河道內(nèi)水位變化對(duì)水磨溝水庫(kù)岸坡穩(wěn)定性的影響分析

雷鳴

河道內(nèi)水位變化對(duì)水磨溝水庫(kù)岸坡穩(wěn)定性的影響分析

雷鳴

（新疆阜康市水利局，新疆阜康831500）

結(jié)合新疆阜康市水磨溝水庫(kù)地質(zhì)條件，通過(guò)構(gòu)建有效的岸坡穩(wěn)定性分析模型，并以實(shí)測(cè)岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)FS為基礎(chǔ)，計(jì)算分析了河道內(nèi)水位變化對(duì)岸坡穩(wěn)定性的調(diào)整特點(diǎn)，這對(duì)預(yù)測(cè)崩岸險(xiǎn)情以及指導(dǎo)水庫(kù)岸坡除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)具有重要意義。

河道水位變化；水庫(kù)；岸坡崩塌；河岸穩(wěn)定性

1 工程概況

水磨溝水庫(kù)位于天山山脈北緣的沖洪積平原區(qū)內(nèi)，庫(kù)區(qū)及庫(kù)區(qū)外圍地形平坦開(kāi)闊，地勢(shì)南高北低，地面坡度較大，約1%。水磨河位于庫(kù)區(qū)東側(cè)，其發(fā)源地在天山山脈東段北麓阿布加哈斯木達(dá)拉山，海拔高程4238 m，河道全長(zhǎng)52.1 km，河道平均縱坡為23.8‰，河流自南向北流經(jīng)阜康市城關(guān)鄉(xiāng)，消失于準(zhǔn)噶爾盆地。水磨河屬于典型的季節(jié)性河流。在汛期主流擺動(dòng)較為頻繁，且部分河段的河勢(shì)常出現(xiàn)變化，使得河道岸坡有時(shí)出現(xiàn)崩岸情況。水磨溝水庫(kù)建成后，由于水磨河上游河段來(lái)沙量的迅速減少，造成較為嚴(yán)重的河床沖刷現(xiàn)象；同時(shí)，上游河岸高度逐年增加，河道岸坡陡峭程度升高，岸坡穩(wěn)定性下降，崩岸現(xiàn)象發(fā)生率明顯增加[1]。

圖1 崩塌形態(tài)示意圖

2 岸坡穩(wěn)定性計(jì)算

河岸岸坡的穩(wěn)定性受到多方面因素的影響，包括土體物理力學(xué)性質(zhì)、岸坡地質(zhì)構(gòu)造、滲流情況等。河道內(nèi)水位的變化會(huì)通過(guò)滲流作用對(duì)岸坡土體性質(zhì)產(chǎn)生作用，進(jìn)而岸坡穩(wěn)定性造成影響。因此，岸坡穩(wěn)定性計(jì)算模型需要考慮前水位的變化，同時(shí)結(jié)合一維非穩(wěn)定滲流計(jì)算，構(gòu)建計(jì)算模型，研究不同水位時(shí)期的岸坡穩(wěn)定性特點(diǎn)[2-3]。岸坡穩(wěn)定性分析在原有Darby、Thorne計(jì)算模型基礎(chǔ)上，考慮基質(zhì)吸力對(duì)岸坡穩(wěn)定性造成的影響[4]。岸坡崩塌后的形態(tài)如圖所示，假設(shè)岸坡已經(jīng)發(fā)生過(guò)平面滑動(dòng)，且出現(xiàn)過(guò)崩塌，后期崩塌的滑動(dòng)面通過(guò)坡腳。

岸坡穩(wěn)定性安全系數(shù)Fs，其值小于1時(shí)岸坡將發(fā)生崩塌[5-6]，表達(dá)式為：其中：FR為潛在滑動(dòng)面抗滑力，表達(dá)式為FD=Gsinβ+PVcosβ-Psinα，kN/m；FD為岸坡崩塌滑動(dòng)力，F(xiàn)R=c′L+Stanφb+N-（）U tanφ′，kN/m；φ′為內(nèi)摩擦角，°；C′為內(nèi)聚力，kN/m2；β為坡角，°；α為側(cè)向水壓力P與滑動(dòng)面內(nèi)法線夾角，°；φ′為有效內(nèi)摩擦角，°；L為滑動(dòng)面長(zhǎng)度，m。PV和PU分別為孔隙水壓力在拉伸裂縫面上、滑動(dòng)面上分力，kN/m。

（1）重力：

其中：γ、γsat為土體天然容重、飽和容重，kN/m3；Hg為基準(zhǔn)面地下水深，以坡腳水平面作為基礎(chǔ)參考，m；He為坡腳沖刷高度，m。

（2）孔隙水壓力：

其中：γw為水的容重，kN/m3；hw、h′為地下水頭和地面水頭，m。

（3）基質(zhì)吸力：

其中：ua為孔隙氣壓，/m2，本文取0；總基質(zhì)吸力通過(guò)潛水面上滑動(dòng)面積積分得到，S；Lup為潛水面上滑動(dòng)面長(zhǎng)度，m。

