三峽庫區鐵水溝庫岸塌岸預測及防護措施分析

王金波，楊儉波，何鈺銘，廖偉杰，陳 雪

(湖北省水文地質工程地質勘察院，湖北宜昌 443002)

三峽庫區鐵水溝庫岸［1］位于長江三峽水利樞紐工程庫首的長江左岸太平溪鎮，緊鄰移民居民點、居民渡船碼頭及三峽物流中心太平溪新港。塌岸對該地區人民生命財產和港口、公共設施將造成嚴重危害，影響太平溪港和長江航運的正常運營。

1 地質環境

1．1 氣象水文

太平溪集鎮地處中亞熱帶季風氣候區，四季分明，雨量適中。年平均降雨量1 192．70 mm，多集中于5—9月，占全年降雨總量的70%。

1．2 地形地貌

鐵水溝庫岸位于黃陵背斜核部南端侵蝕剝蝕低山區，長江為本區最低侵蝕基準面。區內溝谷縱橫交錯，主要河流為靖江溪及其支溝鐵水溝，溝谷切割深度20～100 m。溝谷及山脊岸坡自然坡角一般為10°～20°，沖溝溝頭處20°～30°，局部可達40°。人工填土邊坡坡高一般20～40 m、坡角為35°～40°。

1．3 地層巖性

出露地層為前震旦系變質巖和第四系松散堆積物。變質巖主要為黑云母石英閃長巖巖基、后期酸性、基性巖脈侵入體，為花崗巖脈及輝綠巖脈。第四系松散堆積物主要為人工填土、沖積及殘坡積碎石土。

1．4 地質構造

區內未見大的斷裂通過，由于基底受到多期構造變動的影響，各種方向的裂隙發育，主要發育6組裂隙:①N60°～70°E/SE∠60°～84°;②N41°～60°E/NW∠67°～86°;③N7°～ 12°W/NE∠23°～ 64°;④N46°～ 50°W/NE∠50°～62°;⑤N2°E/SE∠62°;⑥N82°W/NE∠84°。

2 庫岸基本特征

2．1 形態特征

鐵水溝庫岸總體呈指狀地貌，由多條近于平行、指向長江和靖江溪的山脊和沖溝相間而成，鐵水溝庫岸總長1 100 m(以175 m水位線為準)。共分為巖質岸坡和土質岸坡兩種類型，巖質岸坡主要分布于山脊部位(2、4區，6、7區局部)，由全、強風化黑云母石英閃長巖構成，土質岸坡主要分布于原溝谷(1、3、5區，6、7區局部)，由人工填土構成(庫岸分區圖見圖1)。

圖1 鐵水溝庫岸分區示意圖Fig．1 Schematic diagram of partition of Tieshuigou reservoir bank

2．2 變形特征

鐵水溝岸坡變形破壞類型主要為:人工填土岸坡變形以下沉、拉裂、坍滑及流砂為主;全、強風化巖質岸坡以塊體滑移、崩塌為主。

2．3 影響庫岸穩定性的主要因素

影響庫岸穩定性的因素可分為內在條件和外部因素。內在條件主要包括庫岸類型、坡面形態、物質組成及結構;外部因素主要包括降雨與地表水入滲、流水沖蝕、庫水位波動、浪蝕、新構造運動及地震、人類工程活動、加載等，其中外部因素為塌岸的誘發因素。

3 岸坡穩定性分析與評價

3．1 岸坡穩定性定性評價

人工填土岸坡，上部坡度較陡，多在35°～40°間，由于庫水的浸泡及浪蝕作用，整段庫岸發生多處明顯下座、崩塌現象，現處于不穩定狀態。巖質岸坡整體穩定性較好，僅坡體表層在侵蝕、剝蝕作用下產生小規模塊體滑移、崩塌。

3．2 岸坡穩定性定量評價

計算模型采用工程地質縱剖面圖為原型，本次計算取庫岸巖土分界面坡度最大剖面(3-3'剖面)進行坡體整體穩定性計算(見圖2)，并取填土厚度最大剖面(5A-5A')搜索最危險滑面(見圖3)。穩定性計算結果表明，庫岸在水庫水位175 m、175 m回落至145 m期間、145 m 三種工況下，穩定系數為 1．177 ～1．704，均處于穩定狀態。但庫岸表層填土在庫水的浸泡及浪蝕作用下，穩定系數為0．916～1．031，有下座、崩塌變形的可能。

