亭子口水利樞紐庫岸穩(wěn)定性評價

劉 軍

(長江巖土工程總公司(武漢)，湖北 武漢 430010)

亭子口水利樞紐位于四川省蒼溪縣城上游15 km處的李家咀，電站裝機(jī)1 100 MW，正常蓄水位458 m時，庫容34.9億m3，庫水回水至廣元市毛壩子，干流庫長150 km，支流及支溝庫長133.5 km，總庫長約283.5 km。

1 水庫區(qū)基本地質(zhì)條件

嘉陵江從廣元至蒼溪為深切河曲，總體流向由北向南，在昭化鎮(zhèn)以上河谷寬闊為“U”字型侵蝕堆積地貌，昭化鎮(zhèn)以下為“V”型或不對稱“V”型構(gòu)造低山峽谷地貌，臨江峰頂高程1 000～500 m，谷底寬100～400 m，枯水面寬100～200 m。庫岸岸坡以階梯型坡為總的特征，微地貌以階梯形臺地為總體特征，砂巖區(qū)形成高數(shù)米—數(shù)十米的陡崖;在粘土巖區(qū)多為寬緩臺地或緩坡地形，山頂多為平頂方山或渾圓小丘。沿江一級階地多呈帶狀分布于沿江寬谷地段。

水庫區(qū)出露地層有侏羅系、白堊系及第四系，缺失白堊系上統(tǒng)和第三系，為一套內(nèi)陸河湖相紅色碎屑巖建造，總厚度約3 000～5 000 m，巖性為紫紅色粘土巖、粉砂巖與砂巖互層。侏羅系分布于紅巖場以上的庫尾段，分布庫段長約50 km;白堊系地層分布于紅巖場以下的庫壩區(qū)，分布庫段長約100 km;第四系主要為沖積、滑坡堆積、崩坡積、殘坡積等，主要分布于河谷兩岸。

區(qū)域構(gòu)造位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺四川臺坳北部的川北臺陷內(nèi)，臺陷內(nèi)無明顯的線性構(gòu)造與斷層，主要為寬緩的背、向斜組成。場址近場區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動總體以大面積抬升為主，斷裂不發(fā)育，無活動性斷裂分布。庫區(qū)主要褶皺構(gòu)造有九龍山背斜和梓潼向斜。庫區(qū)內(nèi)地表未發(fā)現(xiàn)斷層，深部無隱伏斷裂分布，巖層平緩，地層傾角一般＜10°。由于庫區(qū)構(gòu)造應(yīng)力不強(qiáng)，相應(yīng)的構(gòu)造裂隙不甚發(fā)育。裂隙主要集中分布在褶皺構(gòu)造的核部，以走向北東—北東東和北西—北北西兩組裂隙為主，具體方向受所屬地區(qū)主要構(gòu)造控制。

庫區(qū)水系發(fā)育，兩岸支流呈樹枝狀展布，較大的左岸有小浙河、鴛溪、野雞壕、掛旗河、射箭河等;右岸有張家溝、青牛溝、鴦溪、聞溪河、桃龜河、朝陽溝等，右岸支流相對較左岸發(fā)育，規(guī)模也較長大，庫區(qū)支流及支溝庫長133.5 km(圖1)。

2 岸坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型

本次研究的岸坡特指兩岸臨江第一岸坡內(nèi)，死水位438 m(死水位尖滅點以上為天然水位)至水庫20年一遇洪水位(P=5%)之間，高差20～40 m范圍內(nèi)的岸坡段。依據(jù)岸坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)及成因類型，岸坡可劃分為巖質(zhì)岸坡(Ⅰ)、土質(zhì)岸坡(Ⅱ)、混合岸坡(Ⅲ)三大類、10個亞類(表1)。

3 庫岸變形破壞現(xiàn)象及預(yù)測

3.1 滑坡

亭子口水利樞紐庫區(qū)嘉陵江干、支流的第一岸坡內(nèi)共發(fā)現(xiàn)大小滑坡(及變形體)38處，其中左岸25處，右岸13處，滑坡總體積約2.06×108m3，其中體積＞1×107m3的特大型滑坡6處，累計體積1.6×108m3，占總體積的77.5%;0.1 ×107～1 ×107m3的大型滑坡11 處，體積約3.742 ×107m3，占總體積的18.1%;1×106m3以下的中型滑坡21 處，體積9.01 ×106m3，占總體積4.4%(圖2)。

