興凱湖大湖崗岸坡特征及塌岸預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

李 立

(黑龍江工程學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

興凱湖大湖崗岸坡特征及塌岸預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

李 立

(黑龍江工程學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

大湖崗是大、小興凱湖之間天然的綠色屏障，同時(shí)是珍稀的地質(zhì)遺跡資源，受自然和人為因素影響，地質(zhì)遺跡遭受破壞，湖崗的景觀、生態(tài)及保護(hù)功能與作用減退，帶來(lái)巨大的損失。文中通過(guò)對(duì)興凱湖大湖崗堤岸現(xiàn)狀、岸坡的地質(zhì)特征、塌岸的形成條件及誘發(fā)因素進(jìn)行分析，進(jìn)而確定塌岸的類型并進(jìn)行塌岸的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)。

塌岸；預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)；地質(zhì)特征；興凱湖大湖崗

興凱湖大湖崗位于黑龍江省興凱湖國(guó)家地質(zhì)公園內(nèi)，處于黑龍江省密山市境內(nèi)。大湖崗區(qū)域存在堤岸破壞，主要分布在白泡子至二閘段，此段湖崗塌岸嚴(yán)重，因此,對(duì)興凱湖大湖崗岸坡地質(zhì)特征及塌岸預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)尤為重要，也為大湖崗的保護(hù)方案提供科學(xué)依據(jù)。

1 興凱湖大湖崗堤岸現(xiàn)狀

本世紀(jì)初，湖崗人煙稀少，植被繁茂。隨著人類活動(dòng)增加，湖崗成了重要的運(yùn)輸通道。由于人類保護(hù)意識(shí)的淡薄，在湖崗上放牧、伐木、取沙等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，對(duì)湖崗及其上的植被都造成了不同程度的破壞。更重要的是，興凱湖湖面廣闊，風(fēng)大浪高，每年湖水位高峰期持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，在西南大風(fēng)影響下，湖面形成的風(fēng)浪帶著湖水對(duì)岸坡的穩(wěn)定性影響較大，形成塌岸。每年4月底的“武開湖”，順著湖風(fēng)沖到岸邊的冰凌對(duì)湖崗撞擊，造成湖崗嚴(yán)重破壞。

大湖崗為白泡子至二閘段，東西向沿湖岸線長(zhǎng)約46 km，南北寬20～560 m，面積約9.445 km2。大湖崗堤岸整體地形起伏較大，最大高差為15.23 m，最高點(diǎn)位于大湖崗上，高程85.64 m；最低點(diǎn)為湖面，高程70.41 m；地貌單元由風(fēng)積湖崗和湖積濱湖沙灘組成。湖崗的地層結(jié)構(gòu)為上部約0.3～0.5 m的腐殖土，下部為第四系黃褐色、稍密細(xì)砂夾薄層粘土，湖崗表面高低起伏，上部主要生長(zhǎng)著興凱湖松、水曲柳等樹木，植被覆蓋率約30%，在蓮花村、新開流、第一泄洪閘、第二泄洪閘等地湖崗被截?cái)?，形成了若干個(gè)較大的風(fēng)沙口；湖崗岸坡高0.7～10.2 m，岸坡上部較陡，坡度40°～60°，下部較緩，坡度10°～25°，坡面上砂土直接裸露，幾乎整個(gè)岸坡都存在塌岸現(xiàn)象，整個(gè)岸坡分布有23條沖溝；岸坡下濱湖沙灘寬1～25 m，平均寬約8.0 m，沙灘較為平緩，坡度8°～10°，由黃褐色細(xì)砂組成，表面含有少量湖水沖上的生活垃圾。

2 塌岸的形成條件與誘發(fā)因素

2.1 塌岸的形成條件

塌岸的形成條件[1-5]有堤岸地形地貌特征、岸坡巖土體性質(zhì)、岸坡結(jié)構(gòu)、地下水作用、地質(zhì)災(zāi)害作用、地震等。研究區(qū)塌岸形成條件主要包括地形地貌、岸坡巖土體性質(zhì)、岸坡結(jié)構(gòu)、地下水作用。

1)大湖崗堤岸岸坡較高，坡度上陡下緩，坡面完整程度差；地層巖性為較為松散的細(xì)砂，強(qiáng)度低，遇水較易崩解。當(dāng)湖水高水位降到低水位時(shí)岸坡下部細(xì)砂中較細(xì)小的顆粒容易被帶走，隨著時(shí)間和外力的作用岸坡下部被掏空，上部巖土體塌落下來(lái)形成塌岸。

