浮山縣臣南河水庫岸坡穩(wěn)定性分析

劉 釗

（山西省臨汾市悅海水利勘測設(shè)計有限公司,山西 臨汾 041000）

1 概述

臣南河水庫位于浮山縣城北5.0 km 處的丞相河村東,澇河上游段的南河干流上,總庫容538.56 萬m3,壩頂高程716.5 m,最大壩高30.0 m,壩長286.0 m,壩頂寬6.0 m。大壩為均質(zhì)碾壓土壩,設(shè)計正常高水位712.5 m,水庫樞紐工程主要建筑物由大壩、泄洪洞、溢洪道組成。是一座以調(diào)蓄浮山供水工程和流域內(nèi)地表水,為農(nóng)業(yè)灌溉、城鎮(zhèn)生活和工業(yè)供水,兼有防洪等綜合利用的?。?）型水庫。工程等別為Ⅳ等,主要建筑物為4 級,次要建筑物為5 級,設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為30 年一遇,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為300 年一遇。

據(jù)1/1000 庫區(qū)地形圖,在迴水范圍內(nèi),庫區(qū)岸坡以較陡的土質(zhì)邊坡為主,順河長度800 m～1700 m,順坡寬度32 m～196 m,左岸自然坡度18°～58°,右岸自然坡度26°～75°。水庫兩岸岸坡地層巖性為：第四系中更新統(tǒng)（Q2）、低液限粘土、粘土、低液限粉土,砂、砂卵礫石。由于庫岸岸坡較陡,水庫蓄水后,土質(zhì)岸坡遇水后,受浪蝕沖刷,可能產(chǎn)生不同程度坍岸。因此,本文對庫岸陡岸坡進(jìn)行分析評價其穩(wěn)定性以及對大壩安全運(yùn)行的影響程度。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

庫區(qū)位于臨汾斷陷盆地東部,太岳丘陵區(qū)與盆地交界的洪積扇上。屬黃土丘陵溝壑區(qū)及山前傾斜平原地貌單元,庫區(qū)河段基本上呈對稱的箱型河谷,由兩條支溝匯集而成,兩條支溝中間為單薄嶺,海拔高程左岸802 m～772 m,右岸798 m～782 m,單薄嶺931 m～791 m。河床最低高程為685 m～689 m,溝岸與谷底相對高差90 m～120 m。主河道縱坡14.6‰,兩支河匯流后河底寬約127 m～160 m。主河道呈NNW 向發(fā)育,河道較為平直。

2.2 地層巖性

庫區(qū)地層巖性為：

上第三系上新統(tǒng)（N2）：深紅、棕褐色低液限粘土、砂質(zhì)粘土、卵礫石混合土,桔黃色低液限粘土夾鈣質(zhì)膠結(jié)層。分布于中更新統(tǒng)下部。未見層底。

第四系中更新統(tǒng)（Q2）：棕紅色低液限粉土,棕紅色古土壤（低液限粘土）,灰黃色細(xì)砂,粉砂土夾薄層粘土,卵礫石混合土層,局部半膠結(jié)。厚17 m～30 m,分布于兩岸。

第四系上更新統(tǒng)（Q3）：低液限粘土、低液限粉土,厚3 m～8 m,主要分布于兩岸頂部。

第四系全新統(tǒng)（Q4）：低液限粉土、含礫細(xì)砂,粉砂土,砂礫石層；厚13.8 m～9.6 m,分布于河谷底部及較大沖溝內(nèi)。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

庫區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡單,黃土覆蓋較厚,沒有斷裂和褶皺構(gòu)造分布,也沒有貫穿庫區(qū)的大斷層。區(qū)內(nèi)地震活動較頻繁,強(qiáng)度較高,歷史上曾發(fā)生6 級以上地震8 次。工程區(qū)距臨汾新裂陷區(qū)約50 km,發(fā)生6 級以上地震3 次。

