某水庫庫岸穩(wěn)定性預(yù)測(cè)

王仁槐 寇學(xué)文

摘? 要：庫岸穩(wěn)定對(duì)水庫蓄水后的安全和長(zhǎng)期運(yùn)行有重要影響，將常見庫岸類型劃分為基巖庫岸、土質(zhì)庫岸、巖土混合庫岸，探討圖解法和卡丘金法計(jì)算水庫塌岸的結(jié)果差異，利用圖解法對(duì)某水庫塌岸進(jìn)行預(yù)測(cè)。結(jié)果顯示，隨著距壩距離的增加，塌岸寬度先增加后減少，擬合曲線大致呈拋物線型，同時(shí)塌岸寬度大于100 m的嚴(yán)重塌岸貢獻(xiàn)塌岸總方量的89%。該文的數(shù)據(jù)分析方法及研究成果對(duì)類似工程勘察設(shè)計(jì)、施工具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：庫岸；穩(wěn)定性預(yù)測(cè)；水利工程；工程勘察；圖解法

中圖分類號(hào)：TV522? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）19-0082-04

Abstract： The stability of the reservoir bank has an important influence on the safety and long-term operation of the reservoir after impoundment. The common reservoir bank types are divided into bedrock reservoir bank， soil reservoir bank and geotechnical mixed reservoir bank. The difference between the results of the graphic method and the Kaqiujin method for calculating reservoir bank collapse is discussed. The graphic method is used to predict the bank collapse of a reservoir. The results show that with the increase of the distance from the dam， the width of bank collapse increases at first and then decreases， and the fitting curve is roughly parabolic， and the serious bank collapse whose width is more than 100 m contributes 89% of the total amount of bank collapse. The data analysis method and research results of this paper can be used for reference to the survey， design and construction of similar projects.

Keywords： reservoir bank; stability prediction; hydraulic engineering; engineering survey; graphic method

庫岸崩塌通常發(fā)生在庫水位劇烈變化時(shí)，當(dāng)庫水位迅速上升時(shí)，周圍的地下水位也隨之上升，使地下水和庫水共同作用于巖體和庫岸，對(duì)巖體和庫岸產(chǎn)生物理和力學(xué)作用[1]，表現(xiàn)為巖體強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度降低，再加上波浪的淘刷，容易發(fā)生崩塌，使庫岸由單一坡度變?yōu)樯习枷峦沟膹?fù)坡體[2]；庫水位下降威脅邊坡穩(wěn)定的機(jī)理主要體現(xiàn)在孔隙水壓激增，水位下降后帶來的水頭差引發(fā)了滲流拖拽效應(yīng)，甚至可能導(dǎo)致滲透破壞，在剪出口形成一個(gè)應(yīng)力集中區(qū)域，該應(yīng)力集中區(qū)域會(huì)向坡體內(nèi)部和上部擴(kuò)張，最終誘發(fā)邊坡整體失穩(wěn)[3]。降雨是誘發(fā)庫岸崩塌的重要因素之一，降雨的入滲，一方面增加了不穩(wěn)定巖體的重量，從而增加了巖體的下滑力；另一方面對(duì)軟弱巖層產(chǎn)生較強(qiáng)的軟化作用，加劇了崩塌的形成[4]。

庫岸穩(wěn)定性是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，庫岸崩塌的產(chǎn)生既有確定性也有不確定性。巖體參數(shù)內(nèi)摩擦角φ、黏聚力c、重度γ對(duì)崩塌是否發(fā)生具有決定性意義[5]，但影響庫岸穩(wěn)定性的因素多而復(fù)雜，且各因素的影響程度也不相同，其相互間又存在著一定的牽連，各種因素的影響很難做出經(jīng)典數(shù)學(xué)模型加以統(tǒng)一量度[6]。隨著數(shù)學(xué)理論的發(fā)展，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、模糊綜合評(píng)判方法、灰色理論、模糊理論、層次分析法和信息量法等開始用于庫岸穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，這些評(píng)價(jià)方法取得了重要的進(jìn)展，但仍然存在一定的局限[7]，實(shí)際工程中使用較少。

目前，庫岸塌岸預(yù)測(cè)方法有以佐洛塔廖夫?yàn)榇淼臈l件類比圖解法、以康德拉捷夫?yàn)榇淼臄?shù)學(xué)分析法、平衡剖面法、動(dòng)力法、徐瑞春的塌岸預(yù)測(cè)圖解的若干修正和超前信息法等[8]。其中，卡丘金圖解法的實(shí)質(zhì)是依據(jù)實(shí)測(cè)的洪枯水位變幅帶各類巖性岸坡長(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，其精度取決于計(jì)算參數(shù)的選定。該方法在山區(qū)河道型水庫的塌岸預(yù)測(cè)中，適用于水庫的中游和上游地帶，而預(yù)測(cè)水庫下游的結(jié)果往往與實(shí)際相差甚遠(yuǎn)，實(shí)際塌岸寬度要比預(yù)測(cè)的小得多，卡丘金圖解法的預(yù)測(cè)結(jié)果偏于安全[8]，因此，在實(shí)際工程中應(yīng)用最為廣泛。

