洋溪水利樞紐庫區最終坍岸寬度預測探討

吳德成

（廣西水利電力勘測設計研究院，南寧 530023）

洋溪水利樞紐庫區最終坍岸寬度預測探討

吳德成

（廣西水利電力勘測設計研究院，南寧 530023）

采用卡丘金公式和Janbu條分法分別對洋溪水利樞紐庫區內的防護點進行坍岸范圍預測。通過對比分析兩種方法計算的結果，認為卡丘金方法可用在庫區調查研究的前期，能大概通過野外收集的資料初步判斷坍岸的范圍，對其坍岸的嚴重程度作進一步調查研究，較為方便快捷。Janbu條分法可在卡丘金計算寬度的基礎上，進一步細化坍岸的類型及其坍岸精度的量化，計算量較大，但更符合工程實際情況。

卡丘金；Janbu條分法；坍岸；洋溪水利樞紐

1 工程概況

廣西柳江防洪控制性工程洋溪水利樞紐位于柳江上游干流都柳江河段三江侗族自治縣洋溪鄉政府所在地上游約2km處，距三江縣城約42km。洋溪水利樞紐是柳江綜合利用規劃廣西境內的第2個梯級，是以防洪為主、結合發電、航運等綜合效益的大型水利工程。根據設計要求，低于蓄水位高程的村（寨）需搬遷，臨河側高于搬遷線的村寨要進行防護。結合水庫移民專業的調查成果，共涉及18個村（寨）需防護。對防護的村（寨）進行最終坍岸寬度的預測，是庫區岸坡治理的依據。

2 庫區基本工程地質條件

2.1 基本地質概況

都柳江水面寬度一般為80～140m，最窄處為50～60m。水庫形狀呈樹枝狀，庫區內河道較為彎曲，庫區干流流向總體為由西向東，河谷基本呈“U”型谷，沿江兩岸零星殘留少量Ⅰ、Ⅱ級階地，河流與巖層走向大角度相交，基本屬橫向谷；梅林鄉～八洛段河流與巖層走向呈小角度相交，基本屬縱向谷。水庫兩岸山體雄厚，兩岸山頂高程多為500～800m，庫岸邊坡一般為30°～50°，屬中低山地貌。

庫區出露地層主要有前震旦系（上板溪群）粉砂巖、震旦系含礫泥質粉砂巖、寒武系深灰色硅質巖和第四系松散堆積層。沿岸、沿公路小規模邊坡滑動及崩塌為水庫蓄水位抬升后的庫岸再造過程，是水庫建設及運行中不可避免的地質作用過程。蓄水后，由于庫水位的升降和波浪沖刷，造成第四系松散堆積層岸坡巖土物理力學性質惡化，抗剪強度降低（c、φ指標的降低），局部地段可能出現小規模塌滑。

2.2 坍岸型式

由于岸坡物質組成、結構特征、地下水位等情況不同，各岸坡的坍岸程度（寬度和發展速度）也不一樣。其中影響坍岸程度的因素包括內在因素和外在因素。內在因素包括地形地貌、地層結構、岸坡結構等；外在因素包括水的作用、波浪作用及其它作用（風化作用等）。

根據庫區內岸坡形態、巖土特征及其組合關系、庫水影響，洋溪庫區的坍岸型式可分為：①崩塌型，坡腳為松散的第四系堆積體，河（江）水掏空沖刷坡腳，變形以豎直方向為主，多發生于土質岸坡或巖質岸坡；②滑動型，岸坡巖土體沿一個或多個滑面下滑，變形以水平方向為主，多發生在土質岸坡；③侵蝕剝蝕型，受外力因素影響，岸坡巖土體出現碎裂，解體而剝落，多發生在巖質岸坡。