區(qū)內(nèi)地震動峰值加速度0.20 g,動反應(yīng)譜特征周期0.40 s,地震烈度Ⅷ度。

2.4 物理地質(zhì)現(xiàn)象

庫區(qū)主要物理地質(zhì)現(xiàn)象為崩塌現(xiàn)象,庫區(qū)兩岸岸坡較陡,為土質(zhì)岸坡,水庫蓄水后,在水的浸泡下陡岸岸坡有崩塌現(xiàn)象,其范圍不大。

2.5 水文地質(zhì)

庫區(qū)地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙潛水,主要賦存于河漫灘和兩岸卵礫石混合土,砂層、粉砂土中。地下水直接接受大氣降水的補(bǔ)給,地下水向下游溝谷逕流排泄。主河床地下水位685.7 m～687.13 m,左岸地下水位700.63 m～687.13 m,右岸地下水位700.53 m～695.93 m。兩岸地下水補(bǔ)給河水。地下水化學(xué)類型以重碳酸鈣鈉型為主。地表水（河水）化學(xué)類型為重碳酸鈣鉀鈉型,不存在對混凝土的分解和結(jié)晶侵蝕作用。

3 岸坡穩(wěn)定性分析評價

3.1 庫區(qū)土質(zhì)岸坡穩(wěn)定性分析

3.1.1 地質(zhì)條件

庫區(qū)岸坡在迴水范圍內(nèi),以較陡的土質(zhì)邊坡為主,順河長度800m～1700m,順坡寬度32m～196m,左岸自然坡度18°～58°,右岸自然坡度26°～75°。岸坡為中更新統(tǒng)洪積物（Q2pl）、低液限粘土、粘土、低液限粉土,卵礫石混合土。當(dāng)水庫蓄水后,土層遇水后,由于浪蝕沖刷,可能產(chǎn)生不同程度的坍岸。

3.1.2 庫區(qū)長期預(yù)測最終坍岸帶寬度計算

坍岸寬度進(jìn)行預(yù)測,在庫區(qū)兩岸岸坡布置了12 條坍岸預(yù)測剖面進(jìn)行預(yù)測計算。

根據(jù)影響坍岸的主要因素分析,庫區(qū)的土質(zhì)岸坡坡度大于45°的地段為坍岸相對較嚴(yán)重的地段。岸坡坡度小于45°的地段為不會發(fā)生坍岸或輕微坍岸的地段。庫區(qū)內(nèi)各岸坡按均質(zhì)岸坡考慮。當(dāng)水庫達(dá)到正常高水位712.5m 時,預(yù)測庫區(qū)最終坍岸寬度,采用《水利水電工程地質(zhì)手冊》中,均質(zhì)庫岸長期預(yù)報最終坍岸帶寬度計算公式計算：

式中：S 為坍岸帶最終寬度,m；N 為與土的顆粒大小有關(guān)的系數(shù)；A 為庫水位變化幅度,m；hp為波浪沖刷深度,m；hB為波浪爬高,m；H 為正常蓄水位以上岸坡高度,m；為淺灘沖刷后水下穩(wěn)定坡腳,（°）；β為岸坡水上穩(wěn)定坡腳,（°）；γ為原始岸坡坡腳,（°）。

1）參數(shù)選取：N 為與土的顆粒成分有關(guān)的系數(shù),對低液限粘土,低液限粉土,N 取0.8。取12°和15°,β取45°,波高取1.0 m,hp一般相當(dāng)于1～2 倍波高,hp取2.0 m,hB大體為0.1～0.8 倍波高,hB取0.8 m。

2）計算結(jié)果

各剖面中引用公式計算參數(shù)取值及計算結(jié)果見表1。庫岸長期預(yù)測最終坍岸方量估算見表2。

表1 坍岸最終寬度計算參數(shù)取值及計算結(jié)果匯總表

續(xù)表1

表2 庫岸長期預(yù)測最終坍岸方量估算結(jié)果匯總表

經(jīng)計算庫區(qū)最終坍岸方量為30.75 萬m3～40.19 萬m3。土質(zhì)岸坡最終坍岸帶寬度當(dāng)=12°時,為22.3 m～40.4 m 之間,庫區(qū)長期坍岸總方量為40.19 萬m3,其中：水上坍岸方量為30.76 萬m3,水下坍岸方量為9.43 萬m3。當(dāng)=15°時,為17.7 m～33.7 m之間,庫區(qū)長期坍岸總方量為30.75 萬m3,其中：水上坍岸方量為23.16 萬m3,水下坍岸方量為7.59 萬m3。

