水庫庫岸穩定與塌岸預測研究

石永磊

(新疆水利水電項目管理有限公司，烏魯木齊 830000)

1 庫區概況

庫區位于薩爾布拉克河中游段黃土丘陵區，兩岸山體海拔高度>100m，河道較為順直，河谷寬闊，大約150-300m。河床寬20-60m，深度大約0.5-1.2m。兩岸山坡為第四系堆積物，頂部為風積黃土厚度大約 20-50m，其中左岸礫巖出露較為明顯，膠結程度也較為發育，長度約1-3km。河床兩岸沖溝發育，且延伸較長。戰備溝位于薩爾布拉克河右岸，壩址上游約170m，延伸長度> 10km。溝口段平面展布為喇叭形，溝谷寬闊，呈“U”型，谷寬一般800-1400m，縱坡降 3-8%，在溝口中部有一凸出山梁，將戰備溝一分為二(上游分溝、下游分溝)，該山梁順溝長約1400m，垂直溝寬約300-700m，高出溝床約 40-60m，組成物質為坡洪積、風積黃土，在下游分溝入河口處坡腳見有第四系中更新統含漂石砂卵礫石出露，出露高度 2-6m。

2 庫岸邊坡穩定性分析

庫區兩岸多為第四系風積黃土夾卵礫石，天然土質邊坡穩定性較差，因此庫岸邊坡的穩定性問題成為主要的工程地質問題。當水庫建成之后，邊坡會受到各種不利因素影響，如水庫蓄水，各種強降雨，人類活動以及地震作用，接著出現失穩滑塌，嚴重可能危及人類的正常生活。考慮到已有資料有限的情況，目前只考慮水庫正常蓄水的因素，利用Geo-slope軟件，針對庫區兩岸的土質邊坡進行庫岸的邊坡穩定性分析[1]。

通過現場的勘察以及對庫區兩岸岸坡進行實地的地質剖面測繪，并結合鉆孔資料繪制出地質剖面圖。由于該地區地層變化不大，因此選取一個代表性剖面作為庫區典型地質剖面，來考慮整個庫區的邊坡穩定性情況。圖2為庫區典型地質剖面圖。

圖1 庫區位置概況圖

圖2 庫區典型地質剖面圖

從典型地質剖面圖可以看出，地層從上到下分別為第四系上更新統黃土狀粉質壤土，中更新統含漂石砂卵礫石，底部為下更新統礫巖，坡腳為第四系沖洪積含漂石砂卵礫石層。結合現場取樣觀測以及室內物理力學實驗結果，得出庫岸邊坡的物理力學參數，大致見表1。

表1 庫岸邊坡的物理力學參數

根據上述的物理力學參數并結合現場的實際情況，利用有限元數值分析方法對該典型邊坡進行穩定性分析計算。本次數值模擬計算采用Geostudio中的slope模塊[2]。天然狀態和蓄水狀態下的可能滑動面以及最小安全系數如圖3-4所示。

圖3 天然狀態下邊坡最小安全系數

由軟件模擬計算結果可以看出來，典型邊坡在天然狀態下最小安全系數為1.042，在忽略極端天氣條件的影響下基本處于一個天然穩定的狀態，這與現場所觀察到的情況也基本類似：第四系黃土狀粉質壤土(簡稱黃土)在不受到洪水暴雨的沖刷作用下基本處于穩定狀態，具有良好的抗剪強度，壓縮性較好。

在水庫正常蓄水過程中，水流會對岸坡坡腳巖土體緩慢浸泡、軟化，首先坡腳處就會發生滑移，然后牽引上部巖土體向庫內滑移發生庫岸一次塌岸。當水庫正常開始運轉工作時，由于水庫蓄水的過程中，會受到浪擊作用以及水位的不斷變化。在這種情況下，庫岸土質邊坡會出現干濕交替現象。當水流不斷作用與穩定性較差的部位，土體就會軟化瓦解，從而出現自上而下的二次坍塌。短期內岸坡土體變形快，邊岸再造作用強烈，就會發生大量的塌岸。所以必須預測塌岸的范圍以及對可能存在嚴重塌岸的庫段進行必要的治理，同時對近壩坡面進行必要的砌石護坡，防止表面沖刷。圖4 計算結果可以看出，蓄水狀態下邊坡的最小安全系數為0.851，陰影部分為可能發生滑坡的滑坡體。

圖4 蓄水狀態下邊坡最小安全系數

3 庫岸坍塌預測

水庫正常蓄水會引發一些其他工程地質問題，水庫塌岸是其中一種。水庫塌岸是指在水庫正常蓄水后，由于水位的不斷變化，如抬升消落等，長時間造成兩岸邊坡不同程度的破壞。并且岸坡長期處于流水的浸泡沖刷作用下，抗滑強度大大降低，從而導致庫岸失穩，坍塌現象。如果塌岸問題不處理，時間越來越長，庫岸坍塌不斷破壞，坍塌方量也在不斷增加，會出現水庫淤積嚴重會出現潰壩。因此研究庫岸坍塌，預測坍塌量大小是十分有必要的。

3.1 庫岸坍塌預測的方法

水庫坍塌會受到各種因素制約，如地層巖性，地形地貌等等，并且同一區域內不同位置的坍塌也不盡相同。因此很難總結出一套考慮到所有因素且科學合理的計算公式[3]。現階段只能基于一些前人的科學理論，通過一些理想條件下，建立基本接近實際條件的計算方法，從而達到庫岸坍塌預測的目的。

常用塌岸預測方法有塌岸預測類比法、塌岸預測動力法 、卡丘金法、佐洛塔廖夫圖解法、平衡剖面法等。

1)預測類比法：通過與相似邊坡的進行對比，從而進行預測的方法。

2)塌岸預測動力法：根據巖土體的抗沖刷強度的關系，從而求得出坍塌體力與動能的平衡方程：

Q=E·kp·tb

(1)