2.3 物理力學參數值

根據土工試驗結果及該地區工程建設經驗，綜合確定洋溪庫區各巖土層參數值，見表1。

3 坍岸寬度計算原理

上世紀40～50年代，前蘇聯薩瓦連斯基、卡丘金、卓洛塔廖夫等對水庫坍岸問題進行研究，提出了著名的卡丘金計算法和圖解法等，并沿用至今。王躍敏等人經過10年數十處水庫坍岸的調查研究，提出適用于我國南方山區峽谷型水庫坍岸的預測法，即兩段法，其原理與卡丘金所需參數大致相似，但對水文要求、淤積厚度、水下岸坡物質成分等作更為細致的要求[1]。洋溪庫區屬“U”型河流，兩段法在洋溪庫區坍岸預測不適用。

坍岸的最終寬度分別采用卡丘金預測法和邊（岸）坡常用的Janbu條分法計算，并對其結果進行對比分析。

表1 庫區巖土層參數值表

3.1 卡丘金法

卡丘金法適用于粉土、粘性土等岸坡，并且波浪較小的水庫。其計算公式如下：

式中：St——坍岸帶最終寬度（m）；

A——庫水位變化幅度（m），取正常蓄水位與死水位的差值；

N——與土的顆粒大小有關的系數，根據本工程岸坡土質顆粒含量，取值0.8；

hp——波浪沖刷深度（m），本次計算采用1倍波高；

hB——浪擊高度（m），用德容科夫斯基公式hB=k·n·h·tgα計算，其中k=0.77，n=3.2，h為浪高，取1.5m；

H——正常蓄水位以上岸坡高度（m）；

α——水下穩定坡角（°）；

β——水上岸坡穩定坡角（°）；

γ——原始岸坡坡角（°）；

圖1 坍岸預測剖面示意圖

3.2 Janbu條分法

3.2.1 Janbu條分法原理

工程上常用的邊坡穩定分析方法有瑞典圓弧法（Fellenius法）、簡化畢肖普法、Janbu法，它們均屬于極限平衡法。瑞典圓弧法的土條間作用力的假設不太合理，得出的安全系數明顯偏低；而簡化畢肖普法假定的滑面形狀必須是圓弧狀，且在實踐中表明，該方法計算出的安全系數偏低，適用性有一定的局限。在實際工程中常常會遇到非圓弧滑動面的突破穩定分析，如土坡下面有軟弱夾層，或土坡位于傾斜巖層面上，滑動面形狀受到夾層或硬層影響而呈現非圓弧形狀。此時若采用前述圓弧滑動面法分析就不適用了。Janbu法的滑面可以是任意的，且力的平衡和力矩平衡均滿足平衡條件，本文采用簡布（Janbu）法計算洋溪庫區的最終坍岸寬度。

N.揚布提出的非圓弧普通條分法（GPS），也稱為簡布法。其原理如下：

如圖2所示土坡，滑動面任意，劃分土條后，其假定：①滑動面上的切向力Ti等于滑動面上土所發揮的抗剪強度τfi，即Ti=τfili=（Nitanφi+cili）/Fs；②土條兩側法向力E的作用點位置為已知，且一般假定作用于土條地面以上1/3高度處。分析表明，條間力作用點的位置對土坡穩定安全系數影響不大[2]。

圖2 滑體示意圖（左）及土條受力分析圖（右）

取任一土條如圖2所示，hti為條間力作用點的位置，αti為推力線與水平線的夾角。需求的未知量有：土條底部法向反力Ni（n個）；法向條間力之差△Ei（n個）；切向條間力Xi（n-1個）及安全系數Fs。可通過對每一土條力和力矩平衡建立3n個方程求解。

對每一土條取豎向力的平衡，則

由圖2可以看出土條條塊側面的法向力E，顯然有E1=ΔE1，E2=ΔE1+ΔE2

對土條中點取力矩平衡，并略去高價微量，則Xibi=-Eibitan αti+htiΔEi或

顯見，Janbu法中邊坡穩定安全系數的求解需采用迭代法，可按以下步驟進行；

（1）先設ΔXi=0（相當于簡化的畢肖普總應力法），并假設Fs=1，算出mαi代入式（9），求得Fs，若計算Fs值與假定值相差較大，則由新的Fs值再求mαi和Fs，反復逼近至滿足精度要求，求出Fs的第一次近似值。

