白龍江某水庫(kù)庫(kù)岸的塌岸預(yù)測(cè)研究

李元明，任光明，張 濤

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610059)

0 引 言

水庫(kù)蓄水后，庫(kù)岸邊坡將受庫(kù)水浸泡、風(fēng)浪沖擊、水流侵蝕以及庫(kù)水位漲落等因素影響，從而加快庫(kù)岸塌岸的進(jìn)程[1-2]?，F(xiàn)今水庫(kù)塌岸預(yù)測(cè)理論已經(jīng)比較成熟[1，3-4]。早在1949年國(guó)外學(xué)者卡丘金就提出岸坡最終塌岸預(yù)測(cè)計(jì)算公式[2]，之后又陸續(xù)提出很多新的塌岸預(yù)測(cè)方法，如類比圖解法[5-6]、數(shù)學(xué)分析法[2]、平衡剖面法[7]、動(dòng)力法[8]、王躍敏等提出的“兩段法”[9]、多元回歸法[10]、岸坡結(jié)構(gòu)法[11-12]、基于GIS的三維地理模擬和預(yù)測(cè)[13]等。但大多數(shù)方法都有其一定的適用性及局限性[5-7]，對(duì)于不同的塌岸類型運(yùn)用合適的塌岸理論變的尤為重要，本文將對(duì)其中代表性方法的適用性做進(jìn)一步探索研究。

在建的白龍江某水庫(kù)，庫(kù)岸居民點(diǎn)多分布在Ⅲ級(jí)階地上，由于水庫(kù)蓄水，庫(kù)區(qū)塌岸將對(duì)兩岸居民安全都帶來了巨大的威脅。因此，詳細(xì)地對(duì)水庫(kù)區(qū)塌岸破壞模式、不同岸坡的塌岸預(yù)測(cè)研究也是非常必要的。

1 水庫(kù)庫(kù)岸的基本地質(zhì)條件及其分段

水庫(kù)區(qū)屬中高山峽谷地貌，兩岸山頂高程2 000 m～3 000 m，相對(duì)高差600 m以上。根據(jù)庫(kù)岸的分段原則，本庫(kù)岸共分成3段。其總體工程地質(zhì)特征分述如下:

Ⅰ段:巖性主要為長(zhǎng)城系碧口群(Mtu)的變質(zhì)凝灰?guī)r、絹云母片巖、變質(zhì)砂巖、板巖、千枚巖和第四系Q的坡積碎石土、沖積砂卵礫石、洪積塊碎石土、崩坡積物等 。巖層產(chǎn)狀為 NW228°～ 322°/SW ∠37°～66°，以斜向坡居多，發(fā)育4處滑坡。此段下游岸坡較陡且蓄水位附近岸坡主要是土質(zhì)岸坡，該段易發(fā)生塌岸。

Ⅱ段:巖性主要為震旦系(Z)的結(jié)晶灰?guī)r、變質(zhì)礫巖、砂巖、變質(zhì)板巖、千枚巖，中泥盆統(tǒng)(D21S)的砂質(zhì)板巖、變質(zhì)砂巖、炭質(zhì)板巖、硅質(zhì)巖，上游段巖層產(chǎn)狀NW285°～ 311°/SW ∠72°～ 86°，下游段巖層產(chǎn)狀NE76°/SE∠75°。發(fā)育12 處傾倒變形體，9處泥石流。該段下游較上游陡，土質(zhì)岸坡較上游多，比較容易發(fā)生塌岸。

Ⅲ段:呈中高山峽谷地貌，兩側(cè)岸坡聳立，坡度一般在45°以上，植被覆蓋差，巖石裸露。巖性主要有中泥盆統(tǒng)三河口組D21S的砂質(zhì)板巖、變質(zhì)砂巖、炭質(zhì)板巖、硅質(zhì)巖和第四系的坡積碎石土、沖積砂卵礫石、洪積塊碎石土、崩坡積物等，上游段巖層產(chǎn)狀NE12°～ 78°/NW ∠53°～ 68°，下游段巖層產(chǎn)狀NE75°/SE∠46°發(fā)育傾倒變形體8處，小型坍塌1處，泥石流11處。該段岸坡較緩，蓄水后，河水位較現(xiàn)今河水位抬升不大，基本不會(huì)發(fā)生塌岸。

2 庫(kù)岸塌岸預(yù)測(cè)

