王 哲

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司 道路交通設計研究院，湖北 武漢 430063）

0 引言

西部山區(qū)深切峽谷內(nèi)水利資源豐富，近10年來，水電站開發(fā)建設速度加快，庫區(qū)新建或改建公路已成為地方路網(wǎng)建設的重要組成部分，建設規(guī)模和難度較以往有很大程度提高。相對于一般山區(qū)公路，庫區(qū)復建公路主要特點有：1、地形條件復雜。由于大壩建設選址的需要，庫區(qū)一般多位于深切峽谷內(nèi)，地形陡峻，施工難度大。2、道路線型的限制因素較多。擬建公路的設計高程受蓄水位的控制，為便于施工，路面設計高程與最高蓄水位高差一般為10～30m，線路縱坡的調(diào)整余地較小，平面參數(shù)取決于等高線走勢，平面線型依山就勢布置，以避免深切路塹、大規(guī)模傍山隧道的增加，諸多因素限制而缺少具有比較價值的路線走向方案。3、地質(zhì)條件復雜，地質(zhì)構(gòu)造運動期次繁多、尤其是重力地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育，崩塌、滑坡、泥石流頻繁。其中陡峻土質(zhì)岸坡的路基塌岸現(xiàn)象就是極具代表性的庫區(qū)道路工程地質(zhì)問題之一。這類陡峻土質(zhì)岸坡一般為坡積、崩塌等成因，由硬質(zhì)巖碎石、角礫等粗粒物質(zhì)堆積而成，其自然坡角往往接近于臨界穩(wěn)定坡度，坡面幾何形態(tài)平直，無明顯轉(zhuǎn)折點，對于這類土質(zhì)岸坡的塌岸問題，常規(guī)圖解法的預測結(jié)果往往與實際情況間存在較大誤差。

1 常規(guī)圖解法［1-3］

水庫塌岸的常見模式有沖蝕坍塌型和滑移型兩類。沖蝕坍塌型受作用于波浪和岸流：波浪產(chǎn)生巨大沖擊力撞擊岸坡，使其遭受破壞而后退，而岸流引起的水流帶動沉積物移動，使邊岸遭受掏蝕崩落，沖蝕坍塌型一般發(fā)生于天然狀況下處于穩(wěn)定狀態(tài)的土質(zhì)岸坡?；菩退妒侵柑烊粻顩r下處于臨界穩(wěn)定的庫岸在地下水和地表水動力作用下，沿某一相對軟弱層帶發(fā)生大規(guī)模的整體滑移破壞，這類塌岸的內(nèi)因在于其利于滑移的岸坡結(jié)構(gòu)，水流對坡體的軟化、水位變化時滲透力的作用誘發(fā)了整體滑移，多發(fā)生于已經(jīng)存在的古滑坡或處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)的土質(zhì)岸坡。兩類塌岸的成因和計算分析模式差別較大。本文中的理論方法和預測實例均只針對第一類塌岸，即沖蝕坍塌型。

圖1 “圖解法”預測塌岸Fig.1 Diagrammatizing embankment failure

適用于沖蝕坍塌型塌岸的常規(guī)圖解法如圖1。α為土層水下磨蝕角（°），β為天然狀況下考慮內(nèi)聚力的土層綜合內(nèi)摩擦角（°），θ為自然岸坡坡角（°），hp為波浪影響深度（m），hB為浪爬高度（m），hs為最高水位以上塌岸高度（m），A為水位變幅帶高度（m），S為最終塌岸寬度（m）。

由圖1可見，圖解法適用于前陡后緩的自然岸坡。若自然岸坡剖面形態(tài)順直，且坡度接近于天然休止角，預測塌岸寬度與現(xiàn)實情況相去甚遠，甚至出現(xiàn)圖解極難收斂的情況（圖2）。

