利用 BSTEM模型分析庫(kù)岸邊坡形態(tài)對(duì)其穩(wěn)定性的影響

冉 冉,劉艷鋒

(西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院,陜西西安 710127)

0 引言

庫(kù)岸穩(wěn)定性取決于最大崩塌臨界機(jī)制的驅(qū)動(dòng)力和抵抗力的平衡,具體二者的平衡又取決于庫(kù)岸幾何形態(tài)和結(jié)構(gòu)、庫(kù)岸巖土物質(zhì)組成、水流特性、庫(kù)岸植被措施以及氣候條件等[1-2]。其中最直觀的是邊坡形態(tài),在其他條件相同情況下,坡度越大越危險(xiǎn),庫(kù)岸坡高越高越容易產(chǎn)生崩塌[3]。文獻(xiàn)[4]通過對(duì)河道崩岸影響因子的量化分析,得出在自然因素中,水流動(dòng)力條件占主導(dǎo)地位,河床邊界條件其次。影響庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性的地形因子也很多,如坡度、坡長(zhǎng)、坡高、坡腳坡度、庫(kù)岸形態(tài)等。庫(kù)岸邊坡是庫(kù)岸穩(wěn)定性的最基本條件,表征地形的主要指標(biāo)是坡度和坡高以及庫(kù)岸形態(tài)。為此,本文選取三峽庫(kù)區(qū)忠縣石寶鎮(zhèn)段為例,利用 BSTEM模擬分析庫(kù)岸邊坡形態(tài)對(duì)其穩(wěn)定性的影響,將有助于研究庫(kù)區(qū)崩岸侵蝕的危險(xiǎn)性,對(duì)庫(kù)岸防治措施具有指導(dǎo)作用。

1 研究區(qū)概況

長(zhǎng)江三峽水庫(kù)位于我國(guó)內(nèi)陸腹心,地處東中西三大自然經(jīng)濟(jì)梯度帶的過渡區(qū)域,是區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的樞紐,也是長(zhǎng)江流域重要的生態(tài)屏障。自從三峽水庫(kù)采取“蓄清排洪”的運(yùn)行方式后,水位季節(jié)性的變化在庫(kù)區(qū)形成了兩條落差為 30m的季節(jié)性漲落帶,稱為三峽庫(kù)區(qū)消落帶,面積達(dá) 349 km2。在人工調(diào)度下,三峽庫(kù)區(qū)消落帶成為水位反復(fù)周期變化的干濕交替區(qū),在浪涌、徑流等作用下,增加了消落帶庫(kù)岸的不穩(wěn)定性,易發(fā)生崩岸現(xiàn)象,進(jìn)而風(fēng)浪沖擊、水流沖刷造成土壤侵蝕。

地表組成物質(zhì)是侵蝕的對(duì)象,其性狀直接影響水土流失的強(qiáng)弱。消落帶基巖類型主要為紫色巖、碳酸鹽巖和石灰系等地層的泥盆。消落帶土壤類型和分布受母巖的控制,分布相對(duì)集中[5]：河流階地、丘陵谷地和盆地土壤以沖積土、紫色土和水稻土為主;山地土壤主要是石灰土和以砂泥巖為母質(zhì)的沙礫石,天然河漫灘上主要分布礫石裸地和沙灘。石灰土一般質(zhì)地粘重,透水性差,易于產(chǎn)生地表徑流;而在紫色砂泥巖地區(qū)發(fā)育的紫色土結(jié)構(gòu)水穩(wěn)性很差,遇水極易分散、崩解,為易蝕性土壤,且土層淺薄,耕作層以下即為母巖層,土壤容蓄水量少,徑流系數(shù)高,在失去植被保護(hù)、降雨較大的情況下,易發(fā)生強(qiáng)烈的侵蝕。

2 研究方法

2.1 實(shí)地調(diào)研測(cè)量

在三峽庫(kù)區(qū)忠縣石寶鎮(zhèn)段,沿著江邊根據(jù)庫(kù)岸剖面自然形態(tài)采用目測(cè)法,在 145 m水位時(shí)選取了 9個(gè)典型岸段,用皮尺測(cè)量了岸段長(zhǎng),岸高、坡腳長(zhǎng)度,用羅盤測(cè)量了岸坡、坡腳坡度等參數(shù),以便用 BSTEM模型中對(duì)岸段邊坡形態(tài)分析。

