青藏高原某水庫塌岸參數(shù)選取及預(yù)測(cè)

魏杰 岳永峰 杜朋召 羅延婷

塌岸是水庫區(qū)的重要地質(zhì)問題之一，影響整個(gè)水庫的正常運(yùn)行和綜合效益發(fā)揮，乃至威脅周邊居民生命財(cái)產(chǎn)安全。水庫塌岸是水庫蓄水后，庫岸地下水動(dòng)水壓力變化而造成的庫岸沖蝕磨蝕、坍塌、滑移等再造變形的不良地質(zhì)現(xiàn)象[1]。大量的巖土體坍塌會(huì)對(duì)水庫產(chǎn)生淤積，使岸坡整體穩(wěn)定性變差，造成庫區(qū)范圍內(nèi)建筑物破壞[2-3]。本文根據(jù)青藏高原某水庫特點(diǎn)和地質(zhì)條件，選用適宜塌岸預(yù)測(cè)方法，通過工程地質(zhì)調(diào)查和工程類比法綜合確定塌岸預(yù)測(cè)參數(shù)，科學(xué)預(yù)測(cè)塌岸寬度和塌岸范圍，對(duì)庫岸再造、穩(wěn)定性以及工程建設(shè)具有十分重要的指導(dǎo)意義。

1 某庫區(qū)工程地質(zhì)概況

1.1 地形地貌

該水庫地勢(shì)南高北低，屬于深切剝蝕的中高山區(qū)地貌。庫區(qū)河道蜿蜒曲折，河谷呈寬U形谷，底部較寬，坡度較緩，兩岸為高山，岸坡坡度一般30°～40°，階地不甚發(fā)育。

1.2 地層巖性

地層巖性以第四系(Q)松散堆積物和花崗巖為主。第四系松散堆積物主要為河流沖洪積物（Q4al+pl）、洪積物（Q4pl）、殘坡積物（Q4el+dl）、崩積物（Q4col）等。巖性以砂土、砂卵礫石、漂石、碎石夾土和基巖為主。基巖巖性主要以花崗巖為主。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

庫區(qū)斷裂構(gòu)造較發(fā)育。發(fā)育斷裂主要有NNW向、NNE向和NWW向三組走向，傾角較陡，一般60°～80°，斷層帶充填物質(zhì)多為構(gòu)造角礫巖、花崗巖脈、方解石脈等，少量為斷層泥、巖屑等；節(jié)理裂隙主根育4組：①N0°～30°E/SE∠40°～80°；②N40°～70°W/SW∠50°～80°；③N60°～90°E/SE或NW∠50°～85°；④N50°～90°W/NE∠5°～30°，中-陡傾角為主。庫區(qū)內(nèi)物理地質(zhì)現(xiàn)象較發(fā)育，主要表現(xiàn)為危巖體、崩塌體和巖體風(fēng)化卸荷等。

1.4 水文地質(zhì)條件

根據(jù)庫區(qū)內(nèi)地下水賦存條件、含水介質(zhì)特征及水的物理特性，地下水可分為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水兩類。

1.5 水庫岸坡結(jié)構(gòu)類型

根據(jù)水庫區(qū)回水位與不同類型岸坡的接觸關(guān)系，可以把庫區(qū)岸坡劃分為基巖岸坡、松散覆蓋層岸坡兩種類型。其中基巖岸坡約占35%，松散覆蓋層岸坡占65%。

2 某水庫塌岸分析預(yù)測(cè)

水庫塌岸影響因素較多，且各因素關(guān)系復(fù)雜，沒有明確規(guī)律，塌岸預(yù)測(cè)過程十分復(fù)雜。目前采用的預(yù)測(cè)方法主要有：卡丘金法、佐洛塔廖夫圖解法、平衡剖面法及工程類比法等幾種[4-5]。本水庫岸坡以第四系松散覆蓋層岸坡為主，局部為基巖岸坡。綜合水庫岸坡的特點(diǎn)和塌岸預(yù)測(cè)方法的適宜，對(duì)松散覆蓋層岸坡采用采用卡丘金法和幾何圖解法兩種方法進(jìn)行綜合預(yù)測(cè)分析。

2.1 卡丘金法

卡丘金法的實(shí)質(zhì)是依據(jù)實(shí)測(cè)的洪枯水位變幅帶巖性岸坡長(zhǎng)期穩(wěn)定坡角，根據(jù)幾何關(guān)系用圖解法求解岸坡最終塌岸預(yù)測(cè)寬度。該方法適用于塌岸范圍內(nèi)全部為松散層的預(yù)測(cè)。如圖1所示。

