陜北黃土水庫蓄水后岸坡穩(wěn)定性分析與塌岸預(yù)測

張引平，屈永龍，王懷琦，任思遠，李增強

(1.延安南溝門水利樞紐工程有限責(zé)任公司，陜西 延安 716099；2.西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，西安 710021；3.長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，西安 710054)

0 前 言

水庫塌岸是一個復(fù)雜的工程地質(zhì)問題，通常是庫區(qū)水位變動促使松散岸坡水文地質(zhì)條件發(fā)生改變，原始岸坡在庫水浸泡、干濕交替、風(fēng)浪沖擊、水流侵蝕等作用下而發(fā)生坍塌的過程，又稱水庫岸坡再造[1-3]。黃土是黃土高原地表主要巖土類型，其具有強結(jié)構(gòu)性、濕陷性和水敏性等特性，受水分影響顯著[4]。陜北延安某黃土水庫初期蓄水后出現(xiàn)岸坡嚴重的滑塌現(xiàn)象，對水庫正常運行構(gòu)成不良影響，給周邊群眾耕地、住宅等財產(chǎn)造成一定經(jīng)濟損失[5-6]。后期蓄水位上升后，塌岸規(guī)模將進一步擴大，加劇庫區(qū)不良影響和經(jīng)濟損失，故亟需對該水庫黃土岸坡穩(wěn)定性與塌岸預(yù)測進行深入研究。當(dāng)前，國內(nèi)外對塌岸預(yù)測方法開展了長期研究，目前主要的預(yù)測方法以半經(jīng)驗、半定量方法為主，如圖解法、動力法、統(tǒng)計法和模擬試驗法等[7-9]。本文主要采用地質(zhì)調(diào)查、數(shù)值模擬和理論計算等方法對陜北黃土水庫岸坡穩(wěn)定性分析和塌岸預(yù)測評價, 為黃土水庫安全運行、預(yù)防水庫塌岸及保護地質(zhì)環(huán)境提供參考。

1 工程概況

該水庫位于陜西省延安市黃陵縣與洛川縣交界處，距洛川縣交口河鎮(zhèn)約3.9 km，距黃陵縣城約26.2 km。水庫工程由大壩、溢洪道、導(dǎo)流泄洪洞、引水發(fā)電洞及電站等組成，控制流域面積為5 443 km2，正常蓄水位848.00 m，死水位824.00 m，水庫總庫容2.006億m3，屬于Ⅱ等大(二)型工程。自2014年底下閘蓄水以來，庫區(qū)內(nèi)多段黃土岸坡出現(xiàn)滑塌現(xiàn)象(見圖1)，對庫岸周邊的地質(zhì)環(huán)境、部分耕地以及水庫淤積和水質(zhì)等造成嚴重影響。

2 黃土塌岸破壞模式及影響因素

通過對庫區(qū)72處涉及黃土地層的岸坡點進行工程地質(zhì)調(diào)查和分析，發(fā)現(xiàn)水庫岸坡失穩(wěn)破壞模式以坍塌型為主，其次是滑塌型和滑移型；庫區(qū)岸坡失穩(wěn)的規(guī)模大小不同，但成群連片現(xiàn)象顯著。同時，水庫塌岸的影響因素眾多、作用機制復(fù)雜，是水利樞紐工程安全運營必須重視的地質(zhì)環(huán)境問題[10-12]。

2.1 塌岸破壞模式

(1) 坍塌型塌岸

岸坡坍塌破壞，是庫區(qū)的主要黃土塌岸形式，尤其是在暴雨和庫水位大幅變化時[2,13]。這是由于庫水沖刷及浸泡作用破壞了下部坡腳支撐，地表降水加劇了上部坡體重力，使岸坡失去平衡，產(chǎn)生突發(fā)性的坍塌破壞。庫區(qū)這類塌岸共計64處，占塌岸總數(shù)92.8%。

(2) 滑移型塌岸

滑移型塌岸，多發(fā)在坡度較緩的黃土狀土岸坡以及滑坡隱患岸坡，變形過程較緩慢[2-3]。其破壞演化過程是在庫水沖刷等因素影響下，岸坡沿黃土內(nèi)部結(jié)構(gòu)面或原有滑動面等發(fā)生整體滑移破壞。庫區(qū)這類塌岸共1處，占塌岸總數(shù)1.4%。

(3) 滑塌型塌岸

岸坡滑塌型破壞，多發(fā)生于黃土-基巖岸坡，具有坍塌型和滑移型破壞岸坡的部分特征。其演化過程是在庫水作用下，岸坡坡腳被淘蝕或被浸泡軟化失去支撐后，黃土岸坡在重力作用下發(fā)生先滑后崩或先崩后滑的岸坡破壞形式[14-15]。庫區(qū)這類塌岸共計4處，占塌岸總數(shù)5.8%。

