水庫庫岸穩(wěn)定與塌岸預(yù)測研究

石永磊

(新疆水利水電項目管理有限公司，烏魯木齊 830000)

1 庫區(qū)概況

庫區(qū)位于薩爾布拉克河中游段黃土丘陵區(qū)，兩岸山體海拔高度>100m，河道較為順直，河谷寬闊，大約150-300m。河床寬20-60m，深度大約0.5-1.2m。兩岸山坡為第四系堆積物，頂部為風積黃土厚度大約 20-50m，其中左岸礫巖出露較為明顯，膠結(jié)程度也較為發(fā)育，長度約1-3km。河床兩岸沖溝發(fā)育，且延伸較長。戰(zhàn)備溝位于薩爾布拉克河右岸，壩址上游約170m，延伸長度> 10km。溝口段平面展布為喇叭形，溝谷寬闊，呈“U”型，谷寬一般800-1400m，縱坡降 3-8%，在溝口中部有一凸出山梁，將戰(zhàn)備溝一分為二(上游分溝、下游分溝)，該山梁順溝長約1400m，垂直溝寬約300-700m，高出溝床約 40-60m，組成物質(zhì)為坡洪積、風積黃土，在下游分溝入河口處坡腳見有第四系中更新統(tǒng)含漂石砂卵礫石出露，出露高度 2-6m。

2 庫岸邊坡穩(wěn)定性分析

庫區(qū)兩岸多為第四系風積黃土夾卵礫石，天然土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性較差，因此庫岸邊坡的穩(wěn)定性問題成為主要的工程地質(zhì)問題。當水庫建成之后，邊坡會受到各種不利因素影響，如水庫蓄水，各種強降雨，人類活動以及地震作用，接著出現(xiàn)失穩(wěn)滑塌，嚴重可能危及人類的正常生活?？紤]到已有資料有限的情況，目前只考慮水庫正常蓄水的因素，利用Geo-slope軟件，針對庫區(qū)兩岸的土質(zhì)邊坡進行庫岸的邊坡穩(wěn)定性分析[1]。

通過現(xiàn)場的勘察以及對庫區(qū)兩岸岸坡進行實地的地質(zhì)剖面測繪，并結(jié)合鉆孔資料繪制出地質(zhì)剖面圖。由于該地區(qū)地層變化不大，因此選取一個代表性剖面作為庫區(qū)典型地質(zhì)剖面，來考慮整個庫區(qū)的邊坡穩(wěn)定性情況。圖2為庫區(qū)典型地質(zhì)剖面圖。

圖1 庫區(qū)位置概況圖

圖2 庫區(qū)典型地質(zhì)剖面圖

從典型地質(zhì)剖面圖可以看出，地層從上到下分別為第四系上更新統(tǒng)黃土狀粉質(zhì)壤土，中更新統(tǒng)含漂石砂卵礫石，底部為下更新統(tǒng)礫巖，坡腳為第四系沖洪積含漂石砂卵礫石層。結(jié)合現(xiàn)場取樣觀測以及室內(nèi)物理力學實驗結(jié)果，得出庫岸邊坡的物理力學參數(shù)，大致見表1。

表1 庫岸邊坡的物理力學參數(shù)

根據(jù)上述的物理力學參數(shù)并結(jié)合現(xiàn)場的實際情況，利用有限元數(shù)值分析方法對該典型邊坡進行穩(wěn)定性分析計算。本次數(shù)值模擬計算采用Geostudio中的slope模塊[2]。天然狀態(tài)和蓄水狀態(tài)下的可能滑動面以及最小安全系數(shù)如圖3-4所示。

圖3 天然狀態(tài)下邊坡最小安全系數(shù)

由軟件模擬計算結(jié)果可以看出來，典型邊坡在天然狀態(tài)下最小安全系數(shù)為1.042，在忽略極端天氣條件的影響下基本處于一個天然穩(wěn)定的狀態(tài)，這與現(xiàn)場所觀察到的情況也基本類似：第四系黃土狀粉質(zhì)壤土(簡稱黃土)在不受到洪水暴雨的沖刷作用下基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，具有良好的抗剪強度，壓縮性較好。