某水庫庫區(qū)山高谷深，溝壑縱橫，庫區(qū)人煙稀少、偶有耕地。基巖地層巖性為砂巖、泥巖、粉砂巖。河谷多呈寬“U”字型，庫岸出露地層巖性主要為三疊系上統(tǒng)胡家村組（T3h）、更新統(tǒng)風(fēng)積黃土（Q3eol）、殘坡積（Q4dl+el）和崩坡積層（Q4dl+col）。本文利用卡丘金圖解法對(duì)水庫運(yùn)行后的塌岸長(zhǎng)度進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，根據(jù)塌岸長(zhǎng)度分析預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行塌岸嚴(yán)重程度分級(jí)，最后，依據(jù)庫區(qū)地形地貌、地質(zhì)特征、地質(zhì)構(gòu)造等開展庫岸穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

1? 庫岸類型分布

根據(jù)水庫區(qū)地形地貌、地層結(jié)構(gòu)與岸坡的組合關(guān)系，將庫岸分為基巖庫岸、土質(zhì)庫岸、巖土混合庫岸，其中巖土混合庫岸又可根據(jù)基巖坡度分為A、B 2個(gè)亞類，水庫蓄水后，A類向B類發(fā)展。圖1為庫區(qū)岸坡結(jié)構(gòu)類型示意圖。

基巖庫岸基巖面高程高于正常蓄水位，基巖巖性為三疊系上統(tǒng)胡家村組（T3h）的砂巖、粉砂巖泥巖地層，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，地層產(chǎn)狀近于水平。砂巖、粉砂巖夾泥巖地段岸坡較陡，約50°，局部近直立，形成高陡巖壁，天然岸坡穩(wěn)定性較好，臨溝未見大的滑坡和崩塌體。

黃土庫岸廣泛分布上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土（Q3eol），岸坡表層主要由黃土類土組成，上部岸坡較緩，坡度一般在10～30°，下部為三疊系的砂巖、粉砂巖夾泥巖地層。

巖土混合庫岸A基巖出露高程低于正常蓄水位，基巖巖性為砂巖、粉砂巖、泥巖，地層產(chǎn)狀近于水平。砂巖、粉砂巖夾泥巖地段岸坡較陡，約50°，局部近直立，形成高陡巖壁，岸坡穩(wěn)定性較好。上覆更新統(tǒng)風(fēng)積黃土（Q3eol），受庫水位影響，存在塌岸問題。

巖土混合庫岸B岸坡下部基巖巖性以砂巖、粉砂巖夾泥巖為主，地層產(chǎn)狀近于水平。岸坡坡度在15～25°，岸坡坡腳附近為河流堆積物和黃土坡積物（主要是Q4dl+el和Q4dl+col），低于正常蓄水位而被淹沒。由于基巖出露高程低于正常蓄水位，上覆更新統(tǒng)風(fēng)積黃土（Q3eol），受庫水位影響，存在塌岸問題。

庫區(qū)岸坡結(jié)構(gòu)類型分布如圖2所示。庫區(qū)庫岸主要以基巖為主，占比接近70%，其余3類合計(jì)占比約30%，現(xiàn)狀條件下，庫岸總體保持穩(wěn)定。

2? 塌岸主要影響因素

2.1? 地層巖性

地層巖性是影響塌岸是否發(fā)生的最主要因素。由碎石土、砂礫石組成的庫岸及基巖庫岸抗沖刷能力強(qiáng)，塌岸發(fā)育緩慢。由黃土、砂土等組成的庫岸抗沖刷能力弱，一般隨著蓄水初期庫水位迅速上升，侵蝕、搬運(yùn)、堆積劇烈，直至庫岸穩(wěn)定。本水庫易產(chǎn)生塌岸的是巖土混合庫岸A，其下部基巖具備一定抗沖刷能力，上部土質(zhì)容易發(fā)生塌岸，向巖土混合庫岸B發(fā)展。

2.2? 水庫運(yùn)行方式

一般情況下，多年調(diào)節(jié)水庫水位變化較慢，對(duì)庫岸影響較小。年內(nèi)調(diào)節(jié)水庫水位高低頻繁波動(dòng)，塌岸反復(fù)進(jìn)行，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，水下坡角逐步減少至穩(wěn)定坡腳，根據(jù)月潭水庫[9]及新疆某水庫[10]的經(jīng)驗(yàn)，該值通常小于20°。本水庫的主要功能為調(diào)蓄，對(duì)庫岸的影響可視為年內(nèi)調(diào)節(jié)水庫。

2.3? 波浪

波浪對(duì)塌岸的影響主要表現(xiàn)為波浪對(duì)庫岸的淘蝕和對(duì)塌落物質(zhì)進(jìn)行搬運(yùn)[11]。波浪的高度與風(fēng)速、風(fēng)在自由水面的吹程及水深等因素有關(guān)[12]。波浪越高，對(duì)岸坡的破壞力就越強(qiáng)。