2.1 塌岸破壞模式

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查所得研究區(qū)庫(kù)岸段塌岸破壞模式及分布為:滑移型塌岸主要發(fā)生在Ⅲ段，坍塌型塌岸主要發(fā)生在Ⅱ段，沖磨蝕型塌岸主要發(fā)生在Ⅰ段。

2.2 塌岸預(yù)測(cè)的方法選擇

目前的預(yù)測(cè)方法大多是屬于經(jīng)驗(yàn)性或半經(jīng)驗(yàn)性的，這些方法均有其各自的適用范圍或條件及其局限性。但這些基于工程實(shí)踐的預(yù)測(cè)方法，在實(shí)際的工作中仍被廣泛應(yīng)用。權(quán)衡各種預(yù)測(cè)方法的利弊，再綜合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查所得的參數(shù)，選取卡丘金法、類比圖解法、佐洛塔廖夫法、極限平衡法來進(jìn)行塌岸預(yù)測(cè)，其原理如下。

2.2.1 卡丘金法[2，14]

依據(jù)實(shí)測(cè)的洪枯水變幅帶各類巖性岸坡長(zhǎng)期穩(wěn)定坡角，根據(jù)幾何關(guān)系用圖解法(圖1)求解岸坡最終塌岸預(yù)測(cè)寬度，其精度取決于計(jì)算參數(shù)的選定。

式中:S為塌岸寬度；N為與巖土體類型有關(guān)的系數(shù)；A為水位變化幅度；hp為波浪影響深度；hb為浪爬高度，hb=3.2 k?h?tanα；k為與被沖蝕的岸坡表面糙度有關(guān)的系數(shù)；h為浪高；hs為正常高水位以上岸坡的高度；α淺灘磨蝕坡角；β水上岸坡的穩(wěn)定坡角；γ原始岸坡坡角。

圖1 卡丘金法預(yù)測(cè)塌岸圖

2.2.2 類比圖解法[8]

利用現(xiàn)階段不同巖土體水下穩(wěn)定坡角、水位變幅帶坡角和水上穩(wěn)定坡角，與將來水庫(kù)蓄水后不同庫(kù)水條件下的庫(kù)岸岸坡類比，從而進(jìn)行塌岸預(yù)測(cè)。

2.2.3 佐洛塔廖夫法[5-6]

其原理為:庫(kù)岸再造后的岸坡可分為淺灘外緣陡坡、堆積淺灘、沖蝕淺灘、爬升帶斜坡以及水上岸坡帶五段，通過作圖得到上述5段岸坡，即為庫(kù)岸再造的最終岸坡(圖2)，即通過圖解法進(jìn)行岸坡最終塌岸寬度預(yù)測(cè)。

圖2 佐洛塔廖夫法預(yù)測(cè)塌岸圖

β1、β2、β3、β4、β5 分別為這 5 段的穩(wěn)定坡角 ，hp、hb同上。

2.2.4 極限平衡法[15]

以條分法為基礎(chǔ)，將土坡分為多個(gè)土條，分析各土條所受的下滑力和抗滑力，用土條上的全部抗滑力矩與滑動(dòng)力矩之比來定義土坡穩(wěn)定性安全系數(shù)。因此，利用相關(guān)軟件自動(dòng)搜索岸坡在正常蓄水條件下最不利設(shè)計(jì)工況下最不穩(wěn)定的破裂面，計(jì)算其安全系數(shù)，預(yù)測(cè)塌岸范圍。

2.3 塌岸預(yù)測(cè)的參數(shù)選擇

通過收集與本電站庫(kù)岸物質(zhì)結(jié)構(gòu)相近的工程實(shí)例以類比選取合理的計(jì)算參數(shù)。根據(jù)現(xiàn)階段天然河道的平均枯水位、江水漲幅帶、平均洪水位來類比水庫(kù)運(yùn)行期死水位、水位變動(dòng)帶、最高設(shè)計(jì)水位。水庫(kù)運(yùn)行后的正常蓄水位為800 m，死水位798 m，將水位800 m以上、798 m～800 m、798 m以下分別對(duì)應(yīng)現(xiàn)在的庫(kù)水位以上、變輻帶、枯水位以下，進(jìn)而確定水下穩(wěn)定坡角、水位變輻帶穩(wěn)定坡角、水上自然穩(wěn)定坡角(表1)。