圖2 3-3'穩定性計算模型Fig．2 Calculation model of stability 3-3'profile

圖3 5A-5A'剖面前緣穩定性計算模型(搜索最危險滑面)Fig．3 Calculation model of stability 5A-5A'profile

4 塌岸預測評價

4．1 預測方法

目前預測水庫庫岸再造規模的方法很多，本次鐵水溝庫岸再造預測采用較為簡便而通用的佐洛塔廖夫法和計算法［2］。

4．1．1 佐洛塔廖夫法

佐洛塔廖夫法的基本原理是選取不同類型巖土的枯水位—洪水位作用區間(包括其上下一定坡段)，做出實測或圖切地形地質剖面，確定相應巖土層河岸作用帶的穩定坡角，以此坡角預測不同庫水位條件下(主要是水位變幅帶及其上下一定范圍的坡段)不同巖土層新的穩定坡角和坡形，進而獲得庫岸再造的最終寬度與高程。佐洛塔廖夫法預測塌岸圖解見圖4。

圖4 佐洛塔廖夫法預測塌岸圖解Fig．4 Diagram of Zolotaleov method

佐洛塔廖夫法預測的具體步驟如下:

(1)繪制出預測地點的地形地質剖面。

(2)標出水庫正常高水位線與水庫最低水位線。

(3)由正常高水位向上標出波浪爬高線，爬升高度hB可取一個波高。

(4)由最低水位向下，標出波浪影響深度線。影響深度hp取1/3～1/4波長，粘性土應大一些，砂土小些。

(5)在波浪影響深度線上選取a點，該點位于堆積淺灘帶與淺灘外緣陡坡帶之轉折點處，該點的選取應使堆積系數Ka之值與圖中所列數值相符。

(6)由a點向下，根據淺灘堆積物的巖性繪出外緣陡坡，使之與原斜坡線相交，其穩定坡度α1:粉細砂土和粘性土為＜8°～12°，卵石層和粗砂土為 ＜18°～12°。由a點向上繪出堆積淺灘的坡面線，與原斜坡線相交于 b點，其穩定坡度 α2:細粒砂土為1°～1．5°，粗砂小礫石為3°～5°。

(7)由b點作沖蝕淺灘的坡面線，與正常高水位線相交于c點，其穩定坡度α3:視b、c間岸坡巖性而定。

(8)由c點作波浪爬升帶的坡面線，與波浪爬升高度水位線相交于d點，其穩定坡度α4按圖1法采取。

(9)繪制水上岸坡坡面線de;α5據自然坡角確定。

(10)檢驗堆積系數與經驗數據是否相符，如不符則向左或向右移動a點并按上述重新做圖，直至適合為止。

4．1．2 計算法

計算法基本原理是:在系統、準確地分析岸坡特征(巖土體構成、物質特性、形態參數、庫水位變動幅度等)的前提下，結合實測剖面，查找相關參數表，然后將其代入符合該類庫岸特性的塌岸最終寬度計算公式中，求得最終塌岸寬度數值。

最終塌岸寬度的公式為(計算時按均質庫岸考慮，見圖5、圖6):

式中:St為塌岸帶最終寬度(m);A為庫水位變化幅度(m);N為與土的顆粒大小有關的系數;hp為波浪沖刷深度(m);hB為浪擊高度或浪爬高(m);H為正常蓄水位以上岸坡高度(m);α為淺灘沖刷后水下穩定坡角(°);β為岸坡水上穩定坡角(°);γ為原始岸坡坡角(°)。

圖5 均質陡岸的塌岸寬度預測圖Fig．5 Forecast map of width of bank collapse about homogeneous steep bank 1．正常高水位;2．消落水位。

