水庫蓄水塌岸～庫岸再造剖析

郭雅麗

（新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊830000）

1 工程概況

AKX水庫工程位于新疆和田地區瑙阿巴提塔吉克鄉境內，壩址位于AKX河與康阿孜河匯合口上游約3km，距塔吉克鄉政府2km，距縣城81km。水庫區正常蓄水位線大部分位于Ⅱ～Ⅳ級階地上，階地地形平緩，Ⅳ級階地后緣岸坡坡度25°～36°，局部陡立。階地及Ⅳ級階地后緣坡腳，地表堆積厚層的風積黃土，僅局部為基巖。

水庫建成蓄水后，黃土段庫岸自然條件將會發生急劇變化，庫水位變化范圍內的土體因浸濕而處于飽和狀態，抗剪強度將大幅下降，加之周期性的水位抬升、消落及波浪作用，岸坡被掏刷、磨蝕、搬運而產生變形，形成坍岸，從而引起水庫的庫岸輪廓線發生變化，形成庫岸再造。因此，查明庫區各級階地面、階地后緣廣泛分布厚層風積黃土層[1]主要存在物理力學性質、地震液化和滲透變形等工程特性，評價其對工程的影響勢在必行。

2 黃土層的工程特性[2-3]

2.1 物理力學特征

結合庫區迴水淹沒區黃土層分布廣泛，厚度大、土質均一，結構中密的特性，現場進行了系統的年代樣品的采集與分析工作：黃土層天然狀態下含水率3.56%，干密度1.28g/cm3，黏聚力C＝16.1kPa，φ＝25.5°，飽和狀態下黏聚力C＝10.0kPa，φ＝23°，飽和壓縮模量6.2MPa，壓縮系數0.35MPa-1，屬中壓縮性土，滲透系數為5.2×10-4cm/s，屬中等透水層，濕陷性系數0.016～0.041，具輕微或中等濕陷性。

可知，庫區黃土層具有密度低、中壓縮性、輕微或中等濕陷性、強度低等物理力學特征。

2.2 地震液化的判別

2.2.1 土層剪切波速地震液化判別

依據GB 50487—2008《水利水電工程地質勘察規范》，計算上限剪切波速：

式中 Vst為上限剪切波速度（m/s）；KH為地震加速度系數；取0.15；Z為土層深度（m）；rd為深度折減系數。

表1 庫區黃土鉆孔剪切波速及液化判定

2.2.2 利用標準貫入擊數法復判

當標貫試驗貫入點的深度和地下水位不同于工程正常運用時，實測的標準貫入錘擊數應按式（2）進行校正，并以校正后的標準貫入錘擊數N63.5作為復判依據。計算公式：

式中 N′63.5為實測標準貫入錘擊數；ds為工程正常運用時，標準貫入點在當時地面以下的深度（m）；d′s為標準貫入試驗時，標準貫入點在地面下深度（m）；dw為工程正常運用時，地下水位在當時地面以下的深度（m），當地面淹沒于水面以下時，取0；d′w為標準貫入試驗時，地下水位在當時地面以下的深度（m），若當時地面淹沒于水面以下時，取0。

庫區黃土孔標準貫入法判定場基土地震液化結果如表2。

表2 庫區黃土鉆孔標準貫入法復判場基土地震液化

根據表2判定結果，可知兩岸黃土實際標貫擊數均小于臨界錘擊數，復判為液化土。綜合分析，庫區黃土為液化土。

2.3 滲透變形、允許比降J允的判定

根據GB 50487—2008《水利水電工程地質勘察規范》，土體中表部土體為風積黃土，黏粒含量6.93%，不均勻系數Cu=4.44（小于5），顆分曲線無平緩段屬級配連續土，其滲透變形型式為流土。流土型允許水力比降計算如下：

式中GS為土的比重；n為土的孔隙率。

根據試驗資料，黃土比重2.72，孔隙率48.3%，根據公式計算允許比降為0.88；安全系數2，允許比降J允取0.44。結合周邊工程類比及經驗建議允許水力比降為0.35。

2.4 接觸沖刷判定

對雙層結構地基，當兩層土的不均勻系數均等于或小于10，且符合≤10時，不會發生接觸沖刷。D10，d10分別為較粗和較細一層土的顆粒粒徑（mm），小于該粒徑的土重占總土重的10%。

