布倫口水庫公路塌岸分析及防護措施

張金海

1 概況

布倫口水庫位于西昆侖山腹地新疆阿克陶縣境內,為蓋孜河中游河段的龍頭水庫,屬河谷性水庫,建成后具有灌溉、發電、防洪和生態等綜合利用效益的控制水庫。布倫口水庫段公路屬314國道一部分,路線西臨喀拉庫里河,東傍公格爾山,待水庫建成后公路將有約6 km路段處于水庫淹沒線下。為不影響道路的正常通行,需在水庫建成前對現有公路進行移線,受庫區地形限制,路線選擇在庫東岸公格爾山坡腳下通過較為經濟可行。考慮水庫設計洪水位、回水高度、波浪侵襲高和安全高度等因素,路線將高程提至水庫設計水位之上約10 m。水庫蓄水后,庫岸周邊的土坡受到水的浸濕、風浪及水流的沖蝕作用,破壞原有平衡狀態,發生塌岸。水庫塌岸將影響新路線的安全,因而必須采取有效措施對塌岸區域公路路基進行防護。

2 庫區地形地質

路線所處區域地貌為木吉—慕士塔格斷陷盆地,盆地為北西～南東走向,呈折線狀,海拔高度3 280 m～3 340 m,盆地兩側高山聳立,公格爾山位于盆地的東南部。路線主要通過公格爾山單面坡體及山前冰磧、冰水洪積扇堆積地貌。

沿線地質土的類型主要為碎石、礫石及綠泥石片巖。在山前冰磧、冰水洪積扇體堆積地貌上主要為碎石(卵石),夾含塊石,稍密～中密,母巖主要為花崗巖,最大揭示深度15.0 m。天然容重在 20.0 kN/m3～ 22.5 kN/m3之間,內摩擦角一般在 33°～ 40°,粘聚力一般在1.0 kPa～5.0 kPa;坡積層主要揭示為角礫和礫砂,呈松散～中密狀,母巖主要為綠泥石片巖,最大揭示深度25.0 m。天然容重在19.0 kN/m3～22.5 kN/m3之間,內摩擦角一般在30°～37°之間,部分膠結段落為40°。沿線出露的基巖為綠泥石片巖,灰綠色,受構造斷裂影響較破碎,風化不均,一般強風層厚皆大于3.0 m,其內摩擦角為 25°,粘聚力為75 kPa。

3 塌岸成因及過程

水庫塌岸是水庫蓄水后普遍發生的現象,水庫塌岸的過程,就是在庫水作用下原岸坡的破壞和新岸坡的形成過程。

塌岸的形成與以下因素有關:

1)地層巖性和結構條件。松散堆積體利于崩塌、滑坡的發生。

2)岸坡陡峭是塌岸形成的重要地形條件。平均坡度為45°以上的岸坡易發生塌岸。另外,滑坡松散堆積體前緣坡度雖然不大,但浪擊作用大,仍可轉變成陡坡而發生塌岸。

3)水的溶濾、潛蝕和浪擊淘蝕等作用是庫岸發生塌岸的主要外動力條件。水的作用部位主要在水位變動帶附近,形成大于90°的反坡。反坡必然導致上部的巖、土體懸空而失穩崩塌。

塌岸的發展可分為三個階段:

1)庫水位作用形成反坡地形階段。在水溶濾、潛蝕和浪擊淘蝕作用下,水位附近的岸坡形成“凹”形槽。

2)斜坡拉裂變形階段。反坡地形一旦形成,其上巖、土體便受到懸臂梁式的力作用,沿平行于岸坡的一組陡傾節理產生拉裂縫。

3)崩塌階段。拉裂縫進一步發展,崖體已不能維持平衡而發生崩落。

每一次崩塌后岸坡暫時穩定,但在庫水作用下很快又在水位附近形成新的反坡地形,開始了下一個崩塌過程。這樣,岸坡不斷地崩塌、后退,直到岸坡達到最終穩定。

布倫口水庫土質岸坡由第四系坡積層構成,主要由礫石、碎石、礫砂等物質組成,厚度不等。除個別岸段地形平緩外,大部分岸坡坡度較陡,在30°以上。若岸坡在庫水長期浸泡軟化后土體物理力學參數降低,隨著水位往復變化和波浪淘刷,土體局部變陡,穩定性降低,最終產生一定規模的崩塌、局部滑移等失穩破壞,即發生塌岸破壞。