2.2 BSTEM模型

BSTEM(Bank Stability and Toe Erosion Model)模型是由美國(guó)國(guó)家泥沙實(shí)驗(yàn)室(NSL)提出的,用來預(yù)測(cè)河岸穩(wěn)定性及坡腳侵蝕速率,經(jīng)歷了多次修改,目前用的是版本 5.0。模型整合了河岸穩(wěn)定性分析和坡腳侵蝕兩種過程,即兩個(gè)模塊：BS(Bank Stability)和 BTE(Bank Toe Erosion)。該模型主要通過對(duì)河岸幾何形態(tài)的模擬,結(jié)合極限平衡方法,分析土壤抗剪強(qiáng)度,確定河岸安全系數(shù) Fs,并根據(jù)土壤可蝕性和臨界剪切力計(jì)算坡腳侵蝕速率及總量。

岸坡穩(wěn)定性模塊(Bank Stability)模塊結(jié)合三個(gè)極限平衡函數(shù)來計(jì)算庫(kù)岸穩(wěn)定系數(shù) Fs。模型通過庫(kù)岸邊坡形態(tài)參數(shù)運(yùn)行宏命令生成河岸剖面,然后結(jié)合庫(kù)岸土壤類型特征、植被覆蓋、地下水位及孔隙水壓力等計(jì)算得安全系數(shù) Fs。若Fs＞1.3,則說明庫(kù)岸穩(wěn)定;若 1.0≤Fs≤1.3,則說明庫(kù)岸條件穩(wěn)定;若 Fs＜1.0,則說明庫(kù)岸不穩(wěn)定的。

坡腳侵蝕模塊(Bank Toe Erosion)通過計(jì)算臨界剪切力和不同物質(zhì)組成的土壤可蝕性,并結(jié)合水流參數(shù)、庫(kù)岸形態(tài)等參數(shù)確定庫(kù)岸坡腳侵蝕速率及總量。

E=kΔt(ι0-ιc)

其中,E為侵蝕距離(m),k為可蝕性因子(m3/Ns),Δt為時(shí)間間隔(s),ι0為平均邊界剪切力(Pa),ιc為臨界剪切力(Pa)。

3 研究?jī)?nèi)容

3.1 庫(kù)岸邊坡形態(tài)類型

坡形是指一個(gè)斜坡的垂直剖面形態(tài),一般可以直觀地將它們劃分為直線型坡、凸型坡、凹型坡,以及由 3種坡形不同組合而成的復(fù)合型坡[6]。斜坡的坡形直接地反映了在內(nèi)外營(yíng)力作用下坡體演變的歷史過程。凸型坡和凹型坡反映地殼急劇隆升或者河流急劇下切的演變歷史;直線型坡則意味著內(nèi)外營(yíng)力處于平衡狀態(tài)[7]。因此不同坡形所反映的內(nèi)外營(yíng)力也同樣控制著崩塌的發(fā)生狀態(tài)。對(duì)三峽庫(kù)區(qū)庫(kù)岸斜坡而言,水庫(kù)水位的抬升類似于地殼的下降;其水庫(kù)附近的坡形將決定崩塌應(yīng)力調(diào)整的方式。

根據(jù)調(diào)查范圍內(nèi)沿三峽庫(kù)區(qū)忠縣岸段的岸坡分布特征,可將庫(kù)岸段劃分為以下四種坡型,如表 1,圖 1所示：

表1 岸坡類型劃分表

圖1 岸坡類型示意圖

3.2 庫(kù)岸崩塌的形式

庫(kù)岸崩塌破壞是各種因素綜合作用的結(jié)果,但由于影響因素組合不同,變形破壞的具體方式、響應(yīng)機(jī)制有別。一般有三種崩塌機(jī)制：剪切崩塌、懸垂崩塌和張力崩塌[1]。根據(jù)庫(kù)岸的變形破壞方式,結(jié)合影響因素和形成機(jī)制可劃分為若干類型。三峽庫(kù)區(qū)的庫(kù)岸崩塌主要受三峽水庫(kù)蓄水后,水位的驟然升降,使庫(kù)岸前緣的大部分坡體處于河水浸泡下,導(dǎo)致岸坡發(fā)生破壞。按照產(chǎn)生的力學(xué)機(jī)理和破壞模式,可將其分為長(zhǎng)緩坡傾倒式崩塌、短陡坡滑落式崩塌、懸臂墜落式崩塌、沖刷回旋式崩塌四種(如圖 2a-d所示)。其破壞機(jī)理如下：

圖2 消落帶庫(kù)岸崩塌類型

1)長(zhǎng)緩坡傾倒式崩塌：庫(kù)岸土體在自重力、地下水及庫(kù)水位、徑流等因素共同作用下,沿某一軟弱面產(chǎn)生一種以水平運(yùn)動(dòng)為主的破壞形式,即發(fā)生滑落式崩塌。