根據資料可知d10，D10分別為 0.0055，0.15，則=27，計算結果大于10表明會發生接觸沖刷。

3 黃土塌岸分析

通過本地區及相鄰地區試驗成果，粉土黏粒含量極少，約3%～9%，滑動面為平面，根據相關規范進行庫岸坍塌預報[4-5]分析計算，標準計算剖面如圖1。

圖1 標準計算剖面

通過試驗成果及本地區已有邊坡穩定值比較，確定水下穩定坡角α取12°，水上穩定坡角β取33°。求出剖面面積（即陰影部分面積），兩剖面間坍塌土體體積計算如式（4）：

式中 S1，S2分別為兩剖面的面積（m2）；l為兩剖面間的距離（m）。

水庫庫岸坍塌量匯總如表3。庫岸再造主要有5段，坍岸寬度30～120m，坍岸總方量138萬m3，總體對水庫影響小。

由于TA1和TA4距離壩址較近，根據《建筑物的抗滑穩定和滑坡分析》中的滑坡涌浪估算方法，采用下列公式：

表3 水庫庫岸坍塌量匯總

式中 h0為滑坡點擊起的初始浪高（m）；n為常數：1，3，5……；Σ為級數之和；k為波的反射系數（為0.9～1，取0.9）；B為庫水面寬度（m），取645m；x0為滑坡體與計算點間距離（m），TA1取90m，TA4取230m；L為滑坡體順河向平均長度（m），TA1取180m，TA4取100m。

最不利工況TA1和TA4整體下滑，可分別求得初始最大浪高h0、波浪的特性和大壩處的最大涌浪高度h，其計算結果如表4。

表4 TA1，TA4塌岸體涌浪計算 單位：m

水庫正常蓄水位2452m，水庫大壩壩頂高程2455.5m，防浪浪墻頂高程2456.7m，防浪墻頂高出正常蓄水位4.7m。通過分析計算，即使坍岸整體滑塌，產生壩前涌浪TA1為1.07m，TA4為1.43m，沒有超過防浪墻頂高程，且根據岸坡坡度、黃土岸坡特性分析，坍岸為逐漸坍塌，一次坍岸方量不大；坍岸范圍內無人員居住，也無建筑物等分布；其余黃土段落在水位變動區，坍塌滑落的方量淤積至庫盤，對水庫的蓄水能力影響較小。綜合分析塌岸[6]對水庫影響較小，局部黃土段落需要進行阻擋、卸荷等工程措施。由于TA1緊臨大壩，建議對該坍岸段采用棄渣壓腳等工程處理，以減少水庫塌岸。

4 黃土場地的凍脹性及腐蝕性

該區屬高寒地區，冬季氣溫較低，室內試驗顆粒分析可知，黃土、低液限黏土、顆粒粒徑＜0.075mm含量為97.5%～99%，均大于10%，屬凍脹性土，存在凍脹問題。對各地貌單元的黃土（低液限黏土）進行凍脹試驗[7]，黃土具有輕微凍脹。

在庫區左、右岸和壩址區分別布置探坑（豎井）進行原狀樣取樣，巖性為風積黃土。根據庫、壩址區不同地段、不同深度土層取樣進行土簡分析：

黃土含鹽量主要集中分布在表層1.5m以上。其中1.5m以上土的易溶鹽含量為0.39%～1.46%，1.5m以下土的易溶鹽含量小于0.6%。工程區海拔高度2420m，屬干旱區。地表3m以上粉土硫酸鹽含量881～5649mg/kg，3m以下粉土中硫酸鹽含量758～2322mg/kg，根據SL654—2014《水利水電工程使用年限及耐久性設計規范》規定，黃土層地表3m以上硫酸鹽腐蝕程度為中度或嚴重，3m以下黃土的硫酸鹽腐蝕程度為中度。

綜合上述，庫區黃土層主要存在輕微或中等濕陷性、地震液化和滲透變形、有硫酸鹽腐蝕等問題，工程性狀不良。對黃土進行穩固、阻滑等工程建筑物需進行相對應的防腐措施。

5 結語

（1）詳細了解庫區黃土物理力學性質、地震液化等特點，是分析黃土的特性的前提條件。

（2）庫區斷續分布為黃土層，由于水庫蓄水后，在正常蓄水位波動區，浸潤后的黃土進行沉陷，以致整體失穩。處理不及時或不到位，對庫區進行侵占、樞紐建筑物影響巨大。因此，綜合考慮黃土層工程地質條件，應進行坍塌土體預算和提前設計預防。

（3）近壩區黃土層除進行坍塌土體預算外，還需要進行最不利工況下的最高涌浪計算，進而提前預防，提高整個樞紐的安全富余度。

（4）針對庫區黃土分布廣、不連續的特點，局部因地制宜采取“卸荷護腳”之外，還需要對其進行穩固、阻滑等工程建筑物進行相對應的防腐措施。