在水庫正常蓄水過程中，水流會對岸坡坡腳巖土體緩慢浸泡、軟化，首先坡腳處就會發(fā)生滑移，然后牽引上部巖土體向庫內(nèi)滑移發(fā)生庫岸一次塌岸。當水庫正常開始運轉(zhuǎn)工作時，由于水庫蓄水的過程中，會受到浪擊作用以及水位的不斷變化。在這種情況下，庫岸土質(zhì)邊坡會出現(xiàn)干濕交替現(xiàn)象。當水流不斷作用與穩(wěn)定性較差的部位，土體就會軟化瓦解，從而出現(xiàn)自上而下的二次坍塌。短期內(nèi)岸坡土體變形快，邊岸再造作用強烈，就會發(fā)生大量的塌岸。所以必須預(yù)測塌岸的范圍以及對可能存在嚴重塌岸的庫段進行必要的治理，同時對近壩坡面進行必要的砌石護坡，防止表面沖刷。圖4 計算結(jié)果可以看出，蓄水狀態(tài)下邊坡的最小安全系數(shù)為0.851，陰影部分為可能發(fā)生滑坡的滑坡體。

圖4 蓄水狀態(tài)下邊坡最小安全系數(shù)

3 庫岸坍塌預(yù)測

水庫正常蓄水會引發(fā)一些其他工程地質(zhì)問題，水庫塌岸是其中一種。水庫塌岸是指在水庫正常蓄水后，由于水位的不斷變化，如抬升消落等，長時間造成兩岸邊坡不同程度的破壞。并且岸坡長期處于流水的浸泡沖刷作用下，抗滑強度大大降低，從而導致庫岸失穩(wěn)，坍塌現(xiàn)象。如果塌岸問題不處理，時間越來越長，庫岸坍塌不斷破壞，坍塌方量也在不斷增加，會出現(xiàn)水庫淤積嚴重會出現(xiàn)潰壩。因此研究庫岸坍塌，預(yù)測坍塌量大小是十分有必要的。

3.1 庫岸坍塌預(yù)測的方法

水庫坍塌會受到各種因素制約，如地層巖性，地形地貌等等，并且同一區(qū)域內(nèi)不同位置的坍塌也不盡相同。因此很難總結(jié)出一套考慮到所有因素且科學合理的計算公式[3]?，F(xiàn)階段只能基于一些前人的科學理論，通過一些理想條件下，建立基本接近實際條件的計算方法，從而達到庫岸坍塌預(yù)測的目的。

常用塌岸預(yù)測方法有塌岸預(yù)測類比法、塌岸預(yù)測動力法 、卡丘金法、佐洛塔廖夫圖解法、平衡剖面法等。

1)預(yù)測類比法：通過與相似邊坡的進行對比，從而進行預(yù)測的方法。

2)塌岸預(yù)測動力法：根據(jù)巖土體的抗沖刷強度的關(guān)系，從而求得出坍塌體力與動能的平衡方程：

Q=E·kp·tb

(1)

式中：Q為滑移面坍塌體的體積，m3/m；E為單位時間內(nèi)流水的沖刷強度，t·m；kp為巖土體的抗沖刷系數(shù)，m3/t；t為水庫運營年限；b為經(jīng)驗常數(shù)，根據(jù)不同工程大小取值不同。

塌岸預(yù)測動力法是根據(jù)數(shù)學物理角度來考慮的，具有一定合理性，但是在實際工程上很難運用上。另外于要通過一定量的觀測來能預(yù)測出來，實用性較差。

3)塌岸預(yù)測統(tǒng)計法：該方法類似塌岸預(yù)測類比法，也就是利用相似工程上的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過大量的數(shù)據(jù)進行對比分析，從而給出最終的預(yù)測范圍值。該方法針只能適用于一般精確性不高的項目上，對于特定工程并不能作為參考依據(jù)。

