某水庫(kù)庫(kù)岸穩(wěn)定性預(yù)測(cè)

王仁槐 寇學(xué)文

摘? 要：庫(kù)岸穩(wěn)定對(duì)水庫(kù)蓄水后的安全和長(zhǎng)期運(yùn)行有重要影響，將常見(jiàn)庫(kù)岸類(lèi)型劃分為基巖庫(kù)岸、土質(zhì)庫(kù)岸、巖土混合庫(kù)岸，探討圖解法和卡丘金法計(jì)算水庫(kù)塌岸的結(jié)果差異，利用圖解法對(duì)某水庫(kù)塌岸進(jìn)行預(yù)測(cè)。結(jié)果顯示，隨著距壩距離的增加，塌岸寬度先增加后減少，擬合曲線(xiàn)大致呈拋物線(xiàn)型，同時(shí)塌岸寬度大于100 m的嚴(yán)重塌岸貢獻(xiàn)塌岸總方量的89%。該文的數(shù)據(jù)分析方法及研究成果對(duì)類(lèi)似工程勘察設(shè)計(jì)、施工具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：庫(kù)岸；穩(wěn)定性預(yù)測(cè)；水利工程；工程勘察；圖解法

中圖分類(lèi)號(hào)：TV522? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）19-0082-04

Abstract： The stability of the reservoir bank has an important influence on the safety and long-term operation of the reservoir after impoundment. The common reservoir bank types are divided into bedrock reservoir bank， soil reservoir bank and geotechnical mixed reservoir bank. The difference between the results of the graphic method and the Kaqiujin method for calculating reservoir bank collapse is discussed. The graphic method is used to predict the bank collapse of a reservoir. The results show that with the increase of the distance from the dam， the width of bank collapse increases at first and then decreases， and the fitting curve is roughly parabolic， and the serious bank collapse whose width is more than 100 m contributes 89% of the total amount of bank collapse. The data analysis method and research results of this paper can be used for reference to the survey， design and construction of similar projects.

Keywords： reservoir bank; stability prediction; hydraulic engineering; engineering survey; graphic method

庫(kù)岸崩塌通常發(fā)生在庫(kù)水位劇烈變化時(shí)，當(dāng)庫(kù)水位迅速上升時(shí)，周?chē)牡叵滤灰搽S之上升，使地下水和庫(kù)水共同作用于巖體和庫(kù)岸，對(duì)巖體和庫(kù)岸產(chǎn)生物理和力學(xué)作用[1]，表現(xiàn)為巖體強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度降低，再加上波浪的淘刷，容易發(fā)生崩塌，使庫(kù)岸由單一坡度變?yōu)樯习枷峦沟膹?fù)坡體[2]；庫(kù)水位下降威脅邊坡穩(wěn)定的機(jī)理主要體現(xiàn)在孔隙水壓激增，水位下降后帶來(lái)的水頭差引發(fā)了滲流拖拽效應(yīng)，甚至可能導(dǎo)致滲透破壞，在剪出口形成一個(gè)應(yīng)力集中區(qū)域，該應(yīng)力集中區(qū)域會(huì)向坡體內(nèi)部和上部擴(kuò)張，最終誘發(fā)邊坡整體失穩(wěn)[3]。降雨是誘發(fā)庫(kù)岸崩塌的重要因素之一，降雨的入滲，一方面增加了不穩(wěn)定巖體的重量，從而增加了巖體的下滑力；另一方面對(duì)軟弱巖層產(chǎn)生較強(qiáng)的軟化作用，加劇了崩塌的形成[4]。

庫(kù)岸穩(wěn)定性是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，庫(kù)岸崩塌的產(chǎn)生既有確定性也有不確定性。巖體參數(shù)內(nèi)摩擦角φ、黏聚力c、重度γ對(duì)崩塌是否發(fā)生具有決定性意義[5]，但影響庫(kù)岸穩(wěn)定性的因素多而復(fù)雜，且各因素的影響程度也不相同，其相互間又存在著一定的牽連，各種因素的影響很難做出經(jīng)典數(shù)學(xué)模型加以統(tǒng)一量度[6]。隨著數(shù)學(xué)理論的發(fā)展，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、模糊綜合評(píng)判方法、灰色理論、模糊理論、層次分析法和信息量法等開(kāi)始用于庫(kù)岸穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，這些評(píng)價(jià)方法取得了重要的進(jìn)展，但仍然存在一定的局限[7]，實(shí)際工程中使用較少。

