丹江口庫區(qū)某庫岸工程穩(wěn)定性分析及治理措施

孟照蔚 孟兆凱 程心意 高 健 張石虎(.長江巖土工程總公司(武漢)，湖北 武漢 43000； .黃島區(qū)靈山衛(wèi)街道辦，山東 青島 6647)

地質(zhì)與勘測

丹江口庫區(qū)某庫岸工程穩(wěn)定性分析及治理措施

孟照蔚1孟兆凱2程心意1高 健1張石虎1
(1.長江巖土工程總公司(武漢)，湖北 武漢 430010； 2.黃島區(qū)靈山衛(wèi)街道辦，山東 青島 266427)

為了保證庫區(qū)人民正常生產(chǎn)生活，有必要對受蓄水影響的基礎(chǔ)設(shè)施及庫岸進(jìn)行防護(hù)。介紹了丹江口庫區(qū)某庫岸工程地質(zhì)條件、岸坡特征，對其典型剖面進(jìn)行穩(wěn)定性計算。通過采用回填壓腳、頂部削坡減載、混凝土預(yù)制塊護(hù)坡等綜合治理措施，使庫岸整體穩(wěn)定性得到提高，為庫區(qū)地災(zāi)治理提供了一種思路。

庫岸；穩(wěn)定；穩(wěn)定性分析；治理措施；丹江口水利樞紐

丹江口庫區(qū)地形較破碎，環(huán)境容量有限，庫區(qū)內(nèi)安置居民點在場平過程中不可避免存在大挖大填問題，雖然住房多位于較為穩(wěn)定的巖土體上，但受場地限制，一些基礎(chǔ)設(shè)施難免位于距離庫岸較近的填土之上。水庫正常運行后，水位抬升達(dá)13 m，漲落頻度加大，使庫岸工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件發(fā)生改變，導(dǎo)致整體穩(wěn)定性降低。

該庫岸工程位于丹江口市牛河林區(qū)居民點西側(cè)，岸坡長約300 m，最大坡高41 m，坡度30°～40°，原岸坡主要為巖質(zhì)岸坡，局部岸坡表層分布有厚度小于2 m的殘坡積層?，F(xiàn)岸坡在居民點建設(shè)過程中形成，岸坡物質(zhì)來源主要為居民點場平棄渣，原巖主要為強～弱風(fēng)化片巖，其次為殘坡積土。場平棄渣隨機回填于地形相對低洼地帶，從而形成現(xiàn)在的土質(zhì)岸坡與土巖復(fù)合岸坡相間的新型岸坡。人工堆積層最大厚度約12 m，上面建有居民點對外交通道路。

目前，庫岸整體基本穩(wěn)定，水庫蓄水后，最大淹沒深度約22 m。由于庫水浸泡，將造成人工堆積層強度降低，可能產(chǎn)生滑移變形；同時在庫水沖刷下，岸坡將坍岸后退，危及居民點臨水側(cè)道路及民房安全，影響居民點生產(chǎn)生活。由于該段庫岸淹沒深度較大，蓄水后治理難度增加，因此，有必要在蓄水前對其進(jìn)行工程治理。

1 基本地質(zhì)條件

工程區(qū)在大地構(gòu)造上位于秦嶺褶皺系東南緣，跨北大巴山加里東冒地槽褶皺帶及南秦嶺印支冒地槽褶皺帶，東部緊鄰南陽—襄陽坳陷。工程區(qū)總體處于相對穩(wěn)定的地塊上。區(qū)內(nèi)出露巖體總體呈單斜構(gòu)造，巖層總體傾北東，傾角一般49°～75°。工程區(qū)未見斷層發(fā)育?，F(xiàn)場調(diào)查表明，工程坡區(qū)內(nèi)裂隙不發(fā)育且規(guī)模不大。

工程區(qū)內(nèi)地貌類型主要為丘陵。原始地形總體為兩丘一溝，沖溝總體呈南北走向，溝長約300 m，溝底寬30～45 m，橫斷面上均呈寬緩“U”形。居民點位于東側(cè)丘陵之上，場平后地形平坦。

工程區(qū)內(nèi)出露及勘探揭露地層由中元古界(Pt2)石英片巖和第四系(Q)松散堆積物組成。

2 岸坡特征

庫岸地質(zhì)結(jié)構(gòu)主要為土巖復(fù)合岸坡以及土質(zhì)岸坡。岸坡物質(zhì)來源主要為居民點場平棄渣，粒徑大于5 mm的碎石含量在70%左右，原巖主要為強～弱風(fēng)化片巖，其次為殘坡積土。根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)將庫岸分為5段，自南向北分別為：土質(zhì)岸坡(第①段)、土巖復(fù)合岸坡(第②段)、土質(zhì)岸坡(第③段)、土巖復(fù)合岸坡(第④段)、土質(zhì)岸坡(第⑤段)。各段岸坡特征分述如下。

