洋溪水利樞紐庫(kù)區(qū)最終坍岸寬度預(yù)測(cè)探討

吳德成

（廣西水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，南寧 530023）

洋溪水利樞紐庫(kù)區(qū)最終坍岸寬度預(yù)測(cè)探討

吳德成

（廣西水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，南寧 530023）

采用卡丘金公式和Janbu條分法分別對(duì)洋溪水利樞紐庫(kù)區(qū)內(nèi)的防護(hù)點(diǎn)進(jìn)行坍岸范圍預(yù)測(cè)。通過(guò)對(duì)比分析兩種方法計(jì)算的結(jié)果，認(rèn)為卡丘金方法可用在庫(kù)區(qū)調(diào)查研究的前期，能大概通過(guò)野外收集的資料初步判斷坍岸的范圍，對(duì)其坍岸的嚴(yán)重程度作進(jìn)一步調(diào)查研究，較為方便快捷。Janbu條分法可在卡丘金計(jì)算寬度的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步細(xì)化坍岸的類型及其坍岸精度的量化，計(jì)算量較大，但更符合工程實(shí)際情況。

卡丘金；Janbu條分法；坍岸；洋溪水利樞紐

1 工程概況

廣西柳江防洪控制性工程洋溪水利樞紐位于柳江上游干流都柳江河段三江侗族自治縣洋溪鄉(xiāng)政府所在地上游約2km處，距三江縣城約42km。洋溪水利樞紐是柳江綜合利用規(guī)劃廣西境內(nèi)的第2個(gè)梯級(jí)，是以防洪為主、結(jié)合發(fā)電、航運(yùn)等綜合效益的大型水利工程。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，低于蓄水位高程的村（寨）需搬遷，臨河側(cè)高于搬遷線的村寨要進(jìn)行防護(hù)。結(jié)合水庫(kù)移民專業(yè)的調(diào)查成果，共涉及18個(gè)村（寨）需防護(hù)。對(duì)防護(hù)的村（寨）進(jìn)行最終坍岸寬度的預(yù)測(cè)，是庫(kù)區(qū)岸坡治理的依據(jù)。

2 庫(kù)區(qū)基本工程地質(zhì)條件

2.1 基本地質(zhì)概況

都柳江水面寬度一般為80～140m，最窄處為50～60m。水庫(kù)形狀呈樹(shù)枝狀，庫(kù)區(qū)內(nèi)河道較為彎曲，庫(kù)區(qū)干流流向總體為由西向東，河谷基本呈“U”型谷，沿江兩岸零星殘留少量Ⅰ、Ⅱ級(jí)階地，河流與巖層走向大角度相交，基本屬橫向谷；梅林鄉(xiāng)～八洛段河流與巖層走向呈小角度相交，基本屬縱向谷。水庫(kù)兩岸山體雄厚，兩岸山頂高程多為500～800m，庫(kù)岸邊坡一般為30°～50°，屬中低山地貌。

庫(kù)區(qū)出露地層主要有前震旦系（上板溪群）粉砂巖、震旦系含礫泥質(zhì)粉砂巖、寒武系深灰色硅質(zhì)巖和第四系松散堆積層。沿岸、沿公路小規(guī)模邊坡滑動(dòng)及崩塌為水庫(kù)蓄水位抬升后的庫(kù)岸再造過(guò)程，是水庫(kù)建設(shè)及運(yùn)行中不可避免的地質(zhì)作用過(guò)程。蓄水后，由于庫(kù)水位的升降和波浪沖刷，造成第四系松散堆積層岸坡巖土物理力學(xué)性質(zhì)惡化，抗剪強(qiáng)度降低（c、φ指標(biāo)的降低），局部地段可能出現(xiàn)小規(guī)模塌滑。

2.2 坍岸型式

由于岸坡物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)特征、地下水位等情況不同，各岸坡的坍岸程度（寬度和發(fā)展速度）也不一樣。其中影響坍岸程度的因素包括內(nèi)在因素和外在因素。內(nèi)在因素包括地形地貌、地層結(jié)構(gòu)、岸坡結(jié)構(gòu)等；外在因素包括水的作用、波浪作用及其它作用（風(fēng)化作用等）。

根據(jù)庫(kù)區(qū)內(nèi)岸坡形態(tài)、巖土特征及其組合關(guān)系、庫(kù)水影響，洋溪庫(kù)區(qū)的坍岸型式可分為：①崩塌型，坡腳為松散的第四系堆積體，河（江）水掏空沖刷坡腳，變形以豎直方向?yàn)橹?，多發(fā)生于土質(zhì)岸坡或巖質(zhì)岸坡；②滑動(dòng)型，岸坡巖土體沿一個(gè)或多個(gè)滑面下滑，變形以水平方向?yàn)橹?，多發(fā)生在土質(zhì)岸坡；③侵蝕剝蝕型，受外力因素影響，岸坡巖土體出現(xiàn)碎裂，解體而剝落，多發(fā)生在巖質(zhì)岸坡。

2.3 物理力學(xué)參數(shù)值

根據(jù)土工試驗(yàn)結(jié)果及該地區(qū)工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，綜合確定洋溪庫(kù)區(qū)各巖土層參數(shù)值，見(jiàn)表1。