4 塌岸預測

在塌岸預測中,坡角地質類比法是一種廣泛應用的方法。該方法的基本思路為:在系統分析庫岸地質環境及地質條件的基礎上,根據工程地質條件相近的鄰近河谷岸坡形態參數(包括水下、水上、水位變幅帶的侵蝕、堆積穩定坡角統計值等)類推水庫蓄水后相應水位作用帶的最終穩定坡角。然后以庫岸不同高程的穩定坡角為基礎,用圖解法求取蓄水運行后的最終坍岸寬度。

布倫口水庫塌岸預測采用的圖解法[1]具體步驟如下:

1)繪出塌岸預測的地質剖面,并標明其最高水位及最低水位;2)在岸坡坡腳最低水位以下波浪沖刷深度的B點,畫出淺灘的天然沖刷穩定坡角α(α值隨庫岸土的種類而異),直到與最高水位上的波浪爬高的水平線交于 B′點;3)從 B′點按不同土的內摩擦角φ作直線交地面線于A′點;4)所得的AA′即為最終塌岸寬度。

根據布倫口水庫庫岸地形地質情況,使用圖解法對塌岸寬度進行了預測。由于庫岸坡度較陡,大部分路段邊坡處于30°～40°之間,塌岸線與坡面近似平行,間距接近30 m,見圖 1。若采用開挖坡面方法使路線處于塌岸穩定區內,則工程的土石方數量十分巨大,經濟上不可行。

因此,采用必要防護措施防止塌岸的發生,對工程的安全與經濟性均十分重要。

5 塌岸防護

根據對布倫口水庫庫岸塌岸的預測,移線后路基坡面必須進行防護。結合坡岸工程地質,庫岸的防護形式主要有兩種:一種是在基巖出露地段設置漿砌片石擋土墻;第二種是在非基巖路段設置漿砌片石護坡。

擋土墻為衡重式路肩墻,采用M15漿砌片石砌筑。擋土墻尺寸依據地形、地質及設計水位的情況并滿足抗震設計的要求,墻高為3.0 m～12.0 m。泄水孔在地面線以上30 cm處沿墻長方向布設一排,間距2.0 m。擋土墻基礎去除強風化層后,嵌入基巖的深度不小于100 cm,且墻趾距地表水平距離不小于2.0 m。擋土墻斷面形式見圖2。

護坡坡度根據坡面填土的內摩擦角經穩定計算確定,其值為1∶3.0～1∶1.75,坡面采用M15漿砌片石砌筑,厚40 cm,下設置30 cm砂礫墊層,砂礫墊層需滿足一定級配要求,坡面在縱、橫向每隔2.0 m～2.5 m設置一處泄水孔,以保證坡體內水的及時排出。護坡自頂向下沿坡面間隔一段距離設置一道橫向抗滑平臺,平臺底部寬80 cm。護坡斷面形式見圖3。

6 結語

布倫口水庫庫岸陡峻,沖溝發育,岸線彎曲。水庫建成蓄水后庫岸將出現大面積塌岸,直接影響新線位的安全,因此進行塌岸防護是確保公路安全通行的前提。根據沿線地形地質情況采取的防護措施,不僅確保了路基工程的安全、經濟,也為類似工程的防護提供了參考。

[1] 交通部第二公路勘察設計院.公路路基設計手冊[M].北京:人民交通出版社,2004:8.

[2] 簡文星.三峽庫區塌岸防護方法適宜性分析[J].地球與環境,2005(3):95-96.

[3] 甄 亮.某水庫大壩抗滑穩定性分析[J].山西建筑,2009,35(32):361-362.

[4] 楊海燕.大梁水庫庫區塌岸預測與防護[J].水利水電工程設計,1999(4):195-196.