陜北地區(qū)黃土庫(kù)岸塌岸分析預(yù)測(cè)
——以××水庫(kù)為例

盧功臣

(陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院 勘察分院,陜西 咸陽(yáng) 712000)

水庫(kù)塌岸是指水庫(kù)蓄水后,庫(kù)水位變動(dòng)使松散岸坡水文地質(zhì)條件發(fā)生改變,原始岸坡在庫(kù)水浸泡、干濕交替、風(fēng)浪沖擊、水流侵蝕等作用下發(fā)生坍塌,導(dǎo)致庫(kù)周巖土體物理力學(xué)參數(shù)降低,進(jìn)而誘發(fā)庫(kù)岸穩(wěn)定性的變化,這種不良地質(zhì)現(xiàn)象稱為水庫(kù)塌岸[1]。水庫(kù)塌岸是大量土體進(jìn)入庫(kù)區(qū)并產(chǎn)生淤積,減少了水庫(kù)的庫(kù)容。隨著塌岸的不斷發(fā)展,會(huì)影響到庫(kù)周范圍內(nèi)的水工建筑物的正常運(yùn)營(yíng),如淤塞、填堵放水建筑物的進(jìn)水口。最后水庫(kù)塌岸導(dǎo)致庫(kù)岸線不斷后退,可能對(duì)庫(kù)周交通破壞、農(nóng)田毀壞以及對(duì)周邊城鎮(zhèn)居民的生活等產(chǎn)生嚴(yán)重危害,甚至造成人員傷亡[2],因此水庫(kù)塌岸也被認(rèn)為是水利工程地質(zhì)災(zāi)害類型之一。鑒于水庫(kù)塌岸可能造成的巨大影響,塌岸預(yù)測(cè)的方法得到了越來(lái)越多的研究,目前主要的預(yù)測(cè)方法有佐洛塔寥夫法、岸坡結(jié)構(gòu)法、兩段法、類比法、卡丘金經(jīng)驗(yàn)公式法、圖解法、平衡剖面法、動(dòng)力法、康德列捷夫數(shù)學(xué)分析法等[3-5]。本文主要采用卡丘金經(jīng)驗(yàn)公式法及圖解法對(duì)××水庫(kù)岸坡進(jìn)行塌岸分析預(yù)測(cè)。

1 工程地質(zhì)背景

1.1 地形地貌

水庫(kù)工程區(qū)位于陜北高原東北部,地勢(shì)整體北高南低。溝壑眾多,多以扇狀、羽狀發(fā)育,溝谷兩岸多陡立,巖石出露,山體上部相對(duì)較平緩,覆蓋黃土。

庫(kù)區(qū)內(nèi)海拔多為900～1 500 m左右,為低中山地貌,河谷多呈寬“U”字型,溝底寬為50～100 m,平均坡降1.6%。喬岔溝左岸岸坡底部陡峻、近乎直立,上部平緩,右岸相對(duì)較緩,天然坡度約為30°～50°。兩岸山體完整性較差,沖溝發(fā)育,右岸底部局部出露基巖,上部黃土覆蓋,黃土岸坡居多數(shù),左岸基巖出露高程較高,出露高程約1 020～1 060 m。崖磘溝兩岸岸坡大部分基巖出露,出露高程約1 000～1 030 m,庫(kù)水位以下多數(shù)為基巖岸坡,局部黃土覆蓋。

1.2 地層巖性

庫(kù)區(qū)出露的地層巖性主要有:三疊系胡家村組(T3h)長(zhǎng)石砂巖、泥巖及粉砂巖互層狀分布,夾少量頁(yè)巖;第四系松散堆積物。第四系松散堆積物主要包括上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土(Q3)、全新統(tǒng)沖積、洪積和殘坡積物等。天然條件下水庫(kù)岸坡的穩(wěn)定性較好,但水庫(kù)蓄水后,庫(kù)水位附近的黃土岸坡受庫(kù)水變動(dòng)影響可能產(chǎn)生塌岸。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