3 坍岸寬度計(jì)算原理

上世紀(jì)40～50年代，前蘇聯(lián)薩瓦連斯基、卡丘金、卓洛塔廖夫等對(duì)水庫(kù)坍岸問(wèn)題進(jìn)行研究，提出了著名的卡丘金計(jì)算法和圖解法等，并沿用至今。王躍敏等人經(jīng)過(guò)10年數(shù)十處水庫(kù)坍岸的調(diào)查研究，提出適用于我國(guó)南方山區(qū)峽谷型水庫(kù)坍岸的預(yù)測(cè)法，即兩段法，其原理與卡丘金所需參數(shù)大致相似，但對(duì)水文要求、淤積厚度、水下岸坡物質(zhì)成分等作更為細(xì)致的要求[1]。洋溪庫(kù)區(qū)屬“U”型河流，兩段法在洋溪庫(kù)區(qū)坍岸預(yù)測(cè)不適用。

坍岸的最終寬度分別采用卡丘金預(yù)測(cè)法和邊（岸）坡常用的Janbu條分法計(jì)算，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

表1 庫(kù)區(qū)巖土層參數(shù)值表

3.1 卡丘金法

卡丘金法適用于粉土、粘性土等岸坡，并且波浪較小的水庫(kù)。其計(jì)算公式如下：

式中：St——坍岸帶最終寬度（m）；

A——庫(kù)水位變化幅度（m），取正常蓄水位與死水位的差值；

N——與土的顆粒大小有關(guān)的系數(shù)，根據(jù)本工程岸坡土質(zhì)顆粒含量，取值0.8；

hp——波浪沖刷深度（m），本次計(jì)算采用1倍波高；

hB——浪擊高度（m），用德容科夫斯基公式hB=k·n·h·tgα計(jì)算，其中k=0.77，n=3.2，h為浪高，取1.5m；

H——正常蓄水位以上岸坡高度（m）；

α——水下穩(wěn)定坡角（°）；

β——水上岸坡穩(wěn)定坡角（°）；

γ——原始岸坡坡角（°）；

圖1 坍岸預(yù)測(cè)剖面示意圖

3.2 Janbu條分法

3.2.1 Janbu條分法原理

工程上常用的邊坡穩(wěn)定分析方法有瑞典圓弧法（Fellenius法）、簡(jiǎn)化畢肖普法、Janbu法，它們均屬于極限平衡法。瑞典圓弧法的土條間作用力的假設(shè)不太合理，得出的安全系數(shù)明顯偏低；而簡(jiǎn)化畢肖普法假定的滑面形狀必須是圓弧狀，且在實(shí)踐中表明，該方法計(jì)算出的安全系數(shù)偏低，適用性有一定的局限。在實(shí)際工程中常常會(huì)遇到非圓弧滑動(dòng)面的突破穩(wěn)定分析，如土坡下面有軟弱夾層，或土坡位于傾斜巖層面上，滑動(dòng)面形狀受到夾層或硬層影響而呈現(xiàn)非圓弧形狀。此時(shí)若采用前述圓弧滑動(dòng)面法分析就不適用了。Janbu法的滑面可以是任意的，且力的平衡和力矩平衡均滿足平衡條件，本文采用簡(jiǎn)布（Janbu）法計(jì)算洋溪庫(kù)區(qū)的最終坍岸寬度。

N.揚(yáng)布提出的非圓弧普通條分法（GPS），也稱為簡(jiǎn)布法。其原理如下：

如圖2所示土坡，滑動(dòng)面任意，劃分土條后，其假定：①滑動(dòng)面上的切向力Ti等于滑動(dòng)面上土所發(fā)揮的抗剪強(qiáng)度τfi，即Ti=τfili=（Nitanφi+cili）/Fs；②土條兩側(cè)法向力E的作用點(diǎn)位置為已知，且一般假定作用于土條地面以上1/3高度處。分析表明，條間力作用點(diǎn)的位置對(duì)土坡穩(wěn)定安全系數(shù)影響不大[2]。

圖2 滑體示意圖（左）及土條受力分析圖（右）

取任一土條如圖2所示，hti為條間力作用點(diǎn)的位置，αti為推力線與水平線的夾角。需求的未知量有：土條底部法向反力Ni（n個(gè)）；法向條間力之差△Ei（n個(gè)）；切向條間力Xi（n-1個(gè)）及安全系數(shù)Fs。可通過(guò)對(duì)每一土條力和力矩平衡建立3n個(gè)方程求解。

對(duì)每一土條取豎向力的平衡，則

由圖2可以看出土條條塊側(cè)面的法向力E，顯然有E1=ΔE1，E2=ΔE1+ΔE2

對(duì)土條中點(diǎn)取力矩平衡，并略去高價(jià)微量，則Xibi=-Eibitan αti+htiΔEi或

顯見(jiàn)，Janbu法中邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的求解需采用迭代法，可按以下步驟進(jìn)行；