表1 庫(kù)岸穩(wěn)定坡角取值表

卡丘金法預(yù)測(cè)參數(shù)如表2。

表2 塌岸預(yù)測(cè)的卡丘金法參數(shù)取值表

2.4 塌岸預(yù)測(cè)實(shí)例

為了詳細(xì)了解庫(kù)岸段塌岸情況以及每段庫(kù)岸段所適用的塌岸預(yù)測(cè)方法，本文選取每一庫(kù)岸段的一個(gè)典型剖面來對(duì)其塌岸寬度進(jìn)行預(yù)測(cè)，從下游至上游分別選取1#、2#、3#庫(kù)岸段來進(jìn)行塌岸預(yù)測(cè)。

(1)1#庫(kù)岸段

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該庫(kù)岸段的地層為第四系塊碎石土，下覆基巖為長(zhǎng)城系碧口群板巖、千枚巖、變質(zhì)砂巖。主要以坍塌、滑移型破壞為主，選取佐洛塔廖夫法參數(shù) β1=β2=18°，β3=28°，β4=45°，β5=50°，Kα=0。類比圖解法參數(shù) α=28°，β=50°。利用這些參數(shù)進(jìn)行塌岸預(yù)測(cè)，結(jié)果如表3，預(yù)測(cè)的剖面示意圖如圖3～圖4。

圖3 1#庫(kù)岸段剖面塌岸預(yù)測(cè)示意圖

表3 1#庫(kù)岸段塌岸預(yù)測(cè)結(jié)果

圖4 1#庫(kù)岸段剖面極限平衡法塌岸預(yù)測(cè)示意圖

(2)2#庫(kù)岸段

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該庫(kù)岸段的地層為第四系塊碎石土，下覆基巖為震旦系砂巖。以坍塌型破壞為主，選取佐洛塔廖夫法參數(shù) β1=16°，β2=14°，β3=21°，β4=23°，β5=41°，Kα=20%。類比圖解法參數(shù) α=21°，β=41°。利用這些參數(shù)對(duì)其進(jìn)行塌岸預(yù)測(cè)，結(jié)果如表4，預(yù)測(cè)的剖面示意圖如圖5。

(3)3#庫(kù)岸段

表4 2#庫(kù)岸段塌岸預(yù)測(cè)結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該庫(kù)岸段的地層為第四系塊碎石土，下覆基巖為震旦系砂巖，以沖磨蝕型破壞為主，選取佐洛塔廖夫法參數(shù) β1=12°，β2=12°，β3=21°，β4=23°，β5=39°，Kα=20%。類比圖解法參數(shù) α=21°，β=39°。利用這些參數(shù)對(duì)其進(jìn)行塌岸預(yù)測(cè)，結(jié)果如表5，預(yù)測(cè)的剖面示意圖如圖6。

表5 3#庫(kù)岸段塌岸預(yù)測(cè)結(jié)果

圖5 2#庫(kù)岸段剖面塌岸預(yù)測(cè)示意圖

圖6 3#庫(kù)岸段剖面塌岸預(yù)測(cè)示意圖

由上述可知:佐洛塔廖夫法和類比圖解法預(yù)測(cè)的塌岸寬度相對(duì)接近，卡丘金法整體偏大。由上游至下游，整體塌岸寬度增大。整個(gè)庫(kù)岸的塌岸寬度主要為十幾米至二十幾米，且塌岸寬度大于30 m的庫(kù)岸段大多表現(xiàn)為滑移型塌岸，且主要分布在Ⅰ段。

3 結(jié) 論

本文根據(jù)岸坡的結(jié)構(gòu)類型，覆蓋層厚度，基巖覆蓋層接觸帶物理力學(xué)參數(shù)等，采用不同的方法對(duì)庫(kù)岸段調(diào)查，得出研究區(qū)庫(kù)岸段的塌岸模式以坍塌型和滑移型為主，極限平衡法相對(duì)坍塌型和沖磨蝕型而言，更加適用于滑移型。并且滑移型庫(kù)岸的塌岸范圍整體比塌岸型和沖磨蝕型較大。佐洛塔廖夫法和類比圖解法預(yù)測(cè)的塌岸寬度相對(duì)接近，卡丘金法預(yù)測(cè)的結(jié)果整體偏大。2#庫(kù)岸段塌岸影響高度基本與村莊分布的785m～815m高程接近，部分村莊將會(huì)被淹沒。因此，水庫(kù)蓄水后對(duì)庫(kù)水位以上部分居民房屋地基的安全存在嚴(yán)重威脅，應(yīng)采取相應(yīng)措施。

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