2.4? 其他因素

影響塌岸發(fā)育的其他因素還有凍融、降雨等。岸坡土體孔隙和裂隙中的水結(jié)冰后體積膨脹產(chǎn)生冰劈作用，并破壞了土體結(jié)構(gòu)，解凍后，土體強(qiáng)度降低，致使岸坡發(fā)生破壞。降雨會(huì)增加不穩(wěn)定土體的容重，同時(shí)降低土體黏聚力，導(dǎo)致庫岸穩(wěn)定系數(shù)迅速下降從而引起邊坡失穩(wěn)。

3? 塌岸預(yù)測(cè)

水庫塌岸預(yù)測(cè)的目的是對(duì)水庫運(yùn)行后的最終塌岸寬度進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，評(píng)價(jià)塌岸對(duì)工程水庫運(yùn)行、對(duì)塌岸區(qū)和周邊環(huán)境的影響，并提出防治措施。目前常用的方法有圖解法和卡丘金法，盧欣[13]曾采用2種方法分別計(jì)算同一庫區(qū)24個(gè)剖面的塌岸寬度，按照?qǐng)D解法計(jì)算結(jié)果由小到大順序排列，結(jié)果如圖3所示，結(jié)果顯示當(dāng)利用圖解法計(jì)算塌岸寬度達(dá)到29 m以上時(shí)，卡丘金法與圖解法計(jì)算結(jié)果相對(duì)一致。

根據(jù)水庫運(yùn)行特點(diǎn)和庫岸結(jié)構(gòu)類型，初步考慮利用圖解法進(jìn)行岸坡塌岸的初步預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)，預(yù)測(cè)參數(shù)的選取主要通過現(xiàn)狀調(diào)查，類比同類工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定。浪高計(jì)算采用官廳水庫公式[14]，水下穩(wěn)定坡角α、水上穩(wěn)定坡角β按表1取值。本工程土質(zhì)庫岸、巖土混合庫岸A、巖土混合庫岸B容易產(chǎn)生塌岸的主要為粉砂土，計(jì)算塌岸分布情況如圖4所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，庫區(qū)塌岸寬度大多在35～150 m之間，在該區(qū)間圖解法與卡丘金法計(jì)算結(jié)果相對(duì)一致。隨著距壩距離的增加，塌岸寬度先增加后減少，擬合曲線大致呈拋物線型，曲線方程為y=-13.391x2+43.842x+110.24，塌岸寬度最大處發(fā)生在距壩距離3.2 km左右。

發(fā)生塌岸的庫岸類型主要是土質(zhì)庫岸和巖土混合庫岸A，計(jì)算14處庫岸中，土質(zhì)庫岸和巖土混合庫岸A各5處，其他4處為土質(zhì)庫岸與巖土混合庫岸A的“結(jié)合體”。巖石庫岸和巖土混合庫岸B相對(duì)穩(wěn)定，基本不發(fā)生或很少發(fā)生塌岸。巖土混合庫岸A發(fā)生塌岸，經(jīng)過侵蝕、搬運(yùn)、堆積發(fā)育為巖土混合庫岸B。土質(zhì)庫岸會(huì)通過塌岸，逐步發(fā)育為基巖庫岸及巖土混合庫岸。

根據(jù)塌岸寬度將塌岸分為輕微塌岸（0～40 m）、中等塌岸（40～100 m）、嚴(yán)重塌岸（大于100 m），各類型塌岸占比為1∶3∶6，同時(shí)嚴(yán)重塌岸集中分布在距壩4.0 km以內(nèi)。

土質(zhì)庫岸與巖土混合庫岸A的“結(jié)合體”產(chǎn)生塌岸方量占比約為40%，巖土混合庫岸A產(chǎn)生塌岸方量占比約50%，土質(zhì)庫岸產(chǎn)生塌岸方量?jī)H有10%。此外，嚴(yán)重塌岸（塌岸寬度大于100 m）貢獻(xiàn)塌岸總方量的89%。

4? 結(jié)論

本文介紹了水庫庫岸常見的4種類型，并就某水庫的庫岸類型分布進(jìn)行了研究，數(shù)據(jù)顯示該水庫的基巖庫岸占比超過70%，水庫庫岸整體穩(wěn)定；同時(shí)探討了圖解法和卡丘金法計(jì)算水庫塌岸的結(jié)果差異，認(rèn)為當(dāng)計(jì)算塌岸寬度達(dá)到29 m以上時(shí)，卡丘金法與圖解法計(jì)算結(jié)果相對(duì)一致，本庫區(qū)塌岸寬度多為35～150 m之間；根據(jù)計(jì)算結(jié)果，嚴(yán)重塌岸（大于100 m）貢獻(xiàn)了絕大部分塌岸方量。本文的數(shù)據(jù)分析方法及研究成果可為類似工程勘察設(shè)計(jì)、施工提供參考，具有一定的借鑒意義。

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