2 考慮土體膠結(jié)的圖解法

根據(jù)類比調(diào)查，土質(zhì)岸坡塌岸的后緣均存在一定高度的垂直陡壁。由土力學理論可知，考慮內(nèi)聚力的豎直土坡的臨界高度：

式中：h0——豎直土坡臨界高度（m）；

c——土的內(nèi)聚力（kN）；

γ——土的重度（kN/m3）；

Ka——主動土壓力系數(shù)。

由于塌岸后緣臨界高度陡壁的客觀存在，在原始地面線與塌岸線的高差等于臨界土坡高度處，塌岸即終止，實際塌岸范圍較常規(guī)圖解法更小。如圖2～圖3，天然休止角越趨近于原始地面坡度，常規(guī)圖解法解得的塌岸寬度S1和考慮土體膠結(jié)的塌岸寬度S2差值越大。

圖2 常規(guī)圖解法：S1難收斂Fig.2 Ordinary diagramm atizing-No convergence for S1

根據(jù)圖4所示幾何關系：可求得考慮土體膠結(jié)的情況下，道路中線離塌岸邊緣的寬度S2，及中線處的塌岸深度h。

圖3 考慮土體膠結(jié)：S2＜＜S1Fig.3 Consolidation diagramm atizing-S2＜ ＜S1

此時，h取值分兩種情況，

當S2≥0時，

式中：a——中線處地面高程與最高運行水位的高差（m）；

其他符號意義同前。

3 庫區(qū)陡峻土質(zhì)岸坡塌岸預測實例

3.1 工程概況

西南山區(qū)某水電站庫區(qū)淹沒復建公路，在K23+500～K24+150段以路基通過。該路段為厚層坡洪堆積體，最大厚度約30～40m。該段堆積體分布于大渡河右岸約1563m高程以上，沿大渡河方向展布寬度約650m，順坡縱向長度約430～500m。堆積體自然坡度平均約為35°，坡面較為平整，坡度變化不大。鉆孔揭示，典型斷面處堆積體厚度約33m。由于水庫蓄水后將淹沒至路線設計高程以下約20m處，由抗沖刷能力較弱的土石構(gòu)成的岸坡在波浪掏蝕作用下，其穩(wěn)定性會受到影響，有可能產(chǎn)生漸進性的坍塌破壞，對公路安全運營造成威脅。

圖4 順直岸坡路基塌岸預測圖示Fig.4 Diagram of embankment failure in straight slope

3.2 塌岸預測

鉆孔揭示，堆積體的物質(zhì)組成以混合巖質(zhì)的碎石土為主，與礫石土形成粗、細相間的不等厚互層韻律，由于堆積年代久遠，碎石間存在一定程度膠結(jié)（圖5，圖6）。

圖5 工程地質(zhì)平面圖Fig.5 Geologic plan

根據(jù)調(diào)查，并類比近似地質(zhì)條件的庫岸，綜合確定各計算參數(shù)：垂直陡坎高度h0取10.0m，天然休止角β取39°，堆積體的水下磨蝕角α約比天然休止角小13°，取26°。沖刷深度hp取2.0m，浪爬高度hB取1.5m。

圖6 典型（Ⅱ －Ⅱ’）剖面圖Fig.6 Typic II－II’section

其中，浪爬高度計算如下：

式中：K——跟岸坡表面糙度有關的系數(shù)，礫石質(zhì)岸坡取0.85～0.90；

hB——浪爬高度（m）；

hw——浪高（m）；

W——風速（m/s）；

L——風的吹程（km）。

經(jīng)計算，在無治理措施的情況下，常規(guī)圖解法計算出的塌岸寬度約176.4m，考慮土體膠結(jié)的圖解法解算出塌岸趨于穩(wěn)定的邊界在道路中線內(nèi)側(cè)85.2m，比常規(guī)圖解法求解小91.2m，中線處的塌岸深度18.2m，根據(jù)對現(xiàn)場的調(diào)查，改進的圖解法更為符合塌岸的真實情況。

3.3 塌岸因素敏感性分析

塌岸的范圍主要決定于天然休止角、水下磨蝕角與水位變幅，分別對各因素的敏感性分析如下：

由表1可見，（1）不同磨蝕角組合的情況下，普通圖解法求解塌岸寬度為50～1090m，考慮土體膠結(jié)的圖解法求解的塌岸寬度均遠小于普通圖解法，更為貼合實際情況；（2）由于順直岸坡坡面無平緩臺階，中線離塌岸邊緣的寬度S2受天然休止角與水下磨蝕角的影響較大，塌岸寬度與自然坡度和天然休止角的差值呈冪指數(shù)關系增加。