水庫(kù)大地構(gòu)造部位屬陜甘寧分區(qū)，區(qū)域上構(gòu)造單元屬于中朝準(zhǔn)地臺(tái)陜甘寧臺(tái)坳的主體陜北臺(tái)坳內(nèi)。通過(guò)庫(kù)區(qū)地表地質(zhì)測(cè)繪,庫(kù)區(qū)內(nèi)地層組成較為簡(jiǎn)單,總體為單斜地層,巖層走向?yàn)榻媳毕?與溝谷走向多為平行,傾向西或南西、北西,為近水平巖層,局部?jī)A角較陡。未發(fā)現(xiàn)較大地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育,主要表現(xiàn)為節(jié)理裂隙。

1.4 水文地質(zhì)條件

經(jīng)查閱多年觀測(cè)資料和現(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)勘察,水庫(kù)主要包括溝內(nèi)流水和地下水。地下水可分為基巖裂隙水和第四系松散孔隙水,支溝兩岸基巖裂隙水多沿砂、頁(yè)巖層間出露。

1.5 水庫(kù)岸坡結(jié)構(gòu)類型

水庫(kù)區(qū)基巖地層主要為三疊系上統(tǒng)胡家村組(T3h)陸相碎屑巖,地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單,基巖地層為近水平產(chǎn)狀的砂巖、粉砂巖、泥巖形成的韻律沉積。根據(jù)水庫(kù)區(qū)地形地貌、地層結(jié)構(gòu)與岸坡的組合關(guān)系,庫(kù)區(qū)可能產(chǎn)生塌岸的岸坡類型主要分為基巖—黃土庫(kù)岸、黃土庫(kù)岸。如圖1。

圖1 庫(kù)區(qū)岸坡結(jié)構(gòu)類型示意圖Fig.1 Schematic diagram of bank slope structure type in reservoir area

2 黃土塌岸影響因素

黃土塌岸的影響因素很多,主要受地層巖性、水庫(kù)運(yùn)行方式、風(fēng)浪掏蝕作用、地形地貌、地震等,塌岸是在諸多因素綜合影響下發(fā)生發(fā)展的復(fù)雜過(guò)程[6]。

2.1 地層巖性

不同巖性的岸坡具有不同的抗剪強(qiáng)度和抗沖蝕能力,巖性對(duì)塌岸的范圍、速度和類型具有控制性作用,松散層組成的岸坡較易產(chǎn)生塌岸,且規(guī)模大,速度快,泥巖、粉砂巖、砂巖組成的基巖岸坡抗沖蝕能力較強(qiáng),基本不產(chǎn)生塌岸。巖性還決定著淺灘的形狀、坡腳和寬度,密實(shí)的粘土凝聚力大,抗沖蝕能力強(qiáng),塌岸寬度較小或表面風(fēng)化土體脫落,一般形成磨蝕淺灘或陡坎;黃土具有粉粒含量高、孔隙率大的特點(diǎn),遇水后土體連接被破壞,崩解速度快,易形成快速、強(qiáng)烈的坍塌。

2.2 水庫(kù)運(yùn)行方式

水庫(kù)運(yùn)行方式對(duì)塌岸的影響主要表現(xiàn)在水庫(kù)水位的變化幅度和速度上。××水庫(kù)庫(kù)容較大,開(kāi)發(fā)任務(wù)主要以蓄水調(diào)沙為主。水庫(kù)水位變化幅度較大,岸坡黃土受庫(kù)水位高低頻繁波動(dòng)影響,塌岸是反復(fù)累進(jìn)性進(jìn)行的,規(guī)模和強(qiáng)度變化大,持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),水下穩(wěn)定坡角較緩。