4)塌岸預(yù)測經(jīng)驗法：目前，主要的預(yù)測方法包括：卡丘金法、佐洛塔廖夫法、平衡剖面法三種。

方法原理如圖5所示：

圖5 佐洛塔廖夫法預(yù)測坍塌方法圖

具體預(yù)測步驟如下：

1)繪制預(yù)測地點的地形、地質(zhì)剖面。

2)確定出水位正常蓄水時的高水位與低水位線。

3)通過正常高水位處往上，根據(jù)浪高確定爬升高度線。

4)從水庫最低水位線處往下，根據(jù)影響深度確定影響深度線。

5)波浪影響深度線上選取a點，該點位于堆積淺灘帶與淺灘外緣陡坡帶之轉(zhuǎn)折點處，該點的選取應(yīng)使堆積系數(shù)Ka達到預(yù)定值。

6)在a點位置處，利用淺灘堆積物的穩(wěn)定坡角畫出延伸至和岸坡相交，穩(wěn)定坡角為β1。

7)在b點位置處，畫出沖蝕淺灘延長線，和水位線相交，相交點為c。根據(jù)不同巖性從而確定其穩(wěn)定坡度取β3。

8)在c點位置處，畫出沖蝕上升帶延長線，和浪擊高度水位線相交，相交點為d。根據(jù)不同巖性從而確定其穩(wěn)定坡度取 β4。

9)連接d，e兩點即確定出岸坡的剖面線，根據(jù)天然坡腳確定出β5。

不斷檢查堆積系數(shù)是否與之前的預(yù)定值是否相同。如果相同的話就不斷改變a點，再重復上述步驟，直到合適為止。

另外當遇到一些抗滑強度不高的巖質(zhì)邊坡，或者使一些松散堆積物，一般堆積率為零。并且點a應(yīng)該位于初始岸坡位置處。

3.2 庫區(qū)坍塌預(yù)測

上述所介紹的幾種方法適用不同地區(qū)不同坍塌的預(yù)測，由于參數(shù)的選擇不同， 其最終結(jié)果也是不盡相同。根據(jù)當?shù)氐墓こ探?jīng)驗以及已有的參數(shù)最終選擇平 行斷面法(卡丘金法)進行斷面預(yù)測。

水庫岸坡塌岸寬度預(yù)測計算公式：

St=N[(A+hp+hb)cotα+(H-hb)cotβ-(A+hp)cotγ]

(2)

式中：St為最終塌岸寬度，m；A為水位漲落幅度，m；N為與土顆粒有關(guān)的系數(shù)，取0.4；hp為波浪沖刷深度，取1.0；hb為浪擊高度，m，取 0.8；H為正常蓄水位以上岸高，m；α為水下淺灘穩(wěn)定坡角，°；β為預(yù)測岸坡水上穩(wěn)定坡，°；γ為原始岸坡坡角，°。

其中第四系上更新統(tǒng)風積黃土水上穩(wěn)定坡角β 取34°，水下穩(wěn)定坡角α 取16°；

中更新統(tǒng)冰水堆積物水上坡角β取35°，水下穩(wěn)定坡角α取26°；下更新統(tǒng)冰水堆積物水上穩(wěn)定坡角β取63°，水下穩(wěn)定坡腳α取53°。參數(shù)的選取是結(jié)合《水利水電工程地質(zhì)手冊》以及當?shù)胤e累的工程經(jīng)驗。通過庫岸邊坡穩(wěn)定性分析出整個庫區(qū)可能發(fā)生崩塌的邊坡，最終確定出27條邊坡，再針對每一條邊坡進行水庫岸坡塌岸寬度預(yù)測，然后繪制庫區(qū)內(nèi)上游典型塌岸位置橫剖面，量畫出各剖面發(fā)生塌滑的面積。圖6和圖7為部分庫區(qū)塌岸預(yù)測圖。

圖6 部分庫區(qū)塌岸預(yù)測圖(剖面 7-7’)

圖7 部分庫區(qū)塌岸預(yù)測圖(13-13’)

3.3 庫區(qū)坍塌預(yù)測結(jié)果分析

根據(jù)之前的邊坡穩(wěn)定性分析所確定出來可能發(fā)生坍塌的27條剖面，針對每一條剖面進行計算確定出坍塌范圍，計算出的結(jié)果見表2。

表2 部分下壩址庫區(qū)坍岸剖面狀況一覽表

經(jīng)計算預(yù)測滑坡寬度得出預(yù)測庫區(qū)塌岸總量約807.6萬m3，其中水上體積為598.6萬m3，水下體積209.0萬m3。由計算結(jié)果可以看出滑坡寬度范圍為4.5m-184.6m，總體塌方量水上部分要大于水下部分，坍塌總量較大。塌岸方式主要有剝蝕、坍塌、崩塌和局部近壩庫岸較大面積的滑移。由于當?shù)氐貙佣酁榈谒南碉L積黃土，在天然狀態(tài)下具有較高的穩(wěn)定性，但在水庫蓄水之后，黃土的強度降低，庫岸不穩(wěn)定，需要在蓄水之前對上述塌岸寬度較大的地段進行削坡或者加固處理，對高陡的近壩庫岸進行削坡，放緩岸坡，同時對坡面進行砌石護坡， 防止表面沖刷。

4 結(jié) 論

主要是選取庫區(qū)典型剖面，根據(jù)地質(zhì)剖面資料以及現(xiàn)場試驗資料，對典型邊坡進行庫岸穩(wěn)定性分析。利用有限元軟件Geo-slope 求解出該庫區(qū)典型邊坡在天然狀態(tài)下與蓄水狀態(tài)下最小安全系數(shù)為1.042和0.851。

當水庫正常蓄水，岸坡長期處于流水浸泡沖刷，抗滑強度大大降低，從而導致庫岸失穩(wěn)，出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。接著通過平行斷面法的經(jīng)驗公式預(yù)測出庫區(qū)坍塌的位置，再求得出預(yù)測滑坡寬度得出預(yù)測庫區(qū)塌岸總量約807.6萬m3，其中水上體積為598.6萬m3，水下體積209.0萬m3。