（1）先設(shè)ΔXi=0（相當(dāng)于簡(jiǎn)化的畢肖普總應(yīng)力法），并假設(shè)Fs=1，算出mαi代入式（9），求得Fs，若計(jì)算Fs值與假定值相差較大，則由新的Fs值再求mαi和Fs，反復(fù)逼近至滿足精度要求，求出Fs的第一次近似值。

（2）將ΔXi=0和Fs的第一次近似值代入由式（8）求出相應(yīng)的Tfi；再由式（3），求相應(yīng)的 ΔEi。

（4）將 Ei和ΔEi代入式（5）求得 Xi及ΔXi。

（5）用新求的ΔXi重復(fù)步驟1，求出Fs的第二次近似值，并以此值重復(fù)上述計(jì)算每一土條的Tfi、ΔEi、ΔXi，直到前后計(jì)算的Fs值達(dá)到某一要求的計(jì)算精度ε。

Janbu條分法可以滿足所有的靜力平衡條件，目前該法在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較廣。邊坡真正的安全系數(shù)需要計(jì)算多個(gè)滑動(dòng)面，進(jìn)行比較，找出最危險(xiǎn)的滑動(dòng)面。

2.2.2 工程算例

結(jié)合洋溪水利樞紐庫(kù)區(qū)各防護(hù)點(diǎn)的地質(zhì)條件，計(jì)算工況考慮天然+庫(kù)水位驟降情況，取FS=1.0使岸坡處于失穩(wěn)的臨界狀態(tài)，反算其滑動(dòng)面位置及滑動(dòng)形態(tài)。最后，可在圖上量取其坍岸的寬度，見(jiàn)圖3。其最終坍岸寬度見(jiàn)表2。

圖3 Janbu法岸坡滑動(dòng)面位置示意圖

4 結(jié)果分析

通過(guò)卡丘金公式和Janbu條分法分別對(duì)洋溪水利樞紐庫(kù)區(qū)內(nèi)的防護(hù)點(diǎn)作最終的坍岸寬度計(jì)算，其成果見(jiàn)表2。

表2 兩種方法計(jì)算坍岸寬度成果表 m

表2各防護(hù)點(diǎn)中，卡丘金法考慮了水位的沖刷深度和浪擊高度，原始地質(zhì)地貌形態(tài)，對(duì)岸坡土質(zhì)顆粒含量的依賴較大。計(jì)算結(jié)果整體較為合理，但上游段（庫(kù)尾段）坍岸較下游段大，說(shuō)明庫(kù)區(qū)離壩址越遠(yuǎn)，岸坡高度H越大，越容易發(fā)生坍岸，這與實(shí)際情況稍有偏差。

Janbu法坍岸寬度較大處多為地形凹岸處或江河交匯的地方，這些地方河水位上漲，容易被沖刷或?qū)е峦翆拥牧W(xué)參數(shù)指標(biāo)下降，更易坍岸，比如仁里新村，葛亮屯等，較符合實(shí)際地質(zhì)情況。

5 結(jié)語(yǔ)

兩種計(jì)算庫(kù)區(qū)坍岸寬度的方法，在工程應(yīng)用中均有實(shí)際意義?？ㄇ鸾鸱椒◤陌l(fā)現(xiàn)應(yīng)用至今，已有70～80年的發(fā)展；隨著各種新技術(shù)、新方法的出現(xiàn)，建議結(jié)合實(shí)際情況改進(jìn)使用該方法?？ㄇ鸾鸱椒捎迷趲?kù)區(qū)調(diào)查研究的前期，能大概通過(guò)野外收集的資料初步判斷坍岸的范圍，對(duì)其坍岸的嚴(yán)重程度作進(jìn)一步調(diào)查研究，較為方便快捷。Janbu條分法可在卡丘金計(jì)算寬度的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步細(xì)化坍岸的類型及其坍岸精度的量化，計(jì)算量較大，但更符合工程實(shí)際情況。

[1] 彭土標(biāo)，袁建新，王惠明，水利發(fā)電工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2011.

[2] 陳仲頤，周景星，王洪瑾，等.土力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1994.

（責(zé)任編輯：劉征湛）

Calculation of final bank collapse width for reservoir area of Yangxi Hydraulic Complex

WU De-cheng
（Guangxi Water and Power Design Institute,Nanning 530023，China）

For each protection site within the reservoir area of Yangxi Hydraulic Complex，the range of bank col?lapse was calculated by Kachugin formula and Janbu slice method respectively.The calculating results out of two methods were compared，based on which it is concluded that Kachugin formula shall be used at the preparatory stage of reservoir area investigation because it permits rather convenient and rapid preliminary estimate of collapse range with the information collected at site，before further investigation of collapse extent is conducted.On the ba?sis of the calculating width out of Kachugin method，Janbu slice method permits further refining of collapse type and quantization of collapse accuracy，requires great calculating work but has results more in conformity with the actual conditions of project.

Kachugin formula；Janbu slice method；bank collapse；Yangxi Hydraulic Complex

P642.21

B

1003-1510（2016）05-0028-04

2016-06-12

2016-07-12

吳德成（1986-），男，廣西岑溪人，廣西水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院工程師，碩士，從事水利水電工程勘察工作。