2.3 風(fēng)浪作用

風(fēng)浪作用是水庫(kù)黃土塌岸發(fā)生發(fā)展,特別是淺灘形成的主要外力。激浪對(duì)庫(kù)岸坡角的沖刷、磨蝕和坍塌物的搬運(yùn)影響大小取決于浪高和沖刷深度。強(qiáng)度越大,塌岸寬度也越大,這是由于水庫(kù)塌岸所形成的淺灘坡角隨浪高而改變,浪越高,坡角越小,塌岸寬度也越大。

2.4 其它因素

塌岸的其它影響因素還有地形地貌、地震和冰凍作用。一般來(lái)說(shuō),地形地貌特征是塌岸發(fā)生發(fā)展的重要控制因素之一,不同類型的地形、地貌單元其塌岸問(wèn)題的嚴(yán)重程度、規(guī)模和大小有很大的差別。彎曲的庫(kù)岸較平直的易產(chǎn)生塌岸,凸形坡較凹形坡塌岸嚴(yán)重;庫(kù)岸越高陡,塌岸越嚴(yán)重,高岸緩坡塌岸量小,坍塌以岸腰部分為主,低岸陡坡的塌岸速度快,塌岸量小,常表現(xiàn)為崩塌;低緩岸坡常以水下塌岸為主。也就是說(shuō),塌岸規(guī)模與岸坡高度和坡腳成正比。庫(kù)岸的切割程度往往是塌岸的形成及發(fā)展范圍的制約條件,一般地形破碎、支溝發(fā)育的庫(kù)岸坍塌顯著,而地形平整、階面較寬、支溝不發(fā)育的庫(kù)岸則次之。地震會(huì)造成岸坡土體結(jié)構(gòu)破壞和水庫(kù)涌浪,將會(huì)增加塌岸的速度和嚴(yán)重程度。庫(kù)岸邊坡在凍融作用下,土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,從而增加塌岸的寬度[7]。

3 塌岸分析預(yù)測(cè)

3.1 塌岸預(yù)測(cè)方法

水庫(kù)塌岸預(yù)測(cè)的目的是對(duì)庫(kù)水位運(yùn)行后的最終塌岸寬度、規(guī)模進(jìn)行預(yù)測(cè),評(píng)價(jià)塌岸對(duì)水庫(kù)正常運(yùn)行和周邊環(huán)境的影響,并提出防治措施。根據(jù)水庫(kù)運(yùn)行特點(diǎn)和庫(kù)岸結(jié)構(gòu)類型,選取長(zhǎng)期預(yù)測(cè)的E.F.卡丘金公式法(見(jiàn)圖2)和圖解法(見(jiàn)圖3)進(jìn)行岸坡塌岸的初步預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)[8];根據(jù)兩種方法對(duì)庫(kù)岸結(jié)構(gòu)的適宜性,并結(jié)合工程類比,最終確定塌岸的寬度。

(1) 公式法。《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)》、《水力發(fā)電工程地質(zhì)手冊(cè)》等均有提及。前蘇聯(lián)學(xué)者卡丘金于1949年提出該法。卡丘金法適用于由松軟沉積層(如黃土、砂土、砂質(zhì)粘土等)組成的庫(kù)岸,卡丘金法適合于水庫(kù)塌岸的長(zhǎng)期預(yù)測(cè),不適合于分期蓄水而需要進(jìn)行分期塌岸預(yù)測(cè)的情形。

卡丘金法長(zhǎng)期塌岸預(yù)測(cè)示意圖如圖2所示。卡丘金法長(zhǎng)期塌岸預(yù)測(cè)計(jì)算公式如下:

St=N[(A+hP+hB)cotα+(H-hB)cotβ

-(A+hP)cotγ]

(1)

式中:St為最終塌岸寬度(m);A為庫(kù)水位變幅(m),設(shè)

圖2 卡丘金法長(zhǎng)期塌岸預(yù)測(cè)示意圖Fig.2 Sketch map of long-term bank collapse prediction by Kachukin method