2)大湖崗位于興凱湖北部，春夏季湖面上西南風(fēng)猛烈，湖水在風(fēng)的作用下形成的風(fēng)浪直接對(duì)岸坡進(jìn)行沖蝕與淘刷。近些年人類在湖崗開挖采砂和植被破壞等工程活動(dòng)對(duì)湖崗的地質(zhì)環(huán)境有所破壞。每年4月底的“武開湖”，順著湖風(fēng)沖到岸邊的冰凌對(duì)湖崗撞擊，使湖崗造成嚴(yán)重的破壞。因此，大湖崗堤岸極易發(fā)生塌岸。

2.2 塌岸誘發(fā)因素

1)湖水的作用。由于湖水在西南風(fēng)或其他外力作用下產(chǎn)生波浪，波浪的波高、波速和波向不同，對(duì)岸坡沖蝕與淘蝕作用也存在差異。湖水升降表現(xiàn)為岸坡巖土體飽和，排水變化過(guò)程，或岸坡巖土體的浮托力，滲透壓力變化過(guò)程。湖水升降速率表現(xiàn)為這個(gè)過(guò)程變化的劇烈程度。

2)人類工程活動(dòng)。人類在堤岸周邊的工程活動(dòng)如開挖、破壞植被等，影響岸坡的地質(zhì)環(huán)境條件，從而產(chǎn)生堤岸的塌岸。

3)大氣降水一般在湖水上漲前后不會(huì)發(fā)生較大變化，影響不大，但可對(duì)湖水水位上漲程度有一定影響。堤岸結(jié)冰的凍脹，浮冰撞擊岸坡，對(duì)岸坡淺表部巖土體有一定影響。

3 大湖崗岸坡地質(zhì)特征

整個(gè)坡段長(zhǎng)46 km，湖崗多處被截?cái)?，截?cái)嗵幮纬闪硕鄺l大湖與小湖的水系連接帶，寬約10～25 m。坡高0.7～10.2 m，岸坡坡度較陡，平均約50°，坡腳距湖水邊線遠(yuǎn)近不一，約1～25 m。坡面巖土直接裸露，巖性為第四系風(fēng)積黃褐色中細(xì)砂夾薄層粘土，稍密狀態(tài)，稍濕，0.5～0.25 mm顆粒約占30%～40%，0.25～0.075 mm顆粒約占50%～60%，小于0.075 mm顆粒約占10%。下伏地層為第四系湖積粉質(zhì)粘土及砂土。坡面發(fā)育多處小沖溝，沖溝長(zhǎng)約5～15 m，寬約0.5～10.0 m，溝深0.5～3.0 m，隨著降雨和植被被破壞，沖溝不斷加寬加深，對(duì)大湖崗堤岸造成嚴(yán)重的破壞，之后可能演變成風(fēng)沙口。坡腳處沿線均可見傾倒的樹木，由于該岸坡處于興凱湖北岸，屬于波浪沖刷一側(cè)，岸坡較陡，抗沖刷能力較弱，沖刷和掏蝕作用明顯，加之在湖水浸泡和水位升降作用下，易發(fā)生岸坡坍塌現(xiàn)象，隨著時(shí)間推移和凍融交替，此類現(xiàn)象不斷擴(kuò)展，致使岸坡不斷變化，發(fā)生岸坡再造現(xiàn)象。

塌岸堆積體分布在岸坡坡腳處，呈條帶狀分布，總長(zhǎng)度約46.0 km，頂部高程70.77～72.48 m，寬度5.0～10.0 m，厚度0.5～1.5 m，坡度15°～25°。該堆積體主要由黃褐色中細(xì)砂及少量耕土組成，顆粒級(jí)配為2～0.5 mm顆粒約占5%～10%，0.5～0.25 mm顆粒約占25%～35%，0.25～0.075 mm顆粒約占50%～65%，小于0.075 mm顆粒約占5%～10%。塌岸堆積體部分已經(jīng)被湖水帶走，因此，堆積體形態(tài)特征并不明顯。

4 塌岸的類型及影響因素

興凱湖大湖崗塌岸類型主要為坍塌型和侵蝕剝蝕型。坍塌型主要分布在大湖崗岸坡較陡地段，岸坡在水的作用下，基座軟化或挖空，土體向湖面坍塌，具突發(fā)性；侵蝕剝蝕型主要分布在大湖崗岸坡較緩地段，在水的侵蝕、浪蝕作用下，岸坡逐漸后退，變化較緩慢。

