蓋孜河塔什米力克引水工程邊坡穩(wěn)定分析

蘇 陽

(新疆喀什噶爾河流域管理局，新疆 喀什 844000)

1 引言

邊坡穩(wěn)定性問題經(jīng)常出現(xiàn)在水利工程建設(shè)中，邊坡的穩(wěn)定性將直接關(guān)系到水利工程的正常使用。周創(chuàng)兵[1]認(rèn)為水電邊坡較為高陡、規(guī)模巨大且需要長期的安全運(yùn)行。因此，以高陡邊坡生命周期為研究對(duì)象，分析復(fù)雜工況下，邊坡的變形演化過程和穩(wěn)定性情況。張社榮等[2]對(duì)國內(nèi)典型的滑坡進(jìn)行總結(jié)分析，概化出數(shù)值模擬模型，對(duì)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明：強(qiáng)降雨會(huì)造成邊坡應(yīng)力變化，在臨空位置易產(chǎn)生破壞，長期降雨造成邊坡巖土體孔隙中孔壓增大，較容易產(chǎn)生深層滑動(dòng)破壞。王小東等[3]以高精度的DEM數(shù)據(jù)和GIS 為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用瑞典條分法對(duì)成層非均質(zhì)庫岸邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算，使穩(wěn)定性計(jì)算呈現(xiàn)出可視化效果。張文杰等[4]認(rèn)為庫水位的周期性變化便會(huì)引起岸坡穩(wěn)定性產(chǎn)生變化，以滲流理論為基礎(chǔ)，研究水位變化對(duì)岸坡安全系數(shù)的影響，結(jié)果表明：巖土體的滲透性是水位升降時(shí)影響岸坡穩(wěn)定性的主要因素。余神光等以高樁碼頭岸坡為研究對(duì)象，分析三種方法（條分法、強(qiáng)度折減法、Spencer 法）下，岸坡穩(wěn)定性差異，結(jié)果表明：條分法與強(qiáng)度折減法之間的誤差小于10%。鄭洪春等[6]以理論計(jì)算為基礎(chǔ)提出了一種新的岸坡穩(wěn)定性的計(jì)算方法。結(jié)果表明：在考慮承壓水的影響作用下，水位變化對(duì)岸坡穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響。以蓋孜河塔什米力克引水工程邊坡為例研究水位變化對(duì)河道岸坡穩(wěn)定性的影響。

2 工程背景

喀什噶爾灌區(qū)地處新疆西南地區(qū)，位于塔里木盆地西部邊緣，南接昆侖山，北靠西天山，西邊緊鄰帕米爾高原，東側(cè)連接塔克拉瑪干大沙漠?？κ哺翣柟鄥^(qū)主要分為三個(gè)部分：克孜河子灌區(qū)、庫山河子灌區(qū)、蓋孜河子灌區(qū)。蓋孜河?xùn)|岸輸水干渠處于疏附縣塔什米里克鄉(xiāng)西部，源頭起于蓋孜河塔什米里克渠首，往東北方向延伸至蓋孜河三道橋渠首上游25 km處，整個(gè)引水通道長約24 km。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查該段巖土體類型主要為卵石土，表層為填土，密實(shí)度較好，滲透性較差。

3 岸坡安全系數(shù)分析

3.1 計(jì)算方法

目前常用的河岸岸坡穩(wěn)定性計(jì)算方法有3 種。（1）水平層法，主要為楔形塌岸計(jì)算模式，將成n 層的岸坡進(jìn)行n-1 次迭代計(jì)算，獲取安全系數(shù)；（2）垂直切片法；（3）拉伸剪切法，以方法（1）為基礎(chǔ)，假設(shè)塌岸角度為90°以此來計(jì)算安全系數(shù)，計(jì)算方法如式（1）所示。

式中：L 為總層數(shù)；i 為層數(shù)；c,φ 為內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角；P 為塌岸長度；O 為外界水壓力；W 為巖土體自重。

利用岸坡穩(wěn)定性型和河流斷面形式結(jié)合岸坡巖土體強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算岸坡的安全系數(shù)判斷其穩(wěn)定性情況。研究表明：Fs＞1.3 時(shí)岸坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；1≤Fs≤1.3 時(shí)岸坡處于條件穩(wěn)定狀態(tài)；Fs＜1 時(shí)岸坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 不同退水速率下岸坡安全系數(shù)