計(jì)低水位與高水位之差(一般取死水位與正常蓄水位之差);N為與土的顆粒大小有關(guān)的系數(shù),粘土取N=1.0,壤土取N=0.8,黃土取N=0.6,砂土取N=0.5,砂卵石取N=0.4;H為正常蓄水位以上岸坡高度(m);α為水位變動(dòng)帶淺灘穩(wěn)定坡角(°),依據(jù)圖3取值;β為岸坡水上穩(wěn)定坡角(°),一般依據(jù)工程區(qū)實(shí)測(cè)結(jié)果取值;γ為原始岸坡坡度(°);hP為波浪沖刷深度(m),見(jiàn)式2。

圖3 不同波浪高度時(shí)各類土的淺灘穩(wěn)定坡角Fig.3 Stabilized slope angles of shoals of various soils at different wave heights

hP=0.64×arsh(8.1×h)

(2)

hB為波浪爬高(m),見(jiàn)式(3);

hB=3.2×K×h×tanα

(3)

式中：K為被沖蝕的岸坡表面糙度有關(guān)的系數(shù);一般砂質(zhì)岸坡K=0.55～0.75;礫石質(zhì)岸坡K=0.85～0.9;混凝土K=1;拋石K=0.775;

h為浪高(m),按安德列楊諾夫公式計(jì)算,見(jiàn)式(4)。

h=0.0208×W4/5×L1/3

(4)

式中：W為風(fēng)速(m/s);L為吹程(km)。

(2) 圖解法。卡丘金法適用于由松軟沉積層(如黃土、砂土、砂質(zhì)粘土等)組成的庫(kù)岸,庫(kù)岸為基巖—黃土結(jié)構(gòu)時(shí),基巖面隨地形抬升起伏坡度,比卡丘金法水下穩(wěn)定坡度大的情況下,在岸坡山體內(nèi)最高水位線與基巖面相交。此類情況,卡丘金法已不適用,采用圖解法分析預(yù)測(cè)塌岸寬度更為合理。示意圖如圖4所示。

圖4 水庫(kù)塌岸圖解法計(jì)算剖面圖Fig.4 Graphic method for calculating section map of reservoir bank collapse

3.2 參數(shù)選取

(1) 波浪參數(shù)。 水庫(kù)區(qū)屬溫帶大陸性氣候,夏季多為東北風(fēng),其余季節(jié)則多為西北風(fēng),年平均風(fēng)速1.6 m/s,春夏季風(fēng)速最大,最大風(fēng)速可達(dá)24.5 m/s;歷年最大風(fēng)速平均值18 m/s。浪高和波長(zhǎng)可按下式計(jì)算(適用于山區(qū)峽谷水庫(kù)):

式中:2hL為浪高(m);2LL為波長(zhǎng)(m);νf為計(jì)算風(fēng)速(m/s),取歷年最大風(fēng)速平均值18 m/s;Df為計(jì)算吹程(m),即由沿岸坡至對(duì)岸水面的最大直線距離,當(dāng)這一距離大于水庫(kù)寬度5倍時(shí),取計(jì)算吹程為水庫(kù)寬的5倍。據(jù)此計(jì)算,水庫(kù)區(qū)不同塌岸段的浪高、波浪爬高、波浪影響深度。

(2) 水下淺灘穩(wěn)定坡角α。水下淺灘坡角(α)的大小不僅與巖性有關(guān),還與浪高有關(guān)。

庫(kù)區(qū)河流階地堆積物主要為Q3黃土,巖性以壤土為主,夾有粉細(xì)砂、粘土夾層,綜合考慮地層特征,據(jù)E.F.卡丘金提出的不同種類濱海淺灘水下穩(wěn)定坡角關(guān)系曲線圖查得,見(jiàn)圖3。由于浪高為0.09～0.17,α取7°。