圖1 庫區(qū)水系示意圖

表1 岸坡結(jié)構(gòu)分類表Table 1 The classification of bank slope structure

根據(jù)淹沒線(5%庫水位)與滑坡的淹沒關(guān)系，將庫區(qū)滑坡分為三類:Ⅰ類為全淹滑坡，滑坡后緣位于5%庫水位以下，該類滑坡14個，占滑坡總數(shù)的37%;Ⅱ類為未淹滑坡，滑坡前緣位于5%水位以上，該類滑坡8個，占滑坡總數(shù)的21%;Ⅲ類為半淹沒滑坡，滑坡前緣位于5%水位以下，后緣位于5%庫水位以上，該類滑坡16個，占滑坡總數(shù)的42%(圖3)。

通過滑坡穩(wěn)定性分析［1］，水庫蓄水前，穩(wěn)定和基本穩(wěn)定的有31處，體積1.97×108m3;欠穩(wěn)定的有7處，體積9×106m3，欠穩(wěn)定的滑坡中除大營河滑坡體積較大，約7.1×106m3，其余體積均 ＜5×105m3。水庫蓄水后，被全淹的滑坡14處，未淹的8處，16處半淹滑坡中，現(xiàn)狀穩(wěn)定的10處，占 62.5%，基本穩(wěn)定的 2處，占12.5%，現(xiàn)狀欠穩(wěn)定的4處，占25%;蓄水后半淹滑坡中穩(wěn)定的8處，基本穩(wěn)定的3處，欠穩(wěn)定的5處。

3.2 塌岸［2］

水庫蓄水后，水位升高，由于水環(huán)境的變化，原有的平衡被改變，為調(diào)整適應(yīng)新的水環(huán)境，存在庫岸再造問題。依據(jù)岸坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)及成因類型，岸坡可劃分為巖質(zhì)岸坡(Ⅰ)、土質(zhì)岸坡(Ⅱ)、混合岸坡(Ⅲ)三大類10個亞類(表1)。

目前預(yù)測水庫塌岸的方法主要有卡丘金經(jīng)驗公式法、佐洛塔廖夫圖解法、類比圖解法、平衡剖面法和動力法等。由于自然地質(zhì)條件的復(fù)雜多變性，迄今為止的預(yù)測方法多屬于經(jīng)驗性或半經(jīng)驗性的，還沒有嚴(yán)格的物理和數(shù)學(xué)方程能夠解決此類問題。國內(nèi)外對塌岸預(yù)測方法尚處于探索階段，國內(nèi)的一些大中型水庫對塌岸預(yù)測的實踐表明，在塌岸預(yù)測中，類比圖解法是較為理想的方法。

亭子口水利樞紐庫區(qū)塌岸預(yù)測采用地質(zhì)工程師常用的方法——類比圖解法。類比圖解法的基本原理就是將蓄水后各設(shè)計水位下不同巖性的岸坡坡角與自然條件、類似情況下的岸坡坡角進(jìn)行類比，以確定塌岸的影響范圍，即以天然水位下的穩(wěn)定坡角(α)作為蓄水后死水位以下的穩(wěn)定坡角，以天然水位至天然5%洪水位之間水位變動帶的穩(wěn)定坡角(β)作為蓄水后水位變動帶的穩(wěn)定坡角;以天然5%洪水位以上的穩(wěn)定坡角(γ)作為蓄水后5%洪水位以上的穩(wěn)定坡角，并進(jìn)行圖解，以確定塌岸影響范圍(圖4)。該方法庫岸穩(wěn)定坡角的確定是關(guān)鍵，也是難點。為確定庫岸的穩(wěn)定坡角，首先對庫區(qū)鄰近幾個大中型水庫變動帶的穩(wěn)定坡角進(jìn)行了調(diào)查，其次大量實測庫區(qū)地形剖面，然后對實測剖面進(jìn)行統(tǒng)計分析，同時進(jìn)行了多組巖土體的現(xiàn)場及室內(nèi)物理力學(xué)試驗。根據(jù)調(diào)查、實測、試驗的統(tǒng)計結(jié)果和類比其它工程，經(jīng)綜合分析，來最終確定庫區(qū)岸坡穩(wěn)定坡角。

庫區(qū)巖質(zhì)岸坡在庫水作用下再造輕微，因此主要對庫區(qū)的Ⅱ、Ⅲ類結(jié)構(gòu)岸坡(包含滑坡段)進(jìn)行塌岸預(yù)測，并重點預(yù)測分布有居民的庫段，預(yù)測結(jié)果塌岸寬度一般5～30 m，其對居民有影響的地段主要分布于李家咀—張王鄉(xiāng)一線庫岸段中，其余庫岸段受塌岸影響的居民較少。