目前，庫(kù)岸塌岸預(yù)測(cè)方法有以佐洛塔廖夫?yàn)榇淼臈l件類(lèi)比圖解法、以康德拉捷夫?yàn)榇淼臄?shù)學(xué)分析法、平衡剖面法、動(dòng)力法、徐瑞春的塌岸預(yù)測(cè)圖解的若干修正和超前信息法等[8]。其中，卡丘金圖解法的實(shí)質(zhì)是依據(jù)實(shí)測(cè)的洪枯水位變幅帶各類(lèi)巖性岸坡長(zhǎng)期穩(wěn)定坡角，根據(jù)幾何關(guān)系用圖解法求解岸坡最終塌岸預(yù)測(cè)寬度，其精度取決于計(jì)算參數(shù)的選定。該方法在山區(qū)河道型水庫(kù)的塌岸預(yù)測(cè)中，適用于水庫(kù)的中游和上游地帶，而預(yù)測(cè)水庫(kù)下游的結(jié)果往往與實(shí)際相差甚遠(yuǎn)，實(shí)際塌岸寬度要比預(yù)測(cè)的小得多，卡丘金圖解法的預(yù)測(cè)結(jié)果偏于安全[8]，因此，在實(shí)際工程中應(yīng)用最為廣泛。

某水庫(kù)庫(kù)區(qū)山高谷深，溝壑縱橫，庫(kù)區(qū)人煙稀少、偶有耕地。基巖地層巖性為砂巖、泥巖、粉砂巖。河谷多呈寬“U”字型，庫(kù)岸出露地層巖性主要為三疊系上統(tǒng)胡家村組（T3h）、更新統(tǒng)風(fēng)積黃土（Q3eol）、殘坡積（Q4dl+el）和崩坡積層（Q4dl+col）。本文利用卡丘金圖解法對(duì)水庫(kù)運(yùn)行后的塌岸長(zhǎng)度進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，根據(jù)塌岸長(zhǎng)度分析預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行塌岸嚴(yán)重程度分級(jí)，最后，依據(jù)庫(kù)區(qū)地形地貌、地質(zhì)特征、地質(zhì)構(gòu)造等開(kāi)展庫(kù)岸穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

1? 庫(kù)岸類(lèi)型分布

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，將庫(kù)岸分為基巖庫(kù)岸、土質(zhì)庫(kù)岸、巖土混合庫(kù)岸，其中巖土混合庫(kù)岸又可根據(jù)基巖坡度分為A、B 2個(gè)亞類(lèi)，水庫(kù)蓄水后，A類(lèi)向B類(lèi)發(fā)展。圖1為庫(kù)區(qū)岸坡結(jié)構(gòu)類(lèi)型示意圖。

基巖庫(kù)岸基巖面高程高于正常蓄水位，基巖巖性為三疊系上統(tǒng)胡家村組（T3h）的砂巖、粉砂巖泥巖地層，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，地層產(chǎn)狀近于水平。砂巖、粉砂巖夾泥巖地段岸坡較陡，約50°，局部近直立，形成高陡巖壁，天然岸坡穩(wěn)定性較好，臨溝未見(jiàn)大的滑坡和崩塌體。

黃土庫(kù)岸廣泛分布上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土（Q3eol），岸坡表層主要由黃土類(lèi)土組成，上部岸坡較緩，坡度一般在10～30°，下部為三疊系的砂巖、粉砂巖夾泥巖地層。

巖土混合庫(kù)岸A基巖出露高程低于正常蓄水位，基巖巖性為砂巖、粉砂巖、泥巖，地層產(chǎn)狀近于水平。砂巖、粉砂巖夾泥巖地段岸坡較陡，約50°，局部近直立，形成高陡巖壁，岸坡穩(wěn)定性較好。上覆更新統(tǒng)風(fēng)積黃土（Q3eol），受庫(kù)水位影響，存在塌岸問(wèn)題。

巖土混合庫(kù)岸B岸坡下部基巖巖性以砂巖、粉砂巖夾泥巖為主，地層產(chǎn)狀近于水平。岸坡坡度在15～25°，岸坡坡腳附近為河流堆積物和黃土坡積物（主要是Q4dl+el和Q4dl+col），低于正常蓄水位而被淹沒(méi)。由于基巖出露高程低于正常蓄水位，上覆更新統(tǒng)風(fēng)積黃土（Q3eol），受庫(kù)水位影響，存在塌岸問(wèn)題。

庫(kù)區(qū)岸坡結(jié)構(gòu)類(lèi)型分布如圖2所示。庫(kù)區(qū)庫(kù)岸主要以基巖為主，占比接近70%，其余3類(lèi)合計(jì)占比約30%，現(xiàn)狀條件下，庫(kù)岸總體保持穩(wěn)定。

