河道內水位變化對水磨溝水庫岸坡穩(wěn)定性的影響分析

雷鳴

河道內水位變化對水磨溝水庫岸坡穩(wěn)定性的影響分析

雷鳴

（新疆阜康市水利局，新疆阜康831500）

結合新疆阜康市水磨溝水庫地質條件，通過構建有效的岸坡穩(wěn)定性分析模型，并以實測岸坡穩(wěn)定安全系數FS為基礎，計算分析了河道內水位變化對岸坡穩(wěn)定性的調整特點，這對預測崩岸險情以及指導水庫岸坡除險加固工程設計具有重要意義。

河道水位變化；水庫；岸坡崩塌；河岸穩(wěn)定性

1 工程概況

水磨溝水庫位于天山山脈北緣的沖洪積平原區(qū)內，庫區(qū)及庫區(qū)外圍地形平坦開闊，地勢南高北低，地面坡度較大，約1%。水磨河位于庫區(qū)東側，其發(fā)源地在天山山脈東段北麓阿布加哈斯木達拉山，海拔高程4238 m，河道全長52.1 km，河道平均縱坡為23.8‰，河流自南向北流經阜康市城關鄉(xiāng)，消失于準噶爾盆地。水磨河屬于典型的季節(jié)性河流。在汛期主流擺動較為頻繁，且部分河段的河勢常出現(xiàn)變化，使得河道岸坡有時出現(xiàn)崩岸情況。水磨溝水庫建成后，由于水磨河上游河段來沙量的迅速減少，造成較為嚴重的河床沖刷現(xiàn)象；同時，上游河岸高度逐年增加，河道岸坡陡峭程度升高，岸坡穩(wěn)定性下降，崩岸現(xiàn)象發(fā)生率明顯增加[1]。

圖1 崩塌形態(tài)示意圖

2 岸坡穩(wěn)定性計算

河岸岸坡的穩(wěn)定性受到多方面因素的影響，包括土體物理力學性質、岸坡地質構造、滲流情況等。河道內水位的變化會通過滲流作用對岸坡土體性質產生作用，進而岸坡穩(wěn)定性造成影響。因此，岸坡穩(wěn)定性計算模型需要考慮前水位的變化，同時結合一維非穩(wěn)定滲流計算，構建計算模型，研究不同水位時期的岸坡穩(wěn)定性特點[2-3]。岸坡穩(wěn)定性分析在原有Darby、Thorne計算模型基礎上，考慮基質吸力對岸坡穩(wěn)定性造成的影響[4]。岸坡崩塌后的形態(tài)如圖所示，假設岸坡已經發(fā)生過平面滑動，且出現(xiàn)過崩塌，后期崩塌的滑動面通過坡腳。

岸坡穩(wěn)定性安全系數Fs，其值小于1時岸坡將發(fā)生崩塌[5-6]，表達式為：其中：FR為潛在滑動面抗滑力，表達式為FD=Gsinβ+PVcosβ-Psinα，kN/m；FD為岸坡崩塌滑動力，F(xiàn)R=c′L+Stanφb+N-（）U tanφ′，kN/m；φ′為內摩擦角，°；C′為內聚力，kN/m2；β為坡角，°；α為側向水壓力P與滑動面內法線夾角，°；φ′為有效內摩擦角，°；L為滑動面長度，m。PV和PU分別為孔隙水壓力在拉伸裂縫面上、滑動面上分力，kN/m。

（1）重力：

其中：γ、γsat為土體天然容重、飽和容重，kN/m3；Hg為基準面地下水深，以坡腳水平面作為基礎參考，m；He為坡腳沖刷高度，m。

（2）孔隙水壓力：

其中：γw為水的容重，kN/m3；hw、h′為地下水頭和地面水頭，m。

（3）基質吸力：

其中：ua為孔隙氣壓，/m2，本文取0；總基質吸力通過潛水面上滑動面積積分得到，S；Lup為潛水面上滑動面長度，m。

[61] 楊志榮：《中美南海戰(zhàn)略博弈的焦點、根源及發(fā)展趨勢》，《亞太安全與海洋研究》2017年第4期，第19頁。

（4）側向水壓力：

其中：P為水壓力，kN/m；Px、Py為河道水壓力在x和y方向的分量，kN/m。

3 水磨溝水庫典型岸坡穩(wěn)定性分析

3.1 典型安全穩(wěn)定計算參數確定

計算所用相關參數主要包括岸坡形態(tài)參數與岸坡土體力學參數，其中前者需由現(xiàn)場實測獲得，后者需參考土工實驗資料。本次研究以水磨溝斷面右側岸坡與公2斷面左側岸坡為對象進行安全穩(wěn)定性分析。其中斷面右側岸坡位于水庫上游2 km處，斷面形態(tài)為W型，河槽寬度km，如下圖2（a）所示，斷面右側岸坡相對更高，深槽高程落差達22.5 m；公斷面地處水庫下游3 km，斷面形態(tài)為V型，河槽寬度1.3 km，如下圖2（b）所示，斷面深槽臨近左岸，深槽高程落差達25.9 m。