式中：Q為滑移面坍塌體的體積，m3/m；E為單位時間內流水的沖刷強度，t·m；kp為巖土體的抗沖刷系數，m3/t；t為水庫運營年限；b為經驗常數，根據不同工程大小取值不同。

塌岸預測動力法是根據數學物理角度來考慮的，具有一定合理性，但是在實際工程上很難運用上。另外于要通過一定量的觀測來能預測出來，實用性較差。

3)塌岸預測統計法：該方法類似塌岸預測類比法，也就是利用相似工程上的監測數據，通過大量的數據進行對比分析，從而給出最終的預測范圍值。該方法針只能適用于一般精確性不高的項目上，對于特定工程并不能作為參考依據。

4)塌岸預測經驗法：目前，主要的預測方法包括：卡丘金法、佐洛塔廖夫法、平衡剖面法三種。

方法原理如圖5所示：

圖5 佐洛塔廖夫法預測坍塌方法圖

具體預測步驟如下：

1)繪制預測地點的地形、地質剖面。

2)確定出水位正常蓄水時的高水位與低水位線。

3)通過正常高水位處往上，根據浪高確定爬升高度線。

4)從水庫最低水位線處往下，根據影響深度確定影響深度線。

5)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達到預定值。

6)在a點位置處，利用淺灘堆積物的穩定坡角畫出延伸至和岸坡相交，穩定坡角為β1。

7)在b點位置處，畫出沖蝕淺灘延長線，和水位線相交，相交點為c。根據不同巖性從而確定其穩定坡度取β3。

8)在c點位置處，畫出沖蝕上升帶延長線，和浪擊高度水位線相交，相交點為d。根據不同巖性從而確定其穩定坡度取 β4。

9)連接d，e兩點即確定出岸坡的剖面線，根據天然坡腳確定出β5。

不斷檢查堆積系數是否與之前的預定值是否相同。如果相同的話就不斷改變a點，再重復上述步驟，直到合適為止。

另外當遇到一些抗滑強度不高的巖質邊坡，或者使一些松散堆積物，一般堆積率為零。并且點a應該位于初始岸坡位置處。

3.2 庫區坍塌預測

上述所介紹的幾種方法適用不同地區不同坍塌的預測，由于參數的選擇不同， 其最終結果也是不盡相同。根據當地的工程經驗以及已有的參數最終選擇平 行斷面法(卡丘金法)進行斷面預測。

水庫岸坡塌岸寬度預測計算公式：

St=N[(A+hp+hb)cotα+(H-hb)cotβ-(A+hp)cotγ]

(2)

式中：St為最終塌岸寬度，m；A為水位漲落幅度，m；N為與土顆粒有關的系數，取0.4；hp為波浪沖刷深度，取1.0；hb為浪擊高度，m，取 0.8；H為正常蓄水位以上岸高，m；α為水下淺灘穩定坡角，°；β為預測岸坡水上穩定坡，°；γ為原始岸坡坡角，°。

其中第四系上更新統風積黃土水上穩定坡角β 取34°，水下穩定坡角α 取16°；

中更新統冰水堆積物水上坡角β取35°，水下穩定坡角α取26°；下更新統冰水堆積物水上穩定坡角β取63°，水下穩定坡腳α取53°。參數的選取是結合《水利水電工程地質手冊》以及當地積累的工程經驗。通過庫岸邊坡穩定性分析出整個庫區可能發生崩塌的邊坡，最終確定出27條邊坡，再針對每一條邊坡進行水庫岸坡塌岸寬度預測，然后繪制庫區內上游典型塌岸位置橫剖面，量畫出各剖面發生塌滑的面積。圖6和圖7為部分庫區塌岸預測圖。

圖6 部分庫區塌岸預測圖(剖面 7-7’)

圖7 部分庫區塌岸預測圖(13-13’)

3.3 庫區坍塌預測結果分析

根據之前的邊坡穩定性分析所確定出來可能發生坍塌的27條剖面，針對每一條剖面進行計算確定出坍塌范圍，計算出的結果見表2。

表2 部分下壩址庫區坍岸剖面狀況一覽表

經計算預測滑坡寬度得出預測庫區塌岸總量約807.6萬m3，其中水上體積為598.6萬m3，水下體積209.0萬m3。由計算結果可以看出滑坡寬度范圍為4.5m-184.6m，總體塌方量水上部分要大于水下部分，坍塌總量較大。塌岸方式主要有剝蝕、坍塌、崩塌和局部近壩庫岸較大面積的滑移。由于當地地層多為第四系風積黃土，在天然狀態下具有較高的穩定性，但在水庫蓄水之后，黃土的強度降低，庫岸不穩定，需要在蓄水之前對上述塌岸寬度較大的地段進行削坡或者加固處理，對高陡的近壩庫岸進行削坡，放緩岸坡，同時對坡面進行砌石護坡， 防止表面沖刷。

4 結 論

主要是選取庫區典型剖面，根據地質剖面資料以及現場試驗資料，對典型邊坡進行庫岸穩定性分析。利用有限元軟件Geo-slope 求解出該庫區典型邊坡在天然狀態下與蓄水狀態下最小安全系數為1.042和0.851。

當水庫正常蓄水，岸坡長期處于流水浸泡沖刷，抗滑強度大大降低，從而導致庫岸失穩，出現坍塌現象。接著通過平行斷面法的經驗公式預測出庫區坍塌的位置，再求得出預測滑坡寬度得出預測庫區塌岸總量約807.6萬m3，其中水上體積為598.6萬m3，水下體積209.0萬m3。