3.2 穩(wěn)定性計(jì)算條件

穩(wěn)定性計(jì)算需要考慮岸坡的內(nèi)外影響因素。內(nèi)因主要為：巖土體組成類型、強(qiáng)度等。外因主要包括：水壓力、護(hù)岸工程、人工擾動(dòng)、植被覆蓋等。具體計(jì)算條件如下：（1）枯水期。該條件下河流水位較低，岸坡破壞土體部分位于水面以上，部分位于水面以下。假設(shè)水面以上巖土體不受水的影響。位于水面以下的巖土體，其容重使用飽和容重來計(jì)算。（2）洪水期。該條件下，河流水位處于一個(gè)相對(duì)較高的水平，可假設(shè)巖土體均位于水面以下。此時(shí)全部土體均需要考慮水作用的影響。（3）漲退水期。水位上升或下降過程中，巖土體含水率將會(huì)發(fā)生改變，其力學(xué)性質(zhì)也將隨之改變。若水位變化速率較快，則巖土體力學(xué)強(qiáng)度變化較小，反之，巖土體強(qiáng)度變化較大。該過程岸坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)的選取可通過強(qiáng)度參數(shù)的改變幅度來反應(yīng)水位變化的速率。

4 不同工況下邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

4.1 枯水期、洪水期穩(wěn)定性

根據(jù)式（1）計(jì)算不同水位時(shí)，岸坡的安全系數(shù)。計(jì)算結(jié)果見圖1。由圖1 可知，該地區(qū)岸坡安全系數(shù)隨著水位升高逐漸降低。當(dāng)水位高于20 m 時(shí)，將淹沒整個(gè)岸坡，安全系數(shù)小于1，邊坡極易產(chǎn)生破壞。當(dāng)水位較低時(shí)，安全系數(shù)大于1.3，此時(shí)岸坡穩(wěn)定性較好。水位較低時(shí)，巖土體基本全部位于水位線以上，且新疆地區(qū)相對(duì)較為干燥，處于空氣中的巖土體含水率較低，巖土體c,φ 值較大，因此，在岸坡破壞面上的抗破壞能力較強(qiáng)。隨著水位上升，土體不斷被洪水淹沒直至整個(gè)岸坡被洪水淹沒，被淹沒部分巖土體自身強(qiáng)度降低，且容重增大，岸坡破壞面上的抗破壞能力減弱，同時(shí)，水位上升產(chǎn)生水流方向的側(cè)向水壓力，這將對(duì)邊坡破壞產(chǎn)生一定的抵抗作用；水位上升時(shí)的安全系數(shù)是同時(shí)考慮巖土體強(qiáng)度和側(cè)向水壓力兩者相互作用的結(jié)果。

圖1 不同水位下岸坡安全系數(shù)

4.2 退水期穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)式（1）計(jì)算不同退水速率時(shí)，岸坡的安全系數(shù)。計(jì)算結(jié)果見圖2。由圖2 可知，退水速率較慢的情況下，該岸坡安全系數(shù)較大，退水速率越快，安全系數(shù)越低。且在相同水位時(shí)，不同的退水速率會(huì)產(chǎn)生不同的安全系數(shù)。在水位變化較快時(shí)，該岸坡易產(chǎn)生破壞，這是由于退水速率較快時(shí)，不能保證巖土體中地下水完全的排出，此時(shí)，巖土體內(nèi)部含水率最大，強(qiáng)度最低，破壞面下滑力增強(qiáng)，且失去了水流通過時(shí)的側(cè)壓力，因此，這種情況下，岸坡極易產(chǎn)生破壞。

4.3 漲水期穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)式（1）計(jì)算不同漲水速率時(shí)，岸坡的安全系數(shù)。計(jì)算結(jié)果見圖3。由圖3 可知不同漲水速率下安全系數(shù)變化不同。漲水速率越快，安全系數(shù)變化較小，因?yàn)樵谒蛔兓瘯r(shí)，表層覆蓋的填土滲透性較差，水位快速上漲，但洪水并未完全滲透進(jìn)入岸坡巖土體中，此時(shí)，坡體內(nèi)部巖土體含水率處于一個(gè)相對(duì)較低的水平且強(qiáng)度變化較小，同時(shí)較高的水位會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較大的側(cè)向水壓力，這對(duì)岸坡穩(wěn)定性起到正相關(guān)作用。

圖3 不同漲水速率下岸坡安全系數(shù)

5 結(jié)論

（1）河道岸坡的穩(wěn)定性與河水水位、水位變化速率、河岸岸坡巖土體類型組成密切相關(guān)。其穩(wěn)定性是自身巖土體強(qiáng)度和河流水位綜合作用的結(jié)果。

（2）退水速率越快，該類型河流岸坡安全系數(shù)較大。退水初期，河岸安全系數(shù)變化較慢，當(dāng)坡體內(nèi)部地下水完全排出時(shí)，安全系數(shù)會(huì)恢復(fù)至一個(gè)相對(duì)較高的水平。

（3）漲水速率越快，該類型邊坡安全系數(shù)降低速度較慢。洪水位的快速上漲，使得坡體內(nèi)部并未形成飽和狀態(tài)，巖土體強(qiáng)度變化幅度較小，且受到水流側(cè)壓力的作用，岸坡穩(wěn)定性相對(duì)較好。