2.2 庫區(qū)塌岸影響因素

(1) 地形地貌因素

1) 岸線形態(tài)

岸線主要有凸岸和凹岸兩種形態(tài)，不同岸線對庫區(qū)塌岸的影響不同。水庫有伸入水域的窄長型凸岸，為原葫蘆河淤積側(cè)，端部坡度較緩，側(cè)翼較陡，多發(fā)育滑塌型破壞，甚至將岸坡滑塌成孤島。而凹岸多為河道沖刷側(cè)，基巖面高、坡度陡，一般為避風(fēng)地帶，庫區(qū)波浪較小，塌岸寬度較小。

2) 岸線高度與坡度

該水庫的塌岸速度與岸線高度、坡度等密切相關(guān)。同一庫區(qū)水深處，高岸的滑塌慢而低岸的滑塌快；并且，陡岸的塌岸速度快、寬度大，而緩岸與之相反；當(dāng)岸坡緩于淺灘磨蝕角時，很少發(fā)生岸坡滑塌。

3) 水下岸坡走向與坡形

庫區(qū)岸坡坡腳為較平緩階地或漫灘時，可減弱風(fēng)浪的沖蝕作用，減緩岸坡滑塌失穩(wěn)；但水下岸坡又高又陡時，風(fēng)浪用強烈，坍落物不易沉積，將加速塌岸發(fā)生，形成窄陡岸坡。

4) 岸坡的切割程度

該水庫沖溝發(fā)育、切割破碎的黃土岸坡滑塌一般較嚴重；而坡形平整、階地寬闊、支溝不發(fā)育的岸坡則較輕。

(2) 地質(zhì)因素

水庫岸坡地層類型、產(chǎn)狀、層厚、上下層序、各層的出露位置及其物質(zhì)組成和性質(zhì)等地質(zhì)因素對庫區(qū)塌岸影響顯著。它們不僅直接控制岸坡滑塌的寬度、速度和模式，還決定了淺灘的形狀、寬度和披角。對于該水庫的黃土岸坡，由于其粉粒含量高，孔隙率大，崩解速度快，浸水后土體結(jié)構(gòu)被破壞，承載力大幅降低，形成快速、強烈的坍塌。而基巖岸坡，由于巖石強度高、水平層理，受庫水的影響小。

(3) 水文因素

1) 風(fēng)浪作用

風(fēng)浪對黃土岸坡的淘刷與磨蝕，使其形成浪蝕洞、倒坡，誘發(fā)塌岸發(fā)生。并且，風(fēng)浪越高、波能越大，則破壞力越強，搬運塌落物的能力越大，形成寬緩型淺灘。相反，破壞岸坡穩(wěn)定的能力弱，將形成的陡窄型淺灘。

2) 庫水滲透與地下水位

水庫蓄水后，庫區(qū)岸坡的地下水位迅速升高，岸坡因毛細作用形成水面以上1.0～1.5 m高的浸潤線。這些庫水滲透和地下水位變化，改變了岸坡地層的水土平衡狀態(tài)，尤其是土體飽和后，重力增加、強度衰減等，加劇岸坡失穩(wěn)。

3) 沿岸流

沿岸流是由于風(fēng)浪對岸邊作用而產(chǎn)生的順岸水流，有一定的流速。這種水流可沖蝕凸岸，使岸線順直化，有利于水下淺灘的穩(wěn)定，減緩塌岸的發(fā)展。

(4)水庫運行方式

在水庫調(diào)洪調(diào)蓄過程中，庫區(qū)水位總是呈規(guī)律性變化。相同條件下，水位變化幅度越大，將形成的淺灘越寬、臺階越多；水位持續(xù)時間越長、波浪沖蝕越頻，形成的淺灘越緩、寬度越大。

(5)其他因素

由于水庫處于季節(jié)性凍土區(qū)，岸坡在冬季發(fā)生凍結(jié)而春季發(fā)生融化。這種周期性凍融作用可損傷巖土結(jié)構(gòu)、降低強度、加速風(fēng)化，使其出現(xiàn)裂縫或破壞。

總之，塌岸是水庫內(nèi)、外因素相互作用的過程，其中地形地貌、地質(zhì)條件等是影響水庫塌岸的內(nèi)在因素，而水文變化、水庫運行等外在因素則是岸坡失穩(wěn)的關(guān)鍵誘發(fā)條件，應(yīng)引起足夠重視。