現(xiàn)選擇2011年34斷面實測地形為對象，對岸坡形態(tài)參數的確定進行分析。首先對河岸邊坡頂底高程進行確定。其中坡頂多以黏土層頂面為準；坡腳參照枯水位最低點與近岸河槽形態(tài)進行確定。如上圖2（a）所示，將河槽枯水位下近岸面積A同水面寬度B的比值充當枯水期水深均值H，然后再將枯水位降低H后所得平面與河岸的交點作為岸坡坡腳高程。

3.2 2011年水文實測岸坡穩(wěn)定性分析

2011年水磨溝水庫進行蓄水作業(yè)后，上下游河道內水文變化出現(xiàn)明顯改變，以往河道退水期多為10月，蓄水后提前至9月。下圖3所示為34斷面與公2斷面2011年漲水及退水期水位變化統(tǒng)計圖，公2斷面處水文自2011年月起開始逐漸增加，5月中下旬開始進入洪峰期，水位最高達36 m，隨后自月上旬開始，水文開始由34.5 m迅速回落，截止到10月中旬已降低至27.8 m，到12月中旬退水期結束，剩余水位為26.1 m。

上圖3所示為34斷面及公2斷面岸坡潛水位與安全系數變化過程，其可按照不同時期分述為：

圖2 34斷面與公斷面形態(tài)示意圖

圖3 水庫河道水文、潛水位及安全系數變化分析統(tǒng)計圖

（1）漲水期內，隨著水文上漲，岸坡側向水壓不斷增加，岸坡土體內潛水位逐漸增加，但整體仍相對較低，岸坡土體內孔隙水壓力仍相對較小，基質具備良好吸力，岸坡穩(wěn)定性較高，難以發(fā)生崩岸事故。實測所得兩岸坡安全系數分別為1.25和3.68。

（2）洪峰期內，河道水文漲落變化顯著，岸坡側向水壓波動明顯，土體內潛水位進一步升高，使得土體內孔隙壓力增大，基質吸力降低。整體分析而言，該時期岸坡穩(wěn)定性有所下降，實測所得兩岸坡安全系數分別降低為1.06和2.7，同時岸坡穩(wěn)定安全系數還存在時升時降的特征，當河道水文發(fā)生迅速降低時，也隨之減小。其中34斷面岸坡穩(wěn)定安全系數僅僅略大于1，可視其已發(fā)生岸崩。

（3）退水期內，岸坡土體內潛水位逐漸降低，但下降速度小于河道水位，導致孔隙水壓力偏大，基質吸力不足，同時隨著河道側向水壓的消失，岸坡穩(wěn)定性進一步下降。實測所得兩岸坡安全系數分別降低為0.88和1.62，而最小岸坡穩(wěn)定安全系數Fsmin為0.83與1.39，因此該時期34斷面岸坡已發(fā)生崩塌，公2斷面岸坡仍保持相對完整。

綜上所述，假設岸坡形態(tài)不發(fā)生改變，則水磨溝水庫河岸邊坡穩(wěn)定安全系數在退水期最低，最易出現(xiàn)崩塌事故；在洪峰期內，若出現(xiàn)短時間內的水文快速下降，也存在發(fā)生崩岸的可能。34斷面岸坡洪水期水位發(fā)生迅速降低時，降低至解決1，退水期進一步降低至小于1的0.88，表明存在岸崩現(xiàn)象；公2斷面岸坡在洪峰期與退水期隨均有所下降，但值始終高于安全臨界值，表明其未曾發(fā)生崩岸現(xiàn)象。而根據對水磨溝水庫以往汛期水文數據的調查顯示，34斷面岸坡在2011水文年內曾發(fā)生20 m的崩退現(xiàn)象，公2斷面岸坡未曾發(fā)生崩岸現(xiàn)象，表明本文計算結果貼合實際狀況。