（2）將ΔXi=0和Fs的第一次近似值代入由式（8）求出相應的Tfi；再由式（3），求相應的 ΔEi。

（4）將 Ei和ΔEi代入式（5）求得 Xi及ΔXi。

（5）用新求的ΔXi重復步驟1，求出Fs的第二次近似值，并以此值重復上述計算每一土條的Tfi、ΔEi、ΔXi，直到前后計算的Fs值達到某一要求的計算精度ε。

Janbu條分法可以滿足所有的靜力平衡條件，目前該法在國內外應用較廣。邊坡真正的安全系數需要計算多個滑動面，進行比較，找出最危險的滑動面。

2.2.2 工程算例

結合洋溪水利樞紐庫區各防護點的地質條件，計算工況考慮天然+庫水位驟降情況，取FS=1.0使岸坡處于失穩的臨界狀態，反算其滑動面位置及滑動形態。最后，可在圖上量取其坍岸的寬度，見圖3。其最終坍岸寬度見表2。

圖3 Janbu法岸坡滑動面位置示意圖

4 結果分析

通過卡丘金公式和Janbu條分法分別對洋溪水利樞紐庫區內的防護點作最終的坍岸寬度計算，其成果見表2。

表2 兩種方法計算坍岸寬度成果表 m

表2各防護點中，卡丘金法考慮了水位的沖刷深度和浪擊高度，原始地質地貌形態，對岸坡土質顆粒含量的依賴較大。計算結果整體較為合理，但上游段（庫尾段）坍岸較下游段大，說明庫區離壩址越遠，岸坡高度H越大，越容易發生坍岸，這與實際情況稍有偏差。

Janbu法坍岸寬度較大處多為地形凹岸處或江河交匯的地方，這些地方河水位上漲，容易被沖刷或導致土層的力學參數指標下降，更易坍岸，比如仁里新村，葛亮屯等，較符合實際地質情況。

5 結語

兩種計算庫區坍岸寬度的方法，在工程應用中均有實際意義。卡丘金方法從發現應用至今，已有70～80年的發展；隨著各種新技術、新方法的出現，建議結合實際情況改進使用該方法。卡丘金方法可用在庫區調查研究的前期，能大概通過野外收集的資料初步判斷坍岸的范圍，對其坍岸的嚴重程度作進一步調查研究，較為方便快捷。Janbu條分法可在卡丘金計算寬度的基礎上，進一步細化坍岸的類型及其坍岸精度的量化，計算量較大，但更符合工程實際情況。

[1] 彭土標，袁建新，王惠明，水利發電工程地質手冊[M].北京：中國水利水電出版社，2011.

[2] 陳仲頤，周景星，王洪瑾，等.土力學[M].北京：清華大學出版社，1994.

（責任編輯：劉征湛）

Calculation of final bank collapse width for reservoir area of Yangxi Hydraulic Complex

WU De-cheng
（Guangxi Water and Power Design Institute,Nanning 530023，China）

For each protection site within the reservoir area of Yangxi Hydraulic Complex，the range of bank col?lapse was calculated by Kachugin formula and Janbu slice method respectively.The calculating results out of two methods were compared，based on which it is concluded that Kachugin formula shall be used at the preparatory stage of reservoir area investigation because it permits rather convenient and rapid preliminary estimate of collapse range with the information collected at site，before further investigation of collapse extent is conducted.On the ba?sis of the calculating width out of Kachugin method，Janbu slice method permits further refining of collapse type and quantization of collapse accuracy，requires great calculating work but has results more in conformity with the actual conditions of project.

Kachugin formula；Janbu slice method；bank collapse；Yangxi Hydraulic Complex

P642.21

B

1003-1510（2016）05-0028-04

2016-06-12

2016-07-12

吳德成（1986-），男，廣西岑溪人，廣西水利電力勘測設計研究院工程師，碩士，從事水利水電工程勘察工作。