圖1 卡丘金法預(yù)測(cè)塌岸示意圖

卡丘金法計(jì)算公式如下：

式中St——塌岸帶最終寬度，m；

N——與土顆粒大小有關(guān)的系數(shù)，壤土取N=0.8，砂卵石取N=0.4，多種土質(zhì)岸坡取加權(quán)平均；

A——庫水位變化幅度，m；取計(jì)算剖面處的回水位與死水位或與基巖面、溝底或河床高差中的小值；

hP——波浪沖刷深度，m；當(dāng)起算點(diǎn)M為基巖面或溝底、河床時(shí)，取hP=0；

h——浪高，m；

W——風(fēng)速，m/s；取當(dāng)?shù)刈畲箫L(fēng)速26 m/s；

L——吹程，km；取水庫蓄水達(dá)到正常蓄水位時(shí)，預(yù)測(cè)庫岸段水庫寬度；

hB——浪擊高度或浪爬高，m；

K——為被沖蝕岸坡粗糙系數(shù)，砂壤土岸坡取K=0.65～0.75，砂卵石岸坡取K=0.85～0.90；

α——淺灘沖刷后水下穩(wěn)定坡角，與波浪高度和組成庫岸邊坡的土粒物質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)，根據(jù)圖2并參考工程經(jīng)驗(yàn)綜合取值；

H——正常蓄水位以上岸坡高度，m；

β——岸坡水上穩(wěn)定坡角，根據(jù)區(qū)內(nèi)土體結(jié)構(gòu)特征，參考工程經(jīng)驗(yàn)綜合取值；

γ——原始岸坡坡角，取野外觀測(cè)及地形圖估算值預(yù)測(cè)。

圖2 不同波浪高度時(shí)各類土的淺灘穩(wěn)定坡角

2.2 圖解法

當(dāng)庫岸為基巖-黃土結(jié)構(gòu)時(shí)，基巖面傾角遠(yuǎn)大于黃土水下穩(wěn)定坡腳，卡丘金法不再適用，采用圖解法計(jì)算塌岸寬度[6]。圖解法塌岸預(yù)測(cè)如圖3所示。

圖3 水庫塌岸圖解法計(jì)算剖面圖

3 塌岸預(yù)測(cè)參數(shù)

3.1 波浪參數(shù)

浪高和波長(zhǎng)可按下式計(jì)算（適用于山區(qū)峽谷水庫）：

式中2hL——浪高，m；

vf——計(jì)算風(fēng)速，m/s；水庫區(qū)屬典型高原大陸性氣候，取多年最大風(fēng)速平均值26 m/s；

Df——計(jì)算吹程，m。

3.2 淺灘沖刷后水下穩(wěn)定坡角α

水下淺灘坡角（α）的大小與巖性及浪高有關(guān)。依據(jù)E.F卡金丘提出的不同種類土質(zhì)淺灘磨蝕角關(guān)系曲線圖（如圖2所示），按照水庫區(qū)浪高，查得庫區(qū)α值。

該水庫區(qū)岸坡巖性主要為第四系松散堆積物（Q），巖性以砂土、砂卵礫石、漂石、碎石夾土和基巖為主。根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查和周邊水庫調(diào)研成果，結(jié)合查表及數(shù)似工程經(jīng)驗(yàn)，該水庫區(qū)砂壤土取α=4°，砂卵石密實(shí)，大部分微-弱膠結(jié)，α=15°。

3.3 水上穩(wěn)定坡角（β）

在水庫區(qū)岸坡詳細(xì)地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，根據(jù)庫岸岸坡巖性特征和巖土結(jié)構(gòu)類型，并參考數(shù)似工程經(jīng)驗(yàn)，確定水上岸坡穩(wěn)定坡角。砂壤土取β=30°，砂卵石取β=60°。

3.4 計(jì)算剖面處回水位

塌岸預(yù)測(cè)主要考慮塌岸危害對(duì)象的重要程度，庫水位采用計(jì)算剖面處正常高水位多年平均流量回水位。

4 某水庫塌岸預(yù)測(cè)

通過對(duì)庫區(qū)天然岸坡進(jìn)行調(diào)查，根據(jù)以上原則，最終獲取了客觀真實(shí)的塌岸預(yù)測(cè)方法和參數(shù)，經(jīng)計(jì)算，庫區(qū)典型岸坡預(yù)測(cè)成果見表1。

表1 蓄水后典型岸坡最終塌岸量預(yù)測(cè)成果表

5 結(jié) 語

本研究采用工程地質(zhì)調(diào)查及工程類比法，確定水庫塌岸參數(shù)。水庫蓄水后，通過用卡丘金法和圖解法分析計(jì)算，其最大塌岸寬度在13～48 m，通過對(duì)該水庫塌岸預(yù)測(cè)方法及參數(shù)研究，對(duì)工程建設(shè)具有指導(dǎo)性意義。