[61] 楊志榮：《中美南海戰(zhàn)略博弈的焦點(diǎn)、根源及發(fā)展趨勢(shì)》，《亞太安全與海洋研究》2017年第4期，第19頁(yè)。

（4）側(cè)向水壓力：

其中：P為水壓力，kN/m；Px、Py為河道水壓力在x和y方向的分量，kN/m。

3 水磨溝水庫(kù)典型岸坡穩(wěn)定性分析

3.1 典型安全穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)確定

計(jì)算所用相關(guān)參數(shù)主要包括岸坡形態(tài)參數(shù)與岸坡土體力學(xué)參數(shù)，其中前者需由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)獲得，后者需參考土工實(shí)驗(yàn)資料。本次研究以水磨溝斷面右側(cè)岸坡與公2斷面左側(cè)岸坡為對(duì)象進(jìn)行安全穩(wěn)定性分析。其中斷面右側(cè)岸坡位于水庫(kù)上游2 km處，斷面形態(tài)為W型，河槽寬度km，如下圖2（a）所示，斷面右側(cè)岸坡相對(duì)更高，深槽高程落差達(dá)22.5 m；公斷面地處水庫(kù)下游3 km，斷面形態(tài)為V型，河槽寬度1.3 km，如下圖2（b）所示，斷面深槽臨近左岸，深槽高程落差達(dá)25.9 m。

現(xiàn)選擇2011年34斷面實(shí)測(cè)地形為對(duì)象，對(duì)岸坡形態(tài)參數(shù)的確定進(jìn)行分析。首先對(duì)河岸邊坡頂?shù)赘叱踢M(jìn)行確定。其中坡頂多以黏土層頂面為準(zhǔn)；坡腳參照枯水位最低點(diǎn)與近岸河槽形態(tài)進(jìn)行確定。如上圖2（a）所示，將河槽枯水位下近岸面積A同水面寬度B的比值充當(dāng)枯水期水深均值H，然后再將枯水位降低H后所得平面與河岸的交點(diǎn)作為岸坡坡腳高程。

3.2 2011年水文實(shí)測(cè)岸坡穩(wěn)定性分析

2011年水磨溝水庫(kù)進(jìn)行蓄水作業(yè)后，上下游河道內(nèi)水文變化出現(xiàn)明顯改變，以往河道退水期多為10月，蓄水后提前至9月。下圖3所示為34斷面與公2斷面2011年漲水及退水期水位變化統(tǒng)計(jì)圖，公2斷面處水文自2011年月起開(kāi)始逐漸增加，5月中下旬開(kāi)始進(jìn)入洪峰期，水位最高達(dá)36 m，隨后自月上旬開(kāi)始，水文開(kāi)始由34.5 m迅速回落，截止到10月中旬已降低至27.8 m，到12月中旬退水期結(jié)束，剩余水位為26.1 m。

上圖3所示為34斷面及公2斷面岸坡潛水位與安全系數(shù)變化過(guò)程，其可按照不同時(shí)期分述為：

圖2 34斷面與公斷面形態(tài)示意圖

圖3 水庫(kù)河道水文、潛水位及安全系數(shù)變化分析統(tǒng)計(jì)圖

（1）漲水期內(nèi)，隨著水文上漲，岸坡側(cè)向水壓不斷增加，岸坡土體內(nèi)潛水位逐漸增加，但整體仍相對(duì)較低，岸坡土體內(nèi)孔隙水壓力仍相對(duì)較小，基質(zhì)具備良好吸力，岸坡穩(wěn)定性較高，難以發(fā)生崩岸事故。實(shí)測(cè)所得兩岸坡安全系數(shù)分別為1.25和3.68。

（2）洪峰期內(nèi)，河道水文漲落變化顯著，岸坡側(cè)向水壓波動(dòng)明顯，土體內(nèi)潛水位進(jìn)一步升高，使得土體內(nèi)孔隙壓力增大，基質(zhì)吸力降低。整體分析而言，該時(shí)期岸坡穩(wěn)定性有所下降，實(shí)測(cè)所得兩岸坡安全系數(shù)分別降低為1.06和2.7，同時(shí)岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)還存在時(shí)升時(shí)降的特征，當(dāng)河道水文發(fā)生迅速降低時(shí)，也隨之減小。其中34斷面岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)僅僅略大于1，可視其已發(fā)生岸崩。

（3）退水期內(nèi)，岸坡土體內(nèi)潛水位逐漸降低，但下降速度小于河道水位，導(dǎo)致孔隙水壓力偏大，基質(zhì)吸力不足，同時(shí)隨著河道側(cè)向水壓的消失，岸坡穩(wěn)定性進(jìn)一步下降。實(shí)測(cè)所得兩岸坡安全系數(shù)分別降低為0.88和1.62，而最小岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fsmin為0.83與1.39，因此該時(shí)期34斷面岸坡已發(fā)生崩塌，公2斷面岸坡仍保持相對(duì)完整。