圖6 波高與各種土的淺灘坡角α的關系Fig．6 Relation of wave height and slope angle of shoal

4．2 預測參數的選定

4．2．1 風速的確定

所需風速采用《建筑結構荷載規范》(GB50009—2012)中基本風壓推算求得。

風浪計算所需的風速U即求得的平均最大風速。

4．2．2 “有效吹程”的確定

在有限水域中，由于風區寬度所起的限制作用，在決定吹程時，應采用“有效吹程”進行計算。

式中:F有效為有效吹程;ri為計算點至對岸線的距離;αi為射線與風向的夾角;xi為每條射線ri在風向上的分量。

4．2．3 波高、波長及波周期的確定

根據上述所確定的風速及有效吹程，波高、波長及波周期按官廳水庫公式確定如下:

4．2．4 風浪爬高的確定

爬高計算公式采用蒲田試驗站公式:

式中:KΔ為斜坡的糙率滲透性系數;KW為經驗系數。

上述浪高值尚未考慮行船產生的波浪因素，鑒于本庫岸位于三峽水庫永久船閘引航道及太平溪新港岸坡，過往船只頻繁，故需將行船產生的波浪與風浪疊加。

4．2．5 各類坡角的確定

本次勘查采用地質調查、室內試驗與圖解相結合的方法，對水庫運行期死水位(145 m)、調節水位(即水位變動帶)、正常高水位(175 m)時岸坡區巖土體水下穩定坡角和水上穩定坡角進行了統計，結合佐洛塔廖夫推薦的經驗數據，確定了用于預測巖土體穩定的坡角。

4．3 塌岸預測結果

根據上述預測方法，在正常蓄水條件下，鐵水溝庫岸各庫岸段塌岸預測范圍及規模見表5。塌岸預測典型剖面見圖7。

預測成果表明，在庫區水位長期145～175～145 m間往復運行時，岸坡最終塌岸寬度為11．07～133．80 m，其中庫岸5區塌岸最為強烈，寬度達133．80 m。人工填土庫岸塌岸進程快，巖質庫岸塌岸主要在全、強風化帶中，其進程較慢。

表5 正常蓄水(145～175 m)塌岸預測Table 5 Bank collapse prediction of normal storage(145～175 m)

圖7 塌岸預測典型剖面圖Fig．7 Typical profile of bank collapse prediction

5 防護措施

根據鐵水溝庫岸現場調查及塌岸預測結果，土質岸坡塌岸約占塌岸總方量的93．86%，巖質岸坡影響較小。鐵水溝庫岸防護工程僅針對土質岸坡進行，巖質岸坡不采取防護措施。防護措施為:坡面整形+干砌石護坡+格賓石籠壓腳+漿砌石排水溝+馬道+監測工程［3］。

首先對土質岸坡進行坡面整形，每15 m高設一級馬道，坡面采用干砌石護坡，坡腳設格賓石籠壓腳，坡肩及坡面兩側分別設置橫縱排水溝［4］。

6 主要結論

鐵水溝庫岸緊臨三峽大壩，根據庫岸穩定性分析，庫岸在水庫水位175 m、175 m回落至145 m期間、145 m三種工況下，均處于穩定狀態。但庫岸表層填土在庫水的浸泡及浪蝕作用下，有下座、崩塌變形的可能。

塌岸預測成果表明，正常蓄水條件下，土質岸坡塌岸方量較大，塌岸物質一旦匯入鄰近太平溪港及永久船閘上游航道，將對航道形成堵塞;巖質岸坡影響較小。

庫岸防護工程主要針對填土岸坡進行，庫岸防護將會防止庫岸再造，維護坡面設計形態，有效消除或減少影響庫岸坡體穩定性的不利因素，有利于當地的規劃建設發展及當地經濟建設，有利于該地區居民安居樂業和社會和諧穩定。

［1］ 郭峰，王金波，雷深涵，等．湖北省三峽庫區后續地質災害防治夷陵區鐵水溝庫岸勘查報告［R］．宜昌:湖北省水文地質工程地質勘察院，2012．

［2］ 三峽庫區地質災害防治工作指揮部．三峽庫區地質災害防治工程地質勘查技術要求［M］．武漢:中國地質大學出版社，2014．

［3］ 郭峰，王金波，雷深涵，等．湖北省三峽庫區后續地質災害防治夷陵區鐵水溝庫岸防護工程施工圖設計［R］．宜昌:湖北省水文地質工程地質勘察院，2012．

［4］ 三峽庫區地質災害防治工作指揮部．三峽庫區地質災害防治工程設計技術要求［M］．武漢:中國地質大學出版社，2014．