李元明，任光明，張 濤

(成都理工大學地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，四川成都610059)

0 引 言

水庫蓄水后，庫岸邊坡將受庫水浸泡、風浪沖擊、水流侵蝕以及庫水位漲落等因素影響，從而加快庫岸塌岸的進程[1-2]?，F(xiàn)今水庫塌岸預測理論已經(jīng)比較成熟[1，3-4]。早在1949年國外學者卡丘金就提出岸坡最終塌岸預測計算公式[2]，之后又陸續(xù)提出很多新的塌岸預測方法，如類比圖解法[5-6]、數(shù)學分析法[2]、平衡剖面法[7]、動力法[8]、王躍敏等提出的“兩段法”[9]、多元回歸法[10]、岸坡結構法[11-12]、基于GIS的三維地理模擬和預測[13]等。但大多數(shù)方法都有其一定的適用性及局限性[5-7]，對于不同的塌岸類型運用合適的塌岸理論變的尤為重要，本文將對其中代表性方法的適用性做進一步探索研究。

在建的白龍江某水庫，庫岸居民點多分布在Ⅲ級階地上，由于水庫蓄水，庫區(qū)塌岸將對兩岸居民安全都帶來了巨大的威脅。因此，詳細地對水庫區(qū)塌岸破壞模式、不同岸坡的塌岸預測研究也是非常必要的。

1 水庫庫岸的基本地質條件及其分段

水庫區(qū)屬中高山峽谷地貌，兩岸山頂高程2 000 m～3 000 m，相對高差600 m以上。根據(jù)庫岸的分段原則，本庫岸共分成3段。其總體工程地質特征分述如下:

Ⅰ段:巖性主要為長城系碧口群(Mtu)的變質凝灰?guī)r、絹云母片巖、變質砂巖、板巖、千枚巖和第四系Q的坡積碎石土、沖積砂卵礫石、洪積塊碎石土、崩坡積物等 。巖層產(chǎn)狀為 NW228°～ 322°/SW ∠37°～66°，以斜向坡居多，發(fā)育4處滑坡。此段下游岸坡較陡且蓄水位附近岸坡主要是土質岸坡，該段易發(fā)生塌岸。

Ⅱ段:巖性主要為震旦系(Z)的結晶灰?guī)r、變質礫巖、砂巖、變質板巖、千枚巖，中泥盆統(tǒng)(D21S)的砂質板巖、變質砂巖、炭質板巖、硅質巖，上游段巖層產(chǎn)狀NW285°～ 311°/SW ∠72°～ 86°，下游段巖層產(chǎn)狀NE76°/SE∠75°。發(fā)育12 處傾倒變形體，9處泥石流。該段下游較上游陡，土質岸坡較上游多，比較容易發(fā)生塌岸。

Ⅲ段:呈中高山峽谷地貌，兩側岸坡聳立，坡度一般在45°以上，植被覆蓋差，巖石裸露。巖性主要有中泥盆統(tǒng)三河口組D21S的砂質板巖、變質砂巖、炭質板巖、硅質巖和第四系的坡積碎石土、沖積砂卵礫石、洪積塊碎石土、崩坡積物等，上游段巖層產(chǎn)狀NE12°～ 78°/NW ∠53°～ 68°，下游段巖層產(chǎn)狀NE75°/SE∠46°發(fā)育傾倒變形體8處，小型坍塌1處，泥石流11處。該段岸坡較緩，蓄水后，河水位較現(xiàn)今河水位抬升不大，基本不會發(fā)生塌岸。

2 庫岸塌岸預測

2.1 塌岸破壞模式

根據(jù)現(xiàn)場調查所得研究區(qū)庫岸段塌岸破壞模式及分布為:滑移型塌岸主要發(fā)生在Ⅲ段，坍塌型塌岸主要發(fā)生在Ⅱ段，沖磨蝕型塌岸主要發(fā)生在Ⅰ段。

2.2 塌岸預測的方法選擇

目前的預測方法大多是屬于經(jīng)驗性或半經(jīng)驗性的，這些方法均有其各自的適用范圍或條件及其局限性。但這些基于工程實踐的預測方法，在實際的工作中仍被廣泛應用。權衡各種預測方法的利弊，再綜合現(xiàn)場調查所得的參數(shù)，選取卡丘金法、類比圖解法、佐洛塔廖夫法、極限平衡法來進行塌岸預測，其原理如下。

2.2.1 卡丘金法[2，14]

依據(jù)實測的洪枯水變幅帶各類巖性岸坡長期穩(wěn)定坡角，根據(jù)幾何關系用圖解法(圖1)求解岸坡最終塌岸預測寬度，其精度取決于計算參數(shù)的選定。

式中:S為塌岸寬度；N為與巖土體類型有關的系數(shù)；A為水位變化幅度；hp為波浪影響深度；hb為浪爬高度，hb=3.2 k?h?tanα；k為與被沖蝕的岸坡表面糙度有關的系數(shù)；h為浪高；hs為正常高水位以上岸坡的高度；α淺灘磨蝕坡角；β水上岸坡的穩(wěn)定坡角；γ原始岸坡坡角。

圖1 卡丘金法預測塌岸圖

2.2.2 類比圖解法[8]

利用現(xiàn)階段不同巖土體水下穩(wěn)定坡角、水位變幅帶坡角和水上穩(wěn)定坡角，與將來水庫蓄水后不同庫水條件下的庫岸岸坡類比，從而進行塌岸預測。

2.2.3 佐洛塔廖夫法[5-6]