(1) 第①段。該段岸坡長130 m，為土質(zhì)岸坡，最大坡高約30 m，平均坡度約37°。該段岸坡坡面均為人工堆積層(Qml)：坡眉表面有少量雜填土，由建筑垃圾或生活垃圾等形成，厚度小于1 m；下部由碎石土、碎塊石等素填土組成，厚2～12 m，多為建筑場平填土。覆蓋層下伏中元古界石英片巖(Pt2)。

(2) 第②段。該段岸坡長60 m，為土巖復(fù)合岸坡，最大坡高約35 m，平均坡度約35°。該段岸坡坡面上部為人工堆積層(Qml)，由碎石土、碎塊石等素填土組成，厚1 m左右，最厚約3 m，多為建筑場平填土；坡面中下部基巖出露，為中元古界石英片巖(Pt2)。

(3) 第③段。該段岸坡長30 m，為土質(zhì)岸坡，最大坡高約40 m，平均坡度約29°，坡上部較陡，最大達(dá)46°。該段岸坡坡面均為人工堆積層(Qml)：坡眉表面有少量為雜填土，由建筑垃圾或生活垃圾等形成，厚度小于1 m；下部由碎石土、碎塊石等素填土組成，厚1～7.8 m，為建筑場平填土。覆蓋層下伏中元古界石英片巖(Pt2)。

(4) 第④段。該段岸坡長23 m，為土巖復(fù)合岸坡，最大坡高約40 m，平均坡度約32°。該段岸坡坡面上部為人工堆積層(Qml)：由碎石土、碎塊石等素填土組成，厚1 m左右，最厚約4 m，為建筑場平填土；坡面中下部基巖出露，為中元古界石英片巖(Pt2)。

(5) 第⑤段。該段岸坡長54 m，為土質(zhì)岸坡，最大坡高約35 m，平均坡度約40°。該段岸坡坡面上部為人工堆積層(Qml)：由碎石土、碎塊石等素填土組成，厚1.2～10.0 m，為建筑場平填土；覆蓋層下伏基巖為中元古界石英片巖(Pt2)。

3 穩(wěn)定性分析與評價

3.1 庫岸變形影響因素

(1) 滑移變形。水庫蓄水后填土的強度降低，庫岸穩(wěn)定性亦隨之降低，可能導(dǎo)致庫岸失穩(wěn)。失穩(wěn)一般首先從坡腳開始，進(jìn)而影響到整個岸坡，因此，預(yù)測其失穩(wěn)形式為牽引式土體滑移變形。此外，土質(zhì)岸坡坡表土體受到雨水浸泡時，土體強度迅速降低，加之岸坡地形較陡，亦可能導(dǎo)致局部土質(zhì)岸坡垮塌。

(2) 庫岸再造。水庫運行過程中，由于水位升降變化，加之風(fēng)浪的共同作用，水上岸坡及水下淺灘反復(fù)不斷地演變和再造，直到形成相對穩(wěn)定的岸坡。

庫岸再造預(yù)測中，坡角地質(zhì)類比法是應(yīng)用最廣的一種方法[1]，其基本思路為：在系統(tǒng)分析庫岸地質(zhì)環(huán)境及地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，根據(jù)工程地質(zhì)條件相近的鄰近河谷岸坡形態(tài)參數(shù)(包括水下、水上、水位變幅帶的侵蝕、堆積穩(wěn)定坡角統(tǒng)計值等)類推水庫蓄水后相應(yīng)水位作用帶的最終穩(wěn)定坡角。然后以庫岸不同高程的穩(wěn)定坡角為基礎(chǔ)，用圖解法求取蓄水運行后的最終坍岸寬度。

根據(jù)庫岸物質(zhì)組成，回填土庫岸再造水上取25°，水下取15°，當(dāng)基巖與覆蓋層接觸面分別大于25°或15°時則取基巖面。庫岸再造寬度最大43 m。庫岸再造最大影響范圍涉及到居民點西側(cè)的道路。

3.2 穩(wěn)定性計算

根據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》(SL386—2007)[2]、《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL252—2000)[3]，確定建筑物級別為三級，危害程度為較嚴(yán)重，岸坡的級別為四級，確定岸坡穩(wěn)定性計算工況及對應(yīng)的安全系數(shù)設(shè)計值如表1所示。

表1 庫岸計算工況及相應(yīng)的安全系數(shù)

3.2.1 計算方法

根據(jù)庫岸的巖土物理力學(xué)特性，采用圓弧滑動法進(jìn)行穩(wěn)定性計算。計算軟件采用北京理正《邊坡穩(wěn)定分析程序》(以下簡稱理正巖土)，計算方法采用簡化Bishop條分法進(jìn)行穩(wěn)定性計算，計算簡圖見圖1，計算公式：

(1)

(2)