2? 塌岸主要影響因素

2.1? 地層巖性

地層巖性是影響塌岸是否發(fā)生的最主要因素。由碎石土、砂礫石組成的庫(kù)岸及基巖庫(kù)岸抗沖刷能力強(qiáng)，塌岸發(fā)育緩慢。由黃土、砂土等組成的庫(kù)岸抗沖刷能力弱，一般隨著蓄水初期庫(kù)水位迅速上升，侵蝕、搬運(yùn)、堆積劇烈，直至庫(kù)岸穩(wěn)定。本水庫(kù)易產(chǎn)生塌岸的是巖土混合庫(kù)岸A，其下部基巖具備一定抗沖刷能力，上部土質(zhì)容易發(fā)生塌岸，向巖土混合庫(kù)岸B發(fā)展。

2.2? 水庫(kù)運(yùn)行方式

一般情況下，多年調(diào)節(jié)水庫(kù)水位變化較慢，對(duì)庫(kù)岸影響較小。年內(nèi)調(diào)節(jié)水庫(kù)水位高低頻繁波動(dòng)，塌岸反復(fù)進(jìn)行，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，水下坡角逐步減少至穩(wěn)定坡腳，根據(jù)月潭水庫(kù)[9]及新疆某水庫(kù)[10]的經(jīng)驗(yàn)，該值通常小于20°。本水庫(kù)的主要功能為調(diào)蓄，對(duì)庫(kù)岸的影響可視為年內(nèi)調(diào)節(jié)水庫(kù)。

2.3? 波浪

波浪對(duì)塌岸的影響主要表現(xiàn)為波浪對(duì)庫(kù)岸的淘蝕和對(duì)塌落物質(zhì)進(jìn)行搬運(yùn)[11]。波浪的高度與風(fēng)速、風(fēng)在自由水面的吹程及水深等因素有關(guān)[12]。波浪越高，對(duì)岸坡的破壞力就越強(qiáng)。

2.4? 其他因素

影響塌岸發(fā)育的其他因素還有凍融、降雨等。岸坡土體孔隙和裂隙中的水結(jié)冰后體積膨脹產(chǎn)生冰劈作用，并破壞了土體結(jié)構(gòu)，解凍后，土體強(qiáng)度降低，致使岸坡發(fā)生破壞。降雨會(huì)增加不穩(wěn)定土體的容重，同時(shí)降低土體黏聚力，導(dǎo)致庫(kù)岸穩(wěn)定系數(shù)迅速下降從而引起邊坡失穩(wěn)。

3? 塌岸預(yù)測(cè)

水庫(kù)塌岸預(yù)測(cè)的目的是對(duì)水庫(kù)運(yùn)行后的最終塌岸寬度進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，評(píng)價(jià)塌岸對(duì)工程水庫(kù)運(yùn)行、對(duì)塌岸區(qū)和周邊環(huán)境的影響，并提出防治措施。目前常用的方法有圖解法和卡丘金法，盧欣[13]曾采用2種方法分別計(jì)算同一庫(kù)區(qū)24個(gè)剖面的塌岸寬度，按照?qǐng)D解法計(jì)算結(jié)果由小到大順序排列，結(jié)果如圖3所示，結(jié)果顯示當(dāng)利用圖解法計(jì)算塌岸寬度達(dá)到29 m以上時(shí)，卡丘金法與圖解法計(jì)算結(jié)果相對(duì)一致。

根據(jù)水庫(kù)運(yùn)行特點(diǎn)和庫(kù)岸結(jié)構(gòu)類(lèi)型，初步考慮利用圖解法進(jìn)行岸坡塌岸的初步預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)，預(yù)測(cè)參數(shù)的選取主要通過(guò)現(xiàn)狀調(diào)查，類(lèi)比同類(lèi)工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定。浪高計(jì)算采用官?gòu)d水庫(kù)公式[14]，水下穩(wěn)定坡角α、水上穩(wěn)定坡角β按表1取值。本工程土質(zhì)庫(kù)岸、巖土混合庫(kù)岸A、巖土混合庫(kù)岸B容易產(chǎn)生塌岸的主要為粉砂土，計(jì)算塌岸分布情況如圖4所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，庫(kù)區(qū)塌岸寬度大多在35～150 m之間，在該區(qū)間圖解法與卡丘金法計(jì)算結(jié)果相對(duì)一致。隨著距壩距離的增加，塌岸寬度先增加后減少，擬合曲線(xiàn)大致呈拋物線(xiàn)型，曲線(xiàn)方程為y=-13.391x2+43.842x+110.24，塌岸寬度最大處發(fā)生在距壩距離3.2 km左右。

發(fā)生塌岸的庫(kù)岸類(lèi)型主要是土質(zhì)庫(kù)岸和巖土混合庫(kù)岸A，計(jì)算14處庫(kù)岸中，土質(zhì)庫(kù)岸和巖土混合庫(kù)岸A各5處，其他4處為土質(zhì)庫(kù)岸與巖土混合庫(kù)岸A的“結(jié)合體”。巖石庫(kù)岸和巖土混合庫(kù)岸B相對(duì)穩(wěn)定，基本不發(fā)生或很少發(fā)生塌岸。巖土混合庫(kù)岸A發(fā)生塌岸，經(jīng)過(guò)侵蝕、搬運(yùn)、堆積發(fā)育為巖土混合庫(kù)岸B。土質(zhì)庫(kù)岸會(huì)通過(guò)塌岸，逐步發(fā)育為基巖庫(kù)岸及巖土混合庫(kù)岸。