影響塌岸的因素錯(cuò)綜復(fù)雜，興凱湖大湖崗主要包括巖性、結(jié)構(gòu)、堤岸形態(tài)、波浪作用、水文地質(zhì)條件等因素。

5 塌岸的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

5.1 塌岸的預(yù)測(cè)方法

興凱湖大湖崗塌岸預(yù)測(cè)采用卡丘金法進(jìn)行塌岸寬度的預(yù)測(cè)[6-15]。預(yù)測(cè)圖解如圖1所示，公式如下：

圖1 塌岸預(yù)測(cè)圖

式中：A為水位變幅(m)；Hb為設(shè)計(jì)高水位以上波浪爬高(m)；HP為設(shè)計(jì)低水位以下的波浪影響深度(m)；HS為設(shè)計(jì)高水位以上坡高(m)；α為水位變動(dòng)帶穩(wěn)定坡角( °)；β為水上穩(wěn)定坡角( °)；γ為原始岸坡坡角( °);S為塌岸寬度(m)；h1為粘性土斜坡上部垂直陡坎坎高(m)，根據(jù)土力學(xué)計(jì)算確定。

設(shè)計(jì)高水位以上波浪爬高可按下式計(jì)算:

Hb=3.2Kd·h·tanα.

式中：Hb為波浪爬高(m)；Kd為與被沖蝕岸坡表面粗糙度有關(guān)的系數(shù)，沙質(zhì)岸坡取0.55～0.75，拋石岸坡取0.78～0.80，礫石質(zhì)岸坡取0.85～0.90，混凝土岸坡取1；項(xiàng)目區(qū)為砂質(zhì)岸坡，取0.6；h為浪高，一般可取0.5 m。

設(shè)計(jì)低水位以下波浪影響深度HP可取1～2倍浪高，浪高取0.5 m時(shí)，波浪影響深度可取1 m。

5.2 參數(shù)選取

湖水的高水位與低水位：根據(jù)水文資料，湖面水位變幅A為1.0 m，湖面的最低水位為設(shè)計(jì)低水位，取70.4 m；高水位取71.4 m。

水位變動(dòng)帶坡角α、水上穩(wěn)定坡角β及原始岸坡坡角γ：通過(guò)工程地質(zhì)類比，結(jié)合野外調(diào)查資料，水位變動(dòng)帶坡角α可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有湖濱沙灘穩(wěn)定堆積物的坡度確定，取8°～10°；水上穩(wěn)定坡角β可采用三級(jí)永久邊坡一般工況下穩(wěn)定性系數(shù)為1.25的坡角，取26°；由于現(xiàn)有岸坡已經(jīng)被改造過(guò)，因此，原始岸坡坡角可取與水上穩(wěn)定坡角一致。

5.3 預(yù)測(cè)結(jié)果

由以上的預(yù)測(cè)方法可知，興凱湖大湖崗堤岸塌岸寬度在13.2～23.1 m，塌岸高度(厚度)為3.2～8.6 m。

5.4 塌岸評(píng)價(jià)

興凱湖大湖崗岸坡巖性為中細(xì)砂夾薄層粘土，因此大湖崗岸坡為土質(zhì)岸坡；岸坡塌岸的強(qiáng)烈程度為較強(qiáng)烈-強(qiáng)烈；岸坡在天然狀態(tài)下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，由于湖水、波浪等侵蝕、掏蝕作用使得岸坡坡腳處不斷發(fā)生小坍塌，坡腳處的巖土體不斷被湖水帶走，使得岸坡坡腳不斷后退，岸坡的整體穩(wěn)定性下降，當(dāng)坡腳后退0.5 m時(shí)岸坡發(fā)生整體失穩(wěn)，因此塌岸對(duì)岸坡的整體穩(wěn)定性影響較大。

6 結(jié)束語(yǔ)

興凱湖大湖崗記錄了興凱湖的變遷歷史，是國(guó)家級(jí)重要地質(zhì)遺跡，目前塌岸程度為較強(qiáng)烈-強(qiáng)烈，為保護(hù)興凱湖珍貴而奇特的地質(zhì)遺跡景觀，保護(hù)優(yōu)美而和諧的生態(tài)系統(tǒng)，維護(hù)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，對(duì)遭受塌岸破壞的大湖崗進(jìn)行保護(hù)勢(shì)在必行，且刻不容緩。

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[責(zé)任編輯：劉文霞]

Bank slope characteristics and bank failure forecast evaluation of mound around Khanka Lake

LI Li

(College of Civil and Architectural Engineering, Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050，China)

Mound is natural green barrier between Great Khanka Lake and Small Khanka Lake, which is rare geological relic resource. For natural and man-made factors, the geological relic has been damaged and the ecology and protection function have been weakened.The mound around Khanka lake embankment current situation, geologic feature of bank slope, formation conditions and precipitating factor of bank failure are analyzed. The bank failure type forecast evaluation is identified. The forecast evaluation of bank failure is so conducted.

bank failure; forecast evaluation; geologic feature; mound around Khanka Lake

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2017.03.005

2016-10-30

李 立(1964-)，女，副教授，研究方向：工程地質(zhì).

TV882

A

1671-4679(2017)03-0016-03