3 黃土岸坡穩(wěn)定性分析

3.1 庫岸地質(zhì)模型

根據(jù)岸坡調(diào)查和工程勘查，確定庫區(qū)失穩(wěn)岸坡典型地質(zhì)模型有黃土岸坡、黃土-基巖組合岸坡兩大類，如圖2。其中，黃土岸坡以中更新統(tǒng)和上更新風(fēng)積黃土為主，是水庫塌岸的主要類型，有濕陷性，結(jié)構(gòu)疏松，大孔隙，無層理，在庫水浸泡和水位變動下土體結(jié)構(gòu)極易受破壞。基巖以三疊系上統(tǒng)砂巖為主，產(chǎn)狀近水平，沿河谷兩岸，呈帶狀出露。水庫當(dāng)前蓄水位為844.23 m，后期隨著水庫調(diào)洪蓄水方案，將達到的設(shè)計正常蓄水位為848.00 m。

3.2 岸坡數(shù)值建模

采用Geo-studio 有限元分析軟件，建立庫區(qū)典型岸坡數(shù)值模型，通過細化網(wǎng)格提高計算精度，對庫岸邊坡模型的網(wǎng)格劃分，采用 SLOPE/W模塊和Morgenster-Price算法進行岸坡穩(wěn)定性研究。其中，黃土岸坡模型坡長80 m，坡高26 m；黃土-基巖組合岸坡長50 m，坡高32 m；岸坡水位條件為水庫設(shè)計正常蓄水位848.00 m。計算工況分別為天然工況和暴雨工況，地下水位以下地層均視為飽和，暴雨工況下考慮岸坡地表2 m厚度范圍為飽和狀態(tài)，計算參數(shù)見表1。

表1 岸坡穩(wěn)定性計算參數(shù)

3.3 岸坡穩(wěn)定性模擬結(jié)果

水庫典型岸坡穩(wěn)定性的模擬結(jié)果，如圖3和圖4所示。由圖3可見，當(dāng)庫區(qū)水位上升為設(shè)計正常蓄水位848.00 m時，天然工況下黃土岸坡的穩(wěn)定系數(shù)為0.703，小于安全系數(shù)1.0，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，將發(fā)生滑塌失穩(wěn)；暴雨工況下黃土岸坡的穩(wěn)定系數(shù)更小，降低了1.71%，說明庫水浸沒、沖蝕岸坡坡腳必將引起岸坡失穩(wěn)，暴雨條件下岸坡表層土體飽和、自重增加，進一步加劇岸坡失穩(wěn)。同時，兩種工況下黃土岸坡滑裂面總是后緣較陡而前緣較緩，滑面均沿岸坡水下坡腳剪出，這與庫區(qū)黃土岸坡坍塌型破壞的實際特征相一致，說明模擬結(jié)果可靠。

由圖4可知，天然和暴雨工況下，庫區(qū)黃土-基巖組合岸坡在的穩(wěn)定系數(shù)均小于1.0，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，說明正常蓄水位浸沒岸坡土-巖界面后，誘發(fā)岸坡失穩(wěn)破壞。與黃土岸坡相比，黃土-基巖組合岸坡的穩(wěn)定系數(shù)略大，滑裂面較平緩，滑面剪出口位于土-巖界面處，這是由于庫水浸沒黃土-基巖組合岸坡坡腳較低引起的，但基于黃土和巖石物理力學(xué)特性的巨大差異，二者界面易成為岸坡軟弱面，加速岸坡滑塌，與庫區(qū)塌岸實際特征相一致。

3.4 岸坡變形特征分析

水庫典型岸坡的位移分布，如圖5～6所示。由圖5可見，天然和暴雨工況下，黃土岸坡的最大水平位移均集中在塌岸堆積體坡腳上側(cè)位置，最大水平位移量為0.30～0.85 m。并且，位移量向岸坡內(nèi)部上方逐漸衰減，這說明黃土岸坡最大變形處于坡腳處，而塌岸堆積可使岸坡破壞面上移，這與庫區(qū)現(xiàn)場塌岸實際情況基本一致。同時，對比圖5(a)和圖5(b)，發(fā)現(xiàn)暴雨工況下岸坡地表飽和對位移分布的影響并不大，說明塌岸孕災(zāi)過程中庫區(qū)水位變化是控制性因素。

對于黃土-基巖組合岸坡的變形特征，由圖6發(fā)現(xiàn)兩種工況下岸坡的最大位移均集中在土-巖交界面與地下水位線之間的黃土地層處，最大水平位移量約0.10～0.12 m，符合庫區(qū)黃土-基巖組合岸坡沿界面滑塌失穩(wěn)的實際特征。與天然工況(見圖6(a))相比，暴雨工況(見圖6(b))下最大位移向坡頂和后緣移動，說明暴雨增大了坡頂表層的變形，加劇了岸坡的失穩(wěn)破壞。