2)短陡坡滑落式崩塌：土體在張裂縫作用下,加上坡腳水流淘刷作用,土體由頂部發(fā)生剪切滑落,形成崩塌。

3)懸臂墜落式崩塌：坡腳易侵蝕性土壤浸泡在水中,水流與浪涌相互作用對(duì)底部進(jìn)行不斷地淘刷,而上部粘性土體逐漸形成懸臂式。繼續(xù)掏挖、沖刷,懸垂土體在重力和剪切力作用下發(fā)生墜落崩塌。

4)沖刷回旋式崩塌：底部受水流、浪涌沖刷,上部土體張裂,發(fā)生小塊崩塌,在浪涌與降雨徑流作用下沖刷翻滾帶走,使得庫(kù)岸不斷后退。

BSTEM模型主要模擬了短陡坡滑落式崩塌(b)和懸臂墜落式崩塌(c)兩種由于剪切發(fā)生的崩塌類型,因此本文也只考慮了這兩種崩塌方式。

3.3 庫(kù)岸邊坡形態(tài)對(duì)其穩(wěn)定性的影響

從庫(kù)岸查勘中可知,三峽庫(kù)區(qū)忠縣崩岸段庫(kù)岸,其上層粘性土層一般都呈現(xiàn)直立狀,這是崩岸中岸坡土體下滑時(shí)剪切的結(jié)果,而且在水流作用下總是保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài),指導(dǎo)下一個(gè)崩岸發(fā)生[8]。庫(kù)岸邊坡形態(tài)指岸坡的高度、長(zhǎng)度、坡度、坡腳長(zhǎng)、坡腳坡度、平面形態(tài)、剖面形態(tài)以及臨空條件等。邊坡形態(tài)對(duì)庫(kù)岸的穩(wěn)定性有直接影響。

3.3.1 岸高對(duì)庫(kù)岸穩(wěn)定性的影響

在三峽庫(kù)區(qū)忠縣石寶鎮(zhèn)段145m水位狀態(tài)下,沿江邊根據(jù)庫(kù)岸坡面自然形態(tài)選取了 9個(gè)典型岸段,各參數(shù)如表2 所示。

表2 典型岸段邊坡形態(tài)參數(shù)表

對(duì)于一般邊坡來說,根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料[9]表明,絕大多數(shù)崩塌發(fā)生在坡高大于 20m的邊坡上,坡高越高,崩塌的概率越大。而對(duì)于三峽庫(kù)區(qū)庫(kù)岸來說,多為蓄水前的梯平地或是坡耕地,屬土質(zhì)邊坡,所以岸高較低,基本在 1～5 m之間。由于有水位驟降、水流、浪涌沖刷的作用,降低了較低土質(zhì)庫(kù)岸穩(wěn)定性,也容易發(fā)生崩塌。

考慮到邊坡物質(zhì)對(duì)其穩(wěn)定性的影響,用直剪試驗(yàn)分情況分層測(cè)試了邊坡物質(zhì)的抗剪強(qiáng)度。三峽庫(kù)區(qū)忠縣岸段為均質(zhì)易蝕性粘土物質(zhì),但含水量不同,抗剪強(qiáng)度參數(shù)有所不同,因此,分 45°和 60°情況下用同一組參數(shù) ,75°和 90°情況用同一組參數(shù)。結(jié)果如表3 ：

表3 直剪試驗(yàn)強(qiáng)度參數(shù)表

分層為從岸頂向下,分別為 1,2,3,4,5。

根據(jù)所選岸段,分別在坡度相同的情況下(45°、60°、75°、90°),都為均質(zhì)易蝕性粘土岸段 ,分 1.2 m、2.8 m、3.5 m、4.5m、5m五個(gè)不同高度,在 BSTEM模型中運(yùn)行,模擬得出庫(kù)岸形態(tài)、剪切角和剪切高度,進(jìn)而評(píng)估庫(kù)岸穩(wěn)定性。模擬得出的庫(kù)岸安全系數(shù) Fs越大,說明庫(kù)岸越穩(wěn)定。若 Fs＞1.3,表明庫(kù)岸穩(wěn)定;若 1.0≤Fs≤1.3,表明庫(kù)岸條件穩(wěn)定,即穩(wěn)定但僅有較小的安全容限;若 Fs＜1.0,則說明庫(kù)岸不穩(wěn)定,需要采取措施防治崩塌造成水土流失。

