塌演變情況，掌握塌岸發(fā)育、發(fā)生、發(fā)展的規(guī)律,為確定防治方案提供依據。

（1）盡量排除滑坡區(qū)域內的地表水或防止滑坡區(qū)域外的地表水流入滑坡區(qū)。主要采取設置滑坡體外的截流溝，以阻止滑坡體外的水流入；開挖滑坡體表排水溝以排除雨水或滑坡體內涌出的泉水，防止其滲入滑坡體內;做好滑坡區(qū)的生態(tài)建設，如植被保護和綠化等。

（2）盡量引出滑坡體內的地下水。對于滑坡體內的地下水可疏而不可堵，將其排出至關重要。主要采取建截水墻、鉆水平孔洞、盲洞、滲管、滲井、垂直鉆孔等多種方式將滑坡體內的水排除。

（3）盡量防止河水、庫水對滑坡體坡腳的沖刷。主要在滑坡體上游嚴重沖刷的地段修筑促使主流偏向對岸的“丁字壩”；在滑坡前緣拋石或鋪設石籠等。

（4）削坡減載。對于有些岸坡“頭重腳輕”而在前方又沒有可支撐岸坡的，可使滑體外形得到改善，重心降低，從而提高滑體的穩(wěn)定性。

3 結論

水庫庫區(qū)岸坡坍塌是目前水庫運行中面臨的一個較為棘手的問題，本文通過對婁煩縣汾河水庫地質災害進行了實地調查，基本查清了該水庫庫岸邊坡地質災害的現(xiàn)狀特征，從各種因素考慮并通過各種方法對庫岸邊坡進行穩(wěn)定性分析得出了庫岸邊坡初步給出了各類災害的分布規(guī)律和形成機制，得出以下主要結論：汾河水庫庫岸大部分由濕陷性黃土覆蓋，由于黃土的特性，所庫岸坍塌主要受庫水位變化和波浪作用的影響。庫水位變化使土體產生滲透變形,波浪對岸壁土體進行淘刷，即岸壁再造運動以及對塌落物質進行搬運加速了塌岸的進程。再就是降雨和凍融同時加速了庫岸再造過程，這些都對庫岸邊坡造成了很大的威脅，只有對水庫進行工程治理和水土保持綜合防治才能從根本上減少庫岸邊坡對水庫的威脅。

[1]王志旺，楊建，張寶軍等.水庫庫岸滑坡穩(wěn)定性研究[J].巖石力學，2004，25（11）：1837-1840

[2]聶興山，賈志軍，許國平等.汾河水庫庫區(qū)塌岸防護探討[J].山西水土保持科技，2003，（4）：28-29

[3]柏永巖，崔春龍，于遠忠，淺談水庫邊坡穩(wěn)定性[J].地址與資源，2005，14（3）：214-215

[4]李永樂.三門峽水庫庫岸坍塌成因分析與防治措施研究[J].水土保持學報.2003，17（6）：130-132

[5]任世芳,趙淑貞.歷史時期汾河水庫上游耕地發(fā)展與土壤侵蝕之關系[J].水土保持研究.2006.13（4）：257-263

[6]聶瑞林，韓宗渙，郎旭東.淺談黃土區(qū)水庫塌岸的防治問題[J].中國水土保持.1995年12月：35-37

[7]湯明高，許 強.山區(qū)型水庫塌岸防護對策研究[J].水電水利技術 2009.2（40）：78-81

[8]陳書紅，武錫榮，程 翔.塌岸預測分析與探討[J].中國水運2009.1（1）：200

[9]胡再強，邵生俊，陳存禮.黃土庫岸崩塌問題研究分析[J].西 部探礦工程.1996.第8增刊：77-81