綜上所述，假設(shè)岸坡形態(tài)不發(fā)生改變，則水磨溝水庫(kù)河岸邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)在退水期最低，最易出現(xiàn)崩塌事故；在洪峰期內(nèi)，若出現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)的水文快速下降，也存在發(fā)生崩岸的可能。34斷面岸坡洪水期水位發(fā)生迅速降低時(shí)，降低至解決1，退水期進(jìn)一步降低至小于1的0.88，表明存在岸崩現(xiàn)象；公2斷面岸坡在洪峰期與退水期隨均有所下降，但值始終高于安全臨界值，表明其未曾發(fā)生崩岸現(xiàn)象。而根據(jù)對(duì)水磨溝水庫(kù)以往汛期水文數(shù)據(jù)的調(diào)查顯示，34斷面岸坡在2011水文年內(nèi)曾發(fā)生20 m的崩退現(xiàn)象，公2斷面岸坡未曾發(fā)生崩岸現(xiàn)象，表明本文計(jì)算結(jié)果貼合實(shí)際狀況。

4 水文升降速率對(duì)岸坡穩(wěn)定性的影響

選取34斷面右側(cè)岸坡為對(duì)象，設(shè)定河道水文可大體劃分為漲水、恒定與退水三個(gè)時(shí)期：水位最高與最低值分別為36m與24 m。鑒于河道內(nèi)漲水與退水速率對(duì)岸坡穩(wěn)定性的影響程度存在差異，因此分為兩種情況進(jìn)行討論。

下圖4（a）與圖4（b）分別為34斷面漲水與退水速率不同時(shí)的變化統(tǒng)計(jì)圖。由圖片分析可知：岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)最大值出現(xiàn)于張水器，且早于最高水位，這同土體內(nèi)潛水位與河道內(nèi)水位差值達(dá)到最大值相關(guān)。隨著河道漲水速率（Vu）的增加，增大，而當(dāng)河道退水速率（Vd）增加時(shí)，下降。如下圖4（a），Vd不變而Vu分別為0.2 m/d、0.4 m/d和0.6 m/d時(shí)，F(xiàn)smax分別為1.91、2.05和2.08，而Fsmin分別為0.86、0.95和0.98，表明Fsmax與Fsmin均會(huì)隨著漲水速率Vu的增加而增加；由下圖4（b），Vu不變而Vd分別為0.2 m/d、0.4 m/d和0.6 m/d時(shí)，F(xiàn)smin分別為1.15、0.95和0.83，表現(xiàn)為Fsmin會(huì)隨著退水速率Vd的增加而降低。

通過(guò)上述計(jì)算分析可知：水位無(wú)論是增加還是降低，其速率過(guò)快均十分不利于岸坡的穩(wěn)定性，但鑒于退水期內(nèi)河岸穩(wěn)定性最低，因此退水過(guò)程中崩岸現(xiàn)象的發(fā)生幾率更高。根據(jù)歷年資料統(tǒng)計(jì)：自水磨溝水庫(kù)全面蓄水以來(lái)，水庫(kù)上下游岸坡發(fā)生岸崩的頻率上升為蓄水前的3倍左右，可以說(shuō)水文退水速率的增加，成為誘發(fā)退水期河岸崩退的重要因素之一。

5 結(jié)束語(yǔ)

圖4 不同河道水位下斷面岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)變化統(tǒng)計(jì)

（1）如僅考慮河道內(nèi)水位變化因素，河道岸坡穩(wěn)定性在不同河道水位條件下表現(xiàn)出明顯的差異性，其岸坡穩(wěn)定性表現(xiàn)為漲水期洪峰期退水期。穩(wěn)定性越差，岸坡發(fā)生崩岸的幾率也就越大。

（2）以2011年實(shí)測(cè)水位數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，計(jì)算得到在退水期斷面的右岸岸坡穩(wěn)定性系數(shù)在安全值以下，表明右岸已經(jīng)出現(xiàn)崩岸；而公斷面左岸穩(wěn)定性系數(shù)均在安全值以上，岸坡較為穩(wěn)定。計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相同，表明結(jié)果準(zhǔn)確性較高。當(dāng)關(guān)鍵參數(shù)出現(xiàn)一定的變動(dòng)時(shí)，結(jié)論仍然成立。

（3）水位變化速率對(duì)岸坡穩(wěn)定性存在一定的影響，減小漲水速率與增加退水速率均將降低岸坡穩(wěn)定性。因此，在一定程度上，水磨溝水庫(kù)岸坡穩(wěn)定性下降是由水庫(kù)退水速率過(guò)快造成的。

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TV223

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1673-9000（2017）02-0044-03

2016-12-08

雷鳴（1969-)，男，新疆阜康人，工程師，主要從事地下水灌溉工作。