其原理為:庫岸再造后的岸坡可分為淺灘外緣陡坡、堆積淺灘、沖蝕淺灘、爬升帶斜坡以及水上岸坡帶五段，通過作圖得到上述5段岸坡，即為庫岸再造的最終岸坡(圖2)，即通過圖解法進行岸坡最終塌岸寬度預測。

圖2 佐洛塔廖夫法預測塌岸圖

β1、β2、β3、β4、β5 分別為這 5 段的穩(wěn)定坡角 ，hp、hb同上。

2.2.4 極限平衡法[15]

以條分法為基礎，將土坡分為多個土條，分析各土條所受的下滑力和抗滑力，用土條上的全部抗滑力矩與滑動力矩之比來定義土坡穩(wěn)定性安全系數(shù)。因此，利用相關軟件自動搜索岸坡在正常蓄水條件下最不利設計工況下最不穩(wěn)定的破裂面，計算其安全系數(shù)，預測塌岸范圍。

2.3 塌岸預測的參數(shù)選擇

通過收集與本電站庫岸物質結構相近的工程實例以類比選取合理的計算參數(shù)。根據(jù)現(xiàn)階段天然河道的平均枯水位、江水漲幅帶、平均洪水位來類比水庫運行期死水位、水位變動帶、最高設計水位。水庫運行后的正常蓄水位為800 m，死水位798 m，將水位800 m以上、798 m～800 m、798 m以下分別對應現(xiàn)在的庫水位以上、變輻帶、枯水位以下，進而確定水下穩(wěn)定坡角、水位變輻帶穩(wěn)定坡角、水上自然穩(wěn)定坡角(表1)。

表1 庫岸穩(wěn)定坡角取值表

卡丘金法預測參數(shù)如表2。

表2 塌岸預測的卡丘金法參數(shù)取值表

2.4 塌岸預測實例

為了詳細了解庫岸段塌岸情況以及每段庫岸段所適用的塌岸預測方法，本文選取每一庫岸段的一個典型剖面來對其塌岸寬度進行預測，從下游至上游分別選取1#、2#、3#庫岸段來進行塌岸預測。

(1)1#庫岸段

根據(jù)現(xiàn)場調查，該庫岸段的地層為第四系塊碎石土，下覆基巖為長城系碧口群板巖、千枚巖、變質砂巖。主要以坍塌、滑移型破壞為主，選取佐洛塔廖夫法參數(shù) β1=β2=18°，β3=28°，β4=45°，β5=50°，Kα=0。類比圖解法參數(shù) α=28°，β=50°。利用這些參數(shù)進行塌岸預測，結果如表3，預測的剖面示意圖如圖3～圖4。

圖3 1#庫岸段剖面塌岸預測示意圖

表3 1#庫岸段塌岸預測結果

圖4 1#庫岸段剖面極限平衡法塌岸預測示意圖

(2)2#庫岸段

根據(jù)現(xiàn)場調查，該庫岸段的地層為第四系塊碎石土，下覆基巖為震旦系砂巖。以坍塌型破壞為主，選取佐洛塔廖夫法參數(shù) β1=16°，β2=14°，β3=21°，β4=23°，β5=41°，Kα=20%。類比圖解法參數(shù) α=21°，β=41°。利用這些參數(shù)對其進行塌岸預測，結果如表4，預測的剖面示意圖如圖5。

(3)3#庫岸段

表4 2#庫岸段塌岸預測結果

根據(jù)現(xiàn)場調查，該庫岸段的地層為第四系塊碎石土，下覆基巖為震旦系砂巖，以沖磨蝕型破壞為主，選取佐洛塔廖夫法參數(shù) β1=12°，β2=12°，β3=21°，β4=23°，β5=39°，Kα=20%。類比圖解法參數(shù) α=21°，β=39°。利用這些參數(shù)對其進行塌岸預測，結果如表5，預測的剖面示意圖如圖6。

表5 3#庫岸段塌岸預測結果

圖5 2#庫岸段剖面塌岸預測示意圖

圖6 3#庫岸段剖面塌岸預測示意圖

由上述可知:佐洛塔廖夫法和類比圖解法預測的塌岸寬度相對接近，卡丘金法整體偏大。由上游至下游，整體塌岸寬度增大。整個庫岸的塌岸寬度主要為十幾米至二十幾米，且塌岸寬度大于30 m的庫岸段大多表現(xiàn)為滑移型塌岸，且主要分布在Ⅰ段。

3 結 論

本文根據(jù)岸坡的結構類型，覆蓋層厚度，基巖覆蓋層接觸帶物理力學參數(shù)等，采用不同的方法對庫岸段調查，得出研究區(qū)庫岸段的塌岸模式以坍塌型和滑移型為主，極限平衡法相對坍塌型和沖磨蝕型而言，更加適用于滑移型。并且滑移型庫岸的塌岸范圍整體比塌岸型和沖磨蝕型較大。佐洛塔廖夫法和類比圖解法預測的塌岸寬度相對接近，卡丘金法預測的結果整體偏大。2#庫岸段塌岸影響高度基本與村莊分布的785m～815m高程接近，部分村莊將會被淹沒。因此，水庫蓄水后對庫水位以上部分居民房屋地基的安全存在嚴重威脅，應采取相應措施。

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