根據(jù)塌岸寬度將塌岸分為輕微塌岸（0～40 m）、中等塌岸（40～100 m）、嚴(yán)重塌岸（大于100 m），各類(lèi)型塌岸占比為1∶3∶6，同時(shí)嚴(yán)重塌岸集中分布在距壩4.0 km以?xún)?nèi)。

土質(zhì)庫(kù)岸與巖土混合庫(kù)岸A的“結(jié)合體”產(chǎn)生塌岸方量占比約為40%，巖土混合庫(kù)岸A產(chǎn)生塌岸方量占比約50%，土質(zhì)庫(kù)岸產(chǎn)生塌岸方量?jī)H有10%。此外，嚴(yán)重塌岸（塌岸寬度大于100 m）貢獻(xiàn)塌岸總方量的89%。

4? 結(jié)論

本文介紹了水庫(kù)庫(kù)岸常見(jiàn)的4種類(lèi)型，并就某水庫(kù)的庫(kù)岸類(lèi)型分布進(jìn)行了研究，數(shù)據(jù)顯示該水庫(kù)的基巖庫(kù)岸占比超過(guò)70%，水庫(kù)庫(kù)岸整體穩(wěn)定；同時(shí)探討了圖解法和卡丘金法計(jì)算水庫(kù)塌岸的結(jié)果差異，認(rèn)為當(dāng)計(jì)算塌岸寬度達(dá)到29 m以上時(shí)，卡丘金法與圖解法計(jì)算結(jié)果相對(duì)一致，本庫(kù)區(qū)塌岸寬度多為35～150 m之間；根據(jù)計(jì)算結(jié)果，嚴(yán)重塌岸（大于100 m）貢獻(xiàn)了絕大部分塌岸方量。本文的數(shù)據(jù)分析方法及研究成果可為類(lèi)似工程勘察設(shè)計(jì)、施工提供參考，具有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 崔中興，柴軍瑞，仵彥卿.西北地區(qū)水庫(kù)黃土庫(kù)岸穩(wěn)定分析[J].水土保持通報(bào)，2004（1）：26-28.

[2] 程昌華，陳學(xué)兵.波浪對(duì)庫(kù)岸坍塌變形的試驗(yàn)研究[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，1994（S1）：54-59.

[3] 樊任華，程建設(shè)，樊義永.庫(kù)水位驟降作用下庫(kù)岸滑坡形成機(jī)理研究[J].水利建設(shè)與管理，2018，38（5）：59-63.

[4] 王志旺，楊健，張保軍，等.水庫(kù)庫(kù)岸滑坡穩(wěn)定性研究[J].巖土力學(xué)，2004（11）：1837-1840.

[5] 李強(qiáng)，管昌生.庫(kù)岸滑坡穩(wěn)定可靠性分析中若干規(guī)律的探討[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002（7）：999-1002.

[6] 羅軼，任光明，王志紅，等.某水庫(kù)庫(kù)岸穩(wěn)定性的模糊綜合評(píng)判[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2011，28（6）：67-70.

[7] 李鵬岳，倪化勇，王春山，等.基于改進(jìn)層次分析-可拓學(xué)模型的庫(kù)岸穩(wěn)定評(píng)價(jià)[J].人民長(zhǎng)江，2018，49（5）：52-57.

[8] 張梁，王俊杰，閻宗嶺.山區(qū)庫(kù)岸塌岸預(yù)測(cè)方法綜述[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，29（2）：227-232.

[9] 吳炳富.月潭水庫(kù)庫(kù)岸穩(wěn)定問(wèn)題研究[J].治淮，2020（6）：38-41.

[10] 石永磊.水庫(kù)庫(kù)岸穩(wěn)定與塌岸預(yù)測(cè)研究[J].黑龍江水利科技，2020，48（11）：43-46，56.

[11] 宋岳，段世委，陳書(shū)文.官?gòu)d水庫(kù)塌岸影響因素分析[J].水利水電工程設(shè)計(jì)，2004（1）：34-37.

[12] 碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范：SL 274—2020[S].2020.

[13] 盧欣.圖解法和卡丘金法庫(kù)岸塌岸分析對(duì)比研究[J].江西水利科技，2017，43（2）：84-87.

[14] 吳亮，譚健敏，姜志水.水工設(shè)計(jì)中波高的計(jì)算方法探討[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（11）：213.