(3) 水上穩(wěn)定坡角(β)。水庫(kù)區(qū)岸坡下部基巖穩(wěn)定性較好,上部黃土地層自然坡度較陡,陡坡坡度可達(dá)80°以上。據(jù)官?gòu)d水庫(kù)實(shí)測(cè)資料,粉土β為50°～70°,粉質(zhì)粘土β為50°,半膠結(jié)狀砂礫石β為60°～80°。據(jù)三門(mén)峽水庫(kù)實(shí)測(cè)資料,粉土β為35°～80°,粉質(zhì)粘土β為38°～60°,半膠結(jié)砂礫石層β為60°～70°。據(jù)小浪底水庫(kù)資料,黃土類粉土和粉質(zhì)粘土β為50°～60°。綜合考慮庫(kù)區(qū)地層特征,參考上述工程水庫(kù)塌岸資料,上部黃土β取60°～65°。

3.3 塌岸分析計(jì)算

根據(jù)上述黃土塌岸計(jì)算方法及參數(shù)選取標(biāo)準(zhǔn),對(duì)庫(kù)區(qū)規(guī)模較大、影響到村鎮(zhèn)居民點(diǎn)和耕地、荒地的主要塌岸地段進(jìn)行分析計(jì)算,結(jié)果見(jiàn)表1。上述分析計(jì)算主要針對(duì)選定的剖面進(jìn)行,由于每個(gè)剖面不能完全代表該塌岸點(diǎn)的全部類型,基巖面形態(tài)、土層厚度及坡度變化較大,這些都給塌岸的預(yù)測(cè)帶來(lái)困難,因而計(jì)算的結(jié)果必然存在一定的誤差。

表1 水庫(kù)區(qū)主要塌岸庫(kù)段分析預(yù)測(cè)表Table 1 Analysis and prediction table of main bank collapse reservoir section in reservoir area

4 結(jié)論

××水庫(kù)庫(kù)區(qū)黃土塌岸大多位于喬岔溝左右岸,其中喬岔溝左岸基巖出露較高,上覆黃土等堆積物岸坡坡度≤15°,受庫(kù)水位影響堆積物厚度≤20 m,為輕微塌岸,但受庫(kù)水位影響的上覆黃土等堆積物范圍較小,規(guī)模和影響較小;喬岔溝右岸基巖出露高程低,上覆黃土等堆積物分布范圍較廣,受庫(kù)水位影響堆積厚度>25 m,平均塌岸寬度在120 m上下波動(dòng),局部為嚴(yán)重塌岸地段;崖磘溝僅近壩段左岸支溝內(nèi)基覆界線高程和黃土覆蓋層厚度較厚,塌岸寬度在85～120 m,塌岸規(guī)模為中等—嚴(yán)重塌岸;崖磘溝支溝僅小范圍塌岸分布,規(guī)模和影響較小。

采用卡丘金公式法對(duì)××水庫(kù)的大部分黃土岸坡進(jìn)行長(zhǎng)期塌岸預(yù)測(cè)是合適的。但卡丘金公式法也存在一定的局限性,如庫(kù)岸為基巖—黃土結(jié)構(gòu)時(shí),基巖面隨地形抬升起伏坡度,比卡丘金法水下穩(wěn)定坡度大的情況下,卡丘金公式法已不適用,應(yīng)要結(jié)合實(shí)際的地形地質(zhì)條件,采用圖解法分析預(yù)測(cè)塌岸寬度更為合理。圖解法與卡丘金公式法相結(jié)合,基本能滿足對(duì)陜北地區(qū)不同地質(zhì)條件水庫(kù)岸坡的塌岸預(yù)測(cè),但同時(shí)也存在一定不足之處,如沒(méi)有考慮庫(kù)水動(dòng)力作用下,庫(kù)岸橫向展寬與沖刷下切作用對(duì)塌岸預(yù)測(cè)的影響等問(wèn)題[9]。