圖2 庫區(qū)各類型滑坡示意圖Fig.2 The sketch showing the diverse landslides of reservoir area

圖3 庫區(qū)滑坡按淹沒關(guān)系分類示意圖Fig.3 The classification of landslides according to submerged relationship in the reservoir area

圖4 岸坡塌岸預(yù)測示意圖Fig.4 The sketch showingthe collapse prediction of bank slope

4 庫岸穩(wěn)定性條件分段評價

4.1 庫岸穩(wěn)定性條件分類

根據(jù)河谷類型、岸坡結(jié)構(gòu)、滑坡的分布及穩(wěn)定條件以及塌岸的影響程度，可將庫區(qū)庫岸分為穩(wěn)定條件好(A)、較好(B)、較差(C)、差(D)4 類，分段原則見表2。

表2 亭子口庫區(qū)庫岸穩(wěn)定條件分段原則表Table 2 The dividing principles for reservoir bank stability conditions at the Tingzikou reservoir area

4.2 庫岸穩(wěn)定性條件分段評價

庫區(qū)干流段不同結(jié)構(gòu)類型岸坡的穩(wěn)定條件分類統(tǒng)計見表3。

由表可看出，庫區(qū)干流兩岸300 km的庫岸中，穩(wěn)定條件差(D)的庫岸總長5.6 km，占兩岸庫長300 km的1.9%，為穩(wěn)定條件較差的滑坡段庫岸;穩(wěn)定條件較差(C)的庫岸20.8 km，占兩岸庫長的6.9%，其中土質(zhì)岸坡段、混合岸坡段、特殊岸坡段分別長3.5 km、15.6 km、1.5 km，以混合岸坡段為主。其余為穩(wěn)定條件較好(B)和好的(A)，總長273.6 km，占兩岸庫長300 km的91.2%，其中巖質(zhì)岸坡占72.4%。由此說明，亭子口干流庫岸穩(wěn)定條件總體較好。

表3 庫區(qū)干流庫岸穩(wěn)定條件統(tǒng)計表Table 3 The statistics for stability conditions of main stream reservoir bank at reservoir area

庫區(qū)兩岸較大的支流有21條，支流及其支溝累計庫長133.5 km，庫岸總長度(兩岸)267 km。庫區(qū)支流穩(wěn)定條件差和較差的共5段，累計長度17.1 km，占支流總長267 km的6.4%。

綜上所述，亭子口庫區(qū)干、支流及支溝的庫岸總長567 km，干流穩(wěn)定條件差和較差的庫岸共26.4 km，支流及支溝穩(wěn)定條件差和較差的共17.1 km，累計長度為43.5 km，占總長的7.7%，庫岸總體上穩(wěn)定條件好。

5 結(jié)語

(1)亭子口水利樞紐庫區(qū)嘉陵江干、支流的第一岸坡內(nèi)共發(fā)現(xiàn)大小滑坡(及變形體)38處，其中左岸25處，右岸13處，滑坡總體積約2.06×108m3，其中體積＞1×107m3的特大型滑坡6處，累計體積1.6×108m3，占總體積的 77.5%;0.1 ×107～1 ×107m3的大型滑坡 11處，體積約 3.742×107m3，占總體積的18.1%;1×106m3以下的中型滑坡21處，體積9.01×106m3，占總體積4.4%。預(yù)測庫岸塌岸寬度一般5～30 m，其對居民有影響的地段主要分布于李家咀—張王鄉(xiāng)一線庫岸段中，其余庫岸段受塌岸影響的居民較少。亭子口庫區(qū)干、支流及支溝的庫岸總長567 km，庫岸總體上穩(wěn)定條件好。

(2)亭子口水利樞紐至今已正常運(yùn)行約一年時間，水庫區(qū)水位經(jīng)過多次的高低調(diào)動，其中巖質(zhì)岸坡由于抗沖刷能力強(qiáng)，基本不存在塌岸問題，僅部分地段土質(zhì)岸坡和混合岸坡中的土層由于抗沖刷能力小，遭受浸水和波浪的沖蝕形成塌岸，但庫岸總體上穩(wěn)定條件好，庫岸情況與前期預(yù)測情況基本一致。

［1］ 蘇愛軍，馮明權(quán).滑坡穩(wěn)定性傳遞系數(shù)計算法的改進(jìn)［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2002(3):51－55.

［2］ 陳小平，譚書全，劉軍，等.嘉陵江亭子口水利樞紐庫區(qū)庫岸穩(wěn)定與浸沒勘察報告(初步設(shè)計)［R］.武漢:水利部長江水利委員會，2009.