表2 岸坡土體力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

圖1 圓弧滑動計算示意

式中，Wi為垂直荷載，包括土條自重和其上部的建筑荷載。其中，自重可將其分為兩部分，地下水位以上用濕容重計算，設(shè)為Wi1；地下水位以下用飽和容重計算，設(shè)為Wi2。其他垂直荷載，設(shè)為Pi。假設(shè)自重的作用線通過條塊寬度的中心線。ui為剪切面上的孔隙水壓力的合力，與剪切面正交。c′,φ′為剪切面抗剪強度(有效應(yīng)力指標(biāo))。αi為土條地面傾角。

3.2.2 計算參數(shù)

據(jù)試驗成果并結(jié)合地區(qū)工程經(jīng)驗，庫岸土體力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表2。

3.2.3 計算結(jié)果

選取庫岸典型剖面進(jìn)行計算，2-2′、 7-7′剖面分別位于第①段、第⑤土質(zhì)岸坡，其安全系數(shù)計算結(jié)果見表3。

表3 庫岸典型剖面安全系數(shù)計算結(jié)果

3.3 穩(wěn)定性評價

據(jù)穩(wěn)定性計算分析，對于第①、③、⑤三段土質(zhì)岸坡，天然狀態(tài)下基本處于極限平衡狀態(tài)。當(dāng)水庫蓄水至170 m(吳淞高程)，岸坡坡腳在庫水侵蝕下，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，可能產(chǎn)生滑移破壞，影響居民正常生產(chǎn)生活，因此需對現(xiàn)土質(zhì)岸坡進(jìn)行治理 。

對于第②段和第④段土巖復(fù)合岸坡，庫水淹沒線以下主要為基巖。水庫蓄水后，預(yù)測岸坡總體穩(wěn)定，強風(fēng)化巖在庫水作用下，淺表層將產(chǎn)生侵蝕，剝蝕型輕微庫岸再造。

4 防護(hù)措施

水庫蓄水后填土的強度降低，庫岸穩(wěn)定性隨之降低，可能導(dǎo)致產(chǎn)生滑移變形。由于坡頂有居民房屋和公路等對象，且距庫岸坡眉較近，不具備大規(guī)模削方放坡的條件，因此治理措施考慮回填壓腳、坡頂局部削坡減載及坡面防護(hù)的綜合方案。治理的范圍主要是3條沖溝所在區(qū)域(即第①、③、⑤段)，對于基巖出露庫岸不進(jìn)行防護(hù)。該方案施工方便，工期可得到保證。通過治理后，不僅可以有效控制岸坡土體滑移變形，也可防止庫岸再造。

坡頂至178.50 m坡比為1∶1.75，以削坡為主；高程178.50～171.00 m坡比為1∶2.0，以回填為主，局部削坡；高程171.00～154.00 m回填坡比為1∶2.25；高程154.00m至坡腳，回填坡比為1∶2.5。在高程178.50，171.00 m和162.00 m各設(shè)置3 m寬馬道，在154.00 m處設(shè)置4 m寬馬道。

根據(jù)計算成果，4-4′剖面至7-7′剖面段土體圓弧容易從坡腳第四系坡洪積層剪出，所以在坡腳回填之前，對局部坡洪積層進(jìn)行開挖換填。坡腳換填開挖坡比為1∶2.0，開挖換填至143.00 m，同時為增加坡腳抗滑力，整體回填至147.00～149.00 m左右。

考慮庫水位對岸坡再造的影響，高程171.00 m以下坡面采用混凝土預(yù)制塊護(hù)坡，混凝土預(yù)制塊護(hù)坡采用C20混凝土預(yù)制塊干砌。高程171.00 m以上坡面為生態(tài)護(hù)坡，采用六邊形鏤空混凝土預(yù)制塊護(hù)面，并回填沃土。

典型剖面設(shè)計見圖2，3。治理后典型剖面安全系數(shù)見表4。

圖2 庫岸治理措施典型剖面示意(2-2′)

工況條件設(shè)計安全系數(shù)K2-2′7-7′工況11．1861．361正常條件工況21．151．1761．171工況31．2651．248非常條件工況41．051．1681．100

圖3 庫岸治理措施典型剖面示意(7-7′)

5 結(jié) 論

(1) 通過對庫岸基本地質(zhì)條件、岸坡特征的研究，確定了庫岸失穩(wěn)破壞模式，并選取典型剖面進(jìn)行相應(yīng)的穩(wěn)定性計算。

(2) 針對土質(zhì)岸坡，采用回填壓腳、頂部削坡減載、混凝土預(yù)制塊護(hù)坡等綜合措施進(jìn)行治理，節(jié)約工期，為庫區(qū)地災(zāi)治理提供了一種思路。

[1] 范云沖，張友誼，胡卸文.庫岸再造預(yù)測方法及其評價[J] .四川水力發(fā)電，2002，21(4):69-71.

[2] SL386-2007水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范[S].

[3] SL252-2000水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)[S].

(編輯：李 慧)

2016-10-20

孟照蔚，男，長江巖土工程總公司(武漢)，工程師.

1006-0081(2016)12-0035-04

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