表4 不同高度、不同坡度下的Fs值

結(jié)果表明(表 4),庫(kù)岸都處于穩(wěn)定狀態(tài),但 Fs值差異很大。庫(kù)岸越高,坡腳掏挖侵蝕越容易造成上部懸空,庫(kù)岸越容易由穩(wěn)定變?yōu)椴环€(wěn)定,Fs值越小;庫(kù)岸越低,Fs值越大,庫(kù)岸更容易保持穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3.2 坡度對(duì)庫(kù)岸穩(wěn)定性的影響

從表 4可以看出,相同高度下,坡度越大,庫(kù)岸越不穩(wěn)定,Fs0值越小;坡度越小,庫(kù)岸越穩(wěn)定,Fs值越大。此外,在相同高許下,隨著坡度的變化,Fs值變化并不是很明顯;反之,在相同坡度下,隨著高度的增加,Fs值變化卻很大。尤其是高度為 1.2 m時(shí),Fs值很大,而在 2.8 m時(shí) Fs值不到 4。在高度為 5 m時(shí),隨著坡度從 45°增加到 90°,Fs值僅減小了0.45?？梢?岸高對(duì)庫(kù)岸穩(wěn)定性的影響更大。

3.3.3 庫(kù)岸坡面形態(tài)對(duì)其穩(wěn)定性的影響

依據(jù)上述庫(kù)岸類型,分別對(duì)四種坡面形態(tài)進(jìn)行模擬,分析其穩(wěn)定性,并計(jì)算坡腳侵蝕量。模擬的四種坡面形態(tài)如圖3a-d所示。

a)凹型岸段,岸高 5 m,坡度 55°,坡腳長(zhǎng) 4m,坡腳坡度25°,得出 Fs為 2.30,穩(wěn)定。

b)凸型岸段,岸高 5m,坡度 75°,坡腳長(zhǎng) 2 m,坡腳坡度80°,得出 Fs為 2.02,穩(wěn)定。

c)上凸下凹型岸段,岸高 5m,坡度 45°,坡腳長(zhǎng) 2m,坡腳坡度 85°,得出 Fs為 2.97,穩(wěn)定。

d)上凹下凸型岸段,岸高 5m,坡度 90°,坡腳長(zhǎng) 2 m,坡腳坡度 75°,得出 Fs為 1.84,穩(wěn)定,但 Fs值較低。

圖3 四種坡面形態(tài)及臨界崩塌面示意圖

由上可見,模擬的四種典型情況,Fs都大于 1.3,穩(wěn)定,但從值的分布來看,區(qū)別明顯,上凹下凸型岸段 Fs則最小,上凸下凹型岸段 Fs值最大。

庫(kù)岸邊坡是由岸高、坡度、岸段長(zhǎng)、坡腳長(zhǎng)、坡腳坡度等因素相互組合而成,即組合方式?jīng)Q定了庫(kù)岸的邊坡形態(tài),也決定了庫(kù)岸的穩(wěn)定性。在分析不同形態(tài)庫(kù)岸的穩(wěn)定性時(shí),除了考慮岸高和坡度之外,坡腳長(zhǎng)與坡腳坡度也有很大影響。

4 結(jié)論與討論

1)從模擬結(jié)果看出,坡度越陡,庫(kù)岸越容易失穩(wěn),坡度越緩,庫(kù)岸越穩(wěn)定;而坡高越大,庫(kù)岸也越不容易穩(wěn)定;剖面上呈凹型的岸段較呈凸型的岸段穩(wěn)定,上凸下凹型的岸段比上凸下凹型的岸段穩(wěn)定;同是凹型的岸段,坡度越緩越有利于穩(wěn)定?？梢?坡度和岸高是庫(kù)岸邊坡形態(tài)指標(biāo)中對(duì)其穩(wěn)定性影響的關(guān)鍵因子。

2)影響庫(kù)岸穩(wěn)定性的因素除了邊坡形態(tài)之外,還有庫(kù)岸物質(zhì)組成、植被覆蓋、涌浪作用、降雨徑流、地下水,以及人類工程活動(dòng)等。邊坡形態(tài)、庫(kù)岸物質(zhì)組成、地下水等是庫(kù)岸穩(wěn)定性的內(nèi)在條件,而植被覆蓋、浪涌作用、降雨徑流及人類工程活動(dòng)是其外在驅(qū)動(dòng)因素。

3)研究庫(kù)岸坡形形態(tài)對(duì)其穩(wěn)定性的影響,對(duì)評(píng)價(jià)庫(kù)岸的穩(wěn)定性及影響因素至關(guān)重要;分析其失穩(wěn)的關(guān)鍵因子,為針對(duì)不同岸段采取相應(yīng)有效防治措施提供有力依據(jù)。

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