岸坡坍岸方量為岸坡正常蓄水位以上,按最終坍岸帶寬度范圍內(nèi)估算,坍岸帶寬度及坍塌方量是水庫多年運(yùn)行后可能產(chǎn)生的數(shù)值。庫區(qū)岸坡為低液限粘土、粘土,粘粒含量在18.0%～44.0%,平均28.6%,粘粒含量較高,抗沖刷能力相對較強(qiáng),坍岸速度相對較慢,故坍岸持續(xù)時間較長。

3.2 近壩庫岸岸坡穩(wěn)定分析

3.2.1 工程地質(zhì)條件

壩軸線位于南河中下游,單薄嶺下游380 m,河床地面高程688.63 m～688.94 m,河谷寬174 m。左岸地面高程701.1 m～737.3 m,右岸地面高程707.94 m～755.99 m。左岸岸坡較緩,右岸岸坡較陡。近壩左、右岸分布有中更新統(tǒng)（Q2）低液限粘土,低液限粉土,細(xì)砂,卵礫石混合土,下部上新統(tǒng)（N2）粘土,卵礫石混合土透鏡體。

3.2.2 左、右岸近壩庫岸岸坡穩(wěn)定分析

壩軸線左、右岸岸坡為土質(zhì)岸坡,左岸位于污水處理廠的下游,岸坡頂高程727.57 m,坡高35.9 m,坡角23°～55°。右岸岸坡頂高程738 m,坡高48.7 m,坡角7.3°～69.2°。

岸坡穩(wěn)定計算,采用簡化畢肖普法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定計算,公式如下：

式中：FS為邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)；i 為土條編號；為土條底部傾角,（°）；c 為土條底部粘聚力,kPa；φ為土條底部內(nèi)摩擦角,（°）；W 為土條重,kN。

岸坡穩(wěn)定計算參數(shù)取值：土的密度1.41 g/cm3,飽和密度1.79 g/cm3,凝聚力25.5 kPa,摩擦角15.5°；卵礫石混合土的密度1.8 g/cm3,飽和密度2.05 g/cm3,凝聚力4 kPa,摩擦角35°。地震烈度Ⅷ度。

計算時在天然狀態(tài)時、考慮地震、地下水影響,不考慮暴雨及洪水沖刷的情況下,其穩(wěn)定系數(shù)計算結(jié)果見表3。

表3 近壩庫岸岸坡穩(wěn)定系數(shù)計算結(jié)果匯總表

4 穩(wěn)定性評價

評價庫岸穩(wěn)定性要考慮岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)ks,根據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》,邊坡安全級別2 級,邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Kst取1.10～1.05。當(dāng)Ks＞Kst時,岸坡處于穩(wěn)定狀態(tài),當(dāng)Ks＜Kst時,岸坡處于不穩(wěn)定狀態(tài),當(dāng)k=ks時,處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)根據(jù)岸坡現(xiàn)狀,研究程度及參數(shù)的選取情況,結(jié)合工程實際情況,將邊坡安全系數(shù)取1.05。

5 結(jié)語

本文對浮山縣臣南河水庫工程近壩庫岸岸坡進(jìn)行了穩(wěn)定性計算分析,根據(jù)邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果,左岸岸坡處于穩(wěn)定狀態(tài),右岸岸坡又高又陡,處于不穩(wěn)定狀態(tài),蓄水后岸坡易產(chǎn)生坍塌。經(jīng)對庫岸坍岸計算,在正常蓄水位以上坍岸寬度,左岸為22.3 m,右岸為31.0 m。建議對岸坡進(jìn)行削坡、排水等綜合性整治措施。