天然休止角與距中線塌岸寬度、中線塌岸深度的相關曲線相關關系見圖7、8。

水下磨蝕角與距中線塌岸寬度、中線塌岸深度相關關系見圖9、10。

表1 不同 β-α 組合預測情況（θ =35°，β-α =13°）Table 1 Prediction of differentβ-α group（θ =35°，β-α =13°）

圖7 天然休止角－距中線塌岸寬度（α=26°）Fig.7 The relationship betweenβand S2

由圖7～圖10可見：距中線塌岸寬度S2與天然休止角和水下磨蝕角密切相關，當天然休止角與坡角接近（26°）時，天然休止角增加1°，可使塌岸寬度減小約172m，而天然休止角與自然坡角的差值越大，塌岸寬度受天然休止角的影響逐漸減??；塌岸寬度與水下磨蝕角呈近線性關系，水下磨蝕角每提高1°，塌岸寬度減小約30m，當水下磨蝕角為30°時，塌岸最終范圍將在路基外側(cè)；中線塌岸深度h受天然休止角的影響極小，本例中中線處于水下塌岸線范圍，所以天然休止角無論取何值，塌岸深度均保持不變；塌岸深度主要受水下磨蝕角控制，水下磨蝕角每提高1°，塌岸深度減小約2m。因此，加固措施中，提高水位變幅帶內(nèi)土體的內(nèi)摩擦角，是一種可以嘗試的治理思路。

圖8 天然休止角－中線塌岸深度（α=26°）Fig.8 The relationship betweenβ and h

圖9 水下磨蝕角－距中線塌岸寬度（φ=39°）Fig.9 The relationship betweenα and S2

圖10 水下磨蝕角－中線塌岸深度（φ=39°）Fig.10 The relationship betweenαand h

水位變幅與距中線塌岸寬度、中線塌岸深度相關關系見圖11、12。可以看出，塌岸寬度隨水位變幅的減小線性減小，本例中，水位若水位變幅＜20m時，最終塌岸范圍在路基外側(cè)，將不影響道路安全。通過合理的庫水運行調(diào)度，可以一定程度減小路基塌岸的范圍。

圖11 水位變幅－距中線塌岸寬度（φ =39°，α =26°）Fig.11 The relationship betw een A and S2

圖12 水位變幅－中線塌岸深度（φ =39°，α =26°）Fig.12 The relationship between A and h

本實例中，中線地面高程和最高運行水位高差，與距中線塌岸寬度、中線塌岸深度相關關系見圖13、14?？梢钥闯?，塌岸寬度受中線塌岸深度與中線地面高程和最高運行水位高差影響不大，亦即，在一定范圍內(nèi)抬高公路線位，對于控制路基塌岸的效果并不明顯。

4 結(jié)論

山區(qū)順直陡峻岸坡塌岸采用考慮土體內(nèi)聚力的圖解法較普通圖解法的塌岸預測寬度大大減小，有效避免解算難以收斂的問題，更為符合塌岸的真實形態(tài)。通過預測實例的分析發(fā)現(xiàn)：天然休止角的提高可大幅減小塌岸范圍；通過灌漿等辦法對岸坡進行處理使水下磨蝕角提高，則可有效減小塌岸深度；合理調(diào)節(jié)運行水位變幅，對控制塌岸范圍和深度較為理想；而通過小范圍抬高公路線位來控制塌岸的效果并不明顯。對于陡峻岸坡路基塌岸的治理應在認真分析塌岸影響因素后，靈活而有針對性地采取最為經(jīng)濟有效的措施。

圖13 中線處地面高程與最高水位高差－距中線塌岸寬度（φ=39°，α =26°）Fig.13 The relationship between a and S2

圖14 中線處地面高程與最高水位高差－中線塌岸深度（φ =39°，α =26°）Fig.14 The relationship betweenαand h

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