4 塌岸預(yù)測分析

通過水庫塌岸預(yù)測，確定岸坡最終塌岸寬度和塌方量，將對庫區(qū)土地規(guī)劃、移民搬遷、防洪工程等起到?jīng)Q定性作用，也可給岸坡治理提供重要的依據(jù)[16-17]。

4.1 塌岸預(yù)測分析原理

目前，卡丘金圖解法在黃土等松散沉積層塌岸預(yù)測分析中應(yīng)用廣泛[7-8]，其基本原理是依據(jù)實測的洪枯水變幅帶及各類巖性岸坡長期穩(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)測寬度St，如圖7所示。預(yù)測計算公式如下：

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

(1)

式中：St最終塌岸寬度，m；A為水位變化幅度，m；N為與岸坡土的顆粒成分有關(guān)的堆積系數(shù)；hp為波浪沖刷深度；hB為浪擊高度或浪爬高；H為正常蓄水位以上岸坡高度；α為水下穩(wěn)定坡角；β為水上岸坡的穩(wěn)定坡角；γ為原始岸坡坡角。

4.2 預(yù)測參數(shù)選取

根據(jù)水庫運行情況和現(xiàn)場監(jiān)測等確定計算參數(shù)的取值，堆積系數(shù)N=0.6，庫水位變化幅度A=24 m。依據(jù)水庫特征，浪高按1.5 m計，確定波浪沖刷深度hp=3 m，浪擊高度hB=1.2 m。依據(jù)現(xiàn)場塌岸調(diào)查與相關(guān)研究[2]，綜合分析確定水庫黃土岸坡的水下岸坡的穩(wěn)定坡角α取24°，水上岸坡為中、低邊坡(高度≤20 m)的穩(wěn)定坡角β取70°，高邊坡(高度>20 m)時β取60°。

4.3 計算斷面確定

根據(jù)水庫岸坡調(diào)查與測量，共選取庫區(qū)72處可能發(fā)生塌岸的庫岸斷面作為預(yù)測分析對象，地質(zhì)模型為黃土岸坡和黃土-基巖混合岸坡，典型岸坡塌岸預(yù)測分析如圖8所示。

4.4 塌岸預(yù)測結(jié)果

根據(jù)卡丘金圖解法，確定該黃土水庫72處岸坡最終塌岸寬度St、塌岸占地面積和塌方量，計算結(jié)果如圖9所示。

(1) 最終塌岸寬度

由圖9可知，庫區(qū)最終塌岸寬度最大為43.9 m，最小為4.4 m，平均約25.5 m。其中，塌岸寬度介于0～10 m的岸坡有1處，介于10～20 m的有15處，介于20～30 m的有37處，大于30 m的有19處。對于近壩區(qū)的22處黃土岸坡塌岸預(yù)測中，最終塌岸寬度大于20 m的占比高達75.0%，說明近壩區(qū)后期發(fā)生塌岸的規(guī)模和影響較大。

(2) 塌岸范圍與方量

結(jié)果表明，水庫岸坡塌方量均大于0.5×104m3，占地面積為58.9 hm2，塌岸總方量為894.5×104m3。單個岸坡點塌方量多超過3.0×104m3，其中，3.0×104～10.0×104m3的有26處，大于10.0×104m3的有39處，最大塌方量高達52.20×104m3。

5 結(jié) 論

(1) 陜北黃土地區(qū)水庫產(chǎn)生塌岸的岸坡有黃土岸坡、黃土-基巖組合岸坡兩大類；岸坡破壞模式以坍塌型塌岸為主，其次為滑塌型和滑移型；庫區(qū)塌岸是復(fù)雜的地質(zhì)問題，受地形地貌、

地質(zhì)條件、水位變化、水庫運行方式及凍融等因素影響，水文因素起控制性影響。

(2) 基于Geo-studio軟件對兩種典型地質(zhì)模型的岸坡在天然和暴雨工況下的穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬，結(jié)果表明正常蓄水位下兩種岸坡均處于不穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定系數(shù)為0.691～0.865；黃土岸坡最大位移集中于塌岸堆積體以上的坡腳處，土巖組合岸坡則集中在土-巖界面處，說明了岸坡滑裂面剪出口位置，這與現(xiàn)場塌岸實際特征基本一致。

(3) 通過卡丘金圖解法對水庫長期塌岸進行預(yù)測計算，發(fā)現(xiàn)庫區(qū)最終塌岸寬度以10.0～35.0 m為主，最大43.9 m，平均25.5 m；塌岸占地總面積為58.9 hm2，塌岸總方量為894.5×104m3，方量以3.0×104～32.0×104m3為主，平均12.5×104m3，且近壩區(qū)塌岸更嚴重，應(yīng)引起足夠重視并采取相應(yīng)的監(jiān)測和防治措施。