4 水文升降速率對岸坡穩(wěn)定性的影響

選取34斷面右側岸坡為對象，設定河道水文可大體劃分為漲水、恒定與退水三個時期：水位最高與最低值分別為36m與24 m。鑒于河道內漲水與退水速率對岸坡穩(wěn)定性的影響程度存在差異，因此分為兩種情況進行討論。

下圖4（a）與圖4（b）分別為34斷面漲水與退水速率不同時的變化統(tǒng)計圖。由圖片分析可知：岸坡穩(wěn)定安全系數最大值出現(xiàn)于張水器，且早于最高水位，這同土體內潛水位與河道內水位差值達到最大值相關。隨著河道漲水速率（Vu）的增加，增大，而當河道退水速率（Vd）增加時，下降。如下圖4（a），Vd不變而Vu分別為0.2 m/d、0.4 m/d和0.6 m/d時，F(xiàn)smax分別為1.91、2.05和2.08，而Fsmin分別為0.86、0.95和0.98，表明Fsmax與Fsmin均會隨著漲水速率Vu的增加而增加；由下圖4（b），Vu不變而Vd分別為0.2 m/d、0.4 m/d和0.6 m/d時，F(xiàn)smin分別為1.15、0.95和0.83，表現(xiàn)為Fsmin會隨著退水速率Vd的增加而降低。

通過上述計算分析可知：水位無論是增加還是降低，其速率過快均十分不利于岸坡的穩(wěn)定性，但鑒于退水期內河岸穩(wěn)定性最低，因此退水過程中崩岸現(xiàn)象的發(fā)生幾率更高。根據歷年資料統(tǒng)計：自水磨溝水庫全面蓄水以來，水庫上下游岸坡發(fā)生岸崩的頻率上升為蓄水前的3倍左右，可以說水文退水速率的增加，成為誘發(fā)退水期河岸崩退的重要因素之一。

5 結束語

圖4 不同河道水位下斷面岸坡穩(wěn)定安全系數變化統(tǒng)計

（1）如僅考慮河道內水位變化因素，河道岸坡穩(wěn)定性在不同河道水位條件下表現(xiàn)出明顯的差異性，其岸坡穩(wěn)定性表現(xiàn)為漲水期洪峰期退水期。穩(wěn)定性越差，岸坡發(fā)生崩岸的幾率也就越大。

（2）以2011年實測水位數據作為基礎，計算得到在退水期斷面的右岸岸坡穩(wěn)定性系數在安全值以下，表明右岸已經出現(xiàn)崩岸；而公斷面左岸穩(wěn)定性系數均在安全值以上，岸坡較為穩(wěn)定。計算結果與實際情況相同，表明結果準確性較高。當關鍵參數出現(xiàn)一定的變動時，結論仍然成立。

（3）水位變化速率對岸坡穩(wěn)定性存在一定的影響，減小漲水速率與增加退水速率均將降低岸坡穩(wěn)定性。因此，在一定程度上，水磨溝水庫岸坡穩(wěn)定性下降是由水庫退水速率過快造成的。

[1]張琳琳,張耀哲,張政.落水條件下河道水庫岸坡穩(wěn)定性的分析研究[J].水力發(fā)電學報,2015,07:12-20.

[2]鄧珊珊,夏軍強,李潔,等.河道內水位變化對上荊江河段岸坡穩(wěn)定性影響分析[J].水利學報,2015,07:844-852.

[3]汪紅英,陳正兵.三峽工程運用后上荊江典型河段岸坡穩(wěn)定性分析[J].人民長江,2015,23:6-9.

[4]陳洪凱,周曉涵,唐紅梅,等.水庫岸坡地質災害研究現(xiàn)狀與趨勢[J].重慶師范大學學報(自然科學版),2016,03:38-44+2.

[5]王博,姚仕明,岳紅艷.基于BSTEM的長江中游河道岸坡穩(wěn)定性分析[J].長江科學院院報,2014,01:1-7.

[6]宗全利,夏軍強,許全喜,等.上荊江河段河岸土體組成分析及岸坡穩(wěn)定性計算[J].水力發(fā)電學報,2014,02:168-178.

[7]李佳佳.落水條件下河岸邊坡的穩(wěn)定性分析[J].水利科技與經濟,2016,09:80-83.

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1673-9000（2017）02-0044-03

2016-12-08

雷鳴（1969-)，男，新疆阜康人，工程師，主要從事地下水灌溉工作。